Efter att ha nått puberteten genomgår kroppen av däggdjur , inklusive människor , en rad strukturella förändringar orsakade av åldrande . De flesta av förändringarna är sannolikt resultatet av gradvis vävnadsnedbrytning . Forskning om åldrandets fysiologi är utformad för att upptäcka orsakerna till processen och tillhandahålla metoder för att bromsa den.
Huvuddelen av kroppen, som består av massan av muskler och vävnader, efter att ha nått puberteten, minskar ständigt och är i extrem ålderdom ungefär två tredjedelar av det maximala värdet i ungdomen. Tvärtom ökar vanligtvis den totala kroppsvikten med åldern, eftersom mängden lagrat fett och vatten ökar. Den relativa mängden extracellulär vätska, som minskar under embryonal och postnatal utveckling , ökar med åldern under vuxen ålder. Trots utseende innehåller alla vävnader, även huden , mer vatten på grund av åldrande. Även om vanligtvis muskelmassa också förloras, beror graden av förlust på individens fysiska aktivitet. Det finns bevis för att det mesta av förlusten av muskelmassa med åldern är resultatet av avträning och atrofi , och inte förlust av muskelfibrer.
Minskningen av huvudkroppsvikten åtföljs av en minskning av nivån av metabolisk aktivitet . BMR (metabolism) är störst under perioden med den snabbaste tillväxten av massan, varefter den snabbt minskar tills puberteten uppnås, och sedan avtar minskningen. Hos råttor under den långsamma nedgångsperioden minskar den metaboliska aktiviteten med cirka 20 procent under en treårsperiod. Kärnkroppstemperaturen hålls konstant trots lägre värmeproduktion, vilket orsakas av minskat blodflöde genom huden och minskad värmeförlust, vilket resulterar i en något lägre hudtemperatur. Mängden frivillig fysisk aktivitet, som att springa på ett hjul, minskar vanligtvis med åldern, men är mycket beroende av det enskilda djuret.
Den strukturella integriteten hos ryggradsdjursorganismen beror främst på två typer av proteinfibrer - kollagen och elastin . Kollagen, som utgör nästan en tredjedel av den totala massan av alla proteiner i kroppen, finns i hud , ben och senor . Efter syntes av fibroblastceller är kollagen i en löslig form (tropokollagen). Gradvis lösligt kollagen polymeriserar till en stabil form som kan finnas kvar i vävnader under större delen av ett djurs liv. Hastigheten för kollagensyntes är hög hos ungdomar och minskar under hela livet, så att förhållandet mellan trådformigt och löst kollagen ökar med åldern. Filamentöst kollagen förvandlas till ett proteinnätverk med åldern, som liknar kristallin i ögats lins. Med stigande ålder ökar antalet bindningar mellan kollagenmolekyler, vilket leder till skapandet av en kristallin stel struktur, vilket leder till en total ökning av styvheten i kroppsvävnader.
En annan förändring som följer med åldrandet är den relativa minskningen av mängden glykosaminoglykaner (eller mukopolysackarider, som är komplex av proteiner och kolhydrater), som ett resultat av vilket förhållandet mellan hexoamin- och kollagenkoncentrationer används som en indikator på åldrandet av en viss individ eller person. En viktig konsekvens av dessa förändringar är en minskning av vävnadens permeabilitet för lösta näringsämnen, hormoner , tillväxtfaktorer och antikroppar .
Graden av kollagen åldrande beror på den totala metaboliska aktiviteten hos djuren: råttor som hölls på en lågkaloridiet hade yngre kollagen än andra råttor i samma ålder.
Elastin är en molekyl som är ansvarig för elasticiteten i blodkärlsväggarna . Med åldern sker en förlust av vaskulär elasticitet, främst på grund av fragmentering av kollagen.
Tvärbindningarna mellan kollagenmolekyler liknar kemiskt de tvärbindningar som bildas i läder vid garvning. På grund av denna likhet föreslogs det att använda kemikalier som stör polymerisationsprocesser för att bromsa åldrandet. Men på grund av deras höga toxicitet är användningen av sådana ämnen på djur ännu inte möjlig.
Kroppsvävnader delas in i två grupper beroende på om vävnadscellförnyelse sker. I vissa vävnader förnyas inte celler alls, till exempel i nerver, myokardceller och skelettmuskler , där nya celler inte skapas (åtminstone hos däggdjur) efter ett visst stadium av organismens tillväxt. I andra vävnader, såsom tarmepitel och blod , å andra sidan, förnyas vissa celltyper med några dagars mellanrum och ersätts hundratals gånger under livslängden för även kortlivade djur. Mellan dessa exempel finns många organ som levern , huden , endokrina organen , där celler ersätts långsammare, med perioder på veckor till år hos människor.
Perifera nerver är ett bekvämt mål för studier eftersom det totala antalet fibrer i nervkolonnen kan räknas. Detta har gjorts för de cervikala och thorax spinal nervrötter hos råtta, katt och människa. I den mänskliga buk- och dorsala nervroten minskar antalet nervfibrer med cirka 20 procent från 30 till 90 års ålder. Däremot visar data hos katt, råtta och mus inte en minskning av antalet ryggrotfibrer med åldern. Hos människor minskar antalet luktnervfibrer med åldern, med cirka 25 procent från födseln till 90 års ålder, ungefär lika mycket som antalet synnervfibrer som ger syn.
En signifikant minskning av celler observeras med åldern och antalet levande celler i den mänskliga hjärnbarken. Råttan och människans cerebellära cortex är också mycket känslig för åldrande. Andra delar av hjärnan åldras inte lika mycket.
Det finns en tendens till att högre och mer nyligen utvecklade delar av nervsystemet försämras snabbare med åldrandet jämfört med äldre delar som hjärnpelaren och ryggmärgen . Det är ännu inte känt hur stor andel av cellerna som går förlorade på grund av hjärnans åldrande och hur stor andel som beror på andra orsaker, såsom dålig blodcirkulation. Näring och underhåll av nervceller, neuroner , det centrala nervsystemet är till stor del beroende av glia , små celler som omger neuroner. Det absoluta antalet av dessa celler minskar inte markant med åldern, men en del av de mikroskopiska förändringarna som observeras i nervceller hos äldre liknar dem som orsakas av svält eller fysisk utmattning.
Det har också visat sig att efter vissa sjukdomar, såsom mässling , stannar viruset kvar i värdens kropp under resten av livet och orsakar ibland en snabb försämring av hjärnbarkens funktioner. Detta virus, liksom några andra mindre uppenbara virus, kan också vara ansvariga för individuella skillnader i graden av mänsklig åldrande.
Förnyande vävnader består vanligtvis av en population av prolifererande celler som behåller förmågan att dela sig, och en population av mogna celler som uppstår från prolifererande celler och har en begränsad livslängd. Produktionen av dessa celler måste kompensera för deras förlust, inklusive oväntade förluster orsakade av skada eller sjukdom. Varje tyg har alltså ett eller flera sätt att styra produktionen efter behov. Åldrandet av sådana vävnader uttrycks på flera sätt, i synnerhet en minskning av antalet prolifererande celler, en minskning av celldelningshastigheten och en minskning av aktiviteten hos kontrollsystem. Förändringar i dessa faktorer i musens blodbildande vävnader är små, men de manifesteras mycket tydligt under extrema förhållanden.
Intakt hud förnyar sina celler med några veckors mellanrum, med förmågan att tillfälligt öka cellproduktionshastigheten som svar på skada. Sårläkningshastigheten minskar gradvis med åldern, till en början snabbt och sedan något långsammare.
Ett av de mest bestående tecknen på åldrande är en försämring av förmågan att fokusera ögat på både nära och avlägsna föremål. Denna förlust av visuell ackommodation är resultatet av en försvagning av ögats muskler och en minskning av linsens elasticitet. En annan bidragande faktor är att linsen fortsätter att växa under hela livet, om än i långsammare takt. Denna tillväxt är resultatet av kontinuerlig uppdelning av epitelceller nära linsens konventionella centrum, vilket skapar nya celler som differentierar till linsfibrer. När de väl skapats förblir dessa fibrer på samma plats för alltid.
En viktig komponent i förnyelsemekanismen är stamceller . Dessa celler, som vanligtvis fortsätter att dela sig fritt under hela livet, går in i en fas av snabb spridning inför ökad efterfrågan . Hematopoetisk vävnad innehåller en population av stamceller som reagerar snabbt på skador hos ungdomar, men dess aktivitet minskar med åldern. Den ökade förekomsten av anemi vid hög ålder och det långsammare svaret på blodförlust förklaras vanligtvis av utarmningen av stamceller i de hematopoetiska organen. I vissa andra organ har stamcellspopulationer inte hittats, såsom i tarmslemhinnan, trots den höga celldelningshastigheten.
Signifikanta förändringar inträffar med åldern och i vävnadsmorfologin. Till exempel är en liten grad av vävnadsatrofi vanligt . Den mest märkbara minskningen av brässens storlek , särskilt med tanke på dess roll i immunförsvaret . Den gradvisa minskningen av volymen av cellvävnad och dess ersättning med fett- eller bindväv är mest signifikant i benmärgen och huden . Hela sekretoriska strukturer ( nefroner ) går förlorade i njurarna . De sekretoriska cellerna i bukspottkörteln , sköldkörteln och vissa andra organ minskar också i antal.
En viktig förändring under åldrandet är ackumuleringen av pigment och inerta och eventuellt skadliga material mellan cellerna. Lipofuscinpigment ackumuleras inom gränserna för hjärtmuskelceller - det är vanligtvis frånvarande förrän 10 år efter att en person föds , men dess mängd ökar till nästan 3 procent av cellvolymen vid 90 års ålder . En amyloidsubstans , ett protein-kolhydratkomplex , ackumuleras i vävnader i medelåldern, möjligen en produkt av autoimmuna reaktioner . I det extrema fallet av amyloidsjukdom , en sällsynt autoimmun sjukdom , undertrycks vissa organ faktiskt av amyloidsubstansen. Små mängder metaller ackumuleras också i olika vävnader med åldern, och även om dessa mängder är små, kan vissa metaller förgifta enzymatiska system, stimulera mutationer eller orsaka cancer .
Celler från många däggdjursvävnader kan odlas in vitro (utanför kroppen) under begränsad laboratoriekontroll. Flera linjer av cancerceller har odlats i kontinuerlig odling under många decennier. Tidigt i utvecklingen av vävnadsodlingstekniken hävdades det att vissa kycklingceller ( fibroblaster ) hölls i odling i 20 år. Detta ledde till idén att celler som ständigt delar sig är potentiellt odödliga, och intresset för studier av åldrande har fokuserats på differentierade (vuxna) celler. En population ( klon ) av fibroblaster har en period av frisk tillväxt, under vilken kulturen kan "delas", flera tiotals gånger (det vill säga cellerna går igenom flera tiotals delningar). Efter ungefär den 50:e divisionen går dock kulturerna in i en fas av snabb nedbrytning och dör. Ibland blir kromosomerna i celler mottagliga för mutationer som gör att cellerna kan växa i det oändliga, vilket skapar en subpopulation som fortsätter att växa bortom den 50:e klyvningen. Detta händer mycket oftare i musceller än i mänskliga celler. Sådana mutationer lämnar vanligtvis kromosomförändringar eller förändringar i antalet kromosomer.
Det är nu känt att delande däggdjursceller med en normal kromosomuppsättning har begränsad tillväxtpotential och att den obegränsade tillväxtkapaciteten som cancerceller och transformerade celler uppvisar är resultatet av förlusten av en tillväxtbegränsande faktor. På molekylär nivå, under DNA- replikation , kan polymeraset inte kopiera ändarna av kromosomerna. För att undvika denna begränsning finns det flera RNA- upprepningar i ändarna av kromosomer - telomerer , som tvärtom reduceras i somatiska celler under varje delning. Efter det fullständiga försvinnandet av telomerer i cellen, lanseras ett program för apoptos , programmerad död. Stam- och könsceller har enzymet telomeras , som ständigt fyller på telomerer, och det är mutationer som aktiverar telomeras, eller mutationer som stör apoptosprogrammet och leder till bildandet av "odödliga" celler.
Den begränsade delningspotentialen hos åldrande celler är möjligen förknippad med en minskning av hastigheten för fibroblasteromsättning och långsammare sårläkning med åldern.
En annan aspekt av däggdjurs åldrande är förslitningen av vissa organ som inte kan ersättas. Ett sådant system är tuggapparaten, särskilt käkarna och tänderna . Anpassning av tandslitagehastigheten är mycket viktig hos djur, särskilt växtätare . Exempel på sådana anpassningar inkluderar de övre kronorna (hypsodontia) på tänderna, större yta och längre period av tandtillväxt. Tandslitage kan vara livsbegränsande för djur, vilket ibland är fallet för elefanter , men i de flesta fall är detta en icke-essentiell överlevnadsegenskap. Detsamma gäller för andra yttre bärorgan, som till exempel hornen eller ögonlinsen . Men slitage på inre organ, som ledbrosk, leder dock oftare till att djurens överlevnadsförmåga minskar.
Ett viktigt kroppssystem som lider mycket under åldrandet är immunförsvaret , vars del, det tymusberoende subsystemet, är specialiserat på försvar mot mikrober som kommer in i kroppen och vissa ohälsosamma celler i kroppen själv, som på grund av förändringar övergår i de känns inte längre igen som en del av kroppen, vilket leder till autoimmuna reaktioner. Således tar immunförsvaret del i kroppens försvar mot cancer . Räknar,[ av vem? ] att cancertumörer är resultatet av enstaka celler[ förtydliga ] som är mottagliga för transformation antingen som ett resultat av en genetisk mutation, eller som ett resultat av aktiveringen av ett latent (vilande) virus (även om det finns andra teorier om cancerns ursprung). Det är det tymusberoende immunsubsystemet som bidrar till att cancerutvecklingen upphör.
Det är till exempel känt att immunsuppressionsprocedurer , som vanligtvis utförs under organtransplantation , ofta leder till en ökning av antalet neoplasmer. Det tymusberoende subsystemet kan direkt ge upphov till en autoimmun ålderssjukdom, där immunsystemet börjar uppfatta normal kroppsvävnad som främmande och börjar producera antikroppar mot den. Man tror att det första steget i denna sjukdom är en somatisk mutation i en av cellerna i immunsystemet.
Immunsystemets roll i åldrandet är alltså tillräckligt viktig för att det till och med tidigare ledde till flera immunteorier om åldrande som försökte förklara alla åldrandefenomen i termer av mutationer i immunsystemet.
Förändringar i cirkulationssystemet beror på arten av däggdjur, men är mycket uttalade hos människor. De huvudsakliga fysiologiska förändringarna i cirkulationssystemet är atrofi av hjärtmuskeln, särskilt vänster kammare, förkalkning av hjärtklaffarna, förlust av vaskulär elasticitet och avlagringar av inerta material i kärlen ( ateroskleros ). Konsekvenserna av detta är ett minskat blodflöde och en långsammare reaktion på tillfälliga förändringar i blodbehovet, vilket resulterar i minskad syretillförsel, minskad njur- och leveraktivitet och en allmän minskning av tillförseln av näringsämnen till kroppens celler.
Förlusten av psykologiska och neurofysiologiska förmågor med åldern är utan tvekan till stor del resultatet av neuronal förlust , men förändringar i de metaboliska processerna hos levande celler är också involverade i denna process. Ögats förmåga att anpassa sig till mörker (d.v.s. ökad känslighet vid låga ljusnivåer) minskar med åldern, men en del av denna minskning kan återställas genom att andas rent syre. Det är känt att äldres mentala förmågor också förbättras genom inandning av syre. Etableringen av neurala kopplingar associerade med minne kräver proteinsyntes , så minskningen av proteinsyntesen på grund av minskad syreförbrukning med åldern kan vara en viktig faktor i försämringen av minne och inlärningsförmåga hos äldre människor.
Ett vanligt kännetecken för endokrint åldrande är en minskning av hormonproduktionen. Det är dock ännu inte känt vilka processer som är ansvariga för denna nedgång. Som ett resultat av dessa förändringar minskar kroppsreserver, känslighet för miljöförändringar, stress och kemisk toxicitet.
När vi åldras tappar benen gradvis kalcium och blir mindre starka. Detta kan leda till osteoporos och minskad viktbärande förmåga, vilket ökar risken för frakturer. Förtunningen av kotorna leder också till en minskning av kroppslängden. Dessutom hårdnar kotorna, vilket leder till en ökning av styvheten i hela ryggraden och förlust av manövrerbarhet.
Lederna är också mottagliga för förändring. Faktum är att artrit är ett vanligt tillstånd av ålderdom som tar sig två allmänna former: osteoporos (förslitning av ledbrosk[ förtydliga ] ) och reumatoid artrit (bindvävssjukdom). Dessa tillstånd kan försämra kroppens rörlighet och dagliga aktiviteter.