Тренировка… молекул.

Что конкретно изменяется в мышце при физической тренировке? Что там, внутри, происходит?…

Мы в целом догадываемся, что существуют сложные молекулярные механизмы, в конечном итоге приводящие к изменениям в работе «быстрых» и «медленных» генов. Механизмы эти «включаются» либо механическими воздействиями, либо нервным возбуждением. Но нельзя ли рассмотреть этот вопрос чуток подробнее?…

Нам поможет в этом работа профессора Кристиана Гундерсена (Kristian Gundersen) из Университета г.Осло.

Сначала что-то вроде Азбуки. Итак, скелетная мышца. Её еще называют поперечнополосатой из-за видимого под микроскопом рисунка ткани. Она состоит из множества миофибрилл — длинных многоядерных мышечных волокон двух типов – актина и миозина. Сокращение мышцы происходит в результате смещения нитей миозина относительно нитей актина. Классификаций мышечных волокон много, но, как правило, «в народе» различают два основных типа: быстрые и медленные волокна.

Быстрые получают энергию в ходе анаэробного гликолиза (то есть глюкоза расщепляется до лактата и этанола без присутствия кислорода). Они способны к стремительным сокращениям, однако в процессе гликолиза в них накапливается молочная кислота, а молекул АТФ образуется мало, поэтому быстрые волокна быстро устают.

Медленные волокна хорошо снабжаются кровью и кислородом и получают энергию в процессе окислительного фосфорилирования, более эффективного, чем гликолиз. Однако для доставки кислорода требуется время, поэтому ответа медленных мышц на возбуждение приходится ждать долго. Зато они дольше работают без признаков утомления.

У человека скелетные мышцы содержат оба типа волокон, соотношение которых зависит от роли данной мышцы в организме. Мышцы спины, например, ответственные за поддержание позы, содержат главным образом медленные волокна, а мышцы, которые движут глазные яблоки, — быстрые.

Быстрые и медленные волокна по-разному снабжаются кровью, и от этого тоже зависят их свойства. Но гораздо важнее то, что волокна эти (и, в частности миозин) состоят из так называемых «тяжелых» и «легких» цепей. Так вот, тяжелые цепи в составе быстрых волокон серьезно отличаются от тяжелых цепей в медленных волокнах. Они отличаются и составом, и скоростью расщепления в них АТФ.

Долгое время считалось (да и сегодня так думают многие), что соотношение быстрых и медленных волокон в мышцах конкретного человека предопределено от рождения, и ничего с этим уже не поделаешь: рожденный ползать летать не может! Однако сегодня стало известно, что внешние сигналы могут такое положение изменить. Это свойство называется мышечной пластичностью. Что же это за внешние сигналы?

В первую очередь это – нервный импульс: по нерву на медленные или быстрые волокна приходят из головного мозга различные электрические сигналы. Есть данные о том, что тип сокращения мышечного волокна зависит от количества сигналов, поступивших за определенное время, и от их частоты. Кстати, наш организм чаще использует медленные волокна мышц, так как их работа более эффективна энергетически.

А как обстоят дела с механической нагрузкой? Ведь именно она лежит в основе спортивных тренировок… Ну, на самом деле механическую нагрузку очень трудно отделить от электрической, так как именно нервный импульс и заставляет мышцу сокращаться. Тем не менее, были проведены эксперименты, отделившие влияние электроимпульсов и воздействие нагрузки как таковой. И оказалось, что сама нагрузка способна изменять волокна – превращать быстрые в медленные, например. Совершенно очевидно, что для этого сигналы должны иметь возможность влиять на синтез генов. Как?

Считается, что в активированном мышечном волокне меняются концентрации сигнальных молекул: ионов кальция (Са2+), кислорода, жирных кислот и аденозинмонофосфата (АМР). Эти изменения, в свою очередь, запускают целый каскад внутриклеточных процессов. В частности, в мышцах начинается синтез различных ферментов и факторов транскрипции, которые стимулируют или подавляют работу множества генов, действующих либо в ядрах мышечных волокон, либо в их митохондриях (регулируя энергообмен).

В результате многочисленных взаимодействий между различными белками синтезируются так называемые «факторы транскрипции», которые избирательно регулируют работу специфических «быстрых» или «медленных» генов мышечных волокон. Если определенное внешнее воздействие будет достаточно регулярным и длительным, быстрые волокна станут медленными или медленные волокна станут быстрыми.

А теперь немного биохимии (из работы Kristian Gundersen): «Основной посредник, определяющий влияние нервного импульса на тип мышечного волокна, это Кальций (Ca2+). Быстрый сигнал вызывает в мышцах краткий, но значительный всплеск концентрации кальция, а медленный — более продолжительное, но в целом весьма умеренное повышение концентрации. Ca2+ связывается с белком кальмодулином. При высокой концентрации ионов кальция комплекс «Ca2+-кальмодулин» активирует фермент Ca2+-кальмодулинзависимую протеинкиназу II (CaMKII). Этот фермент активируется и во время физических упражнений. При низкой концентрации Ca2+ кальмодулин взаимодействует с другим ферментом, кальцинейрином, к которому имеет большее сродство. Этот выбор определяет дальнейший путь активации работы генов. Кальцинейрин поддерживает нормальную работу зрелых медленных волокон, он также может быть вовлечен в трансформацию быстрых волокон в медленные. CaMKII, напротив, открывает путь, который активирует быстрые гены и подавляет работу медленных. Изменения в медленном направлении сопровождаются повышенной активностью окислительных ферментов митохондрий. Уровень ферментов гликолиза при этом снижается на 30—60%. Сокращается и размер волокон». Кстати, такие изменения происходят при тренировках на выносливость. Как представляется, это – возможный путь слегка уменьшить размер слишком «больших» с точки зрения нашей персональной эстетики мышц.

Итак, еще раз: В ходе работы мышцы её метаболизм изменяется. Собственно, само сокращение мышечного волокна вызывается повышением концентрации Ca2+. В активных мышцах повышается соотношение АМФ/АТФ, что стимулирует активность фермента АМФ-активируемой киназы (АМФК). Ее активность возрастает во время упражнений. Это – фермент медленных волокон.

В работающих мышцах возрастает концентрация свободных жирных кислот, и они активируют фактор транскрипции PPARδ. Он преобладает в медленных волокнах с активным окислением. Его уровень возрастает при медленной активности и снижается при быстрой.

Работа мышечных волокон зависит от содержания кислорода. При хронической гипоксии (кислородном голодании) волокна изменяются от медленных к быстрым, однако эти изменения могут быть частично обусловлены упражнениями. Есть такой фермент — пролилгидроксилаза HIF-1α (НРН). Он использует молекулярный кислород и взаимодействуют с генами, обеспечивающими устойчивость к гипоксии. При недостатке кислорода фактор HIF-1α изменяет работу генов, контролирующих транспорт глюкозы и гликолиз, и обеспечивает адаптацию клеток к условиям гипоксии. НРН стимулирует трансформацию волокон от медленного типа к быстрому. Если этот белок не синтезируется, клетка переходит к кислородному метаболизму.

Это важно, ибо мы с вами знаем: Большинство видов атлетических упражнений снижают содержание кислорода в мышцах. При этом быстрые гликолитические волокна испытывают более сильную гипоксию, чем медленные/окислительные. Когда мышцы, страдающие от гипоксии, переходят от окисления к бескислородному гликолизу, это полезно.

Размер и сила мышц.

В конечном итоге размер мышц — это результат баланса между анаболизмом и катаболизмом, между синтезом и деградацией белков мышечных волокон. Мы помним, что синтез белка происходит в ядре мышечного волокна, однако одно единственное ядро не может обеспечить потребности огромного по размеру мышечного волокна, поэтому ядер в нем довольно-таки много. И от количества ядер, безусловно, зависят изменения размера самого волокна. Кроме того, при росте мышц клетки-спутники сливаются с мышечными волокнами, отдавая им свои ядра. Кстати, при атрофии эти ядра остаются в волокне, но белковый синтез в них прекращается или заметно снижается, что и происходит в периоды «межсезонья», когда тренировки прекращаются.

Важно еще понимать, что это же явление лежит в основе некоторых аспектов «мышечной памяти», когда тела бывших атлетов «вспоминают» былые тренировки и они прогрессируют куда быстрее новичков…

Для нас актуально, что и белковый синтез, и присоединения новых ядер зависит от механической нагрузки и электрической (нервной) стимуляции мышц. Помимо всего прочего, размер мышц регулируют два вещества, действующие как мышечные гормоны это Миостатин и Инсулиноподобный фактор роста I (IFG-1).

Миостатин подавляет рост мышц. При силовых тренировках уровень миостатина падает, и мышцы растут, потому что количество мышечных волокон и их размер увеличиваются. Однако миостатин влияет только на размеры мышечного волокна и не регулирует синтез сократительных белков, то есть он никак не влияет на силу сокращения мышц.

Второй фактор, Инсулиноподобный фактор роста I (IFG-1), вызывает увеличение размера мышечных волокон и общая мышечная масса возрастает. Его синтез стимулируют упражнения с нагрузкой. Как именно это происходит – пока до конца не установлено. Например, это может происходить в результате влияния IFG на белковый синтез или потому, что фактор активирует сателлитные клетки, и они сливаются с мышечными волокнами. Ученые работают над этим… а качки продолжают качаться!

И вот еще что важно: для успеха тренировок необходимо регулировать не только белковый синтез, но и атрофию мышц. Дело в том, что «безделье» в неактивных волокнах увеличивает концентрацию миостатина, который подавляет синтез белков и рост мышечного волокна. Кроме того, в мышцах идет активный протеолиз, при котором значительная часть мышечных белков попросту растворяется, разлагаются в особом белковом комплексе — протеасоме.

Очевидно, что атлет на тренировках не может постоянно задействовать сразу всё тело, и, казалось бы, отставание отдельных мышц неизбежно. К счастью, в нашем арсенале есть так называемые «базовые» упражнения, например, становая тяга и приседания. Они разом включают в работу сотни мышц, в том числе и те, которые затруднительно задействовать отдельными тренировками. Так что правы те, кто утверждает: Хочешь накачать бицепс – приседай!

Успехов вам на тренировках…

Приложение (из работы Gundersen K):

Рисунок 2. Влияние внешних сигналов на работу генов мышечных волокон (крайне упрощенная схема). Быстрые и медленные сигналы по-разному влияют на концентрацию Са2+ и клеточных метаболитов в мышечных волокнах, молекулы-сенсоры фиксируют эти изменения и запускают каскад межгенных взаимодействий. В результате этих взаимодействий происходит синтез и активизация факторов транскрипции, которые регулируют работу генов, кодирующих быстрые и медленные формы миозина.

Обозначения: АМР — аденозинмонофосфат; АМРК — АМР-активируемая киназа; CaMKII — Ca2+-кальмодулин-зависимая протеинкиназа-II; НРН — пролилгидроксилаза HIF-1α; РКС — протеинкиназа С; PPARδ —фактор транскрипции.

Литература:

Gundersen K., «Excitation-transcription coupling in skeletal muscle: the molecular pathways of exercise», Biol. Rev. (2011), 86, 564–600, doi: 10.1111/j.1469-185X.2010.00161.x