Мышечная работа и силовая нагрузка: молекулярные изменения, реакция моторных единиц
Мышечные волокна получают эфферентную иннервацию от мотонейронов. Мотонейрон и иннервируемые им волокна в совокупности рассматриваются как моторная единица. Потенциал действия, возникающий в мотонейроне, стимулирует следующую вслед за ним генерацию ПД в мышечной клетке, распространяющегося в клетке со скоростью 3-5 м/с. Электромеханическое сопряжение, ведущее к передаче ПД на цитоплазматическую мембрану миоцита, происходит следующим образом. Вспомним, что мембранная система в глубине саркоплазмы (саркоплазматический ретикулум), состоящая из вытянутых трубочек и удлиненных терминальных цистерн, является, кроме прочего, хранилищем ионов кальция, а плотные контакты с Т-трубочками по бокам каждого саркомера называются триадами. Так вот, вытянутые цистерноподобные впячивания сарколеммы (Т-трубочки) передают ПД внутрь мышечного волокна на границе между А- и I-полосами. На уровне триад, в мембранах Т-трубочек, находятся потенциал-управляемые кальциевые каналы – рецепторы дигидропиридина (DHPR) – которые не пропускают ионы кальция, оставаясь закрытыми и работая только в качестве датчиков, улавливающих возбуждение. DHPRs состоят в плотных контактах с кальциевыми каналами, расположенными в мембранах терминальных цистерн – рецепторами рианодина (RyR). ПД ведет к перестройкам DHPR, и, как следствие, к открытию RyR. Результатом данных изменений становится ток ионов кальция из саркоплазматического ретикулума в клетки. За этим следует инициация активности тропонина и тропомиозина, и с задержкой в 10-15 мс происходит мышечное сокращение. То есть, в норме выделение ацетилхолина в нервно-мышечном синапсе приводит к деполяризации мембраны мышечной клетки, высвобождению ионов кальция и, в конечном счете, к сокращению. Частота и длительность нервной стимуляции определяет амплитуду и продолжительность, так называемых, Са2+-волн, а также развиваемую мышцей силу (за счет регуляции концентрации ионов кальция в цитоплазме). Также стоит отметить, что колебания концентрации ионов кальция в цитозоле оказывают влияние на различные сигнальные пути в клетке, компонентами которых являются кальций-зависимые соединения, как например: 1) Са2+/кальцинейрин; 2)Са2+/СаМКII(IV); 3) PKC (кальций-зависимая протеинкиназа С). Благодаря перечисленным ферментам обеспечивается тесная взаимосвязь между мышечным возбуждением и транскрипцией целевых генов, отвечающих за синтез изоформ MyHC, окислительных ферментов, nAChR (nicotinic acetylcholine receptor; никотиновый ацетилхолиновый рецептор), SCL2A4 (solute carrier family 2, member 4), GLUT4, SERCA1, а также генов, регулирующих работу митохондрий. Участие кальцинейрина в сигнальной трансдукции путем дефосфорилирования фактора транскрипции NFAT описано в одном из предыдущих наших постов, посвященных мышечному ответу на нагрузки (vk.cc/6vKqRZ).
Для каждой моторной единицы в отдельность действует правило «все или ничего»: один ПД ведет к единичному сокращению иннервируемых волокон. Амплитуда сокращения одной моторной единицы каждый раз одинакова, поскольку возбуждаются всегда одни и те же волокна. Для мышцы же целиком данное правило уже не является справедливым, поскольку может быть активировано разное количество мышечных волокон в зависимости от возлагаемой нагрузки.
Все мышечные волокна, как мы уже говорили, не идентичны: 1) Typ I – медленные волокна («красные»), богаты миоглобином, в них синтезируется медленная изоформа миозина; данный тип волокон сокращается сравнительно медленно и дают меньший вклад в развиваемую мышцей силу в рассчете на одну использованную молекулу АТФ; 2) Typ II (+ подтипы А и В, характеризующиеся меньшей и большей утомляемостью соответственно) – быстрые волокна («белые»), содержащие меньше миоглобина, в короткое время позволяют мышце развить максимальную силу. Волокна типа I преимущественно тонические, IIА – фазические и тонические, IIВ – в основном, фазические. Итак, подытоживая, можно сказать, что в зависимости от типа мышечные волокна отличаются синтезируемой изоформой MyHC, объемом митохондрий, содержанием миоглобина, плотностью капиллярных сетей, оксидативным потенциалом ферментов. За каждой из этих характеристик стоят функциональные генные домены, независимая регуляция которых осуществляется специфически (в зависимости от типа волокна) в ответ на влияния извне. С одной стороны, возможно, регуляция генетических структур осуществляется в каждом виде волокон по-своему, с другой стороны – возможно, что, например, экспрессия форм MyHC в пределах отдельно взятого волокна неоднородна, и волокна можно рассматривать по данному признаку как «полиморфные».
Точно так же, как различаются между собой типы мышечных волокон, не одинаковы и моторные единицы. Они делятся на типы: S (медленное сокращение, низкая утомляемость), FR (быстрое сокращение, низкая утомляемость), FF (быстрое сокращение, скорое утомление). Если промежуток между двумя ПД меньше, чем длительность одного сокращения, которое может составлять от 50 до 500 мс, то происходит накладывание раздражающих потенциалов (суперпозиция), что приводит к сильному механическому ответу сокращающейся мышцы. Если мышечные волокна успевают расслабиться между поступающими ПД, то тетаническое сокращение осуществляется не в полной мере. Если же интервал между ПД даже меньше, чем 1/3 от длительности одного сокращения, то наблюдается полное тетаническое сокращение (тетанус), развиваемая при котором сила в 3-10 раз выше, чем при однократном сокращении. Таким образом, при быстрых контролируемых движениях мотонейроны генерируют ПД с частотой 6-8 Hz, и, благодаря повторяющимся сокращениям, развивается тетанус, повышающий силу сокращения.
Кроме того, благодаря вовлечению большего количества моторных единиц, сила мышечного ответа может еще больше увеличиваться. Флуктуации кальциевых волн регулируются молекулярными механизмами, что обуславливает специфическую для каждого типа волокон экспрессию генов. Привлечение дополнительных моторных единиц инициируется развиваемой мышечной силой в ответ на нагрузку. Кроме того, количество задействованных при мышечной работе моторных единиц пополняется в последовательности, зависящей от размера тела мотонейрона, а именно – сначала вовлекаются меньше единицы, затем большие. Наименьшие по размеру моторные единицы составляют мышечные волокна первого типа. Соответственно, если требуемая мышечная сила в ответ на нагрузку невелика, то активны только моторные единицы волокон типа I. А если требуется развить большую силу, то вовлекаются все более крупные моторные единицы, пропорционально необходимой силе (особенно это характерно для массивных мышц). Например, для m. vastus lateralis (четырехглавая мышца бедра) было экспериментально доказано, что при субмаксимальных сокращениях до отказа порог, при прохождении которого начинается вовлечение новых моторных единиц, снижается, и при возрастающей усталости их рекрутинг становится все интенсивнее, причем порядок запуска моторных единиц не изменяется. Данный механизм имеет фундаментальное значение, но объяснить его довольно просто: если какие-то мышечные волокна утомляются, их сократительная способность (а значит, и сила) снижается; при этом, чтобы продолжать поддерживать сократимость всей мышцы на прежнем уровне, начинается усиленное возбуждение мотонейронов, ведущее к активации больших моторных единиц, так как порог их возбудимости при повышенном входящем возбуждающем сигнале преодолевается первым.
На основе вышеприведенных данных была сформулирована теоретическая модель активности в пределах мышечных волокон при том или ином типе сокращений. Упрощенно, она выглядит следующим образом. Принимая то, что подход в упражнении выполняется до локального произвольного мышечного отказа (то есть, при постоянном объеме движений все вовлеченные при совершении упражнения мышцы перманентно сопротивляются возложенной нагрузке, без пауз, без прекращения выполнения посреди упражнения), была отмечена равная степень вовлечения моторных единиц при различных вариациях степени напряжения. Одновременно с этими данными были получены сведения о зависимости уровня белкового синтеза от интенсивности тренировки: при равном количестве АТФ и задействованных моторных единицах, биосинтез белка стимулируется также в равной степени, вне зависимости от требуемого сопротивления весу. Расчет проводился в процентах от 1 ПМ (1 повторение с максимальным весом), и при всех вышеперечисленных условиях тренировочная нагрузка в размере 60%, 75% и 90% ПМ сопровождалась одинаковой по интенсивности стимуляцией процесса синтеза белка.
Помимо процессов биосинтеза, тренировочные нагрузки опосредуют также и разрушение белка. Примерно в течение 3-х часов после тренировки синтез белка повышен, и на таком уровне он может сохраняться до 48-ми часов. Если резкий подъем синтеза белка обуславливается изменением трансляционной и посттрансляционной регуляции, то при системных тренировках обнаруживается также повышенный уровень мРНК миофибриллярных белков. В данном случае повышение транскрипции происходит вследствие повышенной ядерной активности миоцитов и за счет внедрения клеток-миосателлитов, что экспериментально было подтверждено на примере трех групп людей – спортсменов-силовиков, людей, занимавшихся силовым видом спорта, но взявших перерыв на несколько недель, и нетренированных людей. У первых двух групп, в сравнении с третьей, на поперечном срезе мышечного волокна было обнаружено большее количество ядер. Также в некоторых исследованиях была отмечена повышенная экспрессия мРНК MyHC-изоформ после многонедельных (6-19 недель) тренировок, включающих концентрические и эксцентрические сокращения мышц. Кроме того, был сделан вывод о том, что изменения генной экспрессии и типов мышечных волокон происходит не одновременно из-за сравнительно медленного превращения белков различных изоформ MyHC. Со временем процент мышечных волокон, в которых наблюдается несовпадение синтезируемого белка и экспрессированной мРНК, увеличивается, как например, в волокнах типа IIX обнаруживалась мРНК MyHC IIA, на матрице которой синтезировался соответствующий белок MyHC, что способствовало превращению исходного мышечного волокна в тип IIA.
Источники:
vk.cc/6vMFn1 - Flück, Hoppeler Molecular basis of skeletal muscle plasticity-from gene to form and function
Booth, Thomason Molecular and cellular adaptation of muscle in response to exercise: perspectives of various models (просто легендарная статья, не смотрите, что древняя, на ней правда основаны многие будущие выводы в данной области)
Pape, Kurtz, Silbernagl Physiologie, Thieme, 2014
M. Toigo Trainingsrelevante Determinanten der molekularen und zellulären Skelettmuskeladaptation, Schweizerische Zeitschrift für „Sportmedizin und Sporttraumatologie“, 2006
Sharples Cellular and Molecular Exercise Physiology: Historical Perspective for the Discovery of Mechanisms Contributing to Skeletal Muscle Adaptation, 2017 (прикреплена к посту)