Версия для печатиСпортивная медицина » Специалистам » Новости » Новости спортивной науки » Молекулярные механизмы мышечной усталости

Молекулярные механизмы мышечной усталости


Любой, кто когда-либо бежал 400-метровую дистанцию знает чувство мышечной усталости, но вы будете удивлены, узнав, что молекулярные механизмы этого процесса до сих пор плохо изучены. Данная научная проблема изучается уже более 100 лет и на сегодня известно, что утомление является сложным физиологическим процессом с участием нескольких систем организма. Режим и интенсивность физической деятельности сильно влияет на степень и продолжительность усталости. Например, факторы, вызывающие снижение скорости бегуна в конце 400-метровой дистанции очень отличаются от факторов, являющихся причиной падения работоспособности марафонца перед финишем. Механизмы потери работоспособности весьма сложны, они делятся на центральные, включающие изменение в двигательной зоне коры головного мозга и мотонейроне и на периферические
периферический
в анатомической терминологии - внешний, удалённый от центра. Антоним - центральный....
нажмите для подробностей..
, происходящие непосредственно внутри работающей мышцы.

Профессор Эдвард Деболд из Массачусетского Университета подготовил обзор исследовательских работ, сфокусированных на изучении периферических молекулярных механизмов мышечного утомления. Статья опубликована в августовском выпуске журнала Медицина и Наука в Спорте и Физкультуре (Medicine & Science In Sports & Exercise).

На сегодняшний день господствующие теории молекулярных причин утомления, выражающееся в потере мышечной силы и скорости, предполагают, что оно связано с ингибирующим действием метаболитов мышечной деятельности на сократительные белки. К таким метаболитам относят неорганические фосфат-ионы (Pi), ионы водорода (H+, т.е. ацидоз), АДФ и активные формы кислорода (АФК). Кроме того, названные метаболиты могут влиять на сократительную функцию мышцу опосредованно, изменяя чувствительность миофиламентов к Ca++.

Взаимодействие актина и миозина при мышечном сокращении
Сила и скорость, производимые мышцей, в конечном счете есть результат повторяющихся циклов взаимодействия актина и миозина с затратой энергии, получаемой от гидролиза АТФ. Цикл начинается с вхождения молекулы АТФ в активный центр, находящийся в головке миозина, которая в этот момент прочно связана с актином под углом около 45 градусов. Головка миозина гидролизует АТФ с образованием АДФ и Pi, которые пока еще остаются в активном центре и позволяют головке миозина изменять свою конформацию. При гидролизе образуются энергия, которая расходуется на отсоединение актина от миозина и последующее изменение конформации головки миозина так, что после освобождения она сгибается примерно на 90 градусов по отношению к нити актина. После этого головка вновь присоединяется к актину, пока в еще согнутом положении, образуя актомиозиновый мостик, после чего АДФ и Pi выходят из активного центра. Самое выгодное соединение актина с миозином в положении 45 градусов, поэтому после выхода метаболитов из активного центра головка миозина выпрямляется, продолжая быть соединенной с актином, и таким образом продвигает актин в направлении центра саркомера. После этого цикл повторяется. Таким образом саркомер укорачивается, то есть происходит его сокращение, что и является основой сокращения мышцы в целом. Из всего этого объяснения для нас важны две основные вещи - сила мышцы зависит от количества образующихся актомиозиновых мостиков в каждый конкретный момент времени, а скорость сокращения о скорости освобождения активного центра от метаболитов.

Еще в 1880 г. было установлено, что в интенсивно сокращающихся мышцах снижается pH, таким образом было высказано предположение, что ацидоз является причиной снижения работоспособности. Последние исследования in vitro, позволяющие определить взаимодействие отдельных молекул, показали, что ацидоз действительно напрямую влияет на взаимодействие актина с миозином, снижая силу сокращения путем уменьшения количества актомиозиновых мостиков. Кроме того было показано, что ацидоз замедляет освобождение метаболитов из активного центра и снижает скорость работы миозиновой АТФ-азы, тем самым отрицательно влияя на скорость сокращения.

Существует большое количество доказательств того, что Pi снижает силу сокращения. Предполагают, что повышенная концентрация Pi сокращает цикл взаимодействия актина с миозином за счет более быстрого их отсоединения, однако другие этапы цикла не ускоряются, таким образом количество миозиновых головок в отсоединенном положении увеличивается, следовательно сила сокращение снижается. Однако другая теория предполагает, что потеря силы вызвана главным образом не уменьшением количества актимиозиновых мостиков, а за счет снижения усилия каждого актимиозинового мостика. Исследования этого сложного процесса ведутся и пока однозначного ответа не получено. Также неоднозначно влияние высоких концентраций Pi на скорость сокращения - эффект сильно зависит от условий эксперимента, в некоторых из которых фосфат даже увеличивал скорость сокращения. Эти результаты дали основание предполагать, что Pi и H+ имеют противоположное действие на скорость сокращения и действие ацидоза может быть частично компенсировано действием Pi.

В покое концентрация АДФ внутри мышечной клетки очень низкая (порядка 10 мкМ). Однако при интенсивной работе, когда запасы креатинфосфата, который ресинтезирует АТФ из АДФ, истощаются, концентрация АДФ увеличивается и может достичь 10 мМ и выше. Показано, что в условиях in vitro высокая концентрация АДФ замедляет скорость сокращения без нагрузки, за счет, как предполагается, непосредственного ингибирующего влияния на функцию миозина. В то же время высокая концентрация АДФ имеет противоположный эффект на силу сокращения, дозозависимо вызывая небольшое, но значимое увеличение максимальной изометрической силы мышечных волокон. Этот эффект можно объяснит конкуренцией АДФ и АТФ за связывание с активным центром миозина. Таким образом из-за конкуренции время цикла может увеличится - высокие концентрации АДФ увеличивают время контакта актина с миозином, тем самым увеличивая количество актомиозиновых мостиков в конкретный момент времени, что и увеличивает силу сокращения.

Активные формы кислорода (АФК) и оксид азота (NO) только относительно недавно стали рассматриваться, как вещества, оказывающие влияние на функцию мышечных волокон, однако увеличение объема литературы по этой теме показывает, что они могут играть существенную роль в потере мышечной силы и скорости. Давно известно, что при интенсивной мышечной деятельности образуются АФК, в частности пероксид водорода и супероксид-анион. Показано, что антиоксиданты, в частности дитиотреитол
дитиотреитол
- низкомолекулярный тиолсодержаший восстанавливающий агент. Добавляется в буферные растворы в низкой концентрации для предотвращения окисления сульфгидрильных групп в белках. В высоких концентрациях используется для восстановления дисульфидных связей...
нажмите для подробностей..
предотвращают негативное влияние АФК на работоспособность мышц. Тем не менее, влияние АФК на сократительные свойства изолированных мышц зависит от концентрации. Например, низкие концентрации АФК могут увеличить силу изолированной мышцы, однако при повышении концентрации таких веществ, как пероксид водорода, происходит снижение работоспособности мышцы. В одной из недавних работ были исследованы молекулярные механизмы влияния пероксинитрита (ONOO-) на процесс взаимодействия миозина и актина. Было показано, что ONOO- способен нитрировать остатки тирозина как на актине, так и миозине, тем самым снижая скорость сокращения. В тоже время ONOO- способен увеличивать силу сокращения. Эти противоположные эффекты на силу и скорость схожи с действием АДФ на миозин. Необходимы дополнительные исследования с целью уточнения фундаментальных основ влияния АФК на мышечную усталость и выяснения, оказывают ли они полезное или вредное действие.

В дополнение к прямому влиянию на актомиозиновый контакт, метаболиты мышечной деятельности могут косвенно воздействовать на мышечную функцию через изменение чувствительности миофилламентов к ионам кальция (Ca++). Снижение чувствительности к Ca++ означает, что при одной и той же внутриклеточной концентрации Ca++ мышца будет производить меньшую силу. Это становится наиболее актуально на последних стадиях усталости, когда внутриклеточные концентрации Ca++ истощаются. Описанный в начале сообщения механизм сокращения мышцы возможен только при наличии в среде определенной концентрации Ca++. При снижении концентрации способность к сокращению снижается и достижении пороговой концентрации (меньше 10-7М) пропадает совсем.

По современным представлениям, в покоящейся мышце концентрация ионов Ca++ поддерживается ниже пороговой величины в результате связывания их структурами саркоплазматической сети. Сокращение мышечного волокна при его раздражении от нерва является результатом быстрого выхода Ca++ из саркоплазматической сети в межфибриллярное пространство. Чувствительность актомиозиновой системы к ионам Ca++ обусловлена присутствием на нитях актина белка тропонина, который в несвязанном с Ca++ состоянии блокирует доступ миозиновой головки к месту связывания на актине. В присутствии Ca++ тропонин изменяет свою конформацию, что в конечном счете приводит к разблокированию активных центров актина, способных взаимодействовать с миозином. Таким образом нарушение процессов связывания Ca++ с тропонином приведет к нарушению всего процесса мышечного сокращения.

Показано, что кроме прямого воздействия на актомиозиновую систему ацидоз также может косвенно влиять на механизм мышечного сокращения путем уменьшения чувствительности к Ca++. В исследованиях на сердечной мышце показано, что ацидоз непосредственно уменьшает сродство Ca++ с центрам связывания на тропонине. Также некоторые авторы предполагаю, что H+ может конкурировать с Ca++ за место связывания на тропонине.

Высокие концентрации Pi также снижают чувствительность миофилламентов к Ca++, однако точные молекулярные механизмы, лежащие в основе этого эффекта остаются неясными. Уже точно известно, что этот эффект никак не связан с нарушением процесса связывания Ca++ с тропонином и реализуется совершенно иным путем, чем снижение чувствительности, вызванное ацидозом. Другой метаболит, АДФ, в противоположность ацидозу, способен в высоких концентрациях увеличивать чувствительность к Ca++, тем самым несколько компенсируя негативное влияние H+.

В нескольких исследованиях показано, что АФК способны значительно снижать силу сокращения изолированной мышцы и этот эффект во многом связан с изменением чувствительности к Ca++, в частности с воздействием АФК на тропонин.

Кроме перечисленных выше молекулярных механизмов в развитии усталости могут принимать участие некоторые процессы посттрансляционной модификации белков. Это могут быть процессы разрушения тропонина в процессе мышечного сокращения, которое связывают в деградирующим влиянием АФК. Фосфорилирование сократительных белков также классифицируется как структурное изменение, которое может приводить к снижению функций модифицированных белков. К таким белкам могут относится легкие цепи миозина, тропонин и тропомиозин. Усилению фосфорилирования способствуют высокие уровни Pi, H+ и АФК.

Свой обзор автор заканчивает общим выводом, что этиология
этиология
(греч. aitia причина + logos учение) — 1) учение о причинах и условиях возникновения болезней; 2) причина возникновения болезни или патологического состояния....
нажмите для подробностей..
мышечной усталости является квинтэссенцией вопросов в области физиологии физических упражнений и спорта и вызывает большой интерес у многих современных исследователей. Хотя современная наука значительно продвинулась в понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе этого процесса, остается еще много невыясненных вопросов, которые должны стать предметом будущих исследований.

Ключевые слова: биохимия, утомление

05 Окт 2012 г.

Источник


  • Debold EP. Recent insights into the molecular basis of muscular fatigue. Med Sci Sports Exerc. 2012, vol.44, №8, pp.1440-1452. [Fulltext PDF]




Реклама на сайте









Rambler's Top100

Кодекс этики врачей Рунета