Hа велосипеде: как мышцы реагируют на тренировки Understand article

Переводы Дарьей Буниной (Daria Bunina). Все мы знаем, что физические упражнения делают нас более стройными и здоровыми. Но какие именно изменения в клетках нашего…

Права на фотографию
принадлежат Let Ideas
Compete; ); источник
иллюстрации: Flickr

В очередной раз, тренируясь в спортивном зале или делая пробежку на улице, задумайтесь вот над чем. Идея о ‘мышечной памяти’ — что физические упражнения влияют на состояние мышц намного лет вперед – никогда не была научно показана. Существует ли такой эффект на самом деле, и, если да, то как это работает?

Рисунок 1: Для получения
образца мышцы ноги
участника наших
исследований используется
игла для биопсии. Этот
образец поможет
определить, какие
изменения произошли в
мышечных волокнах в
ответ на различные
упражнения

Права на фотографию
принадлежат Maléne Lindholm
and Susanna Wallman Appel

На эти и некоторые другие вопросы мы надеемся ответить в ходе наших исследований, целью которых является установление изменений, которые происходят в мышцах во время упражнений, а также каким образом наши мышцы ‘знают‘, что нужно по-разному реагировать на продолжительные тренировки в противоположность силовым.

Целая команда добровольцев помогает нам в исследовании этих вопросов. Они не только должны до изнеможения кататься на велосипедах в нашем спортивном зале. Кроме этого, до и после активных упражнений, иногда продолжающихся на протяжении нескольких недель, мы берем крошечные образцы мышц их ног под действием местного обезболивающего (рисунок 1). Цель наших исследований – помочь людям оптимизировать свои тренировки для достижения максимального эффекта, а также в перспективе способствовать разработке лечения для тех, кто не может заниматься спортом из-за паралича или болезней суставов.

Рисунок 2: Перед
упражнениями участники
проходят тест, в котором
собирается весь
выдыхаемый воздух и
определяется количество
кислорода, потребленное
телом. Это дает нам
информацию о физическом
состоянии сердца и мышц
каждого участника

Права на фотографию
принадлежат Maléne Lindholm
and Susanna Wallman Appel

Мы оцениваем физическое состояние добровольцев до и после участия в исследованиях посредством измерения максимального объема потребленного ими кислорода. Они крутят педали до изнеможения на тренировочном велосипеде против нарастающего сопротивления, находясь в то же время в маске для анализа объема потребленного кислорода (рисунок 2). Это дает нам информацию о способности сердца прокачивать кровь и о метаболизме мышц. Оба этих фактора связаны с уровнем физической подготовки испытуемого.

Затем мы изучаем ткани мышц, взятые при биопсии, нарезая и окрашивая их для рассмотрения под микроскопом (рисунок 3), либо измельчая ткани и измеряя концентрации определенных молекул.

Мы, безусловно, знаем, что регулярные упражнения полезны для здоровья. Физически активные люди менее подвержены риску развития сердечнососудистых заболеваний, диабета второго типа и некоторых типов рака. Даже умеренное количество ежедневных тренировок, например, 30 минут быстрого шага, достаточно эффективно. И чем больше мы упражняемся, тем значительнее эффект.

Рисунок 3: Для
визуализации изменений,
происходящих внутри
мышечных волокон в ответ
на упражнения,
применяется микроскоп.
Различные способы
окрашивания помогают
различить различные
структуры внутри клетки.
Здесь определенная
модификация гистона
покрашена красным, ядро
– синим и клеточная
мембрана – зеленым. Чтобы
определить, произошли ли
какие-либо изменения, мы
сравниваем эту фотографию
с фотографией, снятой
перед упражнением.
Нажмите на фотографию
для увеличения

Права на фотографию
принадлежат Maléne Lindholm
and Susanna Wallman Appel

Не только количество упражнений, но и их тип, интенсивность имеют значение. Различные упражнения по-разному влияют на наше тело. Силовые тренировки, такие как тяжелая атлетика, приводят к росту скелетной мускулатуры и увеличению физической силы. В то же время, регулярные продолжительные упражнения, например, бег на длинные дистанции, езда на велосипеде или аэробика, улучшают физическое состояние и снижают утомляемость.

Как регулярные упражнения приводят к таким эффектам? Со временем сердце приобретает способность обрабатывать больше крови за один цикл работы. Всего через несколько месяцев тренировок новые крошечные кровеносные сосуды (капилляры) образуются вокруг мышечных клеток, что обеспечивает хороший приток кислорода. Также, количество митохондрий – ‘энергетических станций клеток’ — со временем возрастает. Внутри митохондрий ферменты, с помощью кислорода, превращают потребленные с пищей сахара и жиры в полезную энергию. Чем больше митохондрий находится в мышечных клетках, тем больше жира и сахаров они могут переработать и дать больше энергии.

Однако точного представления о том, каким образом тренировки вызывают эти изменения, у нас все еще нет. Мы исследуем этот вопрос с двух сторон. Во-первых, как тренировки способствуют увеличению количества митохондрий в клетках скелетной мускулатуры? И во-вторых, как тренировки изменяют особенности использования ДНК в клетке?

Конструируя митохондрии

Митохондрии образуются из молекул белков, поэтому факторы, увеличивающие производство митохондриальных белков могут увеличивать количество митохондрий в клетке. Один из факторов, который играет ключевую роль в образовании митохондриальных белков, это молекула под названием PGC-1α (рисунок 4).

Рисунок 4: PGC-1α является одним из факторов, регулирующих количество митохондрий в волокнах скелетных мышц, таким образом влияя на выносливость. Изменения, происходящие при тренировках, стимулируют образование этого белка, который вместе с другими транскрипционными факторами (PPAR и NRF-1) способствует производству компонентов митохондрий. Нажмите на фотографию для увеличения
Права на фотографию принадлежат Susanne Mükusch
Интерпретация художника
о срезе митохондрии,
показывающем структуру
ее внутренней складчатой
мембраны. Нажмите на
фотографию для
увеличения

Права на фотографию
принадлежат Mariana Ruiz
Villarreal; ); источник
иллюстрации: Wikimedia
Commons

Чтобы ген экспрессировался – то есть, использовался для образования белка – информация из молекулы ДНК в ядре должна быть копирована, или транскрибирована, с образованием молекулы мРНК. Затем молекула мРНК выходит из ядра и попадает в места в клетке, где образуются белковые молекулы.

Процесс транскрипции контролируется ДНК-связывающимися молекулами под названием транскрипционные факторы. Они прикрепляются к цепи ДНК в определенных участках и приводят либо к подавлению, либо к активации транскрипции. PGC-1α вместе с другими транскрипционными факторами участвует в активации экспрессии многих генов, кодирующих митохондриальные белки.

Недавно нам удалось обнаружить, что один тип белка PGC-1α совершенно отсутствует в клетках перед тренировками, но после всего одного часа езды на велосипеде появляется в больших количествах.

Это позволяет предположить, что определенные гены включаются исключительно под действием тренировок, что может пролить свет на понимание влияния упражнений на здоровье. В настоящее время мы исследуем возможные белки-регуляторы PGC-1α, которые могут присоединяться к этому белку и вызывать снижение или увеличение его активности по производству митохондриальных белков.

Эпигенетические факторы

Кроме того, мы исследуем возможные эффекты тренировок на эпигенетику. Эпигенетические изменения влияют на эффективность использования ДНК, не изменяя при этом генетической информации внутри нее. В наших клетках ДНК намотана на белки, напоминающие по форме бусины, называющиеся гистонами. Присоединение небольших химических соединений к цепи ДНК или гистонам влияет на способность транскрипционных факторов достигать нужных генов. Например, добавление метильной группы (CH3) к ДНК обычно делает соседние гены менее доступными и поэтому менее активными. С другой стороны, присоединение ацетильной группы (COCH3) к гистонам обычно разрыхляет эту часть цепи ДНК, делая ее более доступной для транскрипции (рисунок 5).

Рисунок 5: Добавление метильной группы (CH3) к ДНК обычно делает соседние гены менее доступными и поэтому менее активными (А), в то время как присоединение ацетильной группы (COCH3) к гистонам обычно разрыхляет эту часть цепи ДНК, делая ее более доступной для транскрипции (В)
Иллюстрация адаптирована с разрешения Общественного фонда НИЗ (NIH Common Fund) (оригинальную иллюстрацию смотрите на сайте: http://commonfund.nih.gov/Epigenomics/epigeneticmechanisms.aspx)

Используя материал биопсии наших добровольцев, мы надеемся узнать, остаются ли подобные эпигенетические эффекты после продолжительного перерыва в тренировках, а также влияют ли они на ответ организма на последующие тренировки. Основываясь на результатах этих экспериментов, мы сможем ответить на вопрос, существует ли ‘мышечная память’ и, если да, то как это происходит.

Благодарности

Авторы выражают благодарность доценту (Associate Professor) Карлу Йохану Сандбергу (Carl Johan Sundberg) за предоставленную возможность работать в своей лаборатории и за ценные комментарии по данной статье.

Download

Download this article as a PDF

Resources

  • Чтобы узнать больше о роли упражнений в профилактике и лечении различных заболеваний, смотрите:
    • Henriksson J, Sundberg CJ (2008) General effects of physical activity. In Ståhle A (ed) Physical Activity in the Prevention and Treatment of Disease pp 11-37. Stockholm, Sweden: Professional Associations for Physical Activity. ISBN: 9789172577152.

    • WHO (2010) Global recommendations on physical activity for health (Глобальные рекомендации по физической активности для здоровья). ISBN: 9789241599979.

    • Эта публикация доступна в настоящее время на английском, китайском, французском, русском и испанском языках.

  • Для более подробной информации о физиологических эффектах тренировок, смотрите:
  • Следующие статьи содержат дополнительную информацию о подробностях по теме с научной точки зрения:

Author(s)

Мален Линдхольм и Сюзанна Воллман Аппель (Maléne Lindholm and Susanna Wallman Appel) в настоящее время работают над своими кандидатскими диссертациями, изучая эффекты тренировок на работу скелетных мышц и здоровье в целом. Они обе имеют степени магистров биомедицины, полученные в Каролинском Институте (Karolinska Institutet) в Стокгольме, Швеции, где они также преподают физиологию.


Review

Тренировки это род занятий, который относится (или должен относиться) к каждому человеку на планете, именно поэтому им уделяется так много внимания на протяжении десятилетий. Хотя потенциальная польза упражнений хорошо известный факт, истинные причины этого по большей части остаются неясными. Эта статья представляет собой обзор некоторых генетических факторов, которые могут участвовать в наблюдаемых положительных эффектах на физическое состояние человека, подвергающегося упражнениям.

Биологи, а также другие люди, имеющие хотя бы общее представление о генетике, включая способных школьников, вероятно, найдут информацию в этой статье чрезвычайно интересной. Они могут даже подумать об альтернативных путях, по которым тренировки могут приводить к улучшению состояния здоровья.


Михалис Хаджимарку (Michalis Hadjimarcou), Кипр




License

CC-BY-NC-ND