Что такое миофибриллы в мышцах
Миофибриллы и митохондрии, чем они занимаются в мышцах
Наверное, статья про миофибриллы и митохондрии – одна из самых важных для понимания процесса сокращения, роста массы и тренировки мышц.
Коротко.
Миофибриллы – это сократительные элементы мышечного волокна. Чем их больше в конкретном мышечном волокне, тем большую силу сокращения способно проявить данное волокно.
Митохондрии – это энергетические элементы мышечных волокон. Они дают энергию для сокращения. При этом, чем больше митохондрий внутри конкретного мышечного волокна, тем дольше оно способно производить сокращения – выполнять работу.
Теперь рассмотрим эти мышечные структуры немного подробнее.
Миофибриллы
1. Каждое мышечное волокно состоит из миофибрилл. Конкретному человеку дается определенное количество мышечных волокон, каждое из которых содержит определенное количество миофибрилл.
Чтобы было понятно, что такое миофибрилла. Ее можно сравнить с резиновым жгутиком внутри обыкновенной резинки. Если жгутик – это миофибрилла, то чем больше таких жгутиков, тем толще будет сама резинка, и тем сильнее она будет сокращаться из растянутого положения.
Точно так же и в мышечном волокне. Чем больше внутри него миофибрилл, тем сильнее и быстрее будет сокращение. Грубо говоря, тем больший вес и большую скорость можно развить.
2. Данное от природы количество миофибрилл вполне можно увеличить. В теории – почти до бесконечности. На практике – существуют определенные границы, связанные с гормональной деятельностью организма, правильными тренировками и достаточным питанием.
3. Для того, чтобы увеличить количество миофибрилл, необходимо подвергать конкретное мышечное волокна нагрузке. Если будут соблюдаться 4 основных принципа, необходимые для роста мускулатуры (перечислены в статье Как набрать мышечную массу), тогда количество миофибрилл в мышечном волокне будет постепенно увеличиваться.
4. По мере роста количества миофибрилл, мышечное волокно начнет увеличиваться в размере. А т.к. тренируется одновременно большое количество мышечных волокон, то будет расти и общий поперечник тренируемой мышцы.
5. Если перестать тренировать определенные мышечные волокна, то буквально через месяц-полтора лишние миофибриллы начнут отмирать. Без тренировки количество миофибрилл очень быстро вернется к своему природному уровню.
6. Рост миофибрилл – это длительный процесс. Ускорить природный темп роста миофибрилл способен прием запрещенных гормональных препаратов, прежде всего, тестостерона и гормона роста.
7. Увеличение количества миофибрилл особенно сказывается на увеличении силовых показателей. На локальную выносливость мышечной группы почти не влияет.
Митохондрии
1. Количество митохондрий, напротив, не связано с проявлением силы. Однако прямо влияет на проявление локальной выносливости – способности производить работу без утомления в течение всего времени, пока не закончится энергия.
2. В идеале, митохондрии способны полностью «облепить» миофибриллу. И больше этого количества быть уже не может.
Следовательно, митохондрии являются зависимыми от миофибрилл по пространству. Они могут появляться лишь вокруг миофибрилл до тех пор, пока есть свободное место.
3. Если в мышечном волокне каждая миофибрилл полностью оплетена митохондриями, то такое мышечное волокна является, в буквальном смысле, неутомимым. Оно будет продолжать работу доступной ему мощности до тех пор, пока организм поставляет необходимое для сокращения горючее – жиры, гликоген или глюкозу из крови. Такие мышечные волокна называются окислительными (более подробная информация в статье Типы мышечных волокон).
4. Митохондрии, в отличие от миофибрилл, растут довольно быстро. По современным данным, за полтора месяца правильной тренировки вполне возможно выйти на пик спортивной формы. Т.е. набрать максимальное для определенной мышцы количество митохондрий.
После этого тренировки по наращиванию митохондрий теряют смысл. Однако можно продолжать поддерживать уже существующее количество митохондрий.
5. Без тренировки митохондрии очень быстро стареют и уничтожаются организмом. Период полураспада составляет 10-20 суток, возможно, даже быстрее.
6. Развитие митохондрий требует своих условий для роста: правильная тренировка и избыточное белковое питание.
7. При периодизации тренировочного цикл, вначале необходимо добиваться существенного роста миофибрилл, а затем уже развивать митохондрии.
8. При одновременной тренировке, упражнения аэробной направленности на развитие митохондрий должны предшествовать силовым упражнениям на увеличение количества миофибрилл.
Вывод: Для увеличения силы необходимо сделать упор на развитие миофибрилл. Для повышения аэробных возможностей организма нужно развивать митохондрии. Развитие и миофибрилл и митохондрий повышает как силовые, так и аэробные возможности тренируемых мышц.
Несмотря на некоторую схематичность, информация, изложенная в статье, является крайне важной для понимания процессов любой тренировки.
Потому что миофибриллы и митохондрии – это почти единственное, что удачно поддается тренировке внутри мышечного волокна. (Также мы можем до некоторой степени временно влиять на количество запаса гликогена)
Что такое миофибриллы в мышцах
Около 40% массы тела человека составляют скелегные мышцы, и, вероятно, 10% приходится на долю гладких мышц и мышцы сердца. Некоторые из основных принципов сокращения являются общими для разных типов мышц.
На рисунке показана схема организации скелетной мышцы. Все скелетные мышцы содержат множество волокон диаметром от 10 до 80 мкм. На рисунке также показано, что каждое из этих волокон состоит из последовательно соединенных более мелких элементов.
В большинстве скелетных мышц каждое волокно вытянуто во всю длину мышцы и, за исключением примерно 2%, обычно иннервируется лишь одним нервным окончанием вблизи середины волокна.
Сарколемма. Сарколеммой называют клеточную мембрану мышечного волокна. Она состоит из собственно мембраны клетки, называемой плазматической мембраной, и наружного покрытия из тонкого слоя полисахаридного материала, который содержит множество тонких коллагеновых нитей. На концах мышечного волокна этот поверхностный слой сарколеммы сливается с сухожильными волокнами. Сухожильные волокна, в свою очередь, собираются в пучки и формируют мышечные сухожилия, вплетающиеся в кости.
Миофибриллы. Нити актина и миозина. Каждое мышечное волокно содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч миофибрилл, которые представлены на поперечном срезе в виде небольших светлых точек. Каждая миофибрилла собрана примерно из 1500 смежных нитей миозина и 3000 нитей актина, представляющих собой большие полимеризованные белковые молекулы, ответственные за мышечное сокращение. Они видны в продольном сечении на электронной микрофотографии. Толстые нити на схемах — миозиновые, тонкие — актиновые.
Обратите внимание, что на рисунке актиновые и миозиновые нити частично перекрываются, в связи с чем миофибриллы имеют чередующиеся светлые и темные полоски. Светлые полоски содержат только актиновые нити, их называют I-полосками, поскольку они изотропны в поляризованном свете. Темные полоски содержат миозиновые нити, а также концы актиновых нитей, которые частично накладываются на миозиновые нити. Эти полоски называют А-полосками, поскольку они анизотропны в поляризованном свете. На рисунке видны также маленькие выступы по сторонам миозиновых нитей. Это так называемые поперечные мостики. Их взаимодействие с актиновыми нитями лежит в основе сокращения мыщц.
Электронная микрофотография миофибриллы, демонстрирующая детальную организацию актиновых и миозиновых нитей. Видны митохондрии, лежащие между миофибриллами.
На рисунке показано также, что концы актиновых нитей прикреплены к так называемому Z-диску (Z-мембране). Отсюда актиновые нити распространяются в обе стороны, проходя между миозиновыми нитями. Z-диск, состоящий из нитевидных белков, отличающихся от актиновых и миозиновых нитей, проходит в поперечном направлении через миофибриллу, а также через все мышечное волокно, переходя от одной миофибриллы к другой, скрепляя их между собой. В связи с этим целое мышечное волокно, как и отдельные миофибриллы, имеет светлые и темные полоски. Эти полоски придают скелетным и сердечной мышцам характерный полосатый вид.
Часть миофибриллы (или целого мышечного волокна), расположенную между двумя последовательными Z-дисками, называют саркомером. В сокращенном мышечном волокне длина саркомера равна примерно 2 мкм. При этой длине актиновые нити полностью перекрывают миозиновые, и кончики актиновых нитей начинают перекрывать друг друга. Мы увидим далее, что при этой длине мышца способна генерировать максимальную силу сокращения.
Что удерживает актиновые и миозиновые нити на месте? Удерживать актиновые и миозиновые нити рядом довольно трудно. Это обеспечивается с помощью большого числа нитевидных молекул белка, называемого тайтином. Каждая молекула тайтина имеет молекулярную массу около 3000000, что делает ее одной из самых крупных белковых молекул в организме. Кроме того, поскольку молекула тайтина волокнистая, она очень упруга. Упругие молекулы тайтина образуют каркас, удерживающий актиновые и миозиновые нити в положении, обеспечивающем нормальную работу сократительного аппарата саркомера. Это позволяет полагать, что сама молекула тайтина действует как матрица для начального формирования участков сократительных нитей саркомера, особенно миозиновых нитей.
Саркоплазматический ретикулум во внутриклеточных пространствах между миофибриллами с системой продольных трубочек, параллельных миофибриллам. Показаны также в поперечном сечении Т-трубочки (стрелки), которые связаны с внеклеточным пространством и отвечают за проведение электрического сигнала в центр мышечного волокна.
Саркоплазма. В каждом мышечном волокне многочисленные миофибриллы расположены рядом, бок о бок. Пространство между ними заполнено внутриклеточной жидкостью, называемой саркоплазмой и содержащей большое количество калия, магния и фосфатов, а также множество ферментов. Кроме того, имеется огромное число митохондрий, расположенных параллельно миофибриллам. Они снабжают сокращающиеся миофибриллы большим количеством энергии в форме аденозинтрифосфата, синтезируемого митохондриями.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Состав, строение и функции миофибриллы
Описан состав, строение и функции миофибриллы. При силовой тренировке наблюдается миофибриллярная гипертрофия – увеличение количества и объема миофибрилл. У детей гипертрофия миофибрилл происходит за счет их роста в длину, при силовой тренировке – в толщину.
Состав, строение и функции миофибриллы
Общая характеристика
Для того чтобы понять, какие механизмы лежат в основе гипертрофии мышц, нужно рассмотреть состав, строение (структуру) и функции миофибриллы.
Миофибриллы представляют собой органеллы специального назначения мышечного волокна. Это – тонкие белковые нити, расположенные вдоль мышечного волокна параллельно друг другу (рис.1). Миофибриллы, в отличие от других компонентов мышечного волокна, не имеет оболочки. Роль оболочки играет саркоплазматический ретикулум, который окружает каждую миофибриллу в виде «муфточки». Миофибриллы идут от одного конца мышечного волокна до другого, их длина соответствует длине волокна.
Рис.1. Миофибриллы мышечного волокна, окруженные саркоплазматическим ретикулумом
Функции миофибриллы
Миофибриллы – основные сократительные элементы мышечного волокна, поэтому их основная функция — укорочение под воздействием нервного импульса. Вследствие этого мышца развивает определенную силу.
Состав миофибриллы
Миофибриллы состоят из элементов, имеющих цилиндрическую форму – саркомеров, которые расположены последовательно, друг за другом вдоль миофибриллы (рис.2). Друг от друга саркомеры отделены Z-дисками (в плоскости – Z-линии). Миофибриллу можно сравнить со стеблем бамбука, длинные секции которого соединяются друг с другом толстыми дисками. Длина одного саркомера в среднем равна 2,5 мкм, поэтому в одной миофибрилле длиной 5 см находится до 20000 саркомеров.
Рис.2. Миофибрилла состоит из саркомеров
Расположение в мышечном волокне
В мышечном волокне может содержаться от нескольких десятков до нескольких тысяч миофибрилл. Каждая миофибрилла в мышечном волокне «привязана» к соседней посредством белковых соединений, которые называются промежуточными филаментами. Все периферические миофибриллы имеют связь с оболочкой мышечного волокна (сарколеммой) посредством белковых структур, которые называются костамерами.
Рис. 3. Связь периферических миофибрилл с оболочкой мышечного волокна (сарколеммой) посредством белковых структур, которые называются костамерами.
Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах «Гипертрофия скелетных мышц человека» и «Биомеханика мышц«
Влияние силовой тренировки на объем и количество миофибрилл
Доказано, что под влиянием силовой тренировки в мышечном волокне увеличивается количество миофибрилл и их объем. Это явление называется миофибриллярной гипертрофией.
Увеличение количества миофибрилл называется гиперплазией миофибрилл. Увеличение объема миофибрилл называется гипертрофией миофибрилл.
У взрослых объем миофибрилл возрастает за счет изменения площади поперечного сечения миофибриллы (она становится толще). Ученый Голдспинк еще в 1970 году доказал, что при достижении миофибриллы больших размеров, она расщепляется на две миофибриллы.
Гипертрофия миофибрилл у детей
У детей происходит увеличение длины мышц, соответственно «растут» в длину и миофибриллы. Это происходит за счет добавления саркомеров на концах миофибрилл. Таким образом увеличивается объем миофибрилл, то есть происходит их гипертрофия.
Неиспользование
Если конечность травмирована, например, наложен гипс, и фиксирована длина мышцы, через несколько часов длина мышцы начинает уменьшаться. Длина миофибрилл также уменьшается. Это происходит за счет разрушения саркомеров, расположенных на краях миофибрилл. Кроме того, происходит уменьшение толщины миофибрилл и их количества.
Микростроение мышц. Миофибриллы
Содержание
Мышечное волокно [ ]
Миофибриллы [ ]
Строение мышцы
сокращение. Служат для сокращений мышечных волокон. Миофибрилла — нитевидная структура, состоящая из саркомеров. Каждый саркомер имеет длину около 2 мкм и содержит два типа белковых филаментов: тонкие миофиламенты из актина и толстые филаменты из миозина.
Границы между филаментами (Z-диски) состоят из особых белков, к которым крепятся концы актиновых филаментов. Миозиновые филаменты также крепятся к границам саркомера с помощью нитей из белка титина (тайтина). С актиновыми филаментами связаны вспомогательные
белки — небулин и белки тропонин-тропомиозинового комплекса.
У человека толщина миофибрилл составляет 1-2 мкм, а их длина может достигать длины всей клетки (до нескольких сантиметров). Одна клетка содержит обычно несколько десятков миофибрилл, на их долю приходится до 2/3 сухой массы мышечных клеток.
Митохондрии [ ]
Ретикулум [ ]
Саркоплазма [ ]
Саркоплазма занимает внутреннее пространство мышечных клеток и представляет собой коллоидный раствор, содержащий белки, гликоген, жировые капли и другие включения. Белки саркоплазмы составляют 25-30% от всех белков мышц. Среди элементов саркоплазмы есть некоторые, заслуживающие особого внимания:
а)ферменты гликолиза, расщепляющие гликоген/глюкозу до пировиноградной или молочной кислоты;
б)фермент креатинкиназа, участвующий в запуске фосфогенной энергетической реакции;
в) белок миоглобин, идентичный по строении белку крови гемоглобину. Благодаря этому белку в мышечной ткани создается запас кислорода.
д) аминокислоты глутаминовая кислота и глутамин
ж) жиры.Запасной жир накапливается в мышцах, тренируемых на выносливость.
Сарколемма [ ]
Мышцы внутренней секреции
Наталья Резник,
кандидат биологических наук
«Химия и жизнь» №9, 2016
В движенье — жизнь
Помните, как у Жванецкого: «Может быть, большой спорт — это плохо. Но элементарная физическая подготовка. » Да, она необходима, причем не только для того, чтобы без труда догнать отъезжающий автобус или классно выглядеть на пляже. Физическая активность — залог активного долголетия, и это не лозунг, а экспериментально установленный факт. Доказывать его начали, как обычно, на грызунах. Например, у крыс, которые могли в свое удовольствие бегать в колесе, выживаемость, то есть количество особей, достигших определенного возраста, достоверно выше, чем у животных, лишенных возможности тренироваться. У мышей упражнения улучшают работу нервной системы, в том числе нервно-мышечных синапсов, снижают уровень гипергликемии и нормализуют содержание холестерина. Физическая активность благотворно влияет на сердце, почки, мозг и печень разных животных. Данные эпидемиологических исследований подтверждают, что и людям она продлевает здоровье и жизнь. И напротив, при сидячем образе жизни часто развиваются сахарный диабет 2-го типа, сердечно-сосудистые заболевания, ожирение, рак молочной железы (в постменопаузе) и другие злокачественные опухоли, а также слабоумие, депрессия и нейродегенеративные заболевания, такие, как болезнь Альцгеймера.
Есть несколько гипотез, объясняющих связь здоровья и движения. Замечено, например, что занятия физкультурой стимулируют выделение адреналина, кортизола, гормона роста, пролактина и других молекул, регулирующих работу иммунной системы. Длительные систематические тренировки снижают уровень стрессовых гормонов. Кроме того, и это отмечают многие исследователи, физическая активность позволяет избавиться от причины многих болезней — хронического системного стерильного воспаления. Названо оно так потому, что развивается в отсутствие инфекции — в результате аутоиммунных процессов или других событий. Хроническое стерильное воспаление — частый спутник малоподвижного образа жизни. Это очень опасное явление, чреватое развитием инсулиновой резистентности, атеросклероза, нейродегенеративных заболеваний и злокачественных опухолей (см. «Химию и жизнь» № 7, 2013). Цитокины воспаления выделяют разросшаяся адипозная ткань, а также печень и малоактивная скелетная мускулатура. Изменить ситуацию могут физические упражнения, они прекрасно помогают даже людям, которые начали заниматься уже в преклонном возрасте, чтобы предотвратить или остановить развитие каких-либо недугов. Но тут важно не переусердствовать, потому что чрезмерная физическая активность также провоцирует воспаление, ослабляет иммунную систему и повышает риск развития инфекционных заболеваний. Мышечная работа и воспаление связаны друг с другом сложным образом, и упражнения могут как помочь, так и навредить, в зависимости от амплитуды, частоты и других переменных. Серьезные занятия спортом без инструктора сродни самолечению.
Мышцы и PGC-1α
Движение человеческого тела обеспечивают около 600 скелетных мышц, которые составляют примерно 40–50% массы тела. Они состоят из миофибрилл, сформированных слившимися клетками-миобластами, а миофибриллы — из нитей актина и миозина, организованных в повторяющиеся блоки-саркомеры. Движение этих нитей друг относительно друга вызывает сокращение мышц. В отличие от гладкой и сердечной мускулатуры скелетные мышцы сокращаются произвольно по сигналу нейромедиатора ацетилхолина.
Работа требует энергии. При динамических сокращениях, для которых нужна выносливость (длительный бег, плаванье), и при поддержании позы энергию обеспечивает АТФ, получаемая за счет окислительного фосфорилирования, происходящего в митохондриях. Окисляются в первую очередь глюкоза и гликоген. При движениях, требующих большой силы и скорости (спринтерский бег, поднятие тяжестей), мышечные волокна расщепляют гликоген анаэробным путем в процессе гликолиза. При этом АТФ образуется в два-три раза быстрее, а механическая энергия, производимая мышцей, в два-три раза больше, чем при окислительном фосфорилировании. Но и усталость в этом случае наступает значительно быстрее.
В зависимости от типа совершаемой работы мышечные волокна синтезируют разные регуляторы транскрипции, ростовые факторы и другие молекулы, которые позволяют им адаптироваться к тому или иному виду нагрузки. Силовые тренировки приводят к преимущественному развитию так называемых быстрых волокон, которые используют гликолиз для синтеза АТФ. При соответствующих нагрузках увеличиваются их количество и площадь поперечного сечения. Волокна, которые совершают динамическую работу, называются медленными. Им нужны много митохондрий, развитая капиллярная сеть для снабжения кислородом, противодействие деградации белков, апоптозу и воспалению. Значительную роль в обеспечении этих потребностей играет регулятор транскрипции PGC-1α (коактиватор рецептора пролиферации пероксисом), который синтезируется при сокращении медленных волокон. Запомним этот белок, это один из главных персонажей нашего рассказа. Пожалуй, его роль в миофибриллах не меньше, чем у актина с миозином. У мышей он регулирует экспрессию более полутора тысяч генов: активность одних подавляет, других стимулирует, сколько у людей — пока не посчитали. У PGC-1α много функций, в том числе он стимулирует образование митохондрий, окисление жирных кислот и устойчивость к мышечной атрофии. Трансгенные мыши с избытком PGC-1α накачаны и мускулисты, а животные с неактивным геном обладают очень слабой выносливостью. Во время физических упражнений выделяются клеточные факторы, которые модифицируют белок PGC-1α, делая его более стабильным, а следовательно, и активным. По окончании тренировки уровень PGC-1α возвращается к норме в течение часа.
При длительных, систематических тренировках на выносливость доля медленных волокон возрастает за счет быстрых, и существенную роль в этих превращениях играет опять-таки PGC-1α (рис. 1). В тренированных мышцах уровень PGC-1α выше, чем в нетренированных, даже в состоянии покоя, а поскольку он регулирует метаболизм и работу многих генов в миофибриллах, то физическая нагрузка может быть полезна при некоторых заболеваниях, связанных с нарушением мышечной активности. Исследования на мышах подтвердили, что PGC-1α действительно смягчает последствия миопатии Дюшенна и митохондриальной миопатии (истощении мышц при нарушении работы митохондрий).
Рис. 1. Роль PGC-1α в мышечных волокнах, тренированных на выносливость
А еще PGC-1α подавляет активность фактора NFκB, основного регулятора экспрессии провоспалительных генов. Следовательно, сидячий образ жизни провоцирует синтез провоспалительных цитокинов и развитие местных и системных воспалений, прискорбные последствия которых мы уже обсуждали.
Все мы слышали, что в здоровом теле здоровый дух. И это действительно так, потому что PGC-1α оберегает и от депрессии. Эта болезнь отравляет жизнь миллионам людей во всем мире. Депрессия связана с образованием кинуренина — продукта деградации триптофана — под действием стресса и воспаления. Синтез кинуренина происходит главным образом в почках, печени и клетках иммунной системы, но оттуда вещество попадает в кровь и мозг. Кинуренин вызывает гибель нейронов и воспаление нервной ткани, приводит к депрессии. Специалисты Каролинского университета (Швеция), экспериментируя с мышами, обнаружили, что PGC-1α усиливает синтез фермента кинуренин-аминотрансферазы в скелетных мышцах (Cell, 2014, 159, 33–45, doi: 10.1016/j.cell.2014.07.051 ). Этот фермент тоже попадает в кровь и превращает кинуренин в кинуреновую кислоту, которая не может преодолеть гематоэнцефалический барьер. Содержание кинуренина в плазме сокращается, что защищает мозг от повреждений и стресс-индуцированной депрессии. Исследователи не исключают, что PGC-1α можно использовать в терапевтических целях, но не полезнее ли заняться физкультурой?
Итак, физическая активность, в основном тренировки на выносливость, повышает уровень и активность PGC-1α, который благотворно влияет на многие жизненно важные процессы или уберегает нас от проблем со здоровьем. Кроме того, мышечные сокращения и PGC-1α активизируют синтез белков, которые влияют на процессы, происходящие как в мышечной ткани, так и в других органах, поэтому скелетную мускулатуру можно с полным правом считать органом внутренней секреции (рис. 2). Эти регуляторные белки называют миокинами. Список миокинов постоянно растет, причем в него нередко попадают соединения, уже известные нам в другом качестве, например интерлейкины — продукт синтеза лейкоцитов и непременные участники иммунного ответа.
Рис. 2. Мышечная ткань — орган внутренней секреции
Интерлейкины
В списке миокинов пока три интерлейкина: ИЛ-6, ИЛ-8 и ИЛ-15. ИЛ-6 и ИЛ-15 известны как факторы воспаления, кроме того, ИЛ-6 вызывает инсулиновую резистентность, а также при определенных условиях повышает уровень противовоспалительных цитокинов. ИЛ-8 отвечает за привлечение нейтрофилов и ангиогенез. В мышечных клетках у них другие задачи. Все три белка — типичные миокины, их синтез в скелетной мускулатуре и концентрация в плазме крови возрастают после физической нагрузки, причем на ИЛ-8 влияют в основном упражнения, при которых нагруженная мышца удлиняется.
ИЛ-6 действует на разные ткани. Он запускает каскады биохимических реакций, в результате чего мышечные клетки потребляют больше глюкозы и активно окисляют жирные кислоты, в жировой ткани усиливается липолиз, в печени — расщепление гликогена и образование глюкозы, в поджелудочной железе — секреция инсулина. Образование глюкозы в печени и выделение жирных кислот из адипозной ткани обеспечивают энергией работающие мышцы.
Роль ИЛ-8 в скелетной мускулатуре пока неизвестна, но есть основания полагать, что этот фактор стимулирует рост новых сосудов.
ИЛ-15 изначально известен как мышечный анаболик, он также вызывает синтез сократительных белков, способствует поглощению глюкозы и окислению жирных кислот, у крыс противодействует раковой кахексии (истощению). Чем выше концентрация этого миокина в плазме у людей, тем меньше у них белого жира, а у крыс он усиливает термогенез.
Нейротрофические факторы
Эти белки, как следует из названия, синтезируются в нервных клетках и регулируют их развитие и деятельность. Например, нейротрофический фактор мозга BDNF влияет на обучение и память, его нехватка связана с ожирением и диабетом 2-го типа. Однако после физических упражнений уровень BDNF в крови существенно возрастает, причем 70–80% этого количества потребляет мозг. В скелетной мускулатуре BDNF усиливает окисление жиров и регулирует регенерацию клеток.
Другой белок, цилиарный нейротрофический фактор CNTF, отвечает за работу остеобластов — клеток, которые строят костную ткань. У мышей, дефицитных по этому гену, кости массивные и плохо минерализованные. У граждан, ведущих малоподвижный образ жизни, при нехватке CNTF часто развивается остеопороз (нарушение метаболизма костной ткани, влекущее за собой их хрупкость). При кальцификации мышц и разрастании надкостницы физическая активность, напротив, вредна, потому что усиленный синтез CNTF только усугубит эти признаки.
Факторы роста
Фактор роста эндотелия сосудов VEGF действительно регулирует рост эндотелия и стимулирует ангиогенез. Его синтез в мышечных волокнах находится под контролем PGC-1α и скоординирован с синтезом другого миокина, SPP1. Этот белок стимулирует активность макрофагов, клеток эндотелия и гладкой мускулатуры, чем тоже способствует образованию капилляров. (О том, как синтез VEGF помогает при ишемии нижних конечностей, см. в статье «Гены против ампутации», «Химия и жизнь» № 7, 2016.)
Факторы роста фибробластов регулируют деление, рост и дифференцировку клеток и клеточный метаболизм. Один из них, FGF21, синтезируется преимущественно в печени, а также в жировой ткани, поджелудочной железе и скелетной мускулатуре. В зависимости от места синтеза FGF21 выполняет разные функции. Печеночный стимулирует экспрессию PGC-1α, которая, в свою очередь, активирует окисление жирных кислот и синтез глюкозы в печени. В жировой ткани FGF21 увеличивает потребление глюкозы, а трансгенных мышей избыток FGF21 защищает от развития ожирения. Этот белок снижает у грызунов-диабетиков уровень сахара и триглицеридов в крови, то есть теоретически может быть лекарством.
Синтез FGF21 в скелетной мускулатуре зависит не от мышечной нагрузки, а от избытка инсулина или низкой температуры. В первом случае FGF21 регулирует уровень инсулина, во втором стимулирует термогенез в клетках бурого жира.
Три миокина и термогенез
Недавно в списке миокинов появились три новых члена: иризин, метеорин-подобный белок Metrnl и β-аминоизомасляная кислота (BAIBA). Все три миокина стимулируют термогенез в клетках бурого жира.
Иризин образуется при сокращении и дрожании скелетной мускулатуры, он участвует в преобразовании белого жира в бурый и усиливает термогенез, не давая разрастаться жировой ткани. Под влиянием физической нагрузки и PGC-1α иризин синтезируется также в гиппокампе, стимулируя синтез BDNF и нейрогенез в этой области мозга. У мышей иризин ускоряет метаболизм скелетных мышц и увеличивает расход энергии в мышечных клетках, а как обстоит дело у людей, еще предстоит выяснить.
Metrnl — гормон, синтез которого усиливается в клетках скелетной мускулатуры при упражнениях и в белой жировой ткани на холоде. В отличие от иризина синтез Metrnl зависит не от РGC-1α, а от его сплайсированной формы РGC-1α4, которая образуется при силовых тренировках и регулирует работу другого набора генов. Metrnl увеличивает расход энергии, увеличивает толерантность к глюкозе при ожирении и диабете и способствует побурению белого жира.
BAIBA, хотя и не белок, ведет себя как классический миокин: синтезируется в активных мышцах по сигналу РGC-1α, активирует термогенез и побурение белого жира и усиливает окисление жирных кислот в клетках печени. Содержание BAIBA в крови обратно пропорционально факторам риска сердечно-сосудистых и метаболических расстройств, и ученые предполагают, что он защищает от метаболического синдрома.
Все три миокина активно вызывают побурение белой адипозной ткани, стимулируя таким образом выделение энергии. Возможно, скелетные мышцы регулируют и координируют оба вида термогенеза: дрожательный, происходящий при сокращении скелетной мускулатуры, и недрожательный, протекающий в бурой жировой ткани (о превращении белого жира в белый и недрожательном термогенезе см. «Химию и жизнь» № 7, 2016). Действительно, иризин, как и FGF2, синтезируется в ответ на холод, и его секреция тесно связана с интенсивностью дрожания.
Двое против рака
Активный образ жизни не только снижает риск развития метаболических расстройств, но, возможно, защищает от некоторых типов злокачественных опухолей. Так, по данным Всемирного фонда исследования рака, физические упражнения снижают вероятность развития рака молочной железы и толстого кишечника на 25–30%. Ученые по-разному объясняют это влияние. В частности, два недавно обнаруженных миокина, SPARC и OSM, подавляют деление раковых клеток в толстом кишечнике и молочной железе и вызывают их апоптоз. Какую роль выполняют эти белки в здоровом теле, пока неясно. Возможно, они регулируют деление и апоптоз клеток в сокращающихся мышечных волокнах, но не исключено, что действие SPARC и OSM на нераковые клетки вообще не связано с их делением и гибелью.
Список миокинов получился длинным и, возможно, утомил читателя. Однако он был бы неполным без миостатина, который можно назвать антимиокином: мышечные сокращения не стимулируют, а подавляют его синтез.
Мутация Геракла
Миостатин (MSTN) относится к группе факторов роста. Он синтезируется в неактивных мышцах и препятствует образованию мышечной ткани: горы мускулов, если ими не пользоваться, только напрасно поглощают энергию. Регулярные физические тренировки, как силовые, так и аэробные на выносливость, подавляют синтез миостатина, что способствует образованию рельефной мускулатуры. Ген MSTN очень консервативен, его последовательность у всех позвоночных практически одинакова. У лабораторных мышей, лишенных гена MSTN, масса мышечной ткани в два-три раза больше, чем у грызунов дикого типа. Мутации MSTN, нарушающие синтез белка, приводят к появлению чрезвычайно мясистых коров и овец с гипертрофированной мускулатурой. У всех миостатиновых мутантов понижено содержание жировой ткани. По-видимому, жировая масса уменьшилась главным образом вследствие увеличения мышечной, а не из-за отсутствия миостатина.
Рис. 3. Уиппеты дикого типа (+/+), а также гетерозиготные и гомозиготные по мутации mh, инактивирующей ген MSTN
Исследователи планировали поискать подобную мутацию у других видов. А медики из Германии и Соединенных Штатов несколькими годами ранее наблюдали чрезвычайно мускулистого мальчика, родившегося в берлинской клинике Шарите (The New England Journal of Medicine, 2004, 350, 2682-8, doi: 10.1056/NEJMoa040933 ). Новорожденный поразил специалистов развитой мускулатурой рук и ног, к четырем с половиной годам мальчик продолжал наращивать мышечную массу и мог держать на вытянутой руке трехкилограммовую гантель (рис. 4). Мальчик пока здоров.
Рис. 4. Мальчик с неактивным геном миостатина. Справа — новорожденный, слева — в возрасте семи месяцев. Обратите внимание на рельефные мышцы икр и бедер
Проводя жизнь в кресле, мы лишаем себя множества полезных белков, которые могли бы синтезировать наши мышцы. Время не упущено — заняться физкультурой никогда не поздно. Мы даже не можем себе представить в полной мере, насколько это полезно, потому что исследования миокинов продолжаются.