Тренировка: молекулярная биология упражнений

budetlyanin108 — 30.06.2023

Многочисленные преимущества физических упражнений для здоровья хорошо известны. И наоборот, патологии, связанные с малоподвижным образом жизни, также хорошо задокументированы. Однако наука и медицина только недавно начали объяснять, как упражнения делают то, что они делают. Здесь я обсуждаю недавнее понимание биохимических механизмов, лежащих в основе преимуществ физических упражнений и патологий бездействия.

«Хотя упражнения являются эффективным средством для укрепления здоровья, не существует минимальной дозы, оптимальной дозы и дозы без риска или негативных последствий».- Дэниел Э. Либерман

Введение

Пользы от упражнений много. Упражнения расширяют периферическое кровообращение, увеличивают сердечный выброс и улучшают эластичность сосудов. Упражнения с нагрузкой стимулируют отложение костей и противодействуют остеопорозу. Упражнения помогают предотвратить клиническую депрессию и замедляют некоторые формы деменции.

Хотя преимущества активного образа жизни известны давно, механизмы, лежащие в основе этих преимуществ, были определены лишь недавно. Эти механизмы не только обеспечивают здоровую адаптацию, но также противодействуют воспалению и метаболическим последствиям атрофии и старения. Упражнения увеличивают экспрессию ключевых адаптивных генов и способствуют секреции молекул, которые сигнализируют об адаптивных реакциях в различных тканях и замедляют возрастное снижение.

В этом эссе я резюмирую некоторые из ключевых механизмов, с помощью которых упражнения укрепляют здоровье, и биохимические пути, лежащие в основе и обслуживающие эти механизмы, как в норме, так и при болезни. Используя это понимание, мы можем максимизировать преимущества упражнений и разработать методы лечения и лекарства, которые обеспечивают те же преимущества.

Эволюция для упражнений

Антропологические и археологические данные указывают на то, что люди эволюционировали анатомически и метаболически, чтобы выдерживать длительные периоды упражнений на выносливость. 1 Наши ближайшие живущие родственники — шимпанзе, бонобо, орангутаны и гориллы — тратят очень мало времени и усилий на добывание пищи и большую часть времени отдыхают. 2 Судя по палеонтологической летописи, то же самое было и с нашим последним общим предком. Но по мере видообразования гоминидов (шимпанзе и людей) ветви, ведущие к современным людям, все больше приспосабливались к жизни на земле и к образу жизни охотников-собирателей. По мере того, как наш вид эволюционировал от своего последнего общего предка с другими приматами, у нас развились более длинные задние конечности и более эффективная походка. 1Действительно, считается, что когда первые гоминины стали охотниками, прежде чем они изобрели метательное оружие, они довели свою добычу до изнеможения. 3

Исследования современных охотников-собирателей в Африке, таких как охотники-собиратели хадза в северной Танзании, показывают, что этот образ жизни, как и у наших предков, чрезвычайно активен. 4 Мужчины хадза проходят в среднем 12–14 км/день, а женщины 6–8 км/день, что больше, чем средний американец проходит за целую неделю! Даже в возрасте 65 лет мужчины и женщины проходят 11 км/день и 5 км/день соответственно. Любопытно, что хадза не сжигают значительно больше калорий, чем американцы, ведущие малоподвижный образ жизни, с поправкой на нежировую массу тела. 5

Скелетные мышцы и упражнения

Есть много способов тренироваться. Физиологическая реакция на упражнения варьируется в зависимости от типа и продолжительности. В крайнем случае мы можем выделить два типа упражнений: 6

Упражнение на выносливость с низкой нагрузкой

Механические нагрузки невелики, но в зависимости от продолжительности метаболические нарушения могут быть тяжелыми и затяжными. Результат характеризуется увеличением структур, поддерживающих доставку кислорода (капилляры) и потребление (митохондрии). Примеры включают бег, езду на велосипеде, греблю, плавание и беговые лыжи.

Силовые упражнения с высокой нагрузкой

Здесь преобладает механическое напряжение, и рост мышечных волокон происходит преимущественно за счет увеличения количества сократительных белков. Примерами являются поднятие тяжестей и другие формы силовых тренировок.

Любой тип упражнений (и упражнения, которые сочетают в себе оба) влекут за собой основные физиологические стрессоры скелетных мышц, такие как механическая нагрузка, гормональные и метаболические изменения и активация нейронов. Реакция на эти стрессоры вызывает молекулярные изменения, которые адаптируют мышцы к будущим нагрузкам.

Митохондрии, митогормезис и Инь/Ян упражнений

Митохондрии — это клеточные органеллы, которые обеспечивают большую часть энергии в наших клетках. Хотя они присутствуют в большинстве клеток, они особенно важны в энергоемких тканях центральной нервной системы и мышцах. Клетки скелетных мышц богаты митохондриями. ок. 30-кратное увеличение внутримышечного потребления кислорода сопровождает интенсивную физическую нагрузку. Аэробные упражнения увеличивают количество и объем митохондрий с увеличением плотности митохондрий в мышцах примерно на 100%. 50–100% после шести недель тренировок. Это сопровождается снижением потребления углеводов и меньшим снижением АТФ, энергетической валюты клетки, при той же абсолютной выходной мощности в мышцах. 7Конечным эффектом тренировок является повышение выносливости за счет повышения устойчивости к утомлению за счет уменьшения истощения мышечного гликогена, более жесткой регуляции потребления АТФ и уменьшения побочных продуктов метаболизма, которые мешают производительности.

Однако польза от физических упражнений имеет свою цену. Повышенный митохондриальный метаболизм приводит к повышению внутриклеточного уровня свободных радикалов, которые, если их не остановить, могут повредить белки, ДНК и липиды. Как упражнения могут быть полезны, если прямой клеточный побочный продукт токсичен? Ответ кроется в феномене, называемом «гормезис», адаптивной реакции клеток на периодический стресс. В частности, в случае упражнений «митогормезис» относится к смягчению реакции на окислительный стресс, возникающий в результате повышенной активности митохондрий в мышцах, которая может временно ослабить или повредить митохондрии. В конечном итоге он стимулирует сильный клеточный ответ, который придает стрессоустойчивость и улучшает митохондриальную и клеточную функцию. 8Повторяющиеся циклы острого стресса, вызванного аэробными упражнениями, являются ярким примером митогормезиса.

Что является источником клеточного стресса, вызванного физическими упражнениями? Аберрантные побочные продукты естественной вырабатывающей энергию химии митохондрий включают активные формы кислорода — супероксид, перекись водорода и гидроксильные радикалы — которые повреждают ДНК, белки и липиды. Механизм митогормезиса определяет накопление этих вредных активных форм кислорода и превращает их в безвредную воду.

Центральной молекулой в механизме митогормезиса является рецептор, активируемый пролифератором пероксисом, гамма-коактиватор-1альфа (PGC-1α). PGC-1α регулирует ключевые гены в скелетных мышцах. Тренировки на выносливость вызывают повышенный уровень PGC-1α. Значение экспрессии PGC-1α для физиологии мышц продемонстрировано генетическими манипуляциями у грызунов: сверхэкспрессия в скелетных мышцах увеличивает плотность митохондрий, дыхательную способность и улучшает физическую работоспособность, в то время как инактивация вызывает нарушение функции митохондрий, снижение способности и более медленное восстановление после , упражнение. 7

Другим ключевым игроком в митогормезисе является ядерный фактор, связанный с эритроидом 2, фактор 2 (Nrf2). Этот белок активирует различные гены, кодирующие антиоксидантные ферменты. Окислительный стресс, вызванный повышенной митохондриальной активностью во время упражнений, высвобождает Nrf2 из инактивирующего комплекса в цитоплазме клетки, позволяя ему проникать в ядро, где он может повышать уровень антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза, глутатионсинтетаза и гемоксигеназа. Таким образом, активация Nrf2 уравновешивает повышенный уровень активных форм кислорода, что приводит к чистому улучшению общей клеточной функции во время упражнений. 8

Упражнения и ангиогенез

Еще одним сопутствующим фактором физической нагрузки является усиление ангиогенеза. Содержание митохондрий и содержание капилляров тесно связаны в скелетных мышцах. Увеличение кровотока вызывает напряжение сдвига, которое вызывает ангиогенный ответ. Ключом к механизму, с помощью которого увеличение использования скелетных мышц управляет ангиогенезом, является фактор роста эндотелия сосудов (VEGF). Сокращение мышц запускает высвобождение VEGF, хранящегося в везикулах, во внеклеточное пространство, где он действует через специфические рецепторы клеточной поверхности, запуская рост капилляров. Упражнения индуцируют экспрессию VEGF в скелетных мышцах через PGC-1α. 6

Парциальное давление вдыхаемого кислорода (PiO2) в покоящейся скелетной мышце составляет ок. 1/5 давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Интенсивная нагрузка снижает PiO2 в сокращающихся мышцах до ок. 1/40 часть вдыхаемого воздуха, что создает ситуацию транзиторной гипоксии. Индуцируемый гипоксией фактор-1 (HIF-1) является главным транскрипционным регулятором клеточного кислородного баланса. HIF-1 представляет собой фактор транскрипции, состоящий из двух субъединиц, HIF-1альфа и HIF-1бета. В нормоксических условиях альфа-субъединица HIF-1 подвергается деградации. Во время гипоксии или пониженного напряжения O2 HIF-1альфа стабилизируется и перемещается в ядро, образуя активный комплекс с HIF-1бета. Активация HIF-1 индуцирует транскрипцию генов-мишеней, участвующих в эритропоэзе, ангиогенезе, гликолизе и энергетическом обмене, аналогично физическим упражнениям. 6

Миокины и упражнения

Скелетная мышца является эндокринным органом. В ответ на сокращение он вырабатывает сигнальные молекулы, влияющие на его собственный метаболизм и метаболизм других тканей и органов. Действуя через рецепторы клеточной поверхности, эти сигнальные молекулы, называемые «миокинами», оказывают противовоспалительное действие.Таблица 1). Основателем семейства миокинов является интерлейкин-6 (ИЛ-6). Помимо противодействия воспалению путем ингибирования фактора некроза опухоли α (TNF-α), IL-6 стимулирует поглощение глюкозы. 9 Уровни циркулирующего в мышцах IL-6 повышаются до 100 раз во время упражнений и коррелируют с интенсивностью и продолжительностью упражнений. 10 , 11

ИЛ-6 индуцируется мышечным сокращением, которое стимулирует метаболизм глюкозы и липидов. Уровни IL-6 повышаются как при концентрических (например, при езде на велосипеде или толчках ногами), так и при эксцентрических (например, силовых тренировках или беге) сокращениях. Индукция ИЛ-6 в скелетных мышцах происходит кальций-зависимым путем. ИЛ-6 способствует гипертрофии, стимулируя пролиферацию мышечных стволовых клеток (сателлитных клеток) и увеличивая скорость синтеза белка в мышечных саркомерах. 12

ИЛ-6 уже давно признан цитокином, секретируемым иммунными клетками и адипоцитами для стимуляции воспаления. Тоцилузимаб, терапевтическое антитело против рецептора ИЛ-6, используется в клинических условиях для лечения синдрома высвобождения цитокинов, например, у пациентов с тяжелым течением COVID-19. Парадоксальные преимущества ИЛ-6 во время физических упражнений контрастируют с системными провоспалительными эффектами ИЛ-6 во время инфекций и указывают на клеточно-специфическую роль этого цитокина. 13 Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить механизмы, лежащие в основе этих антиподальных эффектов.

Адаптивная реакция на хронические физические нагрузки заключается в увеличении мышечной массы за счет увеличения биосинтеза мышечного белка. Комплекс 1 рапамицина (mTORC1) у млекопитающих является ключевым регулятором синтеза белка в скелетных мышцах. mTORC1 может активироваться или подавляться в зависимости от вышестоящих сигнальных событий, при этом мышечная масса регулируется в основном за счет модификации синтеза белка, а не за счет изменений в деградации белка. mTORC1 активируется через связанные с мембраной рецепторы, активируемые инсулином и факторами роста. 6

Мышечные сателлитные клетки и упражнения

Сателлитные клетки представляют собой гетерогенную популяцию клеток. Большинство клеток представляют собой коммитированные миогенные клетки, которые при стимуляции претерпевают симметричное деление и дифференцировку. Меньшее количество сателлитных клеток (сателлитных стволовых клеток) подвергается асимметричному делению, повторно заселяет нишу сателлитных клеток и поддерживает долгосрочный регенеративный потенциал мышц. Силовые тренировки увеличивают площадь поперечного сечения волокон скелетных мышц и количество сателлитных клеток. Андрогены являются стероидами и, таким образом, активируют транскрипцию специфических генов через внутриклеточный рецептор, который связывает энхансеры генов-мишеней. Андрогены способствуют активации и пролиферации сателлитных клеток и дополнительно поддерживают гипертрофию скелетных мышц за счет повышения уровня ИФР-1. Миостатин представляет собой миокин, белок, продуцируемый и высвобождаемый миоцитами, который является негативным регулятором роста и дифференцировки мышечных клеток. Он играет важную роль в гомеостазе мышечной массы, ингибирует синтез белка и активирует катаболические пути. Он действует через рецептор на поверхности клетки, чтобы включить транскрипцию генов. Андрогены также подавляют миостатин, что способствует росту мышц.6

Цена бездействия

Мышечная ткань отвечает на потребность ростом. И наоборот, он реагирует на неиспользование — из-за травмы, малоподвижного образа жизни и возраста — атрофией. Отсутствие физической активности не только означает отказ от пользы от регулярных упражнений, но и имеет негативные последствия. В течение нескольких недель наблюдается атрофия мышц, повышение уровня триглицеридов в плазме и нечувствительность к инсулину. Атрофия мышц сопровождается деградацией миофибрилл по убиквитин-протеосомному пути (снижение силы сокращения) и деградацией митохондрий (снижение выносливости). 6 У пожилых людей это усугубляет естественное прогрессирование возрастной саркопении.

Атрофия скелетных мышц является важным следствием постоянно повышенного уровня глюкокортикоидов. Глюкокортикоиды подавляют mTORC1, подавляя тем самым синтез мышечного белка. Они также повышают уровень миостатина за счет увеличения экспрессии и действия миостатина, подавляя рост мышц. Истощение скелетных мышц также связано с повышенным уровнем провоспалительных цитокинов, таких как фактор некроза опухоли α, ИЛ-1 и ИЛ-6. 6

Экстремальные виды спорта: слишком много хорошего?

Если некоторые упражнения полезны, то лучше их больше, верно? Что касается экстремальных видов спорта, требующих выносливости, данные свидетельствуют о смещении соотношения риска и пользы в сторону повышенного риска. «Гипотеза экстремальных упражнений» утверждает, что существует U-образная кривая риска для здоровья от физических упражнений, где риски достигают нижней точки при некоторой интенсивности тренировок, но затем увеличиваются, когда этот оптимум превышен.Фигура. 1). Где именно достигается оптимум этого упражнения, неясно, хотя некоторые данные предполагают, что он может быть в три-пять раз больше текущих рекомендаций. 14 Исследование 284 спортсменов-любителей мужского пола показало, что у наиболее активных спортсменов уровень кальцификации коронарных артерий был значительно выше, чем у наименее активных. 15 Важно отметить, что у самых активных спортсменов в основном были кальцифицированные бляшки, которые демонстрируют высокую связь с будущими сердечно-сосудистыми событиями, в то время как у наименее активных спортсменов была более высокая распространенность смешанных бляшек. 16 Аналогичные результаты были получены при сравнении 152 мужчин-ветеранов-спортсменов-любителей и 92 человек из контрольной группы, ведущих малоподвижный образ жизни, соответствующих возрасту и факторам риска. 17Другие патологии, связанные с экстремальными видами спорта, включают сердечный фиброз и аритмии. 18

Рисунок 1

Гипотеза экстремальных упражнений утверждает, что польза от упражнений может быть частично сведена на нет, когда объем тренировок превышает оптимальный уровень. 14

Как это отразится на долголетии? Увеличивают ли экстремальные упражнения вероятность преждевременной смерти по сравнению с населением в целом? Метаанализ десяти исследований с участием 42 807 элитных спортсменов выявил 67% ожидаемого числа смертей на основе сравнительной популяции. 19 Важно отметить, что смертность только от сердечно-сосудистых заболеваний составила 73% от ожидаемой. Отдельное исследование, в котором рассматривалось 57 исследований, включающих 465 575 элитных спортсменов, подтвердило, что подавляющее большинство этих спортсменов прожили большую продолжительность жизни по сравнению с их сверстниками того же возраста и пола в общей популяции. 20Однако следует признать, что когорта элитных спортсменов, вероятно, состоит из людей, которые уже являются одними из самых здоровых и подготовленных в популяции, поэтому количественный вклад экстремальных упражнений в достижение превосходных результатов долголетия неясен. 20 Таким образом, кажется вероятным, что другие факторы приносят пользу тем, кто занимается интенсивными физическими упражнениями, которые могут компенсировать риски, связанные только с образованием артериальных бляшек.

Является ли лечебной физкультура?

Длинный и знакомый список преимуществ, связанных с регулярными умеренными физическими упражнениями, и множество патологий, связанных с бездействием, свидетельствует о том, что физические упражнения являются мощным лекарством.Таблица 2). У стареющих взрослых упражнения с отягощениями могут увеличить продолжительность жизни за счет замедления возрастной саркопении, а также улучшения равновесия для предотвращения падений. Как и в случае с любым лекарством, дозировка делает яд, и данные свидетельствуют о том, что длительные экстремальные упражнения могут быть токсичными.

В отличие от наших предков-охотников-собирателей, мы больше не обязаны ходить и бегать на большие расстояния, чтобы добыть пищу. Но в современном обществе существует широкий спектр упражнений, соответствующих возрасту и образу жизни, которые могут активировать все гены и сигнальные пути для улучшения и поддержания здоровья скелетных мышц, сердечно-сосудистой системы и ЦНС. Задача состоит в том, чтобы найти полезные и устойчивые упражнения, соответствующие способностям каждого человека, и создать рабочую, школьную и домашнюю среду, которая поощряет движение и физическую активность. 21

Заключение

Польза регулярных умеренных физических упражнений хорошо документирована. Теперь идентифицируются молекулярные механизмы, лежащие в основе этих преимуществ. С этим новым пониманием появляется надежда на то, что эти механизмы можно использовать для максимизации пользы для здоровых людей и для разработки фармакологических заменителей, которые обеспечивают аналогичные преимущества для тех, кто из-за болезни, инвалидности или возраста не может заниматься физическими упражнениями.

Независимо от того, считается ли упражнение лекарством, его пользу можно сравнить с лекарством. Как Шварц и др. 22 отмечено на этих страницах:

«Упражнения лучше всего рассматривать как лекарство с мощными преимуществами, особенно для здоровья сердечно-сосудистой системы. Как и в случае с любым сильнодействующим лекарством, крайне важно установить безопасный и эффективный диапазон доз: неадекватно низкая доза может не дать полной пользы, тогда как чрезмерная доза может вызвать побочные эффекты, которые перевешивают ее пользу».

Джоэл К. Айссенберг, доктор философии, профессор биохимии и молекулярной биологии в Медицинской школе Сент-Луиса, Сент-Луис, штат Миссури.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9462916/

Оставить комментарий

Популярные посты:

niger

От чего помогает дезринит спрей?

klyos

Хиджаб или тюбетейка?

kwakin_misha

Фоторепортаж: Сен-Пьер и Микелон - архипелаг, лежащий там, где Европа

avderin

Полосатики

tatianayelkina

ЖКХ такое ЖКХ в Подмосковье

alexandr_rogers

Популизм с запахом серы

we001er

ФОНТАН, ГОЛУБИ И НЕБО. (УТРЕННЕЕ).

kiowa_mike

Из черники самоуверенно смотрит на нас котик от primuscat

amarok_man

Двести тысяч рублей в месяц..."...Для чего?! Хочу жениться"...

• Ранее
• Архив