Тод Трапе

Лаборатория за човешка ефективност, държавен университет Ball, Мънси, IN 47306, САЩ

Резюме

Въведение

Отличителният белег на намалената употреба на скелетни мускули в продължение на няколко седмици или месеци и през продължителността на живота на хората е намаляването на мускулната маса. Заедно с тази загуба на мускулна маса се наблюдава и намаляване на мускулната функция, включително загуба на мускулна сила, мощ и издръжливост. Дали вътрешните промени в скелетната мускулатура допринасят за загубата на мускулна функция или загубата на маса единствено контролира загубата на мускулна функция, не е ясно. Този въпрос става важен, тъй като се разглеждат стратегии (т.е. контрамерки) за предотвратяване на намаляването на мускулната ефективност, което се случва при разтоварване и стареене.

Структурни детерминанти на мускулната функция

Миозин и актинови протеини

Генерирането на мускулна сила и сила се получава от взаимодействието на двигателния протеин миозин с актина във всяко мускулно влакно (Huxley and Niedergerke 1954; Huxley and Hanson 1954). Извън доставянето на необходимата енергия (ATP) на компонента на миозиновата тежка верига (MHC) на молекулата на миозина (мястото на активността на ATPase), единственият най-важен определящ фактор за мускулната сила е видът MHC, който присъства. При хората има 3 типа (т.е. изоформи) на MHC (тип I, IIa и IIx), които могат да бъдат намерени в различни комбинации във всяко мускулно влакно (Schiaffino и Reggiani 1994, 1996). Има чисти влакна, които съдържат само 1 тип MHC (въпреки че чистите IIx влакна са рядкост при хората), и хибридни влакна, които съдържат 2 или повече вида MHC (Gallagher et al. 2005; Williamson et al. 2001). За да се подчертае доминирането на типа MHC в мускулната функция, профилите на мощността на изолирани единични чисти миофибри са показани на фиг. 1. Независимо от размера на влакната, MHC IIa влакна произвеждат

6 пъти повече мощност, а влакната с MHC IIx произвеждат до 20 пъти повече мощност от MHC I влакната.

върху

Силата на единичните мускулни влакна, нормализирана до размера на мускулните влакна, съдържащи само 1 тип тежка верига на миозин (MHC). Данните за MHC I и IIa идват от Trappe et al. (2003), а данните за MHC IIx идват от непубликувани наблюдения и лична комуникация със S. Trappe (2009). Данните са средно ± SE. W/L, ватове на литър.

Предвид големите функционални разлики в 3-те човешки MHC протеини, следва, че процентът на всеки от тези протеини, намиращ се в мускула, е от решаващо значение за мускулната функция. Относителното количество както на MHC, така и на актина, протеинът, към който MHC трябва да се свърже, за да произвежда сила и мощ, също може да повлияе на мускулната функция. Ако количеството MHC на единица размер или маса на мускула е намалено или ако има недостатъчен брой актинови молекули за образуване на кръстосан мост, способността да се произвежда сила и мощ в мускула може да се промени (Carroll et al. 2004; Ingalls et al. 1998; Riley et al. 1998, 2000, 2002; Tikunov et al. 2001; Tsika et al. 1987). По този начин трябва да се наблюдават относителните количества на основните съкратителни протеини MHC и актин, както и вида на MHC, за да се разберат потенциалните качествени промени в мускулната функция при разтоварване и стареене.

Съединителната тъкан

Компонентът на съединителната тъкан на скелетния мускул е от решаващо значение за пренасяне на силата, произведена в отделните миофибри, към фасцията и към сухожилието и костта (Huijing 1999; Kjaer 2004; Patel и Lieber 1997). Скелето на съединителната тъкан на скелетните мускули, което заобикаля отделните мускулни влакна, снопове мускулни влакна и целият мускул е съставен предимно от колагенови влакна. Вътре и между зрелите колагенови влакна са ензимно получени омрежващи молекули, които пораждат силата и характерната подредена структура на колагена (Eyre et al. 1984; McCormick 1999; Reiser et al. 1992). Въпреки че въздействието не е добре установено върху скелетните мускули на човека, съществуват различни изоформи на колаген и те имат различна сила и функционални характеристики (Goldspink et al. 1994; Kjaer 2004; Kovanen et al. 1988). Подобно на съкратителните елементи на мускула, натрупването или премахването на тази важна колагенова мрежа или омрежващите компоненти могат да повлияят на мускулната функция (Alnaqeeb et al. 1984; Ducomps et al. 2003; Gosselin et al. 1998; Kovanen et al. 1984; Willems et al. 2001).

Скелетните мускули се променят с реална и симулирана експозиция на микрогравитация

Скелетна мускулна маса (количество)

По-голямата част от добре контролираните проучвания за загуба на мускулна маса при здрави хора са симулации на Земята на микрогравитационната среда на космоса. Най-честите аналози, използвани за тези проучвания, са пълноценна почивка в леглото (т.е. 24 часа · ден -1, 7 дни · седмица -1) (Fortney et al. 1996), обикновено в положение на накланяне на главата 6 °, за да се осигури подходящо гравитационни вектори за сърдечно-съдовата система и едностранна суспензия на долните крайници (Berg et al. 1991; Tesch et al. 2004b). Изследванията, използващи тези модели, показват непрекъснато рязък спад в обема (т.е. маса) на мускулите на долните крайници през първите 2 до 4 седмици, с продължителна, но изравняваща се загуба на мускулен обем през следващите няколко месеца (Adams et al. 2003; Alkner and Tesch 2004a, 2004b; Baldwin et al. 1996; Bamman et al. 1997; Fitts et al. 2000; Ferrando et al. 1995; Hather et al. 1992; LeBlanc et al. 1992; Schulze et al. 2002; Shackelford et al. 2004; Tesch et al. 2005; Trappe et al. 2007b). Размерът на мускулната загуба е специфичен за мускулната група, като загубата на горната част на тялото е относително малка, а загубата на долните крайници е относително голяма (до

40%), а най-голяма загуба на подбедрицата (т.е. трицепс сура) (Alkner and Tesch, 2004a, 2004b; LeBlanc et al. 1992; Shackelford et al. 2004; Trappe et al. 2007b). Последните данни също показват, че жените, подложени на почивка в леглото, губят значително повече мускулна маса и по-бързо от мъжете (Alkner and Tesch, 2004a, 2004b; Shackelford et al. 2004; Trappe et al. 2007b). Тази допълнителна атрофия при жените изглежда е резултат от допълнителна атрофия на мускулни влакна от тип IIa (Trappe et al. 2007a), поне в бедрените мускули.

Няколко проучвания използват контрамерки в опит да компенсират или предотвратят загубата на мускулна маса с разтоварване (Alkner and Tesch, 2004a, 2004b; Bamman et al. 1997, 1998; Berg et al. 1997; Greenleaf et al. 1989; Schulze et 2002; Shackelford et al. 2004; Tesch et al. 2005; Trappe et al. 2007b, 2009). Последователно тези проучвания показват, че упражненията за съпротива, извършвани с относително висока интензивност, но с относително ниска доза, могат да бъдат много ефективни при предотвратяване на загубата на мускулна маса с разтоварване. Тоест, в повечето случаи са необходими само няколко минути активност на мускулна група на всеки 3 дни, което предполага, че ненатовареният мускул е много реагиращ на хипертрофичния стимул на съпротивителните упражнения. В действителност, хората, преминали през едностранно суспендиране на долните крайници с тренировка за съпротива, са имали 26% повече хипертрофия, отколкото амбулаторни субекти, попълващи същия протокол за обучение на устойчивост (Tesch et al. 2004a, 2004b). Последните данни също показват, че аеробните упражнения играят допълваща роля с упражненията за съпротива в ненатоварен мускул (Trappe et al. 2007a, 2007b, 2008). Изглежда, че аеробните упражнения са насочени към влакната от тип I на квадрицепсите и на прасеца (т.е. на солеуса). Интересното е, че подходът за противодействие само на хранене (т.е. без упражнения) на обогатена с левцин високо протеинова диета не помага да се предотврати загубата на мускулна маса при почивка в леглото (Trappe et al. 2007a, 2007b, 2008). Всъщност този хранителен режим изостри загубата на мускулна маса при жени, изложени на почивка в леглото в продължение на 2 месеца (Trappe et al. 2007a, 2007b).

Скелетна мускулна структура (качество)

Няколко проучвания са изследвали промени в мускула в отговор на реална или симулирана атрофия, предизвикана от микрогравитация със и без контрамерки. Докато изглежда, че има някаква дисрегулация на относителните количества миозин и актин в началните етапи (Riley et al. 1998, 2000, 2002), количеството на миозин, актин и интрамускулен колаген изглежда се мащабира по подходящ начин, с атрофия на

10% –40% както при мъжете, така и при жените над 1 до 3 месеца (Haus et al. 2007a; Lemoine et al. 2009). Трябва да се подчертае, че това количество атрофия е най-екстремното количество и скорост на атрофия, предизвикани при здрави хора, и е сравним с количествата атрофия, наблюдавани в продължение на 50 години стареене (Trappe et al. 2001). В допълнение, когато се използват противодействащи упражнения, които напълно или частично компенсират атрофията или дори предизвикват значителна хипертрофия по време на разтоварване, изглежда, че мускулът регулира по подходящ начин относителното количество на 2-те основни съкратителни протеина (миозин и актин) и основния протеин (колаген) ) на интрамускулната мрежа на съединителната тъкан (Haus et al. 2007a; Lemoine et al. 2009).

Основната качествена структурна промяна, която настъпва при индуцирана от разтоварване атрофия в продължение на 2 до 6 месеца, е преразпределението на 3 MHC изоформи във всяко мускулно влакно (Gallagher et al. 2005; Trappe et al. 2007a, 2008a, 2009). Мускулните влакна, съдържащи само бавния MHC тип I, се намаляват, влакната с някаква част от MHC IIa и IIx се увеличават и общият дял на влакната, които съдържат повече от 1 тип MHC (т.е. хибридно влакно) се увеличава (Gallagher et 2005; Trappe et al. 2007a, 2008a, 2009). Този преход от фибри поддържа по-бързо свиване и по-мощен мускул (без да се вземат предвид гореспоменатите промени в размера на мускулите). Този преход вероятно води до промяна в мускулния метаболизъм, използването на гориво и по-уморен мускул. Упражненията за противодействие могат частично или напълно да предотвратят тази промяна в профила на MHC (Gallagher et al. 2005; Trappe et al. 2007a, 2008a, 2009).

Скелетните мускули се променят с остаряването

Скелетна мускулна маса (количество) и структура (качество)

Загубата на скелетна мускулна маса очевидно играе роля за спада на мускулната функция, който се случва със стареенето (Doherty 2003; Dutta and Hadley 1995; Janssen et al. 2002; Lexell 1995). Тази свързана с възрастта загуба на мускулна маса се дължи поне частично на загуба на общия брой отделни мускулни влакна (

30% до 50%) (Lexell 1995; Lexell et al. 1988). Налице е непропорционална загуба на мускулна функция спрямо размера на мускулите (Goodpaster et al. 2006; Haus et al. 2007b), което предполага, че в допълнение към промените в мускулната маса и нервното шофиране, има потенциални промени във вътрешните функционални способности на застаряващ мускул.

Изненадващо, проучванията показват, че вътрешната способност на мускулите да произвеждат енергия не се променя с остаряването (Raue et al. 2009; Trappe et al. 2003) (Фиг. 2). Тоест, производството на енергия спрямо размера на миофибъра на 2-те основни типа чисти отделни мускулни влакна (MHC I и IIa), открити при млади и стари жени и мъже, не намалява с остаряването. Интересното е, че подобна нормализирана мощност на единични мускулни влакна е показана и при лица с увреждания на гръбначния мозък (средно 15 години), в сравнение с контролираните органи (Malisoux et al. 2007).

Силата на единичните мускулни влакна, нормализирана до размера на мускулите от мускулни влакна на млади (25 ± 1 години) и възрастни (79 ± 2 години; диапазон, 70–93 години) мъже и жени (Trappe et al. 2003). Тези данни ясно показват, че когато се разчита размерът, способността за производство на енергия на отделни MHC I и IIa влакна не намалява с възрастта при мъжете или жените. Данните са средно ± SE. W/L, ватове на литър.

Относителните количества на основните съкратителни протеини (MHC и актин) и елементите на съединителната тъкан (колаген и основната ензимна омрежа на колагена) също не се променят със стареенето (Haus et al. 2007b). Тези структурни открития се сравняват с разтоварващата литература, тъй като изглежда, че застаряващият мускул правилно мащабира относителното съдържание на основната сила, произвеждаща и предаваща протеини, при намаляване на масата с 20% -30%. Констатациите обаче са еднозначни от проучвания за относителното разпределение на протеина MHC в стареещите скелетни мускули (Haus et al. 2007b; Klitgaard et al. 1990; Lexell et al. 1988). Като се има предвид известният силов профил на влакната, съдържащи само 1 тип изоформа MHC (фиг. 1), преминаването към повече MHC I (Haus et al. 2007b) би имало значително влияние върху мускулната функция. Като цяло литературата предполага, че основният фактор за загубата на мускулна функция при стареене е количествената загуба на мускулна маса.

Заключения

Изследванията на загубата на мускулна маса при хора в продължение на няколко месеца или няколко десетилетия показват, че функцията на мускула се контролира предимно от количеството мускулна маса, докато основното качествено влияние върху мускулната функция е относителният MHC профил.

Благодарности

Тази работа е подкрепена от Националните здравни институти безвъзмездна помощ R21 AG15833, K01 AG00831 и R01 AG20532 и гранта на НАСА NNJ04HF72 G. Авторът няма конфликт на интереси да декларира.

Бележки под линия

1 Тази статия е една от подбраните статии, публикувани в този специален брой, озаглавена 14-та международна конференция по биохимия на упражненията - Мускули като молекулярни и метаболитни машини, и е преминала през обичайния процес на партньорска проверка на вестника.