Возможный механизм миофибриллярной пролиферации

Исследования MacDougal et al. [52,78] показали, что рост и пролиферация миофибрилл являются основными морфологическими изменениями, в ответ на работу, вызывающую рост мышц в организме человека. Во время нормального роста мышц млекопитающих, было обнаружено 15-ти кратное увеличение числа миофибрилл. В серии исследований роста мышей после рождения, Goldspink [80,81] и Howells [82] предложили механизм миофибриллярной пролиферации. Расхождение в массивах, формирующих диски А и I в саркомере вызывает то, что филаменты актина растягиваются под несколько косым углом относительно Z-дисков. По мере увеличения размера миофибрилл, периферийные филаменты будет подвергаться большим боковым смещением относительно А- и Z-дисков, и будут тянуть под определенным углом (рис. 3). Goldspink [80,81] предположил, что если это было бы достаточно распространено в обоих полусаркомерах, это могло бы привести к разрыву Z-диска.

Рис. 3. Разрыв миофибрилл в месте прикрепления актиновых филаментов (перерисовано с разрешения автора Goldspink [83])

 

Как только один Z-диск разрывается, следующий Z-диск может разрушиться таким же образом, пока вся миофибрилла не разделится вдоль своей длины. Доказательства расщепления миофибрилл и разрыва Z-диска приводящие к пролиферации миофибрилл, были обнаружены при росте мышечной ткани птиц и рыб. Таким образом, в ответ на рост, а также, вероятно в ответ на HRST, пролиферация миофибрилл происходит в результате разрывов Z-дисков и продольного деления, которое ограничивает размер миофибрилл и способствует их эффективному контролю и регулированию.

Клетки — сателлиты

Многие исследования выявили, что соотношение количества ядер к объему саркоплазмы остается везде практически неизменным на фоне широкого спектра условий роста (у животных [86,87] и у людей [88,89]).

В мышцах человека, Landing et al. [90] выявили прямую корреляцию между количеством ядер и диаметром волокна.

Следовательно, получается, что одно ядро мышечного волокна в состоянии поддержать определенный объем цитоплазматического материала, и это соотношение, по-видимому, будет примерно в два раза больше для мышечных волокон II типа, по сравнению с мышечными волокнами I типа [89].

Работа с животными показала, что во время нормального роста и созревания, увеличение размера мышечного волокна происходит из-за прибавления новых ядер, возникающих из клеток-сателлитов [86,87].

В отличие от ядра, расположенного внутри волокна (миоядра), клетка-сателлит, находящаяся под базальной мембраной, которая окружает каждое волокно, может подвергаться митозу (делению) и, как правило, одна из дочерних клеток затем становится ядром [91].

Новые миоядра, полученные из клеток-сателлитов, так как они более не способны делиться, начинают производить определенные мышечные белки, которые увеличивают размер волокна [92,93].

В мышцах взрослых кошек, которые были подвергнуты нагрузке отягощением, Allen et al. [94] обнаружили, что увеличение числа миоядер больше, чем соответствующее увеличение объема волокна.

Rosenblatt et al. [95-97] изучили изменения в скелетных мышцах млекопитающих в ответ на нагрузку по модели, в которой удаляется синергист. Эти авторы сообщили о значительно меньшей гипертрофии после предварительного облучения мышц, которое предотвращает деление клеток-сателлитов. На основе этого они пришли к выводу, что быстрое увеличение клеток-сателлитов является необходимым условием для гипертрофии мышцы, следующей за удалением мышц-синергистов.

В исследованиях на человеке Kadi et al. [98,99] показал, что число клеток-сателлитов и число миоядер выше у элитных бодибилдеров по сравнению с контрольной группой (число ядер больше на 35% в мышечных волокнах I типа, и на 31% больше в мышечных волокнах II типа) [98]. Эти авторы сделали вывод о том, что экстремальная гипертрофия мышечных волокон этих атлетов зависит от повышенного содержания миоядер. Продолжительные исследования гипертрофической силовой тренировки продемонстрировали увеличение (прирост) популяции клеток-сателлитов через 9-14 недель тренировок [100-102]. Последние исследования показывают быстрое увеличение (пролиферацию) количества клеток-сателлитов в течение четырех дней после однократной тренировки с использованием эксцентрических упражнений [103]. Однако, влияние гипертрофической силовой тренировки на число миоядер и на отношение числа ядер к объему саркоплазмы спорное. В ответ на 10 недель постоянных тренировок, Kadi и Thornell [100] сообщили, что число миоядер и клеток-сателлитов в трапециевидной мышце увеличилось в значительно большей степени, чем площадь поперечного сечения мышечных волокон (рис. 4).

Рис. 4. Возрастание поперечного сечения мышечного волокна на первой стадии (10 недель) силовой тренировки (high-resistance strength) и количества миоядер из-за пролиферации клеток-сателлитов (данные Kadi и Thornell [100]).

 

Они пришли к выводу, что появление дополнительных миоядер, было необходимо для утолщения мышечных волокон, которое следует даже после краткосрочных силовых тренировок. Hikida et al. [104] также обнаружили, что соотношение числа миоядер и объема саркоплазмы осталось неизменным после 16 недель силовых тренировок, что привело к 30% увеличению размера мышечных волокон. Тем не менее, Kadi et al. [102] сообщили об отсутствии изменений числа миоядер и об увеличении области волокна, контролируемом каждым миоядром через 90 дней гипертрофической силовой тренировки. Рассматриваемые в целом, эти результаты исследований показывают, что первоначально гипертрофия вызывает ограниченное увеличение количества миоядер и количества саркоплазматических белков, поддерживаемых каждым ядром, но впоследствии потребуется дополнительные миоядра, полученные из клеток-сателлитов.

Для того чтобы возникла гипертрофия, должны быть произведены дополнительные сократительные белки и они должны быть функционально интегрированы в существующие волокна и миофибриллы. Этот чистый прирост мышечных белков явно требует постоянного избытка синтеза над распадом. Повышенный синтез белка зависит от транскрипции или трансляции и его описание выходит за рамки настоящего обзора. Обзоnbsp;Новые миоядра, полученные из клеток-сателлитов, так как они более не способны делиться, начинают производить p style="text-align: justify;"определенныер регуляции синтеза белка был сделан Sartorelli и Fulco [105].

ГИПЕРПЛАЗИЯ

Гиперплазия – увеличение количества мышечных волокон, вызванное продольным расщеплением существующего мышечного волокна [106] с последующей гипертрофией дочернего волокна и/или посредством миогенеза [107]. Любой из этих процессов может способствовать увеличению поперечного сечения мышцы и возрастанию силы в ответ на гипертрофическую силовую тренировку. Однако как явление гиперплазия остается спорной.

Исследования на животных

Индуцированное расщепление мышечных волокон посредством работы наблюдается у животных, что приводит к гиперплазии [108-110]. Методология изучения мышечной гиперплазии – подсчет количества мышечных волокон только на одном уровне мышцы, ставит все получаемые результаты под вопросом. Даже в мышцах с параллельным ходом мышечных волокон не все волокна могут иметь одно и то же место начала и прикрепления. Поэтому в некоторых исследованиях использовалась техника азотной кислоты для расслоения и прямого подnbsp; клеток-сателлитов [86,87]. счета общего количества волокон. С помощью подсчета общего количества мышечных волокон Gollnik et al. [111] искал ответ на гипертрофию мышц, которая происходила при удалении агониста и растяжения мышцы (опыты проводились на крысах). Они не нашли никаких доказательств гиперплазии и сделали вывод, что увеличение объема мышцы происходит за счет гипертрофии существующих мышечных волокон. Gonyea et al. [112] подсчитывали количество волокон у кошек после приблизительно 101 недели силовых тренировок. Было обнаружено достоверное увеличение количества волокон (9%; p<0,05), которое было связано с новообразованием их из клеток-сателлитов, но не было представлено доказательств продольного расщепления мышечных волокон.

Обзор 17 исследований Kelly [113] показал, что в мышцах млекопитающих гиперплазия выражена слабее по сравнению с мышцами птиц (соответственно 8% против 21% для мышцы птиц). При подсчете количества волокон посредством техники азотной кислоты гиперплазия наблюдается в 11% случаев, в то время как при использовании гистологического подсчета – в 21%. Таким образом, степень гиперплазии, зависит от экспериментального протокола. Например, в исследованиях с перегрузкой или растягиванием вызывается гиперплазия, в то время как при использовании упражнений гиперплазия или значительно меньше или вообще отсутствует.

Исследования на человеке

Этические и методологические проблемы подсчета количества мышечных волокон у человека в естественных условиях, делают проведение исследований гиперплазии у людей крайне сложной задачей. Даже при исследованиях на трупах существуют большие межиндивидуальные различия, которые связаны с различной адаптацией человека [115]. Пролиферативная способность скелетной мышечной ткани при регенерации хорошо документирована [116]. Appel et al. [117] обнаружили свидетельства формирования новых миотуб (мышечных трубочек) из клеток-сателлитов через шесть недель тренировки на выносливость. В ответ гипертрофическую силовую тренировку Кади и Thornell [100] обнаружили миотубы, а также маленькие мышечные волокна, экспрессирующие эмбриональные и неонатальные тяжелые цепи изоформ миозина. Тем не менее, Appel [107] предположил, что из-за медленных темпов формирования новых волокон, гиперплазия оказывает очень незначительный эффект на поперечное сечение мышцы и следовательно ее силы. Исследования трупов Sjostrom et al. [115] поддержали идею гиперплазии у взрослых людей, однако эти изменения проявляются очень медленно. Чтобы опровергнуть возможность гиперплазии, было проведено сравнение среднего размера мышечных волокон у тренированных (гипертрофическая силовая тренировка) и нетренированных людей [54,118-121]. С учетом ранее обсуждавшейся вариативности средней площади мышечного волокна, полученной посредством бnbsp; способствовать увеличению поперечного сечения мышцы и возрастанию силы в ответ на гипертрофическую силовую тренировку. Однако как явление иопсии, часто в сочетании с низким количеством исследуемых, это может привести к ошибочным выводам. Несколько более достоверным является определение количества волокон путем деления площади поперечного сечения, полученной посредством компьютерной томографии или МРТ на среднюю площадь волокна, измеренную посредством биопсии. Это зависит от экстраполяции постоянной площади волокна и угла перистости на всю мышцу, как правило, на основе одного образца биопсии [111], который, как говорилось в разделе 1.2, может быть не репрезентативен для измерений поперечного сечения мышечного волокна. Используя эту технику, Always et al. [122] сообщили данные о достоверной корреляции между количеством мышечных волокон и анатомическим поперечником у элитных бодибилдеров, которые могут выражать либо адаптивную реакцию на силовую тренировку или процесс отбора. В ответ на трехмесячную гипертрофическую силовую тренировку, MacCall et al. [123] не обнаружили никаких изменений в количестве мышечных волокон, хотя поперечное сечение мышцы возросло на 10%. Сравнение количества мышечных волокон у элитных бодибилдеров и нетренирующихся мужчин не обнаружило достоверных различий [124].

Количественный вклад гиперплазии в изменения площади поперечного сечения мышц человека в ответ на упражнения во многом остается неизвестным. Тем не менее, исследования человека и млекопитающих мышцы предлагают, что гиперплазия составляет, в лучшем случае, небольшую часть увеличения площади поперечного сечения мышцы в ответ на повышенную нагрузку.