Избыточные запасы энергии сыграли ключевую роль в развитии мышечной утомляемости

Снизить утомляемость мышц, долго находившихся в бездействии, можно, если предотвратить накопление в них избыточного количества АТФ — универсального источника энергии в клетке. Эксперименты на лабораторных крысах показали, что инъекции бета-гуанидинпропионовой кислоты, блокирующей накопление АТФ, помогают поддерживать в мышцах образование новых митохондрий и синтез белков, который нарушается при отсутствии физических нагрузок. Предложенный подход борьбы с «мышечной утомляемостью» поможет разработать более эффективные методы реабилитации пациентов, соблюдающих постельный режим после операций, травм и болезней. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Archives of Biochemistry and Biophysics.

Когда человек вынужден соблюдать долгий постельный режим из-за травмы или болезни, мышечные волокна ослабевают и теряют работоспособность. Это явление медики называют мышечной утомляемостью. При отсутствии физической нагрузки внутримышечные запасы энергии, заключенные в АТФ, не используются, в результате чего эти энергетические молекулы накапливаются в составе особого белка — креатинфосфата. Его можно сравнить с запасными батарейками в клетках, которые используются в случае нехватки энергии. За перенос АТФ на креатин и, следовательно, его запасание, отвечает специальный фермент — креатинкиназа. Избыток АТФ приводит к энергетическому дисбалансу и потере митохондрий — «энергетических станций» клетки, что способствует развитию мышечной утомляемости. Такая ситуация особенно опасна для скелетных мышц медленного типа, которые способны долго работать не уставая. Теряя митохондрии при отсутствии движений, они превращаются в менее выносливые мышцы быстрого типа.

Ученые из Института медико-биологических проблем РАН (Москва) исследовали молекулярный механизм развития мышечной утомляемости. Авторы решили проверить, можно ли, искусственно снизив содержание АТФ, предотвратить превращение мышц медленного типа в быстрые, больше подверженных синдрому «мышечной утомляемости». Для этого исследователи использовали бета-гуанидинпропионовую кислоту (β-GPA). Это вещество блокирует работу креатинкиназы, которая связывает молекулу АТФ с белком креатином. Благодаря этому лишний АТФ не может накапливаться в клетке и выводится из нее при помощи клеточных каналов. В качестве экспериментальной модели исследователи использовали камбаловидную мышцу задних конечностей грызунов, состоящую из волокон медленного типа.

Авторы провели семидневный эксперимент с тремя группами крыс: контрольной и двумя экспериментальными. Каждая группа состояла из восьми животных. В контрольной группе крысам вводили инъекции плацебо — физиологического раствора, и они могли двигаться свободно. Грызунам в экспериментальных группах приподнимали заднюю часть тела таким образом, чтобы их задние лапы не опирались на пол клетки и не участвовали в движениях. Половине обездвиженных животных вводили бета-гуанидинпропионовую кислоту (β-GPA), другая половина получала инъекции плацебо.

Состояние мышц ученые оценивали по двум показателям: уровню белка PGC1α, который регулирует биосинтез митохондрий, а также активности гена, кодирующего белок MyHCI, который характерен только для медленных мышц. В мышцах обездвиженных животных содержание белка, регулирующего синтез митохондрий, снизилось на 50% относительно группы контроля, а у тех из них, что получали β-GPA, — только на 25%. Активность гена, кодирующего белок медленных мышц, также уменьшилась в обеих экспериментальных группах, но в группе с β-GPA осталась на 10% выше, чем у животных, не получавших препарат.

Таким образом исследователи экспериментально показали, что уровень АТФ внутри мышц играет важную роль в развитии мышечной утомляемости на фоне бездействия мышц. Использование β-GPA в терапии может помочь предотвратить отрицательные эффекты избытка АТФ и сохранить медленные мышцы, не допуская их трансформацию в более утомляемые мышцы быстрого типа.

«На следующих этапах проекта мы планируем уделить особое внимание эпигенетическим механизмам — молекулярным регуляторам работы генов, заставляющих мышцу "‎запоминать"‎, сколько она двигалась и какое количество митохондрий у нее должно быть, — в развитии повышенной утомляемости. Если это удастся, то на основе наших данных можно будет разработать методы воздействия на эти механизмы, чтобы у человека, который долгое время провел в постели, мышцы оставались такими же выносливыми, как у того, кто регулярно совершал утреннюю пробежку. Это сможет облегчить реабилитацию больных, вынужденных соблюдать длительный постельный режим, и избежать развития осложнений, связанных с низким уровнем физической активности», — рассказывает Кристина Шарло, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института медико-биологических проблем Российской академии наук.