ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЕЧНОГО РОСТА
Содержание белка в мышцах человека, на первый взгляд, не так велико – от 16% до 21% общей мышечной массы, но если учесть, что 72-80% мышечной массы приходится на воду, то становится ясно, что «сухая» ткань мышц на 75-80% состоит из белка. Из нескольких видов белка, главным образом актина и миозина, состоят миофибриллы – структуры мышечного волокна, выполняющие основную мышечную функцию – функцию сокращения. Цепочки таких белков, как десмин, дистрофин, спектрин и др. формируют каркас мышечных волокон. Белок является главным компонентом различных мембран, как внутриклеточных, так и мембран, составляющих оболочку мышечного волокна. Из белков состоит межклеточная соединительная ткань, связки и сухожилия мышц. Ферменты – вещества, обеспечивающие протекание в мышечной клетке всевозможных химических реакций, связанных с жизнедеятельностью мышц, – это суть тоже белки. Даже внутриклеточная жидкость (саркоплазма) по своей структуре больше напоминает гель, потому как в ней растворено большое количество белка, главным образом все тех же ферментов.Несмотря на то, что человек получает белки с пищей, белки других живых организмов, потребляемые человеком, не используются напрямую для строительства тканей его тела. Весь поступающий в организм человека белок сначала расщепляется в пищеварительной системе на составные части белка – аминокислоты. В кишечнике аминокислоты просачиваются в кровь и разносятся по всем клеткам организма. И только затем в каждой клетке из поступивших в нее аминокислот собираются белки, характерные для данной клетки данного организма (отличает одни белки от других порядок следования аминокислот в молекуле белка). Синтезированные клетками белки не включаются в клеточные структуры «на века», в тканях организма постоянно происходит обратный распад белков до аминокислот, их составляющих. Часть аминокислот, являющихся продуктами распада белка, расщепляется далее до более простых соединений, но большая часть этих аминокислот, наряду с новыми аминокислотами, поступающими с пищей или синтезированными самим организмом, тут же включается в новые белковые молекулы, встраивающиеся в ткани взамен распавшихся.
Потому для понимания путей воздействия тренировки на размер и силовые характеристики мышц важно знать, какого рода тренировка и каким образом способствует накоплению в мышцах тех или иных видов белка.
Теоретически увеличение содержания белка в мышцах возможно как благодаря активизации синтеза белка, так и благодаря снижению скорости его распада. Однако, достоверно установлено, что интенсивная работа мышц активизирует катаболизм белка в мышечной ткани, при этом повышенный уровень распада белка может наблюдаться вплоть до нескольких дней после тренировки. А это, в свою очередь, означает, что увеличение содержания белка в мышцах под воздействием тренировки никак не может быть следствием снижения интенсивности катаболических процессов, следовательно, тренировка должна активизировать синтез белка в большей степени, чем его распад.
Последнее утверждение на данный момент является истиной, не подвергающейся сомнению, тем не менее, сами механизмы воздействия тренировки на процессы синтеза белка в мышцах до настоящего времени в достаточно полной мере еще не изучены и являются предметом дискуссий.
В очень грубом приближении процесс синтеза белка можно описать нижеследующей схемой.
По-видимому, основываясь на приведенных выше фактах и соображениях, ученые достаточно давно пришли к заключению, что тренировка способствует выработке в мышцах определенных веществ – так называемых факторов-регуляторов, активирующих синтез РНК в ядрах мышечных клеток, благодаря чему после тренировки в мышцах активизируется синтез белка, а при регулярных тренировках наблюдается накопление белков в мышцах, то есть, гипертрофия мышц. Считается, что стероидные гормоны, проникающие в мышечную клетку и соединяющиеся со стероидными рецепторами, воздействуют на ядерную ДНК, активируют синтез РНК некоторых мышечных белков, тем самым усиливая синтез белка в мышцах.
В дальнейшем, я не буду постоянно описывать всю истинную последовательность событий, приводящих к синтезу белковых молекул в клетке. Весь данный процесс, начиная с синтеза РНК в ядре клетки и заканчивая сборкой белковой молекулы в саркоплазме клетки, я для краткости буду называть «синтезом белка ядром клетки», при этом следует помнить, что само ядро вовсе не синтезирует белок, а лишь управляет его синтезом. Данный прием позволит мне более кратко и понятно для читателя сформулировать некоторые важные мысли. Так, в частности, описанную выше схему гипертрофии мышц под воздействием тренировки можно будет заменить следующим кратким утверждением: во время интенсивных мышечных сокращений в мышцах вырабатывается ряд факторов регуляторов, воздействующих на ядра мышечных клеток, что приводит к ускорению «синтеза белка данными ядрами» и в дальнейшем к гипертрофии мышц.
Так как настоящая статья носит популярный характер, я не буду утруждать себя перечислением, а читателей чтением ссылок на многочисленные исследования, подтверждающие излагаемые мной сведения. Те из читателей, кто останется неудовлетворенным поверхностностью изложения материала в настоящей статье, могут отыскать в сети Интернет на сайте «Проблемы тяжелой атлетики» (http://www.shtanga.kcn.ru) или сайте Федерации пауэрлифтинга России (http://www.russia-pf.ru) мою статью «Функциональная гипертрофия скелетных мышц. Локальные механизмы адаптации скелетных мышц к нагрузке», в которой затронутые в настоящей статье вопросы рассмотрены более подробно с достаточной степенью строгости, а сделанные утверждения подкреплены необходимым анализом и ссылками на соответствующие исследования, проведенные как советско-российскими, так и зарубежными исследователями за последние 40 лет.
Итак, для того, чтобы понять, что что-то не так в традиционных представлениях о механизмах мышечного роста, достаточно задуматься над особенностями строения мышечных клеток и особенностью их формирования в период развития эмбриона. Первым «бросающимся в глаза» отличием мышечных клеток от клеток иных тканей является их размер. Если для того, чтобы увидеть большинство клеток человеческого организма, потребуется микроскоп, то мышечную клетку можно заметить невооруженным глазом. Мышечная клетка – это мышечное волокно, трубчатое образование диаметром, равным примерно толщине человеческого волоса, и длиной от нескольких миллиметров до 12 см (в зависимости от вида мышц и их строения). Образуется эта суперклетка на этапе эмбрионального развития путем слияния большого числа обычных по размеру небольших клеток предшественников (миобластов) в длинные трубчатые структуры (рис. 1). Таким образом, в мышечных клетках-волокнах оказывается не одно ядро, как в других клетках, а множество ядер (как правило, несколько тысяч), по числу клеток эмбриона, слившихся в волокно. Пока в волокне собираются миофибриллы, ядра занимают центральное положение вдоль всей длины волокна, а затем, после окончания формирования волокна ядра, перемещаются к поверхности волокна, где и пребывают в дальнейшем, и откуда управляют синтезом белка. Возникает вопрос, почему мышечное волокно не вырастает из одной клетки, а для его образования требуется слияние столь большого числа клеток? Ответ напрашивается сам собой. По-видимому, одной клетки, точнее, одного ядра совершенно недостаточно для синтеза такого количества белка, которое требуется для формирования и дальнейшего обслуживания столь большой структуры, как мышечное волокно. К тому же, будь в мышечном волокне только одно ядро, даже если бы оно и могло обеспечить синтез белка в неограниченном количестве, то синтезированные белки пришлось бы доставлять от ядра на периферию волокна на слишком большие по молекулярным меркам расстояния. Благодаря же слиянию большого числа клеток воедино, ядра равномерно распределяются вдоль всего мышечного волокна, и объем волокна, который обслуживается одним ядром, оказывается кардинально не отличающимся от объема обычной одноядерной клетки.
Известно, что мышцы ребенка, чтобы достигнуть размера, характерного для взрослого человека, должны увеличиться примерно в 20 раз. Если исходить из того, что рост мышц связан с ускорением «синтеза белка ядрами», то следует признать, что по мере взросления человека объем мышечного волокна, обслуживаемый одним ядром, должен увеличиться в его мышцах примерно в двадцать раз, и в такой же пропорции должна возрасти скорость «синтеза белка одним ядром». На самом деле, конечно, ничего подобного не происходит. Исследования, проведенные еще в 70-е годы прошлого века, показали, что объем мышечного волокна, приходящийся на одно ядро, примерно одинаков в мышцах людей в возрасте от 1 года до 70 лет. А это означает, что в мышечных волокнах взрослого человека ядер примерно в 20 раз больше, чем в мышцах ребенка.
Откуда же в мышечных волокнах человека появляются новые ядра?
Оказывается, при образовании мышечных волокон не все клетки эмбриона, из которых развивается мышечная ткань, полностью сливаются с мышечным волокном, часть эмбриональных клеток, примерно 3-10%, оказывается как бы «законсервированными» под оболочкой мышечного волокна (рис. 3). Эти клетки-спутники мышечного волокна получили название клеток-сателлитов или миосателлитоцитов. При получении определенных химических сигналов клетки-спутники высвобождаются из оболочки волокна, интенсивно делятся, затем часть размножившихся клеток снова становится клетками-спутниками, а часть сливается с мышечным волокном, теряя свою оболочку, и ядра клеток-спутников становятся ядрами мышечного волокна. Тем самым в мышечном волокне увеличивается число ядер, способных «синтезировать белок», а вслед за этим увеличивается количество белка в волокне и, соответственно, увеличивается размер мышечного волокна.
Именно деление клеток-спутников и увеличение числа ядер в мышечном волокне, а вовсе не ускорение «синтеза белка существующими ядрами», является причиной гипертрофии мышц по мере роста молодого организма.
Подтверждает этот вывод множество экспериментов, проведенных за последние 25 лет на людях и животных, в которых было напрямую зафиксировано как активирование клеток-спутников, так и увеличение числа ядер в мышечных волокнах после интенсивной нагрузки. В той или иной мере клетки-спутники активируются как после силовых тренировок со штангой, так и после тренировок на выносливость, например, после беговых тренировок или работы на велотренажере. При этом было замечено, что активация клеток-спутников является одной из первых реакций мышечной ткани на нагрузку. Активизация клеток-спутников фиксируется уже через 12-24 часа после перегрузки мышц, а вот существенная гипертрофия мышц наблюдается гораздо позднее, по прошествии дней и даже недель. В защиту устаревших представлений можно было бы предположить, что мышечное волокно под воздействием тренировки сначала увеличивает свой размер за счет интенсификации «синтеза белка существующими ядрами», и только затем, вслед за увеличением объема мышечного волокна, клетки-спутники делятся и добавляют новые ядра в волокно, чтобы восстановить обычную плотность ядер. Факт активации клеток спутников до, а не после гипертрофии мышц опровергает это предположение. Таким образом, с уверенностью можно утверждать, что деление клеток-спутников является причиной гипертрофии мышц, а не ее следствием.
Потенциал роста мышц за счет деления клеток-спутников очень высок. Так, в одном из экспериментов за три месяца перегрузки мышц кошек, число ядер в медленных волокнах мышц увеличилось в два раза, а в быстрых волокнах в 4 раза! Следует отметить, что деление клеток-спутников является не просто важным механизмом мышечной гипертрофии, но обязательным и, по сути, единственным.
Известно, что удаление у животных некоторых мышц приводит к резкому увеличению нагрузки на оставшиеся мышцы, выполняющие сходные функции (мышцы синергисты), что приводит к значительной гипертрофии данных мышц. Оказывается, что если перед удалением части мышц мышцы животных облучить радиацией (радиация нарушает процессы деления клеток-спутников, но не нарушает механизмы синтеза белка), то компенсаторной гипертрофии оставшихся мышц не наблюдается! Это означает, что даже в условиях крайней потребности в увеличении размера мышц, и наличии соответствующих побуждающих стимулов, рост мышц без деления клеток спутников и добавления новых ядер оказывается невозможным!
Тут у читателя может возникнуть вопрос, а как же обстоит дело в случае применения анаболических стероидов? Ведь известно, что тестостерон ускоряет в мышцах синтез белка, связываясь с соответствующими рецепторами и воздействуя именно на ядра мышечных клеток, ускоряя тем самым «синтез белка ядрами». К тому же известно, что после окончания «стероидной терапии» и сила мышц, и их объем могут существенно снизиться. Возможно, в случае применения анаболических стероидов объем мышечного волокна может изменяться (возрастать при применении стероидов и падать после их отмены) и без изменения числа ядер?
Удивительно, но исследования показывают, что у спортсменов, применяющих содержащие тестостерон препараты, объем мышечного волокна, приходящийся на одно ядро, оказывается ничуть не большим, чем у спортсменов, воздерживающихся от применения данных препаратов, при том, что размер мышц спортсменов, применяющих допинг, значительно превосходит размер мышц «натуральных» атлетов. Из данного факта неизбежно следует вывод – содержащие тестостерон препараты должны способствовать увеличению числа ядер в мышечных волокнах. И действительно, в ряде экспериментов установлено, что мишенью воздействия тестостерона являются именно клетки-спутники, деление которых активизируется под воздействием данного гормона. Так, при инъекционном введении тестостерона людям было зафиксировано увеличение числа ядер в мышечных волокнах, пропорциональное дозе гормона, при этом увеличения объема мышечного волокна, обслуживаемого одним ядром, не только не наблюдалось, но наоборот, объем волокна, приходящийся на одно ядро, уменьшился! Последний феномен можно объяснить только тем, что в момент проведения измерений объем мышечного волокна в мышцах испытуемых еще не успел в достаточной мере увеличиться вслед за стремительно размножившимися ядрами.
Ряд исследователей пришли к заключению, что увеличение секреции тестостерона в период полового созревания юношей и, как следствие, более активное деление клеток-спутников в мышцах юношей является главной причиной столь существенного различия в развитии мускулатуры мужчин и женщин.
«Присоединение тестостерона к рецептору клетки рождает командный импульс, который и «запускает» мириады биохимических реакций. Опять-таки, в теории – андрогенных рецепторов у клеток не так и много. Во всяком случае, того тестостерона, который выделяют половые железы, хватает, чтобы занять их все. Тогда откуда же анаболический эффект дополнительного приема андрогенных стероидов? Вот это как раз и непонятно. Тем более, что в медицинском мире бытует упорное мнение о том, что прием искусственных стероидов сокращает в клетках количество андрогенных рецепторов. И наоборот, если уровень тестостерона в крови низок, рецепторов становится больше. Мол, это приспособительная реакция – так клетки увеличивают шанс захвата редких тестостероновых молекул. Между тем, нашлись еретики, которые взялись оспорить данную точку зрения. И что же вы думаете? Есть доказательства, что на практике все обстоит прямо противоположным образом: у кастрированных животных число рецепторов в мышечных клетках падает, а при обратной закачке тестостерона инъекциями – увеличивается, да еще пропорционально количеству гормонов: больше тестостерона – больше рецепторов!»
Загадка, описанная Хосе Антонио, очень легко разрешается, если принять во внимание тот факт, что тестостерон воздействует не только, собственно, на мышечные волокна, но и на клетки-спутники. На мой взгляд, очень даже вероятно, что нормального уровня тестостерона, характерного для взрослого мужчины (или легкого его превышения, вызванного небольшими дозами введенного препарата), действительно, может вполне хватать для заполнения всех (или почти всех) рецепторов тестостерона, имеющихся в мышечных волокнах, и повышение дозы тестостерона сверх определенного уровня не может ускорить «синтез белка ядрами». Во всяком случае, это хорошо согласуется с тем, что сколько-нибудь значительного увеличения объема мышечного волокна, обслуживаемого одним ядром, на практике не наблюдается даже при инъекционном введении тестостерона. Но так как тестостерон может воздействовать не только на рецепторы мышечных волокон, но и на рецепторы клеток-спутников, то это приводит к активированию деления клеток-спутников, и к увеличению числа ядер в мышечном волокне под воздействием гормона. Новые ядра, в свою очередь, генерируют новые рецепторы тестостерона, ведь рецепторы – это тоже белки, и каждое ядро само обеспечивает себя нужным числом рецепторов. Именно синтезом рецепторов вновь образованными ядрами и может быть объяснено «загадочное» появление в мышечных волокнах новых рецепторов после инъекций тестостерона. И именно воздействием тестостерона на активность деления клеток-спутников можно объяснить зависимость анаболического эффекта тестостерона от дозировки гормона, наблюдаемую спортсменами, применяющими стероиды, и упорно отрицаемую рядом теоретиков.
Рассмотрим теперь пути воздействия на гипертрофию мышц другого важнейшего анаболического гормона – соматотропина, или, по-другому, гормона роста. Известно, что инъекционное введение гормона роста или его посредника – IGF-1 (инсулиноподобный фактор роста)[1] способствует гипертрофии мышц, но оказалось, что при применении данных препаратов, так же, как и при применении анаболических стероидов, увеличения объема мышечного волокна, приходящегося на одно ядро, не наблюдается. То есть, главное анаболическое действие гормона роста и IGF-1 заключается в активации деления клеток-спутников.
О том, что гормон роста активизирует размножение почти всех клеток, способных к делению, было известно достаточно давно. Так, например, в любом учебнике эндокринологии можно найти упоминание об активировании деления хрящевых клеток в так называемых зонах роста костей под воздействием гормона роста, за счет чего кости ребенка вырастают в длину. Хорошо известно также о влиянии данного гормона на рост внутренних органов, например, печени и кишечника. Разросшиеся хрящевые ткани на лицах элитных культуристов, особенно женщин, резко бросаются в глаза, поговаривают и об увеличении внутренних органов у бодибилдеров, прибегающих к помощи гормона роста, существует даже такой термин – «гормональный живот». Вместе с тем, воздействие гормона роста на мышечную ткань и ученые, и рядовые спортсмены упорно не желали связывать с клеточным делением, долгое время рассуждая лишь об общем ускорении синтеза белка под воздействием данного гормона. Осознание того факта, что сколько-нибудь существенный рост мышечной ткани возможен только за счет деления клеток-спутников, помогает более детально понять пути, которыми гормон роста приводит к гипертрофии мышц.