Избыток АТФ и мышечная утомляемость

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, говорится в сообщении пресс-службы Российского научного фонда. Предложенный подход борьбы с «мышечной утомляемостью» поможет разработать более эффективные методы реабилитации пациентов, соблюдающих постельный режим после операций, травм и болезней.

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 подверженные 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.

Фотографии поперечных срезов мышц под микроскопом: слева — фото мышцы крысы с нормальной активностью, справа — фото мышцы, обездвиженной на 7 дней. Зеленые — волокна, устойчивые к утомлению; светлые — не устойчивые к утомлению. Источник: Кристина Шарло

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 руководитель проекта Кристина Шарло, старший научный сотрудник Института медико-биологических проблем Российской академии наук.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Archives of Biochemistry and Biophysics.