Ученые предложили новый механизм поддержания структуры мышц при невесомости
Изменения молекулярной организации скелетных мышц в условиях имитируемой невесомости исследовали ученые из Института медико-биологических проблем РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) РАН, сообщает 7 декабря пресс-служба ИТЭБ РАН.
В исследовательской статье, которая была опубликована в The FASEB journal, были приведены данные по изменению молекулярной организации скелетных мышц в условиях имитируемой невесомости при подошвенной стимуляции. Такие исследования важны для создания методов немедикаментозной восстановительной медицины.
Выдающийся российский физиолог профессор И. Б. Козловская, разработала теорию опорной афферентации (передача сенсорной информации по нервам от рецепторов в ц. н. с. — прим. ИА Красная Весна) в 70-е годы XX века, но только в последнее время молекулярно-биологические эффекты этого воздействия стали изучаться.
Человек летает в космос и испытывает невесомость на орбите вот уже 60 лет, но остались белые пятна в изучении изменений, накапливающихся в различных органах и системах животных и человека при отсутствии гравитации, отмечают исследователи.
Космонавты вынуждены использовать физические тренировки, чтобы предотвратить атрофию скелетных мышц, которая в разной степени выражается для разных групп мышц. Самыми уязвимыми являются так называемые медленные мышцы. Это глубокие мышцы спины, которыми человек поддерживает себя в вертикальном положении, и камбаловидная мышца голени, которая при отсутствии опоры «не работает».
Именно эту мышцу выбрали ученые для исследования. Для этого они взяли четыре группы подопытных лабораторных крыс. Одну из 4-х групп оставили как контрольную, в остальных группах применили «вывешивание»: животных подвешивали к потолку клетки так, чтобы он могли передвигаться на передних лапах, в то время как их задние лапы касаться пола не могли.
После недели опытов у животных этих групп была отмечена значительная атрофия камбаловидной мышцы задних лап как на физиологическом уровне, что выражалось в снижении силы, работоспособности, пассивной жесткости мышцы, уменьшении площади поперечного сечения мышечных волокон, так и на молекулярном — произошло увеличение доли «быстрых» волокон. Постепенно уменьшалась интенсивность синтеза белка, снижался объем митохондрий, активировалась кальпаиновая система, расщепляющая белок.
Это, в свою очередь, вызвало разрушение огромных белков титина и небулина, из которых состоит «каркас» саркомера, структурной единицы миофибриллы. Его главная функция — превращение химической энергии в сокращение мышцы.
Соавторы статьи, младший научный сотрудник лаборатории структуры и функций мышечных белков ИТЭБ РАН Анна Уланова и завлабораторией миологии Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН профессор Борис Шенкман, рассказали:
«Известно, что один из важных факторов, обуславливающих изменения цитоскелетных белков в условиях безопорности, — это активация кальций-зависимых протеаз кальпаинов. Их содержание в мышцах весьма значительно, а мышечные цитоскелетные белки, в первую очередь титин и небулин, подвержены распаду под их действием. Как мы показали, такой распад при вывешивании крыс приводит к глубокому снижению мышечной жесткости, тонуса. Следовательно, для предотвращения атрофических процессов в мышцах при микрогравитации нужно применить ингибирование кальпаинов».
Такое ингибирование в организме выполняет оксид азота-II (NO), и ранее исследователи доказали, что увеличение его выработки действительно предотвращает мышечную атрофию.
Поэтому для стимулирования выработки NO в организме 3-ю группу крыс подвергли подошвенной механической стимуляции (ПМС), а четвертой группе к ПМС добавили инъекции ингибитора кальпаинов L-Name. В группах с ПМС тонус мышцы восстанавливался. Кроме того, подошвенная механическая стимуляция предотвращала уменьшение содержания ряда мышечных белков, т. е., была предотвращена атрофия камбаловидной мышцы.
Однако в четвертой группе, если под действием ингибитора уровень оксида азота оказывался очень низким, то положительных изменений в камбаловидной мышце не наблюдалось.
Результаты исследования показали, что подошвенную механическую стимуляцию можно использовать для предотвращения атрофии мышц в условиях микрогравитации. При этом действие ПМС определяется стимулированием выработки оксида азота-II.
Ученые полагают, что NO-зависимые механизмы играют в организме важную роль в поддержании нормальной молекулярной структуры опорных мышц при стоянии и ходьбе также и в условиях нормальной гравитации. Поэтому результаты их работы могут быть использованы не только при разработке программ реабилитации космонавтов после космических полетов, но и при восстановительном лечении после инсультов, различных мышечных дистрофиях и иных неврологических болезнях.
