06 Oct

Мускулен растеж, ДНК и гени, част 2

Публикувано в: Методика на тренировка

  В част 2 от статията на доц. Юлиан Карабиберов, д-р, се разглеждат възможните механизми за изграждане на белтъчни структури, следствие регулярното прилагане на специфични тренировъчни натоварвания, активиращи генетичния апарат на мускулните клетки на човека.

  В предишни статии, публикувани в блога на JK Fitness, се опитахме да обясним концепцията ни за предложената от нас методика на кондиционна подготовка от гледна точка на квантовата физика. В книгата „Кондиционната подготовка във волейбола“ сме изказали мнението си, че формирането на специфичните активни белтъчни матрици, носещи информация за специфични функции се създават в наследствения материал – ДНК (дезоксирибонуклеиновата киселина) на човека, структурирана от 23 двойки хромозоми. Личното ни мнение е, че ако се потърси начин за откриване на логична математическа схема на подредба на хромозомите и изобщо на генетичния код на записаната информация за функциониране на организма, най-вероятно ще се открият, следовите намеси на разумен източник.

  В нашите сайтове вече сме публикували информация за това, че формирането на матриците от гени е сложен процес, протичащ в клетките и се нарича генна експресия. Посредством управление на интензивността на генната експресия се осъществява регулацията на спектъра на синтезираните протеини, което оказва кардинално влияние върху функционалните свойства на мускулите (В.А.Протасенко).

  Информацията, която изпращаме към ДНК чрез тренировъчните въздействия се записва в ДНК, като оставя своите следови ефекти в ядрото на клетката. Впоследствие тази информация се прехвърля в междинна молекула РНК (матрична-рибонуклеинова киселина). М-РНК се формира чрез процеса транскрипция, като се използва само една верига (смислена верига) на ДНК като модел. Счита се, че ключов етап в процеса на регулация на протеиновия синтез е транскрипцията на м-РНК – първи етап в биосинтеза на пратеини. На този етап информацията се чете от ДНК на клетъчното ядро за последователността на аминокиселините в протеиновата молекула и записването на тази информация в матричната РНК молекула, на базата на която молекулата на белтъка се формира в цитоплазмата на клетката. Целият процес на транслация изисква сложни органели в клетката, наричани рибозоми и РНК молекули - „транспортни“(т-РНК). Рибозомите действат като скеле, придържайки м-РНК на правилната позиция, за да може да бъде разчетена от т-РНК, които носят аминокиселини (фиг.3). В този процес аминокиселините се свързват помежду си, образувайки протеин (фиг.4), който е бил първоначално закодиран в ДНК (Amgen Inc - ДНК, РНК и протеините, 2014). Видът РНК, който пренася информацията за протеин от ДНК, от ядрото към цитоплазмата се нарича още информационна РНК (и-РНК).

  Според общоприетата концепция на Ф.Жакоба и Ж.Моно (изложена по Т.Т.Берёзов и Б.Ф.Коровкин 1998, М.Сингер и П.Берг 1998) в ДНК-молекулите се намират не само структурни гени (т.е. гени които кодират протеини осигуряващи клетъчните функции), но и гени, регулиращи активността на самите структурни гени, т.е. т.нар. "гени - оператори" и "гени - регулатори" (фиг.5) – по В. Протасенко:

 

 

  В.А.Протасенко посочва, че комплексът от гени, състоящи се от ген-оператор и един или повече структурни гени, експресия (т.е.има процес на активиране на транскрипцията на м-РНК за дадения ген и синтеза готова м-РНК), която се регулира съвместно се нарича оперон. Транскрипция на м-РНК на структурните гени на оперона е възможна само когато ген-оператора е активен. На ген-оператора могат да въздействат специфични белтъци експресирани от ген-регулатора. На свой ред, регулаторните протеини са засегнати от някои нискомолекулни вещества, които, когато се комбинират с регулаторен протеин, променят структурата си, така че или той получава възможността да се свърже с генен оператор, или възможността за свързване на регулаторния протеин с генния оператор се блокира. Комплектът регулаторни протеини, както и веществата с ниско молекулно тегло, индуциращи или инхибиращи транскрипцията на м-РНК, са индивидуални за всеки оперон и към днешна дата повечето човешки гени не са точно дефинирани.

  Обясненият процес на формиране на белтъци е следствие от характера и спецификата на тренировъчните натоварвания, въздействащи върху ДНК в клетъчните ядра, от своя страна, ДНК върху РНК и като следствие - изграждане на протеин от РНК в цитоплазмата на клетките. В тази връзка вграждането и единството на молекулярната биология и квантовата механика ни дава основание да разглеждаме процеса на формиране на „специфични активни белтъчни матрици“ или структури като „триединство на вещество – енергия – информация“ (виж обясненията на фиг.13, стр.163 от книгата „Кондиционната подготовка във волейбола“, 2016).

  В.А.Протасенко посочва, че при моделиране на въздействието на тренировъчните натоварвания върху функционалното състояние на мускулите като цяло и по-специално върху хипертрофията, съвременните учени поддържат концепцията за срочно и дълговременно адаптиране на мускулите към натоварването (Калинский и кол. 1986, А.А.Виру, Н.Н.Яковлев 1988, Ф.З.Меерсон, М.Г.Пшенникова 1988, Ф.З.Меерсон 1993). Съгласно тази концепция физическото натоварване води до значителни промени във вътрешната среда на мускулите и тези промени са свързани главно с нарушаване на енергийния баланс (т.е. намаляване на съдържанието на АТФ, креатин фосфат, гликоген и натрупване на продукти на енергийния метаболизъм - АДФ, АМФ, свободен креатин, ортофосфат, млечна киселина и др.). Според специалистите, тези промени във вътрешната среда на мускулите стимулират процесите на адаптация на организма към новите условия на съществуване. Първоначалната реакция на организма към натоварванията, наречена реакция на спешна адаптация се свежда основно до промяна в енергийния обмен в мускулите, както и в промени в работата на обезпечаващата система. В хода на протичане на срочните адаптационни процеси се натрупват вещества в мускулите, активиращи транскрипцията на м-РНК структурните гени, или директно, или чрез индуциране на синтеза на регулаторни протеини, управляващи активността на гените на структурните протеини в мускулите. При повтарящи се натоварвания, благодарение на редовното активиране на генетичния апарат на мускулните клетки, се повишава съдържанието на структурните протеини в мускулите, вследствие на което мускулите стават по-устойчиви на прилаганите натоварвания. По този начин в мускулите се развива дългосрочна адаптация. В нашата публикация "Адаптация или изграждане на механизми за противодействие на дискомфорта създаден от тренировъчните натоварвания?"), изказахме мнението си, че може да съществува и друга възможност за изграждане на механизми за противодействие на стресорите. Принципната схема на взаимовръзката между звената на спешно и дългосрочно адаптиране е показана на фиг.6 (по В. А. Протасенко, взаимствано от разработки на Калински и кол. 1986, Н.И.Волков и кол. 2000):

  Тъй като фигурата отразява само част от адаптационните процеси и най-вече адаптацията на енергообезпечаващата система на мускулите, В. Протасенко предлага блок-схема (фиг.7), която показва още някои важни механизми на дълговременната адаптация на скелетните мускули към тренировъчните натоварвания:

  От предложената схема се вижда, че адаптивното увеличаване на синтез на белтъци е свързано не само с процеси на активиране на транскрипции на м-РНК структурни белтъци, но и с увеличаване на обема на синтезирани протеини за сметка на синтеза на протеини на м-РНК, изразени от новоформираните ДНК. Следтренировъчното активиране на м-РНК транскрипции играе важна роля в процеса на регулиране на синтеза на белтъци, свързани с енергоосигуряването на мускулите.

  Редица специалисти посочват повишаването на концентрацията на водородни йони (Н +) в саркоплазмата на мускулните клетки и подкиселяване на средата - ацидоза следствие натрупване на метаболитни кисели продукти за фактори стимулиращи процесите на адаптация. В теорията си на дългосрочна адаптация Ф. Меерсон, 1993, счита, че ацидозата въздейства върху м-РНК синтеза на структурните протеини, не директно, а чрез активиране на прото-онкогени c-myc и c-foc-ранни гени, експресиращи регулаторни протеини, които на свой ред активират гените на структурните протеини. Според В.Н.Селуянов 1996, Е.Е.Аракелян и кол. 1997, ацидозата оказва своето влияние върху активността на клетъчния генетичен апарат чрез улесняване на достъпа до генетична информация на други транскрипционни фактори. Това става посредством увеличаване на пропускливостта на клетъчните мембрани, включително ядрените мембрани, промени в спиралата на ДНК и редица други процеси, активирани в клетките, вследствие повишената концентрация на Н +. Същите автори считат, че директно въздействие върху ДНК-клетките и синтеза на съкратителни белтъци оказва нарастващото количество на креатина в саркоплазмата на работещите мускулни клетки във фазата на интензивното възстановяване на АТФ за сметка на креатинфосфата. Подобна е коцепцията за регулиране на белтъчния синтез на Дж.Мак-Комас, 2001, който счита че ролята на пусков механизъм, вкл. транскрипцията на м-РНК съкратителните белтъци, не са фактори на мускулната умора, а механичното разтягане на влакната при двигателната активност. Предполага се, че напрежението на цитоскелета от мускулните влакна, особено по време на ексцентричната фаза на движение, „отключва“ редица фактори (вероятно включващи простагландини), които активират индуцирането на ранни гени, белтъци които на свой ред активират гените на контрактилните мускулни протеини. Така например според Ф. Меерсон, хипертрофията на сърдечния мускул вследствие високо тренировъчно напрежение се развива по следната схема:

„тренировъчно натоварване -> увеличена механична активност -> енергиен дефицит -> повишавае на киселинността - рН -> експресия на активиране на протоонкогените -> синтез на регулаторни протеини -> активиране на синтез на съкратителните протеини -> компенсаторна хипертрофия“.

  Понастоящем между специалистите не съществува общо мнение за това кои процеси, свързани с физическата активност, играят ролята на пусков механизъм, задействащ транскрипцията на м-РНК на структурните мускулни протеини. Изложените по-горе примери показват, че функционалната хипертрофия на мускулите се разглежда като следствие от интензифициране на синтеза на м-РНК на структурните протеини в ядрата на мускулните клетки. Основен недостатък в концепциите е, че извън полезрението на изследователите остава въпросът свързан с един от най-важните фактори, определящ обема на протеина синтезиран в мускулната тъкан, а именно: броят на ДНК молекулите, върху които се осъществява транскрипцията на м-РНК (цит. по В.А.Протасенко).

  Фактът, че размерът на ДНК-единиците зависи от нивото на мускулна активност, но в същото време възможността им за нарастване е твърде ограничена, свидетелства за вероятността от съществуването на пределен обем на мускулните влакна, обслужвани от едно ядро. Предполага се, че ограниченията в размера на ДНК единиците е свързан с разстоянията им от ядрото, на което могат да бъдат ефективно доставяни м-РНК или синтезирани протеини (R. Roy и кол.,1999). Изследвания на I.G.Burleigh 1977, J.A.Gustafsson и кол. 1984, B.S.Tseng и кол. 1994, C.E.Kasper, L.Xun 1996, R.Roy и кол. 1999 показват, че бавните мускулни влакна съпоставени със същите по размер бързи мускулни влакна имат повече ядра, съответно по-голяма плътност и по-малък размер на ДНК единици. Възможно е по-голямата плътност на ядра в бавните влакна да се дължи на това, че обменът на белтъчни вещества в бавните влакна е около два пъти по-висок отколкото обменът в бързите мускулни влакна (F.J.Kelly и кол. 1984). Пределът на възможностите на ядрата да синтезират някои видове РНК в бавните влакна е лесно достижим, заради което ядрата на бавните фибри са способни да обслужват по-малък обем саркоплазма, сравнение с ядрата на бързите мускулни фибри. Изследванията показват, че в бавните влакна ограничаващ фактор на размера на ДНК-единиците се явява възможността на ядрата да синтезират РНК, а в бързите влакна такъв ограничител са транспортните разстояния.

  Може да се приеме, че активирането на сателитните клетки, което води до увеличаване на броя на ядрата в мускулните влакна е фактор за хипертрофия на мускулните влакна. В. Протасенко посочва, че развитието на функционалната хипертрофия на мускулите протича в следната последователност:

увеличаване на натоварването на мускулите -> активиране на миосателитната пролиферация -> увеличаване на броя на ядрата в мускулите -> синтез на РНК върху нови ядра -> синтез на нови съкратителни структури -> хипертрофия на мускулите.

  Компесаторната мускулна хипертрофия получена вследствие интензивни тренировъчни натоварваия се съпровожда от увеличаване на плътността на митохондриите, намаляване на плътността на миофибрилите и неизменчивостта на плътността на саркоплазмения ретикулум. На свой ред, функционалната хипертрофия е придружена от увеличаване на плътността на саркоплазмения ретикулум, а плътността на митохондриите и миофибрилите остава непроменена (D.Seiden 1976). В резултат на тренировките може да се повиши концентрацията на едни ферменти, осигуряващи възстановяването на енергията в мускулите, а на други ферменти да остане на същото равнище. Вследствие на това мускулите променят своя окислителен или гликолитичен потенциал ((N.Wang и кол. 1993). Под влиянието на тренировките могат да се променят характерните свойства на мускулните влакна, като някои автори дори споделят мнението, че е възможно да се промени самия вид на влакната (F.Ingjer 1979, R.S.Saron и кол., 1990, N. Wang и кол., 1993).

Понижаването на двигателната активност активизира поредица от процеси водещи до атрофия на мускулите:

намаляване на двигателната активност на мускулите -> намаляване на интензивността на транскрипция на м-РНК на структурните протеини и намаляване на пролиферативната активност на миосателитните клетки -> намаляване на размера на ДНК единиците и намаляване на броя на ядрата в съответствие с тяхната апоптоза (от латинското Apoptosis - процес на програмирана клетъчна смърт) -> мускулна атрофия.

  Бихме могли да отбележим и това, че съществува генно разстройство, което причинява бързо нарастване на мускулите. То се наблюдава при хора, които имат миостатинова мускулна хипертрофия, което е рядко генетично заболяване водещо до значително увеличаване на мускулната маса и намаляване на телесните мазнини. Състоянието се нарича синдром на мускулна хипертрофия и е свързано с повишаване на мускулната сила. Свързаната с миостатин мускулна хипертрофия е резултат от дефицит на MSTN гена. MSTN генът помага на организма да синтезира белтъка миостатин, който е от групите протеини, регулиращи развитието и растежа на тъканите. Миостатинът е активен белтък в скелетните мускули, който контролира и ограничава мускулния растеж. Мутациите на MSTN гена принуждават клетките на организма да произвеждат малко или никакъв миостатин, което води до твърде голям мускулен растеж.

  MSTN генът и миостатиновият протеин са открити през 1997 г. от учени от Университета Джон Хопкинс, които декларират, че когато генът е бил увреден, те са успели да създадат супер мишки с необичайно голяма мускулна маса. Изследователите продължават да провеждат проучвания и клинични изпитвания за тестване на нови приложения за гена, включително блокери на миостатин за хора с дегенеративни мускулни заболявания, като например мускулна дистрофия. Честотата, с която се наблюдава мускулна хипертрофия, свързана с миостатина е неизвестна, според Националните институти по здравеопазване. Децата наследяват един MSTN ген от всеки родител. Мутацията в двете копия на MSTN ген предизвиква значително увеличение на мускулната маса и сила. Мутацията в едно копие на MSTN ген води до по-ограничено увеличение на мускулната маса (Sessoms G. 2017).

  Уважаеми читатели на блога на JK Fitness,

  В настоящата статия се опитахме да засегнем внимателно проучвани от специалистите актуални въпроси, много от които все още неясни, въпроси свързани с генетичния потенциал на човека, които са рядко дискутирани или избягвани. Така или иначе, дошло е времето да се погледне в интимната същност на клетката и се проследят процесите в нея, как те са обезпечени от функциониращите системи и най-важното – какви ползи за практиката би имало това.

(За написването на статията са използвани материали на В. Протасенко, материали от Електронен учебник по кондиционна подготовка“ на Колеж по спорт „Био Фит“, извадки от книгите на Ю. Карабиберов - „Фитнесът“ и „Кондиционната подготовка във волейбола“ и др.).

Колеж по спорт „Био Фит“ и JK Fitness

Публикувай коментар

Име
Адрес на е-поща
Коментар
Защитен код
Изработка 8xdesign.com
JK FITNESS MARKET © 2017