Гипертрофия скелетных мышц и питание спортсменов

Гипертрофия скелетных мышц и питание спортсменов

Н.Д. Гольберг, В.А. Рогозкин

Аннотация

Статья посвящена современному состоянию вопроса синтеза белков в скелетных мышцах и механизмам его регуляции. Рассмотрена роль эукариотических факторов инициации (elF), ферментов mTOR, Akt, AMPK и коактиватора PGC-1a в регуляции этого процесса. Показано влияние физических нагрузок на метаболизм белков и факторов питания (белков и аминокислот) на скорость и эффективность анаболических процессов в скелетных мышцах.

Ключевые слова: синтез мышечных белков, регуляция, физическая нагрузка, аминокислоты.

Abstract

The article is devoted to the current problems of protein synthesis in skeletal muscle and the ways of its regulation. The role of eukaryotic initiation factors (elF), such enzymes as mTOR, Akt and AMPK and co activator PGC-1a in regulation of protein synthesis is discussed in this review. The effect of physical exercises on proteins metabolism and nutrition (especially proteins and amino acids) on the rate and efficiency of skeletal muscle's anabolic processes were shown.

Key words: muscle proteins synthesis, regulation, physical exercise, nutrition, amino acids.

На протяжении многих лет изучение активного воздействия на процессы синтеза белков в скелетных мышцах при выполнении различных по энергетическому обеспечению (анаэробных и аэробных) физических нагрузок остается одной из актуальных проблем биохимии и физиологии мышечной деятельности человека и животных. Ежегодно публикуются сотни статей, в которых специалисты различных биологических наук уточняют и расширяют знания о действии разных веществ на синтез белков в скелетных мышцах. тренировка скелетный мышца метаболизм

Цель статьи - представить современное состояние знания о молекулярных механизмах синтеза белков в скелетных мышцах и показать влияние физических нагрузок, а также белков и аминокислот на скорость и эффективность анаболических процессов в условиях систематических тренировок спортсменов.

Синтез белков в скелетных мышцах представляет сложный многостадийный процесс, в котором из аминокислот на рибосомах с участием мРНК и тРНК синтезируется полипептидная цепь. Этот процесс проходит в несколько этапов и включает инициацию, транскрипцию, процессинг и трансляцию. Первый этап - инициация трансляции может быть разделен на две стадии: формирование 48S комплекса инициации и последующее присоединение к 60S субъединице рибосом. В инициации сложного процесса трансляции принимают участие по крайней мере 13 эукариотических факторов инициации (eIF1-eIF5B), различающихся по молекулярной массе, количеству субъединиц и основным функциям [9]. Среди этих факторов наибольшее количество субъединиц (13) имеет eIF3, общая молекулярная масса которого составляет 800 кДа. Среди функций, которые выполняет eIF3, необходимо отметить участие в образовании и стабилизации тройного комплекса eIF3-GTP-Met- tRNA, его присоединение к 40S субъединице рибосом, облегчение условий связывания мРНК с 40S субъединицей и участие в процессе диссоциации 40S и 60S субъединиц рибосом. В целом фактор eIF3 можно рассматривать как белок-организатор на поверхности 40S субъединицы рибосом. Существуют многочисленные свидетельства, что eIF3 специфически участвует в регуляторном каскаде, который обеспечивает образование сложной структуры, получившей название комплекса преинициации трансляции [7]. Инициация трансляции требует наличия пула отдельных субъединиц рибосом. Трансляция представляет циклический процесс, и субъединицы рибосом, которые участвуют в инициации, освобождаются из терминального рибосомного комплекса. Этот комплекс включает 80S рибосому, в Р-сайте деацелированную тРНК и эукариотический терминирующий фактор 1 (eRF1). Процесс инициации трансляции начинается с образования тройного комплекса (ТК), который включает инициаторную метионил-тРНК, ГТФ, связывающюю форму эукариотического фактора инициации 2 (eIF2) и малую (40S) субъединицу рибосом [9]. После присоединения мРНК факторы eIF4A, eIF4B и eIF4F раскручивают ее вторичную структуру. Далее 43S комплекс сканирует 5'-нетранслируемый участок в 5'-->3' направлении до кодона инициации, где он останавливается и формирует 48S комплекс с кодон-антикодон парами оснований с участием eIF5 [14]. На втором этапе eIF5B стимулирует перемещение эукариотических факторов инициации и затем присоединяет 48S комплекс к 60S субъединице рибосом [11].

Основной контроль трансляции в клетках скелетной мышцы происходит в процессе инициации. Существуют два механизма инициации, включающих нахождение рибосомой стартового AUG: кеп-зависимый (сканирующий) и кеп-независимый (внутренней индикации).

Важную роль в регуляции синтеза белков играет фермент mTOR, который относится к серин/треонин специфическим протеинкиназам (EC 2.7.11.1) - PIKK киназам. Эти белки активно участвуют в регуляции метаболических реакций в скелетных мышцах, связанных с их гипертрофией и атрофией [3]. Изучение роли mTOR в регуляции контроля роста мышечных клеток показало, что этот процесс осуществляется посредством двух механизмов: во-первых, mTORC1 повышает транскрипцию рРНК и их процессинг в нуклеолях; во- вторых, регулирует эффективность трансляции через фосфорилирование ряда субстратов, таких, как S6K1 и 4E-BP1 [8]. Фермент mTOR контролирует метаболические процессы в митохондриях через 4Е-ВР-зависимую регуляцию трансляции. Стимулирование трансляции митохондриальных мРНК, кодируемых в ядре, вызывает увеличение продукции АТФ, являющейся источником энергии для процессов трансляции в мышечных клетках [13].

Основной сигнальный путь, контролирующий гипертрофию скелетных мышц, регулируется протеинкиназой Akt [4]. Фермент Akt также относится к семейству серин/ треонин протеинкиназ (EC 2.7.11.1), включающих три азные изоформы: Akt1 (PKBa), Akt2 (PKBЯ), Akt3 (PKBy). Эти изоформы у человека кодируются тремя разными, но гомологичными генами, расположенными в 14-й (ген AKT1), 19-й (ген AKT2) и 1-й (ген AKT3) хромосомах. Фермент Akt участвует в регуляции ряда метаболических реакций, в которых в качестве субстратов фосфорилирования выступают другие ферменты: mTOR, киназа гликогенсинтазы-3 (GSK3) и представители семейства транскрипционных факторов FoxO [20]. Результаты исследований свидетельствуют, что путь Akt/ mTOR участвует в регуляции синтеза белков и увеличении размеров мышечных волокон [12].

Процессы синтеза белков в мышечной клетке осуществляются с потреблением большого количества энергии. Фермент AMPK как главный регулятор энергетических процессов в мышечной клетке активно участвует в этих реакциях на уровне трансляции и процессинга рибосомальных белков [1]. Белок PGC-1a выполняет функции транскрипционного коактиватора посредством физического взаимодействия с транскрипционными факторами и прямо связывается функциональными доменами с ДНК. Этот белок участвует в регуляции состава мышечных волокон, в стимуляции образования митохондрий и усилении окислительных процессов, в повышении секреции инсулина, регуляции глюконеогенеза и транспорта глюкозы, регуляции липогенеза и хондрогенеза [2]. В мышечных клетках человека недавно обнаружили новую изоформу PGC-1a, представляющую собой сплайсинговый вариант PGC-1a4 [22]. Установлено, что физические нагрузки вызывают повышенную экспрессию PGC-1a4 и это приводит к усилению регуляции и координации реакций внутриклеточного обмена веществ, связанных с синтезом белков в скелетных мышцах. Таким образом, белок PGC-1a также относится к центральным регуляторам метаболизма скелетных мышц. Участие ферментов mTOR, Akt, AMPK и коактиватора PGC-1a в реакциях синтеза белков в скелетных мышцах представлено на рисунке.

Рис. 1 Регуляция синтеза белка в скелетных мышцах при физических нагрузках

Гипертрофия скелетных мышц является медленным процессом, поскольку превышение синтеза белков над их распадом осуществляется в течение длительного периода (от недель до месяцев). Систематические силовые тренировки вызывают усиление анаболических реакций, приводящих к гипертрофии мышц в результате интеграции ответа генов, регулирующих метаболические процессы, которые увеличивают размер мышечных клеток. Например, однократная силовая тренировка вызывает быструю (через 2 ч) активацию нескольких генов, участвующих в гипертрофии мышц с пиком индукции для большинства генов в период 4-6 ч после тренировки. Установлено увеличение степени фосфорилирования фермента р7086К при однократном выполнении силового упражнения. После 14-недельной силовой тренировки у спортсменов выявлено увеличение мышечной массы, изменение мышечной силы и величины поперечного сечения мио- фибрилл типа IIA [17].

На основе представленных данных становится очевидным, что эндогенные и экзогенные субстраты, доступные до и после выполнения силовых упражнений, могут изменять транскрипционную активность отдельных генов и регулировать сигнальные пути, что приводит к увеличению синтеза белков. Силовые упражнения и питание независимо активируют инициацию реакций, участвующих в процессах синтеза белков в скелетных мышцах [21]. Применение смеси аминокислот приводит к полной активации метаболизма, связанного с синтезом белков в скелетных мышцах [10, 19]. Увеличение содержания лейцина в мышцах в первые 90 мин после силовой нагрузки вызывает усиление транспорта mTOR к лизосомам, которое происходит с участием лейцил-тРНК-синтазы Rag-белков [18]. Введение смеси аминокислот спортсменам сразу после силовой физической нагрузки увеличивает синтез белков и рост мышц, а пусковым механизмом этого процесса служит транслокация mTOR к лизосомам с последующей активацией фермента.

Стратегия использования факторов питания для усиления анаболических процессов, регулирующих синтез мышечных белков в условиях применения силовых физических нагрузок, основана на оптимизации этих процессов за счет рационального подбора ряда условий. Важное значение имеют источники белков, их аминокислотный состав, скорость переваривания белков и скорость адсорбции аминокислот, время и форма приема, содержание лейцина как основной анаболической аминокислоты, а также использование других нутриентов, таких, как легкоусвояемые углеводы и полиненасыщенные жирные кислоты - Омега-3. Ассортимент продуктов, содержащих пищевые белки, включает молоко, сыворотку, яйца, мясо, сою. В их состав входят легкоусвояемые альбумины и глобулины, а в молоко - белок казеин, которые содержат сбалансированный набор аминокислот, и все они способны усиливать синтез мышечных белков спортсмена. Однако пищевые белки из разных источников различаются по способности стимулировать анаболические процессы как в покое, так и после силовых физических нагрузок. Так, белки сыворотки и коровьего молока вызывают большее увеличение синтеза мышечных белков после силовых нагрузок, чем потребление равных количеств растительного белка сои [16]. Белки сыворотки являются легкорастворимыми, и это приводит к быстрому, но кратковременному увеличению содержания аминокислот, тогда как казеин сначала осаждается в желудке и медленно гидролизуется до аминокислот. Это подтверждает значительное увеличение концентрации лейцина в крови как в покое, так и после силовых нагрузок при получении спортсменами 20 г белков сыворотки, а не казеина. Форма пищи (жидкая или сухая) также влияет на доступность аминокислот. Использование напитка более эффективно, чем прием в виде сухих смесей и в твердом виде.

Аминокислота лейцин занимает особое положение среди всех незаменимых аминокислот, поскольку является ключевым регулятором процесса трансляции при синтезе мышечных белков. Именно лейцин, а не изолейцин или валин может повышать активацию сигнального пути mTOR - р7086к в скелетных мышцах. Повышение концентрации лейцина в мышцах вызывает усиление фосфорилирования фермента mTOR, и это приводит к активации каскада реакций, осуществляющих синтез мышечных белков. Использование лейцина в количествах больших, чем находятся в оптимальной дозе (20-25 г сывороточных белков содержат 2,5-3,0 г лейцина), не оказывает эффекта на скорость синтеза мышечных белков и лишь вызывает увеличение окисления аминокислоты.

Одно из важных мест в оптимизации анаболических процессов в скелетных мышцах занимает определение времени приема пищевых белков или смесей аминокислот. Многочисленные исследования с участием спортсменов показали, что выполнение силовых физических нагрузок вызывает увеличение скорости синтеза мышечных белков, которая поддерживается на повышенном уровне в течение 24 ч [5, 6]. Определение «окна» благоприятных возможностей в организме спортсмена после силовых физических нагрузок позволило построить тактику применения пищевых белков в зависимости от тренировочной программы, веса спортсмена и вида спорта. Использование пищевых белков или смесей аминокислот сразу после силовой нагрузки основано на стремлении повышения скорости синтеза белков выше скорости, наблюдаемой только после однократной физической нагрузки. Важность раннего введения белков в организм после силовой нагрузки связана с фактом, что сама физическая нагрузка увеличивает скорость синтеза белков на 100-150% по сравнению с покоем, а совместный эффект нагрузки и питания на синтез белков оказывает большее влияние на анаболические процессы в этот период. Снабжение организма спортсмена пищевыми белками или смесями аминокислот не только сразу после окончания силовой тренировки, но и в последующие 24 ч оказывает стимулирующее влияние на скорость синтеза мышечных белков. Стратегия применения пищевых белков для лиц пожилого возраста, страдающих от потери мышечной массы (саркопении), требует специального обсуждения.

Заключение