Увеличение числа ядер в мышечном волокне как фактор гипертрофии скелетных мышц
Мышечные волокна являются многоядерными клетками, образующимися в период развития эмбриона путём слияния эмбриональных миобластов в длинные продолговатые трубчатые структуры — миотубы, которые в дальнейшем, после контакта с прорастающими аксонами мотонейронов и синтеза в миотубах миофибрилл, преобразуются в мышечные волокна (Р.К.Данилов 1994), (Э.Г.Улумбеков, Ю.А.Челышев 1998), (А.Дж.Мак-Комас 2001), (Е.А.Шубникова и др. 2001). Число ядер в мышечном волокне определяется числом образовавших его миобластов и, как показывает ряд рассмотренных ниже исследований, число ядер в уже сформированных мышечных волокнах не является неизменным.
Хорошо известно, что мышцы животных и человека в процессе роста организма кардинально увеличивают свои размеры, массу и силу. Чтобы достигнуть размера, характерного для мышц взрослого человека, брюшко мышцы ребенка должно увеличиться примерно в 20 раз (А.Дж.Мак-Комас 2001). Ещё в 60-е годы прошлого века было установлено, что по мере роста организма животных в их мышечных волокнах кардинально увеличивается число ядер (M.Enesco, D.Puddy 1964), (F.P.Moss 1968). Было обнаружено, что для людей в возрасте от одного до семидесяти одного года объём мышечного волокна хорошо коррелирует с числом ядер в мышечном волокне, и объём мышечного волокна, приходящийся на одно ядро, фактически является постоянной величиной во всём исследованном возрастном диапазоне (D.Vassilopoulos et al. 1977).
Поначалу причина увеличения числа ядер в мышечных волокнах оставалась не вполне ясной, так как было известно, что ядра миобластов после слияния в мышечные волокна утрачивают способность к делению. В то же время было известно, что не все ядра мышечных волокон обладают одинаковыми свойствами; в частности, небольшая часть ядер (3-10%) отличается от основной их массы — ядра из этой небольшой части расположены в оболочке волокна между плазмолеммой и базальной мембраной, то есть отделены от саркоплазмы собственной оболочкой и представляют собой, по сути, отдельные клетки (A.Mauro 1961). Данные клетки получили название клеток-сателлитов или миосателлитоцитов. Впоследствии было обнаружено, что именно деление миосателлитоцитов и последующее их слияние с основным мышечным волокном является причиной увеличения числа ядер в мышечном волокне по мере роста организма (F.P.Moss, C.P.Leblond 1970).
Увеличение числа ядер в мышечных волокнах происходит во взрослом, уже сформированном организме под воздействием тренировки. Обнаружено, что гипертрофия мышц крыс, вызванная принудительным плаванием либо перегрузкой из-за отсечения мышц-синергистов, не сопровождается изменением плотности ядер в мышечных волокнах (D.Seiden 1976), что является свидетельством увеличения числа ядер пропорционально увеличению объёма мышечных волокон. Зафиксировано, что после тренировки плаванием дважды в неделю в течение тридцати пяти дней число клеточных ядер в extensor digitorum longus крыс возросло на 30% (N.T.James, M.Cabric 1981). Затем эти же исследователи обнаружили увеличение числа ядер в vastus lateralis собак, тренированных в беге (M.Cabric, N.T.James 1983). Перегрузка мышц задних конечностей кошек, вызванная отсечением gastrocnemius и soleus, сопровождается значительной гипертрофией plantaris и в течение трёх месяцев приводит к почти четырёхкратному увеличению числа ядер в быстрых волокнах и двукратному увеличению числа ядер в медленных волокнах этой мышцы (D.L.Allen et al. 1995). Отмечено увеличение числа ядер и в мышцах людей после электрически стимулируемого сокращения мышц (M.Cabric et al. 1987), аэробной (велотренажёр) и анаэробной (подъём ног с отягощением) тренировки (P.J.Pacy et al. 1987), тренировок со штангой (F.Kadi et al. 1999 a), (F.Kadi et al. 1999 b).
Источником новых ядер, появляющихся в мышечных волокнах под воздействием тренировки, равно как и в результате возрастной гипертрофии мышц, являются клетки-сателлиты. Так, было замечено, что длительное интенсивное движение по беговой дорожке с наклоном вниз (с преобладанием работы мышц в уступающем режиме), вызывает у крыс повреждение части мышечных волокон и активирует пролиферацию (то есть массированное деление и последующее дифференцирование клеток в сторону специализации на выполнении определённой функции) клеток-сателлитов с пиком активности данных клеток через 24-76 часов после нагрузки. При этом уровень активации клеток-сателлитов был выше, чем того требовалось бы для восстановления повреждённых волокон, то есть клетки-сателлиты были активированы не только в повреждённых волокнах, но и в тех волокнах, у которых не наблюдалось внешних признаков повреждения (K.C.Darr, E.Schultz 1987). Двукратное увеличение активности деления клеток-сателлитов зафиксировано в мышцах крыс после десяти недель беговых тренировок (K.M.McCormick, D.P.Thomas 1992). Отсечение мышц-синергистов (plantaris и gastrocnemius) у крыс вызывает перегрузку soleus, что активизирует деление клеток-сателлитов в данной мышце в первую неделю после начала перегрузки и впоследствии приводит к значительной гипертрофии soleus (M.H.Snow 1990). Процессы активации клеток-сателлитов и слияния их с мышечными волокнами были отмечены в мышцах людей при регулярных тренировках на велотренажёре (H.J.Appell et al. 1988). Обнаружено, что тренировка с отягощением приводит к увеличению в мышцах человека пропорции клеток-сателлитов и увеличивает процент морфологически активных клеток-сателлитов (Roth SM et al. 2001).
Влияние интенсивности синтеза мРНК в ядре клетки на размер мышечного волокна
Как уже упоминалось выше, в ряде исследований было отмечено, что увеличение числа ядер в мышечных волокнах при их гипертрофии происходит таким образом, что объём волокна, приходящийся на одно ядро, остаётся практически неизменной величиной (D.Seiden 1976), (D.Vassilopoulos et al. 1977). Было выдвинуто предположение, что отношение объёма мышечного волокна к числу ядер в нём, то есть объём мышечной клетки, контролируемый одним ядром (так называемая ДНК-единица (DNA-unit)), является величиной постоянной, и в организме заложены механизмы поддержания её постоянства (D.B.Cheek 1985). Впоследствии данная точка зрения неоднократно подтверждалась. Так, было показано, что мышцы крыс, подвергшиеся функциональной перегрузке в результате удаления мышц-синергистов, демонстрируют значительно большую гипертрофию при регулярном инъекционном введении гормона роста в сравнении с мышцами крыс, не получавшими инъекции гормона. Однако отношение объёма волокна к числу ядер в нём оказалось одинаковым не только у крыс, получавших и не получавших инъекции гормона, но и у тех крыс, мышцы которых не подвергались функциональной перегрузке и не увеличивались (G.E.McCall et al. 1998). Было обнаружено, что увеличенный относительно контрольной группы (составленной из людей, не занимавшихся поднятием тяжестей) объём мышечных волокон в трапециевидных мышцах высокотренированных пауэрлифтёров хорошо коррелирует с увеличенным числом ядер в данных мышцах — то есть размер ДНК-единицы в мышцах спортсменов не превышает размера ДНК-единицы в мышцах представителей контрольной группы (F.Kadi et al. 1999 а). Сравнение мышц пауэрлифтёров, которые, по их собственному признанию, в течение нескольких последних лет принимали анаболические стероиды, с мышцами атлетов, воздерживавшихся от применения этих препаратов, показало, что между данными группами спортсменов нет существенного различия в размере ДНК-единицы (F.Kadi et al. 1999 b).