Что происходит в организме при физической активности, и почему это полезно?
О благотворном влиянии физических упражнений и тренировок на здоровье организма человека известно с незапамятных времен, а вот механизм такого воздействия начали выяснять лишь недавно. Это позволяет надеяться на то, что лечебная физкультура во многих случаях станет еще более весомой альтернативой фармакотерапии
Исследования, оцененные по достоинству
Началом научного подхода к изучению биохимических процессов, происходящих во время работы мышц, можно считать 1859 г., когда немецкий ученый Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон обнаружил молочную кислоту в мышечной ткани.
К концу ХІХ в. было уже точно известно, что во время работы мышцы в ней накапливается молочная кислота, которая при бездействии мышцы окисляется. Считалось, что это какой-то побочный продукт, образующийся при работе мышечных клеток. Лишь результаты количественных исследований, проведенных немецким ученым Отто Мейергофом, внесли некоторую ясность в этот вопрос. Прежде всего он обнаружил, что на стадии покоя окисляется не более одной трети молочной кислоты. Затем Мейергоф установил, что часть молочной кислоты восстанавливается, образуя полисахаридный гликоген, который подобен крахмалу и играет в клетках животных роль «депо энергии».
В это же время английский ученый Арчибалд Вивиен Хилл из Кембриджского университета пришел к выводу, что при сокращении мышцы выделяется только часть тепла, которая сопровождает реакции превращения химической энергии в организме. Остальное количество (оно может составлять более половины) выделяется через несколько минут. Все это тепло возникает в результате работы мышцы как термодинамической машины, коэффициент полезного действия которой достигает приблизительно 20–30%, а остальная часть тепловой энергии рассеивается.
…Эффект влияния физических упражнений на риск заболеваний четко установлен. Так, например, в масштабном наблюдении, включающим около 900 тыс. участников, которое длилось не менее 20 лет, было доказано, что у лиц, практикующих регулярные умеренные физические нагрузки, смертность от различных причин снижается на 33%, а риск развития сердечно-сосудистых патологий — на 35% [2]
Таким образом, картина начала проясняться. На первой стадии сокращения мышцы обнаруженное Хиллом выделение тепла, как это установил Мейергоф, происходит в результате разложения гликогена на моносахарид и молочную кислоту. При этом химическая энергия превращается в механическую. На второй стадии, когда мышца бездействует, молочная кислота частично окисляется, а частично восстанавливается до гликогена. В 1922 г. Мейергоф и Хилл за свои исследования термодинамики мышечной деятельности и механизма мышечного сокращения были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Этот удивительный аденозинтрифосфат
«Классическим» периодом в изучении биохимии физических упражнений называют 60-80-е годы ХХ в. Именно в этот период произошли настоящие прорывы в понимании того, как эти упражнения способствуют биосинтезу митохондриальных белков в скелетных мышцах, а также в изучении влияния тренировок и диеты на накопление энергетических субстратов и выносливость, метаболизм молочной кислоты во время тренировок и восстановления, регуляцию белкового баланса. Результаты многочисленных исследований, проливших свет на механизмы мышечной регуляции, были получены благодаря новым подходам к накопившимся вопросам, касающимся мышечного метаболизма, с применением устоявшихся методов из других областей биохимии.
Читайте также: Сидение у телевизора снижает интеллект?
На сегодня мы знаем, что единственным прямым источником энергии для мышечного сокращения является аденозинтрифосфат (АТФ). Запасы АТФ в мышце незначительны и их хватает на обеспечение нескольких мышечных сокращений только в течение 0,5–1 с. При расщеплении АТФ образуется аденозиндифосфат (АДФ). Для того чтобы мышечное сокращение могло продолжаться дальше, необходимо постоянное восстановление АТФ с такой же скоростью, с какой она расходуется.
Восстановление АТФ при сокращении мышц может осуществляться за счет реакций, которые происходят без кислорода (анаэробных), а также вследствие окислительных процессов в клетках, связанных с потреблением кислорода (аэробных). Как только количество АТФ в мышцах начинает уменьшаться, а АДФ — увеличиваться, сразу же включается креатин-фосфатный механизм восстановления АТФ. Креатинфосфатный источник является самым быстрым путем восстановления АТФ, происходящим без доступа кислорода (анаэробным путем). Он обеспечивает мгновенное восстановление АТФ за счет высокоэнергетического соединения — креатин-фосфата.
Факторы риска
Так, шаг за шагом накапливались знания о функционировании всех трех типов мышц человека (скелетных, гладких и сердечной), считающиеся теперь «классикой». Настало время, когда гиподинамия была зачислена в список факторов риска атеросклероза, ожирения и некоторых других заболеваний [1]. Однако ответ на вопрос о том, каков же механизм благотворного влияния физических нагрузок на организм, известного еще с античных времен, по-прежнему оставался без ответа.
Бенте Педерсен — руководитель Центра воспаления и метаболизма университета в Копенгагене, а также его коллеги подошли к изучению скелетных мышц не только как к органу опорно-двигательного аппарата, но и как к эндокринному органу, выделяющему при сокращении различные активные медиаторы, которые, в свою очередь, влияют на другие органы и системы (прежде всего на иммунную систему). Эти активные медиаторы были названы «миокины», а сам процесс — «миокинез»
За последние десятилетия было предпринято множество попыток количественно оценить профилактическое и лечебное действие физических упражнений. Однако дело осложнялось тем, что далеко не все группы людей, занимающихся физическими упражнениями, подходят для такого рода исследований, как, например, профессиональные спортсмены, поскольку большой спорт зачастую сопряжен с экстремальными нагрузками, а также с повторяющимися стрессами и различными травмами. Тем не менее эффект влияния физических упражнений на риск заболеваний четко установлен. Так, например, в масштабном наблюдении, включающим около 900 тыс. участников, которое длилось не менее 20 лет, было доказано, что у лиц, практикующих регулярные умеренные физические нагрузки, смертность от различных причин снижается на 33%, а риск развития сердечно-сосудистых патологий — на 35% [2].
Гипотеза, родившаяся в Копенгагене
Исследователи пытаются объяснить этот феномен по-разному. Особого внимания заслуживает гипотеза, которую выдвинули несколько лет тому назад Бенте Педерсен — руководитель Центра воспаления и метаболизма университета в Копенгагене, а также его коллеги. Они подошли к изучению скелетных мышц не только как к органу опорно-двигательного аппарата, но и как к эндокринному органу, выделяющему при сокращении различные активные медиаторы, которые, в свою очередь, влияют на другие органы и системы (прежде всего на иммунную систему). Эти активные медиаторы были названы «миокины», а сам процесс — «миокинез».
Сама по себе физическая нагрузка стимулирует к секретированию сотен пептидов, протеинов и других молекул, которые обладают аутокринным, паракринным и эндокринным эффектом. Например, секретируются такие молекулы, как интерлейкин-6, интерлейкин-15, лейкемия ингибиторный фактор, иризин, кальпротектин, мионектин, онкостатин М, остеонектин и др., каждый из которых играет определенную роль в организме человека.
Читайте также: При каких видах активности мы сжигаем больше всего калорий?
Считается, что секретируемые миокины позволяют оказывать комплексное благотворное влияние на организм, именуемое Polypill-эффектом и сравнимое по величине с медикаментозным вмешательством. Свое название этот эффект получил от комбинированного препарата Polypill в форме таблетки, созданного в 2000 г. для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний [3].
Автор концепции миокинов — Бенте Педерсен — полагает, что миокины активно работающих мышц могут противодействовать развитию хронических заболеваний, таких как сахарный диабет 2-го типа, некоторых онкологических и нейродегенеративных болезней, объединяемых ныне в кластер «болезней гиподинамии» [4].
Последствия «сидячего» образа жизни
По результатам исследований, проведенных в течение последних лет, установлено, что скелетная мышца (так же как кардиомиоциты и жировая ткань) действительно является эндокринным органом и вырабатывает биорегуляторы, действующие не только паракринно и юкстакринно, но и эндокринно, дистантно — через кровоток.
Сокращаясь, скелетные мышцы выделяют ряд аутакоидов (сигнальных органических молекул короткодистантного беспроводникового действия). Среди них цитокины (и другие пептиды), названные миокинами, которые противодействуют провоспалительным аутакоидам жировой ткани адипокинам. Миокины взаимодействуют с клетками аутокринно/паракринно в пределах мышцы, а при интенсивной продукции, возможно, и по эндокринному механизму — через лимфу и кровь. Существует гипотеза, что миокины, выделяемые при сокращении мышц, играют главную роль в регуляции взаимодействия между скелетной мышцей, печенью, клетками поджелудочной железы и жировой тканью [5]. Таким образом, на сегодня разработана новая парадигма понимания коммуникации мышц с другими органами/тканями, исходящая из того, что в организме нет монополии на регуляцию.
Предполагается существование сети миокинов в качестве регуляторного аппарата, индуцированного физической нагрузкой и противодействующего провоспалительным адипокинам. Эта парадигма является концептуальной основой, объясняющей множественные последствия «сидячего» образа жизни. Если эндокринные и паракринные функции мышцы не стимулируются сокращением, это вызывает дисфункцию ряда органов и тканей тела, а также повышает риск развития метаболических нарушений, атеросклероза, рака и деменции [6].
Таким образом, изучение миокинов представляет большой интерес для специалистов разных областей медицины, особенно эндокринологов, ввиду вовлеченности миокинов в патогенез абдоминального и висцерального ожирения, сахарного диабета 2-го типа, сердечно-сосудистых заболеваний — компонентов метаболического синдрома.
Для врача-клинициста наиболее важна возможность использования в перспективе сигнальных путей миокинов для диагностики и лечения вышеуказанных заболеваний, а также некоторых других широко распространенных патологий.
Вывод напрашивается сам собой: ходите, бегайте, плавайте, совершайте пешие и велосипедные прогулки, ибо тренированные мышцы будут способствовать приверженности к здоровому образу жизни и помогут предотвратить многие заболевания.
Читайте также: Чем больше шагов вы cделаете, тем здоровее будете?
Подготовил Руслан Примак, канд. хим. наук
Список литературы находится в редакции
“Фармацевт Практик” #1′ 2018
