Растущее количество доказательств свидетельствует об изменениях в саркоплазматическом ретикулуме (СР) высвобождения кальция (Са2+) или о поступлении СР Са2+, имеющих импульсное воздействие на механические характеристики и утомление мышцы.
Контроль над концентрацией цитоплазматического Са2+ в СР зависит от трех отдельных функций. Недостаточность СР в поддержании гомеостаза Са2+ может происходить из-за повреждения самого СР или, как следствие, нарушения внешнего контроля. Редукция Са2+, как обнаружено на единичных волоконных препаратах, подвергаемых повторяющейся стимуляции, может быть обусловлена прямыми нарушениями или Са2+-высвобождающей,или Са2+-связывающей функции СР.
Высвобождение кальция. Повторяющиеся тетанические сокращения изолированных мышц вызывают постепенное снижение силы мышц, которое связано со снижением концентрации саркоплазматического Са2+. Фаверо (Favero) и соавт. продемонстрировали ингибирование высвобождения СР Са2+ в скелетной мышце крысы после бега до изнеможения.
Они доложили о резком снижении АТФазной активности и обнаружили сопутствующее уменьшение содержания мышечного гликогена. Исследования показали, что гликоген ассоциирован с CP-мембраной в скелетной мышце, и, таким образом, было установлено, что гликоген играет роль в регуляции обмена Са2+.
Снижение высвобождения Са2+ для связывания с тропонином будет редуцировать число ак- томиозионовых комплексов и, следовательно, уменьшать силу мышцы. Это может быть результатом: 1) нарушения сопряжения между разностью потенциалов сенсоров (дигидропиридино- выми рецепторами — ДГПР) в Т-тубулярной мембране и кальциевыми каналами (рианодино- выми рецепторами — РиР) (рис. 4); 2) редуцированного высвобождения Са2+, обусловленного уменьшением или модификацией содержания Са2+в СР; 3) преходящей модификацией РиР (уменьшающей возможность его закрывания после активации).
Механизм понижения содержания Са2+, опосредованного изменением РиР (или его регуляторными белками), ясен как наиболее исследованный и подтвержденный. Было обнаружено много соединений, активирующих или ингибирующих РиР, — как эндогенных, так и экзогенных, — и карнозин, как предполагается, является активатором РиР.
Батрукова (Batrukova) и Рубцов (Rubtsov) исследовали влияние карнозина in vitro на скелетные мышцы кролика (преимущественно задних ног «от колена до ступни»), используя выделенную тяжелую фракцию СР. Обнаружено, что повышение концентрации карнозина прогрессивно уменьшало скорость аккумуляции Са2+ в СР везикулах. Они заключили, что это было результатом увеличенного выхода Са2+ из везикул, так как карнозин, как предварительно было показано, не ингибирует Са2+-насос. Утечка Са2+ была поэтому приписана активации Са-высво- бождающих каналов.
Батрукова и Рубцов также продемонстрировали, что карнозин (и ансерин) индуцирует быстрое высвобождение Са 2+ из СР. Высвобожденное количество зависело от концентрации карнозина (или ансерина); таким образом, СР Са2+-каналы, вероятно, имеют насыщаемый связывающий сайт(ы) для этих дипептидов. Более того, компоненты молекулы карнозина, L-гистидин и р-аланин были протестированы как отдельно, так и совместно в эквимоляр- ных концентрациях, и не было обнаружено активации Са2+-каналов.
Поэтому эффект карнозина, по-видимому, обеспечивался взаимодействием всей его молекулы, но не какой-либо функциональной ее группы. Более того, исследования in vitro показали, что карнозин усиливает эффект других активаторов Са2+-каналов, в частности кофеина, (увеличивая сродство связывающих сайтов в РиР для активирующего лиганда) и уменьшает влияние ингибиторов, таких как Mg2* (до концентрации 1 мМ Mg2+).
Эксперименты на изолированных крысиных сердцах (при перфузии с карнозином) также продемонстрировали повышенную сокращаемость. В химически обработанных для разрушения оболочки кардиальных клетках карнозин высвобождает кальций, таким образом, вызывая подъем миоплазматической концентрации Са2+, продуцирует сокращение и изменяет силу растяжения сократительных белков, отвечающих на Са2+.
Карнозин также действует непосредственно на РиР, увеличивая вероятность их открытого состояния и время пребывания в открытом состоянии. Таким образом, исследования воздействия карнозина (и его производных) на сократительные механизмы показали, что такие соединения являются эффективными активаторами РиР и могут индуцировать высвобождение Са2+.
Поступление кальция
Поступление кальция. Депрессия Са2+-АТФазы имеет критическое значение в депонировании Са2+ и мышечной релаксации. Вестерблед (Westerblad) и соавт. предполагают, что уменьшение накопления Са2+ при повторяющейся стимуляции может, в свою очередь, нарушить освобождение Са2+ в результате пониженного содержания Са2+ в СР. Грин (Green) заявил, что это не тот случай, однако, когда освобождающийся Са2+ будет появляться в саркоплазме (накопление Са2+ нарушено), если в высокой степени не уменьшено высвобождение, то маловероятно, чтобы это произошло из-за повреждения.
Если накопление Са2+‘ увеличилось, но связывается посредством саркоплазматических связывающих белков, таких как парвальбумин, или если некоторое количество Са2+ связывается в других местах, не в СР (митохондрии), Са2+-накопление может потенциально быть лимитирующим фактором в Са2+-высвобождении.
Инашима (Inashima) и соавт. изучали воздействие высокоинтенсивного бега на Са2+-АТФазу и обнаружили снижение ее активности. В последующем исследовании Инашима и коллеги выяснили, что кратковременная ВИ мышечная активность (100% V02max) увеличивала сродство Са2+-АТФазы для АТФ и Са2+, таким образом, приводя к активации Са2+~транспортной функции. Это может наблюдаться не во всех типах волокон (например, быстрых волокнах). Они также обнаружили, что нагрузка до изнеможения (при 75% V02max) приводила к уменьшению активности Са2+-АТФазы.
Дюпен (Dupin) и соавт. исследовали воздействие карнозина на скелетные мышцы лягушки, которые были разрушены посредством зависимого от аскорбиновой кислоты переокисления липидов. Было установлено, что содержание 25 мМ карнозина в инкубационной среде давало снижение инактивации Са2+-АТФазы СР мембран при таком же времени поддержания взаимодействия гидролизующей АТФазной функции и транспортной функций Са-насоса.
Трансмембранный потенциал
Трансмембранный потенциал. В дополнение к вышесказанному, в настоящее время доказано, что в течение повторяющихся сокращений мышечного волокна имеется резко выраженное высвобождение К+ из Н1 упражняющейся мышцы (уменьшение внутриклеточного содержания и увеличение внеклеточного К+).
Это является результатом неспособности обменных насосов поддерживать гомеостаз Na+ и К+, которых может быть меньше, или они имеют сниженную Na+-K+— АТФазную активность. Изменение мембранного потенциала в Т-тубулах может потенциально ингибировать распространение потенциала действия и далее возбуждения СР, чтобы высвободить Са2+ внутри саркоплазмы.
Классическое исследование Северина и соавт. свидетельствует, что добавление карнозина в раствор, в который помещены препараты мышцы лягушки, при утомлении быстро и эффективно увеличивает силу мышечного сокращения и общую работу, продуцируемую с помощью таких препаратов (феномен Северина. Выяснение этого эффекта было проведено Петуховым (Petukhov) и соавт., которые исследовали эффекты карнозина на нервно-мышечном препарате в состоянии утомления и обнаружили, что дипептиды, такие как карнозин, значительно восстанавливают мышечное сокращение.
Анализ этого факта показал, что ни синаптическая передача, ни сократительные механизмы не вовлекаются в этот процесс. Они нашли, однако, что карнозин (и ансерин) восстанавливали величину трансмембранного потенциала, деполяризованного из-за истощения, таким образом, делая возможным мышечное сокращение.
Заключение
Высокоинтенсивная продолжительная нагрузка ведет к уменьшению содержания и мышечных субстратов (АТФ, ФКр и гликогена) и последующей аккумуляции метаболитов (АДФ, Фн, Н+ и Mg2+) с увеличением продукции свободных радикалов. Все эти факторы независимо и совместно оказывают неблагоприятное воздействие на функцию мышц и, как сообщалось, отражаются на ВИ достижениях и тренировочных занятиях.
Множество последствий субстратного истощения и аккумуляции метаболитов, как предполагают, повреждает механизмы сокращения, в частности РиР, и, возможно, даже Са2+-АТФазу. Любое снижение активности будет затруднять процесс сопряжения возбуждения и сокращения и, следовательно, образование поперечных мостиков и мышечное сокращение.
Карнозин имеет потенциально большое значение для ВИ нагрузки. Многие данные об этом дипептиде, однако, были получены из работ in vitro на волокнах скелетной мышцы животных (лягушки, мыши, крысы, лошади) или других компонентах системы мышечного сокращения, и поэтому эти сведения нельзя экстраполировать на человека. Не имеется сообщений о каких-либо токсических эффектах карнозина или его производных, таким образом, дальнейшее исследование на людях гарантирует понимание влияния карнозина in vivo на человека.
Кроме того, действительно ли дополнительный прием чистого карнозина улучшает выполнение высокоинтенсивной нагрузки? В частности, как он влияет на мышечную функцию — на произвольные движения или непроизвольные? Более того, являются ли основанием для использования карнозина в комбинации с кофеином некоторые данные, предполагающие действие карнозина в усилении влияний кофеина (другого активатора Са2+-каналов)?
Действительно, так же, как в выполненных исследованиях, нужна большая работа, чтобы довести до конца изучение влияния дополнительного приема (как кратковременного, так и долговременного) на уровень карнозина в мышечных и другого типа волокнах. В целом, по-видимому, существует интересная теоретическая основа для проведения хорошо контролируемых экспериментов в этой области.
Благодарности
Авторы выражают благодарность Стивену Риду, Петре Стиглер, Нилу Колеману (из Школы бионаук Университета Вестминстера, Великобритания) за критическое прочтение рукописи.