Биохимия физических упражнений
1 мая 2024 г. в "Nature", одном из самых престижных научных журналов мира, были опубликованы статьи (1, 2, 3 ) о результатах Консорциума молекулярных сигналов физической активности (Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, MoTrPAC). Это шестилетнее исследование с участием около 2600 человек и более 800 крыс, целью которого является создание молекулярной карты физических упражнений.
Также вышла новостная статья-обзор "Почему упражнения полезны для вас? Ученые находят ответы в наших клетках" с обсуждением результатов этих трех и других научных работ. Ее основные тезисы приводятся далее.
Также вышла новостная статья-обзор "Почему упражнения полезны для вас? Ученые находят ответы в наших клетках" с обсуждением результатов этих трех и других научных работ. Ее основные тезисы приводятся далее.
Многие наши родственники-приматы ведут относительно оседлый образ жизни. Но человек, сформировавшись 1'800'000 лет назад, был кочевым охотником-собирателем. От Человека прямоходящего до неолитической революции, которую отдельные группы Homo sapiens начали 10'тысяч лет назад, человек перемещался на большие расстояния и носил с собой еду, а позже и "товары" для обмена и торговли, убегал от опасностей.
"Те, у кого были лучшие спортивные навыки, были лучше подготовлены к тому, чтобы прожить более долгую жизнь, что сделало упражнения стержневой частью физиологии человека", - поясняет Дэниел Либерман, палеоантрополог из Гарвардского университета в Кембридже, Массачусетс.
"Те, у кого были лучшие спортивные навыки, были лучше подготовлены к тому, чтобы прожить более долгую жизнь, что сделало упражнения стержневой частью физиологии человека", - поясняет Дэниел Либерман, палеоантрополог из Гарвардского университета в Кембридже, Массачусетс.
Ни для кого не секрет, что физические упражнения полезны для здоровья, будь то бег или поднятие тяжестей. Увеличение количества физических упражнений для улучшения здоровья - посильное дело. Но по статистике 1 из 4 взрослых во всем мире не соблюдают рекомендованную Всемирной организацией здравоохранения норму физических упражнений.
Исследования показали, что быстрая ходьба в течение 450 минут каждую неделю связана с продолжительностью жизни примерно на 4,5 года дольше, чем при отсутствии физических упражнений в свободное время. Регулярная физическая активность может укрепить иммунную систему и предотвратить хронические заболевания, такие как рак, сердечно-сосудистые заболевания и диабет 2 типа.
Рекомендованная недельная норма: 150–300 минут или более упражнений умеренной интенсивности, таких как быстрая ходьба; или 75–150 минут упражнений высокой интенсивности, например бега.
Рекомендованная недельная норма: 150–300 минут или более упражнений умеренной интенсивности, таких как быстрая ходьба; или 75–150 минут упражнений высокой интенсивности, например бега.
Ученые изучают биохимические изменения, происходящие в теле человека во время физических упражнений, уже более 100 лет.
За последнее 10-летие исследователи начали выстраивать картину огромного лабиринта клеточных и молекулярных процессов,
которые запускаются во всем организме во время и после тренировки. Некоторые из этих процессов уменьшают воспаление,
другие ускоряют восстановление и поддержание клеток.
За последнее 10-летие исследователи начали выстраивать картину огромного лабиринта клеточных и молекулярных процессов,
которые запускаются во всем организме во время и после тренировки. Некоторые из этих процессов уменьшают воспаление,
другие ускоряют восстановление и поддержание клеток.
Упражнения побуждают клетки высвобождать сигнальные молекулы, которые передают множество сообщений между органами и тканями: от мышечных клеток к иммунной и сердечно-сосудистой системам или от печени к мозгу. Подобные соединения, вырабатываемые в ответ на физические упражнения, были названы "эксеркины" (или "экзеркины").
Предположения о существовании экзеркинов были сделаны еще в работе 1961 года.
Но только в 2000 году группа Кларлунд Педерсен обнаружила, что один из цитокинов (это тип иммунных молекул) интерлейкин-6 (IL-6), многофункциональный белок, который играет ключевую роль в защитной реакции организма, секретируется при сокращении мышц во время физических упражнений, что делает его экзеркином.
Высокий уровень IL-6 может быть полезным или вредным, в зависимости от того, в каком состоянии организма было спровоцировано его повышение.
Но только в 2000 году группа Кларлунд Педерсен обнаружила, что один из цитокинов (это тип иммунных молекул) интерлейкин-6 (IL-6), многофункциональный белок, который играет ключевую роль в защитной реакции организма, секретируется при сокращении мышц во время физических упражнений, что делает его экзеркином.
Высокий уровень IL-6 может быть полезным или вредным, в зависимости от того, в каком состоянии организма было спровоцировано его повышение.
В состоянии покоя слишком большое количество IL-6 оказывает воспалительное действие и связано с ожирением и резистентностью к инсулину, что является отличительной чертой диабета 2 типа.
Но во время физических упражнений IL-6 активирует более успокаивающих "родственников" - интерлейкин IL-10 и антагонист рецептора интерлейкина 1 IL-1RA, которые смягчают воспаление и его вредное воздействие.
"Хотя малая физическая активность лучше, чем полное ее отсутствие, ускоряют выработку IL-6 высокоинтенсивные и длительные упражнения, задействующие крупные мышцы, такие как бег или езда на велосипеде", - уточняет Кларлунд Педерсен.
Но во время физических упражнений IL-6 активирует более успокаивающих "родственников" - интерлейкин IL-10 и антагонист рецептора интерлейкина 1 IL-1RA, которые смягчают воспаление и его вредное воздействие.
"Хотя малая физическая активность лучше, чем полное ее отсутствие, ускоряют выработку IL-6 высокоинтенсивные и длительные упражнения, задействующие крупные мышцы, такие как бег или езда на велосипеде", - уточняет Кларлунд Педерсен.
Физическая активность вызывает клеточный стресс, но определенные молекулы уравновешивают этот разрушительный эффект.
Когда митохондрии — электростанции, снабжающие клетки энергией, — увеличивают выработку во время физических упражнений, они также производят больше побочных продуктов, называемых активными формами кислорода.
Активные формы кислорода в чрезмерных количествах могут повредить белки, липиды и ДНК. Но также они запускают множество защитных процессов во время тренировок, компенсируя их токсичные эффекты и укрепляя клеточную защиту.
Из соединений поддержания и восстановления можно назвать белок PGC-1α, регулирующий важные гены скелетных мышц, и белок NRF2, который активирует гены, кодирующие защитные антиоксидантные ферменты.
Когда митохондрии — электростанции, снабжающие клетки энергией, — увеличивают выработку во время физических упражнений, они также производят больше побочных продуктов, называемых активными формами кислорода.
Активные формы кислорода в чрезмерных количествах могут повредить белки, липиды и ДНК. Но также они запускают множество защитных процессов во время тренировок, компенсируя их токсичные эффекты и укрепляя клеточную защиту.
Из соединений поддержания и восстановления можно назвать белок PGC-1α, регулирующий важные гены скелетных мышц, и белок NRF2, который активирует гены, кодирующие защитные антиоксидантные ферменты.
В исследовании 2020 года Михаэль Снайдер и его коллеги взяли образцы крови у 36 человек в возрасте от 40 до 75 лет до, во время и через различные промежутки времени после того, как добровольцы бежали на беговой дорожке. Команда использовала мультиомное профилирование для измерения более 17'000 молекул. Для более половины этих молекул были показаны значительные изменения концентрации после упражнения. Исследователи также обнаружили, что физические упражнения запускают сложную «хореографию» биологических процессов, таких как энергетический обмен, окислительный стресс и воспаление.
Именно мультиомика помогает распутывать запутанную молекулярную паутину биохимии физических упражнений, расшифровывать, как она взаимодействует с различными системами организма. Создание на основе этого метода каталога "молекул упражнений" — важный первый шаг в понимании их воздействия на организм.
В других исследованиях изучалось, как физические упражнения влияют на разные типы клеток.
Исследование 2022 года на мышах под руководством Джонатана Лонга, патолога из Стэнфордского университета, выявило более 200 типов белков, которые в ответ на физические упражнения изменяют экспрессию в 21 типе клеток - значительно большем, чем ожидалось.
Исследование 2022 года на мышах под руководством Джонатана Лонга, патолога из Стэнфордского университета, выявило более 200 типов белков, которые в ответ на физические упражнения изменяют экспрессию в 21 типе клеток - значительно большем, чем ожидалось.
Что эти изменения значат для организма, пока остается открытым вопросом.
Авторы сосредоточились на ферменте карбоксилэстеразе. Результаты показали, что после тренировки клетки печени мышей выделяют несколько типов карбоксилэстеразы, которые ускоряют метаболизм. У генетически модифицированных мышей с повышенным уровнем улучшающих обмен веществ карбоксилэстераз при жирной диете не повышался вес и увеличивалась выносливость, когда они бегали на беговой дорожке.
Авторы сосредоточились на ферменте карбоксилэстеразе. Результаты показали, что после тренировки клетки печени мышей выделяют несколько типов карбоксилэстеразы, которые ускоряют метаболизм. У генетически модифицированных мышей с повышенным уровнем улучшающих обмен веществ карбоксилэстераз при жирной диете не повышался вес и увеличивалась выносливость, когда они бегали на беговой дорожке.
Во время тренировки отдаленные органы и ткани общаются друг с другом посредством молекулярных сигналов.
Наряду с экзеркинами одним из механизмов перекрестных связей между органами и тканями могут быть внеклеточные везикулы — наноразмерные пузырькообразные структуры, несущие биологический материал.
Наряду с экзеркинами одним из механизмов перекрестных связей между органами и тканями могут быть внеклеточные везикулы — наноразмерные пузырькообразные структуры, несущие биологический материал.
В 2018 году команда Марка Феббрайо проанализировала артериальную кровь одиннадцати здоровых мужчин, взятую до и после того, как они катались на велотренажере с возрастающей скоростью в течение часа. Во время и после тренировки, но не в состоянии покоя, был зарегистрирован всплеск уровня более чем 300 типов белков, которые составляют внеклеточные везикулы или переносятся в них.
Проведя исследование на мышах, исследователи обнаружили, что внеклеточные везикулы, сформировавшиеся после бега на беговой дорожке, большей частью оказались в клетках печени. Есть указания, что содержимое этих связанных с печенью внеклеточных везикул может остановить некоторые заболевания печени.
Проведя исследование на мышах, исследователи обнаружили, что внеклеточные везикулы, сформировавшиеся после бега на беговой дорожке, большей частью оказались в клетках печени. Есть указания, что содержимое этих связанных с печенью внеклеточных везикул может остановить некоторые заболевания печени.
Программа MoTrPAC — одно из крупнейших исследований физической активности — направлена на выяснение влияния упражнений на выносливость и аэробных упражнений на различные типы тканей, органы, на экспрессию генов, а также как эти изменения различаются между полами, в разных возрастах и при разных уровнях физической подготовки.
Исследователи выявили тысячи молекулярных изменений под воздействием тренировок (в организме крыс), многие из которых могут оказывать защитное воздействие на здоровье, например, уменьшать воспалительные заболевания кишечника и повреждение тканей.
Отдельное исследование показало, что эффекты тренировок на выносливость различаются в зависимости от пола. Маркеры, связанные с расщеплением жира, увеличиваются в мужской жировой ткани, что способствует потере жира. А в женской жировой ткани наблюдается увеличение маркеров, связанных с поддержанием жировых клеток и передачей сигналов инсулина (что может защитить от кардио- и метаболических заболеваний).
Третье исследование показало, в частности, что влияние физических упражнений на адаптивную экспрессию генов сходно с эффектом астмы. Это может быть связано со сходной этиологией между общим астматическим состоянием и бронхоконстрикцией, вызванной физической нагрузкой.
Третье исследование показало, в частности, что влияние физических упражнений на адаптивную экспрессию генов сходно с эффектом астмы. Это может быть связано со сходной этиологией между общим астматическим состоянием и бронхоконстрикцией, вызванной физической нагрузкой.
Уже есть доказательства того, что упражнения сами по себе действуют как лекарство. В работе 2022 года ученые-медики изучали мышей, а затем и людей с раком поджелудочной железы. У тех пациентов, кто занимался аэробными и силовыми тренировками по 60 минут каждую неделю, было больше Т-клеток CD8, и у них в два раза больше шансов продлить жизнь на срок до 5 лет.
Т-клетки CD8 разрушают раковые и инфицированные вирусом клетки. Эти клетки-киллеры экспрессируют рецептор для эксеркина IL-15, выделяемого мышцами во время тренировки. Когда Т-клетки CD8 связываются с интерлейкином IL-15, они вызывают более мощный иммунный ответ на клетки опухоли поджелудочной железы.
Т-клетки CD8 разрушают раковые и инфицированные вирусом клетки. Эти клетки-киллеры экспрессируют рецептор для эксеркина IL-15, выделяемого мышцами во время тренировки. Когда Т-клетки CD8 связываются с интерлейкином IL-15, они вызывают более мощный иммунный ответ на клетки опухоли поджелудочной железы.
Понимание внутреннего механизма физических упражнений может помочь разработать более четкие идеи для общественного здравоохранения и ответить на вопрос, как физическая активность может помочь компенсировать риск возникновения хронических заболеваний. Со временем станет понятно, какие виды физической активности могут принести пользу людям с хроническими заболеваниями.
«Мы думаем, что вы сможете прописать упражнения так же, как вы можете прописать лекарство», — размышляет Бенте Кларлунд Педерсен, специализирующаяся на внутренних заболеваниях и инфекционных заболеваниях в Копенгагенском университете. Исследователи надеются, что массивы молекулярных данных в конечном итоге помогут врачам разработать для людей с хроническими заболеваниями индивидуальные рецепты упражнений.
«Мы думаем, что вы сможете прописать упражнения так же, как вы можете прописать лекарство», — размышляет Бенте Кларлунд Педерсен, специализирующаяся на внутренних заболеваниях и инфекционных заболеваниях в Копенгагенском университете. Исследователи надеются, что массивы молекулярных данных в конечном итоге помогут врачам разработать для людей с хроническими заболеваниями индивидуальные рецепты упражнений.