5. Возрастные изменения мышечной системы
Безусловно, с возрастом наш организм изменяется. Изменяется и мышечная система. У взрослого человека скелетная мускулатура составляет более 40% массы тела. При старении интенсивность снижения массы мышц более выражена, чем уменьшение массы тела в целом. Форма мышцы с возрастом изменяется за счет ее уменьшения и соответствующего удлинения сухожилия. В частности, длина ахиллова сухожилия увеличивается с 3,5-4 см у молодых людей до 6-9см - у старых. Прогрессирующее нарастание с возрастом гипотрофии мышц происходит неодинаково в функционально разных мышечных группах. Подобный процесс развивается в основном за счет уменьшения диаметра отдельных мышечных волокон. Так, диаметр мышечного волокна грудной мышцы у людей молодого возраста составляет 40-45 мкм, в 50 лет - 20-25 мкм, 70 лет - 10-20 мкм. Морфологические исследования разных лет показали, что при старении в скелетных мышцах наряду с неизмененными и компенсаторно гипертрофированными мышечными волокнами обнаруживаются в разной степени атрофированные мионы, отмечаются очаговые нарушения четкости поперечной исчерченности и возрастание количества ядер. При электронно-микроскопическом исследовании выявляется нарушение архитектоники взаиморасположения митохондрий и элементов сократительной субстанции. Как и в других органах при старении в скелетных мышцах развиваются компенсаторно-приспособительные перестройки, проявляющиеся увеличением площади ядерных мембран, гипертрофией митохондрий и других органелл. Параллельно с изменениями в мышечных волокнах происходят сдвиги в стенке питающих их кровеносных капилляров, свидетельствующие об измененных условиях транскапиллярного обмена, что, в свою очередь, усугубляет нарушения в мышечных волокнах. Процесс регенерации мышечных элементов в старом организме начинается значительно позже, а замещение соединительной тканью раньше, чем в молодом.
Долгое время существовало представление, что мышца при сокращении черпает энергию из своей структуры, разрушаясь. Затем эти воззрения были вытеснены сведениями о метаболических превращениях в процессе мышечной деятельности. К настоящему времени уже невозможно рассматривать биохимические процессы в мышечных волокнах безотносительно их строения, метаболический цикл жестко привязан к месту, а последовательность превращений в нем - к структурным особенностям ферментных рядов.
В зависимости от проявления специфической функции мышц происходит в разной степени выраженности физиологическое обратимое разрушение их ультраструктуры - деградация митохондрий, контрактуры отдельных миофиламентов, разрывы капилляров, локальные нарушения целостности Т-систем. При интенсивной деятельности могут отмечаться выраженные повреждения отдельных мышечных волокон, микрокровоизлияния. Чрезвычайно важным для определения возрастного оптимума сократительной функции является установление границы обратимости этих нарушений, так как одни поломки восстанавливаются бесследно, а другие ведут к постепенной утрате специфичности ткани и последующему склерозированию. Изучение ферментативной активности в мышечной ткани при старении показало наличие весьма сложных перестроек, направленных на сохранение гомеостаза организма.
Принципиально важным является положение о первичных нейронных возрастных сдвигах при старении нервно-мышечной системы, которые приводят к ухудшению связи между нервной и мышечной клетками и определяют сенильные изменения скелетных мышц, наименее выраженные в волокнах диафрагмы, что связано с первичным регулирующим влиянием нейронной импульсной активности, продолжительно форсированной во время акта дыхания.
При старении комплекс нервных механизмов регуляции активности мотонейронов переходит на более низкие частоты. Описанные изменения зависят от медленно прогрессирующих нарушений нервно-мышечного контакта, уменьшения размеров сенильной двигательной единицы, а также диаметра мышечных волокон. В частности, уменьшение в размерах (но не в количестве двигательных единиц) объясняет, почему в сенильных мышцах не обнаруживаются потенциалы фибрилляций. Развитие возрастных изменений в двигательной единице, которое сопровождается ухудшением сократительных свойств мышечных волокон, компенсируется реиннервацией, поэтому их плотность в двигательной единице при старении увеличивается. Данные об изменениях морфо-функционального профиля скелетных мышц при старении организма в какой-то мере могут объяснить особенности чувствительности мышц к гипоксии на поздних этапах онтогенеза. Развивается своеобразная адаптация к этому фактору, выражающаяся в меньшем уровне кровотока, необходимом для поддержания устойчивой работоспособности.
Возрастные изменения в нервно-мышечной системе связаны с характерными сдвигами на всех уровнях: от мышечного волокна до нервных клеток самых высоких отделов центральной нервной системы. Они зависят от нарастающих при старении метаболических сдвигов в организме и связаны со сложной системой перестройки в регуляции функций. В старости сохраняется способность нервно-мышечного аппарата к адаптации под влиянием физической тренировки. Возрастные изменения сердечно-сосудистой и нервной систем, костно-мышечного аппарата приводят к различным болевым ощущениям, физической слабости, психической утомляемости, замедленной моторике. С возрастом мышцы теряют силу, атрофируются.
Список литературы
1. Васильев А.Н. Мышечная система человека. – М., 1998.
2. Шувалова Н.В. Строение человека. – М.: Олма-пресс, 2000.
Сыворотки крови в значительной мере зависит от функциональной активности мышечной ткани. Отсюда мы видим, какую разнообразную патологию можно наблюдать при различных нарушениях и заболеваниях костно-мышечной системы. В школьном возрасте при неправильном распределении нагрузки на позвоночник, при слабо тренированных мышцах могут развиться различные нарушения осанки, которые приводят к снижению...
Ткани канала при необходимости удаётся провести катетер диаметром до 10 мм. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключение мне бы хотелось объяснить, почему я выбрал экзамен именно по биологии, на тему анатомии и физиологии мочевой системы человека. Моя мама – врач, как раз уролог, и сам я хочу стать медиком. Существует множество заболеваний выделительного аппарата. Это различные врождённые аномалии развития почек, ...
Развиваются гетерохронно. Сенситивный период развития мышечной силы – 14-17 лет; развития быстроты – 11-14л; выносливости – 15-20л; гибкости 3-15л; ловкости 7-15. 2. ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЫШЕЧНОЙ СИСТЕМЫ ТОЛКАТЕЛЕЙ ЯДРА Динамика физического развития и анализ контрольных показателей на этапе начальной спортивной специализации дают возможность определить два периода, в соответствии...
Возрасте мышечная сила больше у мальчиков, чем у девочек. Мускулатура значительно развивается в период полового созревания. К 20 - 23 годам формирование мышечной системы и ее рост обычно заканчиваются. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ Дыхательный аппарат к моменту рождения ребенка не достигает полного развития и лишь в процессе роста постепенно совершенствуется в морфологическом и функциональном...
Вы можете набрать мышечную массу, даже если достигли среднего возраста (от 40 до 60 лет) или перешли за его границу.
Наша лаборатория и другие неоднократно показывали, что у людей старшего возраста мышцы тоже растут и становятся сильнее.
Маркас Бамман, директор центра медицины физических упражнений в Университете штата Алабама в Бирмингеме
В рамках исследованияExercise dosing to retain resistance training adaptations in young and older adults . , которое проводил Бамман, мужчины и женщины в возрасте 60–70 лет занимались силовыми тренировками. Развитие мышц у них проходило с такой же скоростью, как и у 40-летних.
Но процесс роста мышц отличается у молодых и пожилых людей.
Скелетные мышцы состоят из разных типов волокон. Когда мы достигаем среднего возраста, с ними происходят два типа изменений.
Маркас Бамман
Некоторые волокна отмирают, особенно если не нагружать мышцы физическими упражнениями. Взрослые люди, ведущие сидячий образ жизни, теряют от 30 до 40% от общего количества волокон в мышцах по достижении 80 лет. Оставшиеся волокна с возрастом сжимаются и атрофируются. Если мы занимаемся, увеличивается размер атрофированных мышечных волокон, но не их количество.
Получается, что несмотря на тренировки, у вас не увеличится количество мышечных волокон. Однако атрофированные волокна включатся в работу и увеличатся в размерах, так что мышцы всё равно станут больше и сильнее.
Как тренироваться, чтобы обеспечить рост мышц в среднем и пожилом возрасте
Суть в том, чтобы регулярно заниматься, . Начните посещать спортзал и создайте план тренировок.
Чтобы запустить биохимические процессы, необходимые для увеличения силы мышечных волокон, стоит заниматься до отказа мышц.
В исследовании Баммана участники тренировались со специально подобранными весами, чтобы испытуемые смогли выполнить от 8 до 12 повторений до полного изнеможения. После этого наступало время для отдыха. Участники повторяли каждый подход два или три раза и посещали спортзал три раза в неделю.
Если вы никогда не занимались силовыми тренировками, проконсультируйтесь с фитнес-тренером или специалистом по .
Наглядный пример того, что накачать мышцы можно и в пожилом возрасте, - 73-летний кроссфитер Хасинто Бонилья, который делает столько, сколько не снилось многим молодым людям.
Анатомически у новорожденных имеются все скелетные мышцы, но относительно веса тела они составляют всего 23% (у взрослого 44%). Количество мышечных волокон в мышцах такое же, как у взрослого. Однако микроструктура мышечных волокон отличается. Волокна меньше диаметром, в них больше ядер. По мере роста происходит утолщение и удлинение волокон. Это происходит за счет утолщения миофибрилл, оттесняющих ядра на периферию. Размеры мышечных волокон стабилизируются к 20 годам.
Мышцы у детей эластичнее, чем у взрослого, т.е. быстрее укорачиваются при сокращении и удлиняются при расслаблении. Возбудимость и лабильность новорожденных ниже, чем у взрослых, но с возрастом растет.
У новорожденных даже во сне мышцы находятся в состоянии тонуса. Развитие различных групп мышц происходит неравномерно. В 4-5 лет более развиты мышцы предплечья, отстают в развитии мышцы кисти. Ускоренное созревание мышц кисти происходит в 5-6 лет. Причем разгибатели развиваются медленнее сгибателей. С возрастом изменяется соотношение тонуса мышц. В раннем детстве повышен тонус мышц кисти, разгибателей бедра и т.д. Постепенно распределение тонуса нормализуется.
Показатели силы и работы мышц в процессе роста.
С возрастом сила мышечных сокращений увеличивается. Это объясняется не только уменьшением мышечной массы, но и совершенствованием двигательных рефлексов. Например, сила кисти с5 до 16 лет возрастает в 5-6 раз, мышц ног в 2-2,5 раза. Показатели силы до 10 лет больше у мальчиков. С 10-12 лет – у девочек. Способность к быстрым и точным движениям достигается к 14 годам, выносливость к 17. В 10-11 лет ребенок способен выполнять работу мощностью 100 Вт, 18-19 лет 250-300 Вт.
Физиология процессов межклеточной передачи возбуждения. Проведение возбуждения по нервам.
Функцию быстрой передачи возбуждения к нервной клетке и от нее выполняют ее отростки – дендриты и аксоны, т.е. нервные волокна. В зависимости от структуры их делят на мякотные , имеющие миелиновую оболочку, ибезмякотные . Эта оболочка формируетсяшванновскими клетками , являющимися видоизмененными глиальными клетками. Они содержат миелин, который в основном состоит из липидов. Он выполняет изолирующую и трофическую функции. Одна шванновская клетка образует оболочку на 1 мм нервного волокна. Участки, где оболочка прерывистая, т.е. не покрыта миелином, называютперехватами Ранвье . Ширина перехвата 1 мкм.
Функционально все нервные волокна делятся на 3 группы:
Волокна типа А – это толстые волокна, имеющие миелиновую оболочку. В эту группу входят 4 подтипа:
А альфа – двигательные волокна скелетных мышц и афферентные нервы, идущие от мышечных веретен – рецепторов растяжения. Скорость проведения 70-120 м/с.
А бета – афферентные волокна, идущие от рецепторов давления и прикосновения кожи. Скорость 30-70 м/с.
А гамма – эфферентные волокна, идущие к мышечным веретенам (15-30 м/с).
А дельта – афферентные волокна от температурных и болевых рецепторов кожи (12-30 м/с).
Волокна группы В – тонкие миелиновые волокна, являющиеся преганглионарными волокнами вегетативных эфферентных путей. Скорость проведения 3-18 м/с.
Волокна группы С – безмиелиновые постганглионарные волокна вегетативной нервной системы. Скорость 0,5-3 м/с.
Проведение возбуждения по нервам подчиняется следующим законам:
Закон анатомической и физиологической целостности нервов , т.е. нерв способен выполнять свою функцию лишь при обоих этих условиях. Первые нарушения при перерезке, вторые – при действии веществ, блокирующих проведение, например, новокаин.
Закон двустороннего проведения возбуждения. Оно распространяется в обе стороны от места раздражения. В организме чаще всего возбуждение по афферентным путям идет к нейрону, а по эфферентным – от нейрона. Такое распространение называетсяортодромным . Очень редко возникает обратная илиантидромное распространение возбуждения.
Закон изолированного проведения. Возбуждение не передается с одного не нервного волокна на другое волокно, входящее в состав этого же нервного ствола.
Закон без декрементного проведения. Возбуждение проводится по нервам без декремента, т.е. без затухания. Следовательно, нервные импульсы не ослабляются, проходя по нервам.
Скорость проведения прямо пропорциональна диаметру нервов.
Нервные волокна обладают свойствами электрического кабеля, у которого не очень хорошая изоляция. В основе механизма проведения возбуждения лежит возникновение местного тока. В результате генерации потенциала действия в аксонном холмике и реверсии мембранного потенциала, мембрана аксона приобретает положительный заряд. Снаружи она становится отрицательной, внутри положительной. Мембрана нижележащего невозбужденного аксона заряжена противоположным образом. Поэтому между этими участками по наружной и внутренней поверхностям мембран начинают проходить местные токи. Эти токи деполяризуют мембрану нижележащего невозбужденного участка нерва до критического уровня, и в нем также генерируется потенциал действия. Затем процесс повторяется и возбуждается более отдаленный участок нерва и т.д.
Так как по мембране безмякотного волокна местные токи текут не прерываясь, то такое проведение называется непрерывным . При непрерывном проведении местные токи захватывают большую поверхность волокна, поэтому им требуется длительное время для прохождения по участку волокна. В результате дальность и скорость проведения по безмякотному волокну небольшая.
В мякотных волокнах участки, покрытые миелином, обладают большим электрическим сопротивлением. Поэтому непрерывное проведение потенциала действия невозможно. При генерации потенциала действия местные токи текут лишь между соседними перехватами. По закону «все или ничего» возбуждается ближайший к аксонному холмику перехват Ранвье, затем соседний нижележащий перехват и т.д. Такое проведение называется сальтаторным (прыжком). При этом механизме ослабление местных токов не происходит, и нервные импульсы распространяются на большее расстояние, с большой скоростью.
Тренировки Читать 22 мартаИсследования процесса старения на червях, мухах и мышах показали, что снижение темпа органического роста (посредством уменьшения скорости синтеза белка) оказывает полезное воздействие на различные органы, что в совокупности приводит к увеличению продолжительности жизни. У людей все наоборот: исследования показывают, что старение приводит к нарушениям анаболизма (т.е. роста) в скелетной мускулатуре, а потеря мышечной массы и силы – факторы, напрямую связанные с уровнем смертности в пожилом возрасте.
Таким образом, повышение синтеза мышечного белка с помощью упражнений и потребления протеина в пище поддерживает объем и силу мышц, что приводит к улучшению здоровья, сохраняет свободу движения и позволяет дольше обходиться без посторонней помощи. Цель данного обзора - анализ современной литературы, посвященной поддержке мышечной массы на протяжении жизни, для ответа на вопрос: является ли поддержание или снижение уровня синтеза белка средством сохранения опорно-двигательной функции и здоровья в старости?
Введение
Во всем населении Земли количество людей старше 65, 85 и 100 лет может увеличиться к 2050-му году на 188, 551 и 1004% соответственно (The United Nations; World Population Prospects). Следовательно, по всему миру будут чаще проявляться «болезни старости», например, саркопения, при которой происходит по определению European Working Group on Sarcopenia in Older People (EWGSOP) «прогрессирующее снижение массы и силы скелетной мускулатуры, способное привести к ухудшению качества жизни, физической недееспособности и смерти» (Baumgartner et al. ; Cruz-Jentoft et al. ; Rosenberg ).
Саркопения оказывает критическое влияние на здоровье, потому что скелетная мускулатура у взрослого человека составляет около 40% массы тела (Janssen et al. ). Помимо своих основных функций (поддержание осанки, движение и дыхание) скелетные мышцы также хранят важные нутриенты и регулируют метаболизм (Wolfe ). В период старения человек теряет около 30% от своей максимальной мышечной массы к 80-и годам, и объем этой потери растет при отсутствии физических нагрузок и неправильном питании (Janssen et al. ; Topinkova ). Это ухудшение в метаболизме и функции скелетной мускулатуры не следует недооценивать; в одной лишь
Великобритании осложнения после падений у людей пожилого возраста обходятся Государственной службе здравоохранения в дополнительные 1,7 миллиарда фунтов ежегодно (www.ageuk.org.uk).
Влияние процесса старения на здоровье
Старение характеризуется масштабным сокращением резервных возможностей главных внутренних органов (Topinkova ). Критическое влияние на продолжительность жизни оказывает уменьшение сердечного выброса (Lambert and Evans ), что вместе со сниженной легочной функцией (Taylor and Johnson ) уменьшает окислительные способности скелетной мускулатуры (Betik and Hepple ) и меняет компонентный состав тела (Kuk et al. ), приводя к падению объема максимального потребления кислорода (приблизительно на 1% в год после двадцатипятилетия) (Lambert and Evans ). У МПК (VO2max), или у заменяющих его измерений, высокая корреляция с риском смертности (Lee et al. ; Lee et al. ; Lee et al. ). Эти метаболические изменения приводят к иному распределению нутриентов, вызывая перекосы в отложении жира и развитие резистентности к инсулину, связанной со старением организма (Wolfe ).
Возрастное уменьшение мышечной массы существенно влияет на здоровье. Потеря мышечной ткани (саркопения) и костной (остеопения) тесно связаны, так что факторы, ухудшающие мышечный анаболизм, также, вероятно, воздействуют и на кости. В пожилом возрасте саркопения и остеопения приводят к клиническим проблемам, таким, как нарушение двигательной функции и координации, повышенный риск остеоартрита и переломов/смещений; любая из которых снижает качество жизни (Cruz-Jentoft et al. ; Janssen et al. ; Landi et al. 2012a , ; Panel on Prevention of Falls in Older Persons and British Geriatrics ).
Даже в условиях «здорового» старения происходит постепенная утрата мышечной ткани. Lexell (), наблюдая мужчин в возрасте 15–83 года, обнаружил возрастное снижение объемов мышц, прогрессирующее после 25 лет (Рис. a). Основной причиной было сокращение числа мышечных волокон, но также уменьшалась и относительная площадь поперечного сечения (Рис. b).
Поскольку больше страдают волокна II типа, это может быть вызвано нарушениями иннервации мышц, происходящими из-за возрастной утраты альфа мотонейронов (Brown ; Tomlinson and Irving ; Einsiedel and Luff ). После потерь альфа мотонейронов происходит реиннерварция мышц окружающими нейронами (Holloszy and Larsson ), что, вероятно, приводит к уменьшению мышечной силы и объема с возрастом (Luff ). При меньшем числе мотонейронов увеличивается количество мышечных волокон в двигательных единицах, из-за чего они становятся более крупными и менее эффективными (Andersen ).
Также преимущественное уменьшение анатомического поперечника в волокнах II типа частично объясняет, почему с возрастом сила и мощность снижаются непропорционально потерям объемов мышц (Macaluso and De Vito ) и почему мышцы хуже справляются с утомлением (Avin and Law ). Помимо вышеупомянутых участвует множество других факторов, включая уменьшение числа сателлитных клеток скелетной мускулатуры (Kadi et al. ), возможный переход к более медленным изоформам миозина (Gelfi et al. ) и сокращение длины саркомеров (Narici et al. ).
Крайне беспокоит тот факт, что из-за возрастного снижения силы 16–18% женщин и 8–10% мужчин старше 65 лет не могут поднять 5-килограммовое отягощение или опуститься на колени (FIFoA-R ). Эта потеря силы с возрастом называется динапенией (Clark and Manini ) и происходит в 2–5 раз быстрее, чем уменьшение объемов мышечной ткани (Clark et al. ; Delmonico et al. ).
Исследования показывают, что даже набор мышечной массы у пожилых людей не может полностью предотвратить возрастные потери силы (Delmonico et al. ). Они происходят из-за проникновения жира, нейронных изменений, а также изменений сократительных способностей (Kent-Braun et al. ) и многих иных механизмов (Clark and Manini ; Mitchell et al. ). Динапения - основной фактор риска потери способности самостоятельно передвигаться (Manini et al. ; Visser et al. ) и смертности (Newman et al. ; Takata et al. ).
Возрастные изменения размера и качества скелетной мускулатуры. На протяжении жизни происходит уменьшение анатомического поперечника мышц (a ) с преобладанием потерь волокон 2 типа (b ). Полученные посредством МРТ изображения показывают состав мышечной ткани у молодого человека (c ), малоподвижного пожилого (d ) и активного пожилого (e ). a и b взяты из работы (Lexell 1995 ).
Наряду с падением силы происходит явное уменьшение размеров мышц со скоростью ~4.7% от максимальной массы в декаду у мужчин и ~3.7% у женщин (Mitchell et al. ). Возрастные изменения состава мышц показаны на Рис. c–e (Breen et al. неопубликованные данные). На изображении c мышцы молодого человека для сравнения с малоподвижным (1D) и физически активным (1E) пожилыми людьми, потребляющими одинаковые объемы белка [~0.9 грамм/(килограмм/веса)].
Хорошо видно, что при уменьшении мышечной массы с возрастом (1C и 1D) больше жира проникает в мышечные ткани (1C и 1D), но физическая активность позволяет сохранить больше скелетной мускулатуры при старении (1D и 1E). Накопление внутримышечного жира может объяснять непропорциональные расхождения в потерях силы и объемов мышц с возрастом. Обычно адипозная ткань с возрастом накапливается, добавляя в обмен веществ множество вызывающих воспаление цитокинов (адипокинов), что увеличивает катаболизм мышц, участвуя в порочном круге потери мышц и набора жира (Schrager et al. ; Wellen and Hotamisligil ).
Проникновение макрофагов в мышцы из-за повышения накопленных липидов/адипокинов получило название «саркопеническое ожирение» (Baumgartner ; Stenholm et al. ). Сочетание липотоксичности и малоподвижности/старения снижает анаболический ответ скелетной мускулатуры на стимулирующие нагрузки и питание (Murton et al. ; Nilsson et al. ; Sitnick et al. ; Stephens et al. ).
Главное различие между мужчинами, чьи мышцы показаны на изображениях e и d, заключается в ежедневных нагрузках, 1E в ~4 раза активнее, чем 1D. Таким образом, высокий уровень физической активности (вместе с правильным питанием) позволяет поддерживать мышечную силу и объемы в пожилом возрасте.
Значение силы скелетной мускулатуры для здоровья в старости
Важно, что у людей старше 60 лет, попавших в самую слабую треть, был на 50% выше общий риск смерти (Рис. a), чем у участников того же возраста из самой сильной трети (Ruiz et al. ). Тот же тренд виден при рассмотрении смертности от раковых заболеваний (Рис. b), сила мышц, пусть и являясь коррелирующим фактором, меньше связана с раком.
И последнее существенное наблюдение - безотносительно силы хорошая аэробная форма связана с большей продолжительностью жизни (Рис. c). В целом, данная работа обеспечила первое доказательство, что физическая сила, или процесс ее развития, напрямую связана с сохранением здоровья в старости.
Связь силы скелетной мускулатуры и состояния сердечно-сосудистой системы со здоровьем в старости. После 60 лет смертность по всем причинам (a ) и связанная с раком (b ) в два раза выше у участников из слабой трети по сравнению с сильной третью. Помимо силы плохая аэробная форма почти в два раза повышает риск смерти (c ). Адаптировано из работы (Ruiz et al. 2008 )
Уровень мышечной силы и МПК (VO2max) являются хорошими показателями для оценки продолжительности жизни, так как говорят о состоянии нерво-мышечной и сердечно-сосудистой систем. Как уже говорилось ранее, сила (и объемы) мышц также является ключевым фактором, определяющим состояние здоровья в пожилом возрасте.
Итак, ясно представляя пользу силовой и аэробной подготовки для здоровья, ответим на вопрос: каким образом поддерживать мышечную функцию, силу и массу на протяжении жизни?
Как мышечная масса, сила и функция регулируются на клеточном уровне?
Главным регулятором клеточного роста является протеинкиназа mTOR (Fingar and Blenis ). Важно знать, что mTOR существует в виде двух комплексов, и гиперактивность этих форм (mTORC1/2) приводит к росту опухолей, патологической гипертрофии, диабету и ожирению (Lee et al. ; Sharp and Richardson ; Zoncu et al. ).
mTORC1 - киназный компонент обоих комплексов, а также связанных с фосфатидилинозитол киназой (PIK) соединений (Abraham ), хотя он не влияет на активность липидкиназы (Brunn et al. ). Деятельность mTOR зависит от нескольких адапторных белков GβL (Kim et al. ), raptor (Hara et al. ), rictor (Sarbassov et al. ), Sin1 (Yang et al. ) и Protor/PRR5 (Pearce et al. ; Woo et al. ), формирующих два различных комплекса mTOR, которые действуют своими путями.
Комплекс 1 содержит GβL, raptor и mTOR и чувствителен к рапамицину. GβL стабилизирует связь mTORC1 и raptor и улучшает киназную активность mTORC1 к его мишеням (Guertin et al. ), хотя не является необходимым для деятельности mTORC1 (Guertin et al. ). Raptor - адапторный протеин, который определяет и связывает соединения, содержащие TOS (TOR сигнальные) мотивы (Schalm et al. ), такие, как 4EBP и S6K1 (Schalm and Blenis ). mTORC2 содержит mTOR, rictor, GβL, Sin1 и Protor/PRR5 и не чувствителен к рапамицину (Sarbassov et al. ).
mTORC1 регулирует запуск белкового синтеза, контролируя формирование комплекса eIF4F (Gingras et al. ), и управляет трансляцией мРНК, воздействуя на SKAR посредством мишени S6K1 (Ma et al. ). Также mTORC1 контролирует рибосомный биогенез, регулируя транскрипцию рДНК (Hannan et al. ), и доставка РНК в ядро регулированием eIF4E в зависимости от фосфорилирования 4EBP1 (Culjkovic et al. ; Topisirovic et al. ; Topisirovic et al. ). Таким образом, mTORC1 является важнейшим регулятором белкового синтеза (Fingar et al. ). Установлено, что упражнения с отягощениями и потребление протеина в пище синергично активируют mTORC1, повышая общий синтез белка в скелетной мускулатуре (Brook et al. ).
Значение физических упражнений для сохранения мышечной массы и функции
Появляется все больше подтверждений того, что на развитие саркопении существенно влияет уровень физической активности (Kortebein et al.). Сидячий образ жизни и хроническая малоподвижность - ключевые факторы, приводящие к ускоренной потере мышечной массы и силы, из-за чего растет риск нарушений опорно-двигательного аппарата и падений, а также смертность (Montero-Fernandez and Serra-Rexach ).
аже такой небольшой период неподвижности, как 10 дней постельного режима, у пожилых людей может значительно ослабить мышцы ног, на 12% ухудшить аэробную форму и на 7% снизить уровень физической активности после возращения к ней (Kortebein et al. ). Попытки замедлить развитие саркопении (или даже развернуть процесс в обратную сторону) с помощью фармакологии были в основном безуспешными (Borst ; Onder et al. ).
Регулярное выполнение упражнений с отягощениями вызывает гипертрофию мышц благодаря хронически повышенному уровню синтеза белка, превышающего уровень распада (Brook et al. ; Wilkinson et al. ). Хотя у пожилых людей с саркопенией проявляется возрастная сопротивляемость анаболизму в ответ на физические нагрузки и прием белка (Cuthbertson et al. ; Kumar et al. ). Но совокупный эффект от регулярных тренировок и потребление требуемого количества протеина все же помогает восстанавливать и сохранять мышцы при получении достаточного стимула (Walker et al. ).
Большое число исследований подтверждает пользу тренировок для пожилых людей (Hakkinen et al. ), даже у тех, кто старше 90 лет (Fiatarone et al. ). Полезные эффекты включают рост числа сателлитных клеток (Leenders et al. ), увеличение площади анатомического поперечника и дифференциация мышечных волокон (Kosek et al. ), увеличение размера волокон, особенно II типа (Leenders et al. ), повышение мышечной силы и массы (Candow et al. ; Geirsdottir et al. 2012a).
Они сопровождаются метаболическими изменениями, такими, как повышение обмена веществ (Hakkinen et al. ), митохондриального биогенеза и эффективности метаболизма субстратов, физической работоспособности (McCartney et al. ). В долгосрочной перспективе силовые тренировки увеличивают объем волокон (Narici et al. ), повышают мышечную силу и улучшают функцию (Macaluso and De Vito ). Важно отметить, что упражнения с отягощениями безопасны для здоровых пожилых людей, а также для имеющих сердечно-сосудистые осложнения (Williams et al. ).
Также физические упражнения значительно улучшают координацию (Orr et al. ), уменьшают страх падений и их частоту (Rubenstein et al. ), улучшают мыслительные способности (Cassilhas et al. ), сокращают время, затрачиваемое на вставание (Leenders et al. ), снижают частоту первой и повторных госпитализаций (Lang et al. ), повышают скорость ходьбы (Studenski et al. ) и, что важнее всего, повышают качество жизни в целом (Geirsdottir et al. 2012b ; Levinger et al. ). Вдобавок появляются подтверждения, что и регулярные аэробные тренировки помогают поддерживать мышечную массу и функцию в старости (Harber et al. ), о чем подробнее в новом обзоре (Brook et al. ).
Значение белка в питании для сохранения мышечной массы и функции
Протеин, потребляемый из пищи, необходим для сохранения мышечной массы и функции, а также - из-за тесной связи - для прочности костной системы. Текущие рекомендации (RDA) для белка, учитывая нужды всего организма, составляют 0.8 грамм/(кг/день) (0.32/кг/СМТ/день, если полагать сухой массой тела (СМТ) 40% от всего веса - Janssen et al. ). Однако RDA не учитывает возможную разницу в потребности для поддержания здоровой мускулатуры у молодых и пожилых людей. Поскольку накоплено немало подтверждений, что превышение рекомендаций RDA по белку приносит различные полезные эффекты (Morley et al. ), следует определить оптимальный объем протеина в питании для развития (или хотя бы сохранения) мышечной/костной системы в пожилом возрасте.
Достаточное количество белка в рационе стимулирует синтез мышечных протеинов, поставляя незаменимые аминокислоты (Chesley et al. ; Tipton et al. ). В частности лейцин, аминокислота с разветвленной цепью, может оказывать анаболическое воздействие, стимулируя синтез белка и связанные с mTOR сигналы при отсутствии других незаменимых аминокислот (и в большей степени, чем они) (Atherton et al. ; Wilkinson et al. ). Анаболический отклик мышц на поступление аминокислот продолжается недолго, доходя до пика через ~2 часа после поглощения протеина и опускаясь через ~3 часа (Burd et al. ; Mitchell et al. ), даже если уровень аминокислот остается повышенным (Bohé et al. ).
Некоторые исследования показали, что этот отклик на прием белка у пожилых людей значительно ниже (Cuthbertson et al. ; Guillet et al. ; Katsanos et al. ; Volpi et al. ). Но надо отметить, что не все эксперименты зафиксировали анаболическую резистентность, связанную с возрастом (Paddon-Jones et al. ; Pennings et al. ); возможно, из-за различия в методах оценки уровня синтеза мышечного протеина (Burd et al. ).
Старение ассоциируется с большей висцеральной экстракцией аминокислот [отбор белка внутренними органами для своих нужд - прим. пер.], таким образом снижая объем получаемого из пищи протеина (Volpi et al. ). Также у пожилых людей наблюдается нарушение микрососудистой перфузии [питание тканей через их сосудистую систему - прим. пер.] (Mitchell et al. ), что осложняет доставку незаменимых аминокислот в мышцы.
При этом надо учесть, что многие пожилые люди не набирают и рекомендуемые RDA нормы белка по самым разным причинам, от снижения аппетита и ухудшения пищеварения до социо-экономических факторов. Одной из главных проблем является нездоровый режим питания (Tieland et al. ). Например, протеин в утреннем и дневном приемах пищи обычно не приводит к такой же максимальной стимуляции синтеза мышечного белка, которая вызывается протеиновым ужином (Tieland et al. ).
Старение связано с пониженным анаболическим откликом на прием белковой пищи. Сравнительный анализ показывает, что доза протеина, необходимая для максимальной стимуляции синтеза миофибриллярной фракции, у молодых людей (a ) на 40% ниже, чем у пожилых (b ). На основе данных (Moore et al. 2015 )
Согласно данным Мура и коллег (Moore et al. ()), семидесятилетний человек весом 80 кг (имеющий СМТ около 30% от общей массы (т.е. 24 кг) и питающийся три раза в день (Short and Nair )) должен получать ~147 граммов белка в сутки или ~1.8 г/кг, что превышает рекомендуемую норму RDA более чем в два раза.
В поддержку этого предположения можно привести работу Кима с коллегами ((Kim et al. ()), которая показала, что потребление 1.5 г/(кг/массы тела) белка (почти в два раза больше текущей нормы RDA-0.8 г/(кг/массы тела)] привело к значительно большей стимуляции синтеза мышечного белка в течение суток по сравнению с рекомендуемым приемом на уровне 0.8 г/(кг/массы). В этом исследовании не было зафиксировано дополнительного анаболического эффекта при сравнении равномерного и неравномерного распределения протеина в приемах пищи (Kim et al. ).
Помимо кратковременного повышения уровня синтеза белка есть и долгосрочные эффекты, например, Кэмпбелл с коллегами (Campbell et al. ()) обнаружил, что у пожилых людей, потреблявших рекомендуемую RDA дозу белка в течение 14 недель, значительно снизилась мышечная масса бедер. Другое исследование показало, что пожилые люди, у которых в рационе белок составлял ~19% от общего калоража, потеряли на ~40% меньше мышц, чем люди с ~11% белка от общего калоража (Anderson et al. ).
При том, что многие пожилые и так не набирают достаточное количество белка для поддержания здоровья, ситуация ухудшается в период заболевания (Covinsky et al. ). Неполноценное питание во время острых приступов и при хронических проявлениях болезни затягивает выздоровление и повышает риск развития осложнения, приводя к повторной госпитализации (Covinsky et al. ).
Ограничение подвижности, связанное с постельным режимом, чаще вызывыает негативные последствия у пожилых людей, например, всего неделя в постели вызывает атрофию мышц и анаболическую резистентность (Drummond et al. ). Подобные ухудшения фиксировались у пожилых после 14 дней частично ограниченной подвижности (Breen et al. ). Все больше специалистов сходится во мнении, что увеличение потребления белка (выше рекомендуемых RDA доз) в период заболевания и госпитализации ускоряет выздоровление и помогает сохранить скелетную мускулатуру (Cawood et al. ).
Потери мышц из-за неподвижности были зафиксированы даже при потреблении белка на уровне 1.0–1.2 г/(кг/массы тела) (Trappe et al. ). Клиническое исследование обнаружило, что самые тяжелобольные из возрастных пациентов потребляли меньше всего белка (Pichard et al. ). Помимо улучшения состояния мышц было выявлено, что при превышении норм RDA растет и минеральная плотность костной ткани (Devine et al. ; Meng et al. ). При переломе шейки бедра увеличение количества белка (более текущих рекомендаций RDA) в пище или в добавках ассоциируется с повышением плотности костей и сокращением времени восстановления (Schurch et al. ).
Мнение, что увеличение потребления белка приводит к повышению кислотности крови и резорбции [растворению - прим.пер.] кальция из костей, опровергается несколькими мета-анализами (Fenton et al. ; Fenton et al. ; Fenton et al. 2009a ; Fenton et al. 2009b). Подводя итог, сегодня очевидна необходимость повышения рекомендуемых норм приема белка пожилым людям для поддержания скелетной мускулатуры и качества жизни; специалисты советуют увеличить дозу до 1.0-1.2 г/(кг массы тела) (Bauer et al. ).
При заболеваниях и ограничениях подвижности, например, постельном режиме, норму рекомендует GJdподнимать до 1.2-2.0 г/(кг/массы тела), в зависимости от тяжести заболевания и неполноценности рациона (Bauer et al. ).
Повышать продолжительность жизни или качество?
Вышеупомянутые исследования ясно показывают, что размер и сила скелетной мускулатуры имеют критическое значение для сохранения здоровья в старости, а уровень синтеза мышечного белка в большой степени зависит от тренировок и потребления протеина. Однако изучение старения на животных выявило, что подавление белкового синтеза (ингибирование mTORC1, ограничение калоража) увеличивает продолжительность жизни (Kapahi et al. ).
Например, рапамицин, ограничивающий действие mTORC1, увеличивает срок жизни многих организмов, включая дрожжевые грибки (Kaeberlein et al. ), круглых червей (Jia et al. ) и дрозофил (Kapahi et al. ). В исследованиях на мышах при смертности 90% рапамицин увеличивал мышей продолжительность жизни на 14% у самцов и на 9% у самок, повышая выживаемость как при позднем применении (возраст 600 дней), так и в середине срока (270 дней) (Harrison et al. ).
Отключение отдельных регуляторов eIF4G и S6K1 (Selman et al. ) повышало срок жизни у изучаемых организмов, а у особей с мутациями, приводившими к понижению уровня инсулина и инсулиноподобного фактора роста (IGF1) (ключевые факторы, управляющие активностью mTORC1 и синтезом белка во время развития), реже развивались рак и диабет (Guevara-Aguirre et al. ; Shevah and Laron ). Дополнительно отмечено, что у потомков долгожителей (со сниженным риском развития определенных заболеваний и увеличенной продолжительностью жизни по сравнению с контрольной группой) меньше биоактивность циркулирующего IGF1 (Vitale et al. ).
Некоторые нюансы этих исследований были проанализированы экспертами (Sharples et al. ), и стало понятно, что редкие работы, изучая увеличение срока жизни, принимали также во внимание размер и функцию мышц. Таким образом, физиологический контекст (продолжительность здоровой жизни в противовес просто увеличению срока) часто не учитывался. Два важных исследования лаборатории Блэйка Расмуссена, Dickinson et al. () и Drummond et al. (), экспериментально изучали непосредственный эффект рапамицина в мышцах человека (Рис. 2001). Рапамицин вызывал анаболическую резистентность у молодых и здоровых участников, так что вряд ли подойдет для продления жизни у людей в возрасте, уже испытывающих сложности с сохранением мышц.
Снижение активности mTORC1 с помощью рапамицина вызывало анаболическую резистентность у молодых, здоровых мужчин. Было прекращено увеличение синтеза белка после силовых тренировок (a ) и приема незаменимых аминокислот (b ). Данные a взяты из работы (Drummond et al. 2009 ); b из работы (Dickinson et al. 2011 )
Что же касается ограничения общего калоража, степень этого ограничения и макронутриентный состав имеет критическое значение для сохранения или потери мышечной массы (Cerqueira and Kowaltowski ). Например, прием протеиновых добавок при отрицательном энергетическом балансе помогал сохранять мышцы у здоровых людей (Josse et al. ; Mettler et al. ; Phillips ).
Важно отметить, что в исследованиях продолжительности жизни на грызунах проводятся в лабораторных условиях, без естественных перепадов температур, возбудителей болезней и т.д. Мыши не добывают пищу, не борятся за выживание (то есть не используют свою мускулатуру по назначению). Недавнее исследование показало, что в таких условиях они не сохраняют хорошее здоровье и функциональные возможности (Martin et al. ).
Это приводит нас к важнейшему вопросу: чего мы хоти достичь в этой области биогеронтологии? Увеличить срок жизни с ущербом для здоровья или продлить активную, здоровую жизнь, для которой требуется поддерживать мышечную массу, силу и функцю?
Вывод:
Как уже было сказано ранее (Ruiz et al. () сохранение физической силы - ключевая стратегия для здоровья в старости. Множество клинических исследований ясно указывает, что активный образ жизни и достаточное потребление белка поддерживает сильную и здоровую скелетную мускулатуру.
Важнейшее значение силы и размера мышц для здоровья и продолжительности жизни у человека заставляет нас вспомнить слова Дарвина: «Выживает сильнейший». Люди, поддерживающие физическую форму и силу, живут дольше и сохраняют хорошее здоровье (Artero et al. ; Artero et al.; Haskell et al. ; Ruiz et al. ; Ruiz et al. ).
Надеемся, учитывая все это, что будущие исследования будут рассматривать мышечную систему в целом и изучать ее функциональные реакции, а не замыкаться на работе отдельных генов или анализе белков. И наконец, что важнее всего, для полного понимания сложных процессов человеческой жизнедеятельности необходимы интеграционные исследования, от простых модельных на животных до детализированных клинических на людях.
С возрастом наше тело стареет, теряет силу, дряблеет – это знают все. Но не все знают как сильно и как с этим справиться. Давайте разберемся подробнее – что же с нами происходит и можно ли это отсрочить, озаботившись проблемой в любом возрасте?
Для начала посмотрите, как выглядит в разрезе (на МРТ) нога 40-летнего триатлета, 74-летнего обычного человека и – в самом низу – 74-летнего триатлета:
Темное – это мышцы, белое – это жир. Посередине – 74-летний обыватель, который ничем не занимается. Внизу – такой же 74-летний, но любитель триатлона.
Что с вами произойдет со временем, если не будете заниматься
При недостаточной физической активности после 30 лет за каждые 10 лет может утрачиваться от 3 до 5% мышечной массы. В среднем, к 50 годам теряется около 10% мышечной массы и к 80 – еще 30% .
Мышечная масса нижних конечностей утрачивается активнее и интенсивнее, чем общая масса: от этого страдает мобильность, повышается риск падений, переломов и неспособности самостоятельно подняться из кресла и дойти до туалета. Плюс, в тазобедренных и коленных суставах идут остеоартрозные процессы и прочая деградация.
Сила с возрастом тоже снижается. Исследование показало что в США 40% женщин в возрасте 55-64 лет, почти 45% женщин в возрасте 65-74 лет и 65% женщин в возрасте 75-84 лет не в состоянии поднять на вытянутой руке вес в 4,5 кг.
Сравнение силы четырехглавой мышцы бедра у молодых и у пожилых здоровых людей выявило возрастное снижение силы в пределах 20-40% на седьмом-восьмом десятилетии жизни по сравнению с молодыми людьми. Еще более значительное снижение мышечной силы наблюдалось у людей на девятом десятке жизни и позже (50% и более).
Замедляется и сокращение мышц в ответ на электрическую стимуляцию.
Р азные источники дают немного разные цифры, но все исследования показывают негативную тенденцию. Называется такое возрастное явление – саркопения .
Саркопения – комплекс возрастных атрофических дегенеративных изменений мускулатуры, выражающийся в снижении мышечной массы, силы и качества скелетных мышц.
По данным американского центра контроля заболеваемости (Center for Disease Control and Prevention, CDC) саркопения признана одним из пяти основных факторов риска заболеваемости и смертности у лиц старше 65 лет.
Почему с возрастом теряется объем и сила мышц?
1. Гормональные изменения
Например, с возрастом снижается уровень тестостерона, это напрямую влияет на объем мышечной массы у мужчин.
Менопауза у женщин связана со снижением уровня циркулирующего 17β-эстрадиола (у женщин среднего и пожилого возраста). Ухудшение работы мышц наблюдается у женщин в перименопаузе и связана с резким падением производства гормонов яичниками.
Эти наблюдения указывают на то, что женские половые гормоны играют важную роль в регуляции работы мышечной системы у женщин среднего и пожилого возраста. Эксперты предполагают, что, возможно, гормоно-заместительная терапия в сочетании с физическими упражнениями может быть оптимальным решением в начальном периоде менопаузы .
Недавнее исследование показало увеличение общей массы тела, массы тела без учета ног, а также силы рук и ног после 6-месячной заместительной терапии тестостероном у пожилых мужчин для поддержания нормальной его концентрации. Эти изменения сопровождались увеличением уровня соматомедина-С (инсулино-подобный фактор роста 1 или сокращенно, ИФР-1), что говорит о значимости влияния этого гормона на рост мускулатуры у пожилых людей.
Уровни соматомедина-С снижаются с возрастом, и, учитывая их положительный эффект на рост мышц, изучаются возможности их действия при саркопении. Ученые выяснили, что введение соматотропина в фармакологических дозах (без физических нагрузок) увеличивает мышечную массу, но не силу. Например, месячный курс соматотропного гормона у пожилых женщин увеличивал азотистый баланс, белковый обмен и синтез белка в мышцах.
2. Снижение потребления белка
В целом, независимо от механизма, атрофия мышц развивается тогда, когда распад мышечных волокон (белков мышц) начинает преобладать над синтезом.
С возрастом снижается потребление белка (большое количество людей старше 60 лет потребляют менее 75% от рекомендуемого суточного количества белка). Адекватное потребление белка необходимо для обеспечения скелетной мускулатуры необходимой анаболической поддержкой.
В условиях голодания (и недостатка белка) нужные организму аминокислоты (напоминаем – аминокислоты, это “кирпичики”, из которых состоят все белки, включая наши мышцы) приходится высвобождать из мышц, не испытывающих достаточной физической нагрузки в данной жизненной ситуации. Грубо говоря, когда не хватает аминокислот, организм пускает в расход наименее нужные мышцы (состоящие из белков, т.е. аминокислот), расщепляя их на нужные в других местах составляющие.
Мышцы, не участвующие в физических нагрузках, сами об этом сигнализируют: производят гормон миостатин, который на паракриннном и системном уровне позволяет запускать катаболические процессы в менее активных мышцах.
3. Снижение физической активности
Наконец третий важный фактор: в пожилом возрасте резко снижается физическая активность, что тоже не лучшим образом отражается на создании новых (и сохранении старых) мышц.
Что делать?
Рецепт для продления жизни весьма простой и исходит напрямую из перечисленных выше трех факторов.
1. Заниматься физической нагрузкой
Для коррекции саркопении необходимо растить мышцы. А гипертрофия мышц невозможна без физической нагрузки (например, силовых тренировок) . Причем, тренировки работают наилучшим образом по сравнению с другими методами (например, гормоно-заместительной терпапией без тренировок) и в любом возрасте.
Даже относительно короткие курсы тренировок, обычно по 10-12 недель с занятиями 2-3 раза в неделю, приводили к значительному увеличению силы у пожилых мужчин и женщин.
Существенно, что увеличение силы и мышечной массы путем тренировок достигалось даже очень пожилыми людьми (старше 90 лет) .
Кроме того, исследование также показало, что силовые тренировки пожилых людей, проводившиеся в течение 6 месяцев, частично восстановили спектр мРНК, синтезируемых миофибриллами, до состояния, характерного для 30-летних, т.е. впервые на молекулярном уровне доказан реальный омолаживающий эффект силовых нагрузок .
(До тренировок пожилые участники были на 59% слабее,чем молодая контрольная группа, но через полгода тренировок результат улучшился, и они были только на 38% слабее. Экспрессия некоторых генов тоже изменилась и стала больше напоминать картину более молодых людей).
В целом список положительного эффекта силовых нагрузок весьма обширный. Силовые тренировки:
- улучшают анаболический гормональный статус;
- снижают уровень провоспалительных цитокинов;
- увеличивают физическую выносливость;
- нормализуют повышенное кровяное давление;
- снижают инсулинорезистентность;
- снижают общие и висцеральные (в наибольшей степени ассоциированные с возрастными заболеваниями) отложения жира;
- увеличивают уровень базального метаболизма у пожилых людей;
- предотвращают возрастную потерю костной массы;
- уменьшается риск падений и, соответственно, переломов;
- уменьшают болевые ощущения и улучшают функциональное состояние пациентов страдающих артрозами, в частности, артрозами нижних конечностей (коксартрозами, гонартрозами).
2. Потреблять достаточно белка
Исследование показало, что у мужчин и женщин 60-70 лет эффект тренировок был особенно высок, если после тренировки следовало белковое питание из расчета 0,4 г белка на килограмм сухой массы тела.
В плацебо-контролируемых исследованиях установлено, что при силовых тренировках в оздоровительной физкультуре усиление белкового питания приводит даже у очень пожилых мужчин и женщин к существенно бóльшему увеличению силы и мышечной массы по сравнению с плацебо.
Полезные эффекты силовых упражнений могут быть достигнуты даже за две-три 15-20 минутные тренировки в неделю.
В общем, если не заниматься ничем, либо сидеть на обычном дефиците калорий, (чтобы не располнеть с годами), итог все равно будет плачевный: без силовых нагрузок мышцы с годами будут все так же утрачиваться, а тело стремительно слабеть, стареть и быстрее двигаться к смерти.
Поэтому умеренные силовые нагрузки (в любом виде) – неизбежный и важный пункт продления молодости тела.
Вот вам для пример самой возрастной бодибилдерши мира – Эрнестин Шепард, которая начала заниматься бодибилдингом в 54 года, в следующем году ей стукнет 80 и посмотрите, как она выглядит:
