Как йога улучшает вашу гибкость? В статье на обложке Cell от 13 марта профессор биологических наук Колумбийского университета Хулио Фернандес и его команда сообщают об открытии новой формы механической памяти, которая регулирует эластичность мышц в соответствии с их историей растяжения. Используя высокочувствительные атомно-силовые микроскопы, исследователи обнаружили химическую реакцию, повышающую эластичность мышечных белков. Важно отметить, что эта реакция нацелена на молекулы, подвергшиеся действию растягивающей силы. Это открытие меняет наше понимание того, как мышцы реагируют на растяжение, и может привести к новым методам лечения мышечных расстройств.
"Мы открыли эффективный способ настройки эластичности мышц," говорит Паллав Косури, один из ведущих авторов. "Сначала мы наблюдали эффект на молекулярном уровне, а затем протестировали его вплоть до тканей человека."
Хулио Фернандес потратил почти два десятилетия на изучение молекулярного происхождения эластичности мышц, новаторские методы работы с одной молекулой, которые сегодня широко используются для изучения механики молекул. В частности, его внимание привлекла одна молекула: белок под названием тайтин. Тайтин, крупнейший белок в организме, также является основным источником пассивной эластичности мышц. Каждая молекула тайтина состоит из длинной цепочки свернутых пучков, напоминающих веревку с сотнями узлов. Титин традиционно рассматривался как пассивный структурный каркас для мышц; однако исследования, проведенные в лаборатории Фернандеса, показывают, что тайтин – это нечто большее, чем кажется на первый взгляд. "Титин – это механический компьютер, который обеспечивает необходимую эластичность каждой мускулатуры нашего тела, включая сердце," говорит Фернандес. "Обеспечение оптимальной производительности этого компьютера – одна из самых сложных задач, с которыми сталкивается человеческий организм."
В новом исследовании ведущие авторы Хорхе Алегре-Себоллада и Косури исследовали, как окисление влияет на эластичность тайтина. Уровни окисления повышаются во время мышечной активности как естественное следствие повышенного метаболизма. Исследователи обнаружили, что тайтин содержит необычно большое количество горячих точек окисления – мест, которые склонны к окислению, – но что большинство этих пятен спрятано внутри молекулярных складок и поэтому неактивны. Однако растяжение мышцы может заставить тайтин развернуться. Авторы обнаружили, что такое разворачивание обнажает горячие точки, в результате чего тайтин становится все более чувствительным к окислению при растяжении. Заинтригованные этим наблюдением, команда решила исследовать, что происходит с тайтином, когда он окисляется. Они сосредоточились на одной из наиболее распространенных форм окисления, называемой глутатионилированием.
Исследователи заметили, что, как они и ожидали, механическая сила распутала свернутые пучки в тайтине и способствовала глутатионилированию. Неожиданно было обнаружено, что этот тип окисления блокирует пучки в развернутом состоянии, в результате чего жесткость тайтина резко падает. В отсутствие окисления механическая сила может вызывать только кратковременные изменения эластичности, продолжающиеся не более нескольких секунд. Однако эффект механической силы в сочетании с глутатионилированием был гораздо более стойким – жесткость молекул тайтина можно было сбросить только путем обращения вспять окисления.
Объединение этих элементов может объяснить, почему сочетание упражнений и растяжки приводит к длительному, но обратимому увеличению гибкости. Физические упражнения способствуют окислительным реакциям, но именно растяжение подготавливает мышцы к окислению. Как только происходят реакции окисления, они блокируют мышечные белки в развернутом состоянии и вызывают устойчивое повышение их эластичности. Мышца возвращается в нормальное состояние, когда мышечные клетки естественным образом удаляют окисление, и этот процесс может занять несколько часов. "Как поклонник йоги, я считаю, что мы начинаем понимать увеличение гибкости, вызванное йогой," говорит Алегри-Себоллада. "Поза собаки лицом вниз – очень эффективный способ развязать узлы в тайтине, позволяя вносить изменения, которые заставляют белок помнить, что он должен оставаться развернутым и мягким." Фернандес и его команда предполагают, что этот тип механической памяти может быть общей чертой большинства эластичных тканей.
Клинически открытие указывает на потенциал использования биохимических средств для изменения эластичности мышц. Такая фармакологическая настройка механики мышц может привести к новым методам лечения сердечных заболеваний и других состояний, влияющих на эластичность мышц, включая дилатационную кардиомиопатию, одну из наиболее частых причин сердечной недостаточности у молодых людей. "Это первоначальное открытие, но последствия очень захватывающие," говорит Косури. "И это показывает, что нам еще многое предстоит узнать о том, как на самом деле работают наши мышцы."