Бицепсы напрягаются, икры сокращаются: 50-летние представления о работе мышц пересмотрены
Основной принцип генерации силы мышцей остаётся прежним: нити миозина тянут нити актина, укорачивая или сокращая мышцу. Однако, как показало исследование под руководством Университета Вашингтона, сила возникает не только за счёт процессов, происходящих вдоль длины мышцы, как предполагалось последние 50 лет.
Оказалось, что когда мышца утолщается (булькает), актиновые и миозиновые нити расходятся друг от друга. В результате миозин тянет актин под более острыми углами и на большие расстояния. Именно это действие ответственно примерно за половину измеряемого учёными изменения силы мышц.
«Преобладающая точка зрения последних 50 лет заключалась в том, что 100% мышечной силы возникает из-за изменений при укорочении мышц и перекрытии нитей миозина и актина. Но когда мы изолировали эффекты перекрытия нитей, мы получили лишь около половины того изменения силы, на которое, как известно физиологам, способны мышцы», — говорит ведущий автор исследования К. Дэвид Уильямс.
Оставшаяся часть силы, по его словам, создаётся за счёт расширения решётчатой структуры из нитей при утолщении мышцы — будь то бицепс бодибилдера или икры марафонца.
Исследование опубликовано 10 июля в журнале Королевского общества Proceedings of the Royal Society B.
«Одно из ключевых открытий, которое сделал Дэвид Уильямс, заключается в том, что сила генерируется в нескольких направлениях, а не только вдоль длинной оси мышцы, как все думали, но и в радиальном направлении. Этот аспект генерации мышечной силы оставался незамеченным десятилетиями и теперь становится критически важной особенностью нашего понимания нормальной и патологической работы мышц», — отмечает соавтор работы Томас Дэниел.
Последствия для медицины
- Для сердца: Учёт сил, генерируемых в нескольких направлениях, позволяет точнее изучать, как создаётся давление для выброса крови. Радиальные и продольные силы могут по-разному нарушаться при сердечных заболеваниях.
- Для терапии: Новые детальные модели позволяют впервые изучать это на молекулярном уровне и тестировать методы лечения, направленные на сократительные белки при болезнях сердечной и скелетных мышц.
Как проходило исследование
Уильямс разработал компьютерные 3D-модели, чтобы учесть геометрию и физику взаимодействия нитей во всех точках сокращения. Проверка результатов проводилась с помощью рентгеновской дифракции на мышцах крыльев моли, которые очень похожи на человеческую сердечную мышцу.
«Тот факт, что расстояние между нитями меняется вдоль кривой "длина-напряжение", был известен некоторое время, но его важность для создания сильной зависимости силы от длины ранее не демонстрировалась», — пишут авторы.
Авторы предполагают, что открытие не было сделано раньше по двум причинам:
- Необходимые вычислительные мощности (облачные вычисления) и оборудование для рентгеновской дифракции были малодоступны.
- Большинство исследований используют «ободранные» клетки, у которых удалена или повреждена мембрана. Такие клетки не сохраняют постоянный объём, как интактные мышцы, что, возможно, заставляло физиологов упускать из виду изменения геометрии, играющие роль в генерации силы.