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发现调节肌肉适应运动的分子

任何体育锻炼程序的发作都会引起肌肉疼痛,从而像从沙发上站起来一样容易阻碍运动。随着时间的流逝和一点点坚持,肌肉变得习惯了这种努力,增强了力量和耐力。美国哈佛大学和巴西圣保罗大学(USP)的研究人员在Cell杂志上描述了使这种适应运动得以实现的细胞介体。

介质是琥珀酸盐,迄今仅因其参与线粒体呼吸而闻名。本文的作者包括美国药典生物医学科学研究所(ICB)教授,生物医学氧化还原过程研究中心(Redoxome)成员朱利奥·塞萨尔·巴蒂斯塔·费雷拉(Julio Cesar Batista Ferreira),这是研究,创新和传播中心(RIDC)之一由FAPESP(圣保罗研究基金会)和博士后研究员Luiz Henrique Bozi资助,他在FAPESP的支持下在哈佛担任研究实习生时进行了调查。

费雷拉对AgênciaFAPESP解释说:“我们的结果表明,琥珀酸盐在运动过程中会离开肌肉 细胞,并向邻居发送信号,从而诱导肌肉组织重塑。” “运动神经元产生新的分支,肌肉纤维变得更加均匀,从而在收缩时获得力量,并且所有细胞中的血糖摄入量增加,从而产生ATP(三磷酸腺苷,细胞燃料)。效率得到了提高。”

文章中报道的发现基于对动物和人类志愿者的大量实验。首先需要比较小鼠在跑步机上跑步直至筋疲力尽之前和之后,腿部肌肉中存在的500多种代谢物。

“除了肌肉纤维,肌肉组织还包含免疫,神经和内皮细胞。如果每个人都是一所房屋,房屋之间的街道将是间质或间隙空间。我们隔离并分析了每个房屋以及街道,找出运动后邻里的变化,并观察到琥珀酸仅在肌肉纤维和间隙中显着增加。”

在固定自行车上进行60分钟的剧烈运动后,年龄在25-35岁的健康志愿者中观察到了类似的现象。在这种情况下,研究人员分析了通过股动脉和静脉中的导管获得的血液样本,发现琥珀酸水平在离开肌肉的静脉血中显着上升,并在恢复过程中迅速下降。

在这一点上,研究人员确信,肌肉细胞会因运动引起的压力而释放出琥珀酸,但他们想知道其原因,尤其是原因。对志愿者血液的分析提供了一个线索:在静脉和动脉血液中,随着运动而增加的另一种化合物是乳酸(乳酸的离子化形式),这表明细胞已经激活了其应急能量产生系统。

博齐解释说:“琥珀酸酯是一种代谢产物,通常无法穿过细胞膜并离开细胞。它在细胞内部参与克雷布斯循环,这是一系列化学反应,发生在线粒体中并导致ATP形成。” “但是,当能量需求急剧增加且线粒体无法跟上时,厌氧系统被激活,导致过量的乳酸形成和细胞酸化。我们发现,pH的这种变化会导致琥珀酸酯的化学结构发生变化,从而能够穿过膜并逃逸到细胞外介质中。”

该转运蛋白,有助于琥珀酸退出细胞进行鉴定蛋白质组学,在小鼠和人类肌肉细胞的细胞膜的所有蛋白质的分析。结果表明,运动后肌肉组织中的MCT1增加。MCT1是一种蛋白质,专门用于将单羧酸盐转运出细胞。

博齐说:“分子MCT1在酸性介质中经过化学修饰后,其转运类型类似于琥珀酸酯。它不再是二羧酸盐,而是变成单羧酸盐。我们进行了几次体外实验,证实这是运动引起的机制。” 。

实验之一是使培养的肌肉细胞缺氧(缺氧),以激活厌氧能量产生机制并产生乳酸。可以看出这足以诱导琥珀酸释放到间隙中。

另一个实验涉及来自青蛙的生殖细胞(卵母细胞),这些青蛙经过基因修饰可以表达人MCT1。研究人员发现,只有将卵母细胞置于酸性介质中才能释放琥珀酸。

“在这一阶段,我们知道酸度会使琥珀酸经历质子化,这一化学过程使其能够结合MCT1并穿过膜进入细胞外介质,但是我们还没有发现琥珀酸在间隙空间中积累的意义。在运动中,”费雷拉说。

通讯

在科学文献中,细胞之间的交流对于生物体对任何种类的压力的适应性的重要性已得到充分确立。信号通过释放到间隙空间中的分子进行交换,从而与附近细胞膜中的蛋白质结合。这些膜受体的激活触发了导致组织结构和功能改变的过程。

博齐说:“我们的假设是,琥珀酸通过结合一种在运动神经元膜中高度表达的蛋白SUCNR1 [琥珀酸受体1]来在肌肉中发挥这种调节作用。”

为了验证该理论,他们对经过基因修饰而不表达SUCNR1的小鼠进行了实验。允许小鼠在阻力轮上自由奔跑三周,这被认为足够长,足以使肌肉组织发生形态和功能改变。

“在肌纤维有望成为更均匀,更强大,但他们没有,”费雷拉说。“此外,运动并不能促进运动神经元分支,这对于提高收缩效率至关重要。我们还观察到,细胞葡萄糖的摄取并没有增加,并且胰岛素敏感性低于作为对照的野生小鼠。在其他情况下换句话说,没有琥珀酸受体,运动引起的重塑就不会发生。”

根据费雷拉(Ferreira)的说法,该研究首次显示琥珀酸酯在肌肉组织中的旁分泌作用,即其在细胞间信号转导中的作用,以提醒附近的细胞必须调节其内部过程以适应“新的正常”状态。

他说:“下一步是找出这种机制是否在其他以能量代谢改变和细胞酸化为特征的疾病中被破坏,例如神经退行性疾病,其中星形胶质细胞与神经元的通讯对于疾病的发展至关重要。”

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