Количественная гистохимия Ca-зависимой АТФ-азы миозина и некоторых ферментов энергетического метаболизма скелетного мышечного волокна при адаптации к изменениям условий функционирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.25, кандидат биологических наук Гутова, Фатима Заурбиевна

• Гутова, Фатима Заурбиевна
• кандидат биологических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Гутова, Фатима Заурбиевна

1.Введени е.

2.Глава 1. Обзор литературы

1.Структурно-метаболичнсеие изменения в скелетной мышечной ткани при адаптации к нагрузкам.

2.Регуляция мышечного сокращения

2.1. Мйо'зин и его изоформы.

2.2. Влияние рН

2.2.1. Общие вопросы.

2.2.2. рН- чувствительность АТФ-азы миозина.

2.2.3.рН и активность ферментов волокон мышечной ткани при изменении условий функционирования.

Глава 2. Материалы и методы исследования.

Глава 3. Собственные данные и их обсуждение.

3.1 .Методические подходы к количественному анализу серийных срезов.

3.2. Исследование рН чувствительности АТФ-азы миозина в скелетных мышечных волокнах I «медленного» и II «быстрого) типов.

3.3.Динамика изменения рН-чувствительности АТФ-азы миозина и ферментов энергетического метаболизма (НАДН и СДГ) в скелетных мышечных волокнах при изменении условий функционирования.

3.3.1.Исследования у монозиготных близнецов.

3.3.3. Изменение рН чувствительности ферментов окислительного метаболизма у человека и крысы при изменении функциональной нагрузки.

3.3.2.1. Животные.

3.2.3.2. У человека.

Глава 4. Общее заключение.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Количественная гистохимия Ca-зависимой АТФ-азы миозина и некоторых ферментов энергетического метаболизма скелетного мышечного волокна при адаптации к изменениям условий функционирования»

Система энергообеспечения традиционно считается одним из факторов, лимитирующих проявления мышечной выносливости, изменение которой является закономерным и постоянно выявляемым следствием пребывания в условиях повышенной или пониженной двигательной активности. Обычно этот процесс связывают с изменением количества соответствующих энергетических ферментов. Однако, эти изменения часто не согласуются друг с другом, а для некоторых ферментов вообще отсутствуют. Классические биохимические подходы не позволяют объяснить это явление, ведь свойства каждого фермента in situ (т.е. в клетке) зависят во многом от рН цитоплазмы, состояния структур, определяющих микроокружение фермента (например - структуры внутренней мембраны митохондрий) и т.д., которые постоянно меняются в процессе функционирования клетки.

Предшествующие исследования (Кузнецов СЛ., Кучма В.Р.1987, Афанасьев Ю.И.,Кузнецов С.Л.,1988, Кузнецов С.Л. Степанцов В.В., 1990, Кузнецов С.Л., Талис В.Л., 1990, Шенкман Б.С., Кузнецов С.Л., 1994,Shenkman B.S. et al., 1994) показали, что даже такие функционально тесно связанные между собой ферменты, как сукцинатдегидрогеназа (СДГ), малатдегидрогеназа (МДГ) и изоцитратдегидрогеназа (ИцДГ) при изменении функционального состояния скелетного мышечного волокна изменяют свою активность (оцененную гистохимически) несинхронно и в разной степени.

Для изучения этого явления был разработан метод серийных срезов для скелетного мышечного волокна, позволяющий определять активность нескольких ферментов энергетического метаболизма в одном и том же волокне. Показана его пригодность для количественных гистохимических исследований. Проведен ряд уникальных исследований, связанных с новой методикой исследования ферментативной активности непосредственно в волокнах скелетной мышечной ткани в условиях повышения и снижения функциональной активности, в частности - изменение границ рН, в которых данные ферменты наиболее активны, позволило выявить такой механизм адаптации (в дополнение к изменению количества фермента), как изменение рН - чувствительности ферментов энергетического метаболизма, что существенно влияет на выработку энергии в волокне.

Цель и задачи исследования.

Цель работы состоит в исследовании количественных параметров активности АТФ-азы миозина и некоторых ферментов энергетического метаболизма в различных типах скелетного мышечного волокна в зависимости от показателей рН и изменении этих параметров при адаптации к изменениям условий функционирования.

Для достижения цели предполагается решить следующие задачи: изучить изменения количественных параметров изо ферментной активности по показателям окрашивания АТФ-азы миозина при различных показателях рН преинкубационной среды, изучить коррдинацию активности различных пулов изоферментов АТФ-зы миозина в одном и том же волокне, изучить изменение активности ферментов энергетического метаболизма и различных пулов АТФ-азы миозина волокна в различных условиях активности и у различных типов млекопитающих. изучить динамику изменения активности НАДН и СДГ в зависимости от различных значений рН инкубационной среды - изучить динамику изменения рН-чувствительности НАДН и СДГ в различных типах скелетных мышечных волокон в зависимости от условий их функционирования.

Научная новизна работы. В работе изучена ранее неисследованная характеристика метаболизма скелетного мышечного волокна - рН-чувствительность АТФ-азы миозина и таких важных энергетических ферментов, как НАДН тетразолий редуктаза и сукцинатдегидрогеназа. Полученные данные позволяют дополнить существующее представление о механизмах адаптации мышечных волокон к изменяющимся условиям функционирования.

Впервые предложена методика количественных исследований серийных срезов скелетных мышечных волокон, позволяющая исследовать рН - чувствительность ферментов in situ.

Впервые показано, что различные типы (изоферменты) АТФ-азы существуют одновременно в каждом волокне, составляя общий пул фермента, соотношение их количества в пределах этого пула и определяет свойства волокна, позволяющие отнести его к тому или иному типу. Это состояние видимо генетически детерминировано.

Доказано, что рН внутренней среды скелетного мышечного волокна является существенным фактором, оказывающим влияние на работу ферментов энергетического метаболизма, вне зависимости от их количества

Впервые показано, что диапазон рН-чувствительности ферментов (по крайней мере в отношении НАДН и СДГ) меняется в процессе функционирования волокна. Более короткие нагрузки в большей степени ухудшают условия работы СДГ, более длительные -НАДН. В условиях длительных хронических нагрузок (при тренировке), связанных с закислением внутренней среды наблюдается сдвиг рН-чувствительности волокон обоих типов, свидетельствующий о приспособлении волокон к функционированию в более кислой среде.

Практическая значимость.

Данные о рН-чувствительности ферментов скелетного мышечного волокна и разработанная методика, позволяющая регистрировать изменения этого параметра, позволяет существенно расширить представления о механизмах адаптации скелетной мышечной ткани в условиях изменения ее функционирования.

Полученные данные смогут помочь при разработке методик тренировочного процесса у спортсменов, методов профилактики снижения функциональной нагрузки мышечной системы у человека (как у больных, так при особых видах деятельности).

Заключение диссертации по теме «Гистология, цитология, клеточная биология», Гутова, Фатима Заурбиевна

ВЫВОДЫ

1. Количественные исследования серийных срезов скелетных мышечных волокон позволяют создать виртуальную гистохимическую модель клетки, позволяющую исследовать рН -чувствительность ферментов in situ.

2. В скелетном мышечном волокне можно выделить два типа Са-зависимой АТФ-азы: АТФ-аза медленного миозина, активность которой ограничена жесткими рамками рН преинкубационной среды, и АТФ-аза быстрого миозина, активность которой проявляется при достаточно широких значениях рН.

3. Различные типы (изоферменты) АТФ-азы существуют одновременно в каждом волокне, составляя общий пул фермента, соотношение их количества в пределах этого пула и определяет свойства волокна, позволяющие отнести его к тому или иному типу. Это состояние видимо генетически детерминировано.

4. Одним из существенных факторов, которые оказывают влияние на работу ферментов энергетического метаболизма, вне зависимости от их количества, является рН внутри скелетного мышечного волокна.

5. Диапазон рН-чувствительности ферментов (по крайней мере в отношении НАДН и СДГ) меняется в процессе функционирования волокна. Более короткие нагрузки в большей степени ухудшают условия работы СДГ, более длительные - НАДН.

6. Характер изменений при повторных нагрузках зависит от продолжительности интервала, вида фермента и типа волокна. Более короткий интервал положительно сказывается на рН чувствительности СДГ в волокнах I и II типов, резко ухудшая условия работы этого фермента в волокнах IIB типа. 8-часовой интервал для данного фермента более благоприятен.

7. В условиях длительных хронических нагрузок, связанных с закислением внутренней среды наблюдается сдвиг рН-чувствительности волокон обоих типов, свидетельствующий о приспособлении волокон к функционировать в более кислой среде.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Гутова, Фатима Заурбиевна, 2007 год

1. Афанасьев Ю.И.,Кузнецов C.JL Некоторые аспекты адаптации поперечно-полосатой сердечной и скелетной мышечной ткани. В кн."Общие закономерности морфогенеза и адаптации", Тбилиси, "Мецниереба", 1988.

2. Афанасьев Ю.И., Кузнецов C.JL, Горячкина B.JI. Реакция скелетного мышечного волокна на однократную физическую нагрузку. Биологические науки, 1988, № 6.

3. Виру М.А. Влияние физической тренировки на анаэробный обмен в скелетных мышцах разного типа. Автореф.дисс.канд.биол.наук.Тарту,1990.

4. Детлаф Т.А., Детлаф А.А. Безразмерные критерии как метод количественной характеристики развития животных. В кн. Мат.биол. развития, Москва, 1982 г., стр. 25-39.

5. Диксон М.,Уэбб Э.Ферменты.-М.:Мир, 1982.-Т. 1 .-390 с.

6. Ковальский Г.Б. Количественная гистохимия дегидрогеназ. В кн. Введение в количественную гистохимию ферментов. Медицина, Москва, 1978, стр. 58-114.

7. Кузнецов C.JI. Методические рекомендации по информатике. М. 1990 г.

8. Кузнецов С.JI. Роль адаптациогенеза и адаптациоморфоза в формировании фенотипа скелетного мышечного волокон скелетной мышечной ткани. В кн."Проблемы биомедицины на рубеже XXI века", Москва, изд. РАЕН, 2000 г. стр. 121-128.

9. Кузнецов С.Л., Кучма В.Р. К вопросу о механизмах, влияющих на эффективность энергетического метаболизма мышечного волокна животных при различных нагрузках. "Гигиена и санитария", 1987, №2.

10. Кузнецов С.Л., Кучма В.Р. Изменение активности ряда ферментов скелетного мышечного волокна крысы и содержание гликогена при различных нагрузках "Гигиена и санитария", 1987, №3.

11. Кузнецов С.Л., Степанцов В.В., Реакция волокон скелетной мышечной ткани человека на 370-суточную антиортостатическую гипокинезию, сочетанную с физическими нагрузками, Косм.биол. и авиакосм, медицина, 1989, № 5, стр. 30-34.

12. Кузнецов С.Л., Талис В.Л. К вопросу о моделировании физиол. эффектов невесомости методом "антиортостатическоговывешивания"мелких лабораторных животных. Косм.биол. и авикосм. 1989, No. 1, стр.74-76.

13. Кузнецов C.JL, Талис B.JL Состояние скелетных мышечных волокон крысы при физических нагрузках на фоне «антиортостатического вывешивания» при моделировании невесомости. Косм.биол. и авиаком. медицина, 1990, No.6, стр. 31-34.

14. КузнецовС.Л.,ГорячкинаВ.Л., МисюлинС.С.Индивидуальные особенности реакции у спортсменов на однократную физизическую нагрузку до отказа. Мат. XIII Респ.конф."Совр.вопросы спорт, мед. и леч. физ-ры" Таллин, 1986.

15. Лойда 3., Госсрау Р., Шиблер Т. Гистохимия ферментов. Москва, Мир, 1982, стр. 270.

16. Триве М., Иммобилизованные ферменты, М., Мир, 1983, стр. 213.

17. Шенкман Б.С., Кузнецов С.Л., Некрасов А.Н., Ширковец Е.А., Ростовцева М.Ю. Влияние оздоровительных упражнений на композицию мышц, размеры и окислительный потенциал мышечных волокон у человека. Теория и практика физ. культуры., 1994,№2,с.40-42.

18. Шенкман Б.С., Кузнецов С. Л. Трансформация мышечных волокон у обезьян в условиях невесомости. В кн. "Эколого-физиологические проблемы адаптации" , Мат. Симпозиума 26 -28 апреля 1994 г. Москва, 1994 , стр. 327.

19. Хочачка П., Самеро Д., Стратегия биохимической адаптации, М., Мир. 1977, стр. 320.

20. Aunola S., Marnieemi J., Alanen E. et al. Muscle metabolic profile and oxygen transport capacity as determinants of aerobic and anaerobic thresholds. Eur . J. Appl. Physiol., 1988,v. 57 p.726-734.

21. Bagshaw C.R.Muscle Contraction,Chapman and Hall,London, 1982.

22. Baldwin K.M. Winder W., Terjung R.L., Holloszy J.O. Glycolitic enzymes in different types of skeletal muscle: adaptation to exercise.Am.J.Physiol.l973, v. 225,№4.

23. Bauman H.,Cao H.K.,Howald H.-Analit.Biochem.,1984,v.l37,p.517-522.

24. Benzi O. Endurance training and enzymatic activities skeletal muscle. Med. Sport., 1981 , v. 13,p. 165-174.

25. Bergstrom J. Muscle electrolytes in man: determined by neutron activation analysis on needle biopsy specimens study on normalsubjects, kidney patients and patients with chronic diarrhea. Scand.J.Clin.Lab.Invest.(Suppl.), 1962, v.68, p. 7-110.

26. Billeter R.,Heizmann C.W.,Howald H.,Senny E.-Eur.S.Biochem., 1981 ,v.l 1 б.р.З 89-395.

27. Blomstrand E., Ekblom B. and Newsholme E., A. Maximum activities of key glycolitic and oxidative enzymes in human muscle from differently trained individuals. J. Physiol (London), 1986, v.381, №1,p.111-118.

28. Bronson D.D.,Schachat F.M.-S.Biol.Chem., 1982,v.257,p.3937-3944.

29. Brooke M.N.,Kaiser K.K.-Arch.Neurol.,1970,v.23,p.369-379.

30. Brooke M.N.,Kaiser K.K.-Ann.N.-Y.Acad.Sci.,1974,v.228,p.l21-144.

31. Bylund F.-C.,Bjuro T.,Cederblad G.,Holin J.,Lundholin K.,Sjostrom M.,Anguist K.A.,Scherstin T.-Eur.J.Appl.Physiol.,1977,v.36.p.l51-169.

32. Coyle E.F., Feltner M., E.,Kautz S.A. et al Physiological and biomechanical factors associatied with elite endurance cycling performance. Med. Sci Sports., Exers.,1991,v.23 №l,p.93-107.

33. Dubowitz V.-Ann.Clin.Res., 1974,v.6,2,p.69-79.

34. Engel W.K.-Neurology, 1962,v. 12.p.778-794.

35. Essen B.,Jansson E.,Henriksson J.,Tailor A.W.,Saltin B.-Acta Physiol.Scand.,1975,v.95,p. 153-165.

36. Fitzsimons R.B.,Hoh S.F.Y.,-S.Physiol.(London).,1983,v.343,p.539-550.

37. Garnett R.,Donavan M.,Stephens J.,Taylor A.J.Physiol. , 1979,v.287,p.33-43.

38. Gollnick P.D.,Armsrong R.B.,Saltin B.Effect of training on enzyme activity and fibre composition of human skeletal muscle. J. Appl. Physiol., 1973.,v.34, №1,pi07-111.

39. Gollnick P.D., Armstrong R.B., Saubert C.W.4 et al. Enzyme activity and fiber composition in skeletal muscle. J.Appl. Physiol., 1972,v.33№3,p.312-319.

40. Gollnick P.D.,Parsons D.,Oakley C.R.-Histochemistry,1983,v.77,4,p.543-555.

41. Green H.,Heliar R. ,Ball-Burnett M., et.al.Metabolic adaptations to training precede changes in muscle mitochondrial capacity. J.Appl. Physiol., 1992,v.72 №2,p.484-491.

42. Green H.,Jones S.,Ball-Burnett M.,Smith D.,Livesey J.,Farrance B.W.Early muscular and metabolic adaptations to prolonged exercise in humans.J.Appl.Physiol., 1991 ,v.70,№5 p.2032-2038.

43. Guth L.,Samaha F.J.Procedure for the Histochemical Demonstration of Actomiosin ATP-ase.Experim/Neurol.,1970,v.28,p.365-367.

44. Harmon M., Nimmo M. Quantitative histochemicalanalysis of skeletal muscle adaptation to endurance in man. J. Physiol., (Lond.),1987,v. 394,p.72.

45. Henriksson J.,Galbo H. and Blomstrand E. Role of the motor nerve in activity-induced enzymatic adaptation in skeletal muscle .Am. J.Appl. Physiol., 1982,v.242 №1 l,p.C 272-C277.

46. Henriksson J., Reitman J. Time course of changes in human skeletal muscle succinate dehydrogenase and cytochrome oxidase activities and maximal oxygen uptake with physical activity. Acta Physiol.Scand., 1977,v.99,p.91-97.

47. Henriksson J., Svedenhag J., Richter E.A.,Christensen N.J. and Galbo H. Skeletal muscle and hormonal adaptation to physical training in the rat: role of the sympathoadrenal system. Acta Physiol.Scand., 1985,v.l23,p.l27-138.

48. Henriksson J. Training-induced adaptation of skeletal muscle and metabolism during submaximal exercise. J. Physiol., (Lond.),1977, v.270,p.661-675.

49. Hoffman S.J.,Roy R.R.,Blanco C.E. and Edgerton V.R.Enzyme profits of single muscle fibers never exposed to normal neuromuscular activity.J. Appl. Physiol.,1990,v.69,№3,pp.1150-1158,1150-1158.

50. Holloszy J.O., Coyle E.F. Adaptations of skeletal muscle to endurance exercise and their metabolic consequences. J. Appl. Physiol., 1984, v.56.p. 831-838.

51. Holloszy J.O. Muscle metabolism during exercise.Arch.Phys.Med., 1982,v.63,p.231-233.

52. Hoppeler H., Exercise-induced ultrastructural changes in skeletal muscle .Int, J.Sports Mtd., 1986, v. 7,p. 187-204.

53. Hoppeler H., Howald H.,Conley K., et.al. Enurance training in humans aerobic capacity and structure of skeletal muscle . J.Appl. Physiol.,1985, v.59,№2,p.320-327.

54. Ingjer P . Effects of endurance training on muscle fiber ATP-ase activity, capillary supply and mitochondrial content in man. J. Physiol., (Lond.),1979, v. 294,p.419-432.

55. Jasson E., Dudley G.A., Norman В., Tesch P.A., Relationship of recovery from intense exercise to the oxidative potential of skeletal muscle. Acta Physiol. Scand., 1990.,v. 139, №1,p. 147-152.

56. Kahn R.A.,Katada T.,Bokoch A.M.,Northup I.K.,Gilman A.,G.Post-translational Covalent Modifications of Proteins for Function(B.C.Jonson,ed.).Academic Press,New York and London, 1983.

57. Katsuta S., Kanao Y., Aoyagi Y., Aoyagi Y. Is exhaustive training adequate preparation for endurance Performance. Eur. J. Appl. Physiol., 1988. ,v.58,p.68-73.

58. Kugelberg E.-J.Neurol.Sci., 1973,v.20,p. 177-198.

59. Kushmerick M. Patterns in mammalian muscle energetics. J.Exp.Biology, 1985,v. 115,p. 165-177.

60. Mabushi K.,Pinter K.,Allen P.,Gergely J.,Sreter F.A.Characteristics of human and rabbit single fibers.Budapest;Oxford, 1981,p.69-78.

61. Mabuchi K.,Sreter F.A.-Muscle Nerve, 1980,v.3,3,pp.227-232,233-239.

62. Muller W. Subsarcoplemmal mitochondria and cappilariziation of soleus muscle fibers in yong rats subjected to an endurance training.

63. A morphometric study of semithin sections. Cell Tissue Res., 1976, v. 174(3),p.367-389. 65. Muntener M.-Histochemistry,1979,v.62,p.299-304.

64. O'Donnell T.F.,L'Italien G.,Raines J.,Dignan W.,Hebert N.,Warnock D.,R.C.The significance of impedance changes on clinical measurements of muscle surface pH.Proc.29-th Annu.Conf.Eng.Med. and Biol.,Boston,mass.,1976,v.l8,p.367.

65. Padykula H.,Herman E.-J.Histochem.Cytochem.,1955,v.3,p.l70-195.

66. Peter J.B.,Barnard R.J.,Edgerton V.R.,Gillespie C.A.,Stempel K.E.-Biochemistry, 1972,v. 11 ,p.2627-2633.

67. Reichman H.,Hoppeler H.,Mathicu-Costello 0.,van Bergen F.,Pette D.-Pfluger Arch., 1985,v.404,p. 1-9.

68. Pons F.,Leger J.O.C.,Chevallay M.,Tome F.M.S.,Fardeau M.,Leger J. J.-J.Neurol. Sci, 1986,v.76,2-3,p. 151 -163.

69. Rosier K.,Conley K.E.,Claassen H.,Hovald H.,Hoppeler H.Eur J.Appl.Physiol., 1985,v.54,p.355-362.

70. Rusko H., Havu M., Karvinen E. Aerobic performance capacity in athletes. Eur. J. Appl. Physiol., 1978, v.38,p.l51-159.

71. Sahlin Kent.Intracellular рН and energy metabolism in skeletal muscle of man. With special referens to exercise.Acta physiol.Scand.,1978,v.455,p.56.

72. Saltin B.,Gollnick P.D. In "Handbook of Physiology" ed.Peachy L.D.,Adrian R.H.,Geiger S.R.,Skeletal muscle.Baltimore,Williams and Wilkinson, 1983,p.555-631.

73. Shenkman B.S., I.B.Kozlovskaya, Kuznetzov S.L., T.L.Nemirovskaya D.Desplanches. Plasticity of skeletal muscle fibers in space-flown primates. J. of Gravitational Physiology, 1994, v.l, No.l, may, p. P64-P66.

74. Soukup T.,Vydra J.,Gerny M.-Histochem.,1979,v.60,p.71-84.muscle.Can.J.Physiol. and Pharmacol.,1980,v.58,№5,p.568-570.

75. Suzuki A.,Cassens R.G.pH sensitivity of myosin adenosine triphosphatase and subtypes of myofibres in porcine muscle.Histochem.J.,1980,v.l2,№6,p.687-693.

76. Swynghedauw B. Physiol.Rev.,1986, v.66,3, p.710-771.

77. Tandon J.K., Pont M.C., Negy U.K., et al., Effect of light and exhanstive ergometric exercise on blood sugar, total cholesterol and pH in untrained young human subjects. Indian J. Physiol. And Pharmacol., 1978, v.22, 1, p. 81-87

78. Tesch P. A., Wright J. E. Recovery from shot-term intense exercise; its relation to capillary supply and blod lactat concentration. Eur. J. Appl. Physiol., 1983 .,v.52,p.98-103.

79. Tesch P.A.Muscle fatigue in man with special reference to lactate accumulation during short term intense exercise., «Acta physiol.scand.», 1988.

80. Yamaguchi M.,Jzumimoto M.-J.Mol.Biol.,1985,v.l84,4,p.621-643.