Учёные изучают, как стресс, вызванный физической нагрузкой, перестраивает энергетические системы клетки, и могут ли те же механизмы в будущем помочь противостоять метаболическим заболеваниям. Не любите спортзал? Учёный-экспериментатор в области физических упражнений Райан Монтальво вас отлично понимает. Тем не менее он продолжает тренироваться, потому что физическое напряжение во время упражнений часто приводит к долгосрочным преимуществам для здоровья.
Хотя тренировки могут казаться пугающими, физическая нагрузка запускает в организме биологическую реакцию, которая помогает клеткам подготовиться к будущим энергетическим потребностям. Этот процесс, известный как горметический ответ (hormetic response), возникает, когда лёгкий стрессор стимулирует полезные адаптации. При поддержке гранта для молодых учёных от Фонда исследований Американского колледжа спортивной медицины Монтальво изучает, может ли такой ответ на стресс от упражнений помочь в борьбе с неинфекционными заболеваниями.
Монтальво работает в лаборатории профессора Чжэнь Яна в Научно-исследовательском институте Фрэйлина при VTC (Fralin Biomedical Research Institute at VTC). Его исследование сосредоточено на том, как организм адаптируется к стрессу, вызванному физической активностью. Изучая эти изменения, он надеется лучше понять, как упражнения влияют на метаболические расстройства, такие как диабет. «Каждый раз, когда вы тренируетесь, вы повышаете нагрузку на свои митохондрии, и воздействие этого стресса делает вас лучше адаптированными к нему в следующий раз, когда вы с ним столкнётесь, — объясняет Монтальво. — Если ваши митохондрии адаптируются к тем физиологическим стрессорам, которые вы им даёте через упражнения, они смогут более эффективно смягчать или предотвращать развитие заболеваний».
Митохондрии и энергетическое обеспечение клетки
Митохондрии — это структуры внутри клеток, которые превращают питательные вещества в аденозинтрифосфат (АТФ). Эта молекула обеспечивает энергией множество биологических процессов, включая сокращение мышц во время упражнений и химические реакции, необходимые для нормального функционирования клетки.
«Митохондрии производят АТФ постоянно, но они не знают автоматически, сколько именно АТФ нужно вырабатывать, — говорит Монтальво. — Для этого они полагаются на молекулу, которая чувствует уровень энергии, обрабатывает как внутренние, так и внешние сигналы и определяет выход митохондрий в соответствии с потребностями конкретной ткани и всего организма».
Исследователи в лаборатории Яна изучают ключевой фермент этой системы энергии — AMP-активируемую протеинкиназу (AMPK). Этот фермент помогает регулировать управление энергией в клетках. Он влияет на активность генов и сигнальные пути клетки, сообщая митохондриям, когда требуется больше энергии. В ответ митохондрии подстраивают производство АТФ под текущие энергетические нужды клетки. «Сделать правильную вещь в правильное время — это лучшее описание постдокторского проекта Райана», — говорит профессор Ян. — «С тех пор как он пришёл в Институт Фрэйлина, Райан умело использовал свой опыт и бесстрашно взялся за фундаментальные вопросы о роли активации mitoAMPK в адаптациях, вызванных упражнениями, и связанных с ними преимуществах для здоровья. Райан продемонстрировал исключительную преданность биомедицинским исследованиям и проложил путь к большому успеху в своей академической карьере».
Когда система энергии ломается
В 2021 году лаборатория Яна опубликовала в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences результаты, которые показали: AMPK находится не только по всей клетке, но и специально внутри митохондриального ретикулума. Этот особый пул AMPK, который лаборатория Яна назвала mitoAMPK по месту его локализации, может позволять ферменту передавать более чёткие сигналы непосредственно митохондриям. «Лаборатория Яна первой охарактеризовала митохондриальную AMPK в скелетных мышцах, но мы пока не выяснили, почему она локализуется именно в митохондриях, — говорит Монтальво. — Эти результаты теперь служат основой для главного вопроса моего исследования: если мы сможем повысить активность митохондриальной AMPK, сможем ли мы смягчить проявления диабета в скелетных мышцах?»
