تأثیر فعالیت ورزشی بر زنجیره سنگین میوزین

هستی شری زاده^*

شیراز، دانشگاه شیراز، دانشکده علوم تربیتی و روانشناسی، گروه علوم ورزشی

* نویسنده مسئول، پست الکترونیکی: hastisherizadeh@gmail.com

چکیده

عضله اسکلتی بافت هتروژنیک متشکل از انواع فیبر تند و کند است. یکی از ویژگی­های عضلات اسکلتی، ساختار سازمان یافته فیبرهای آن است که انواع قابلیت­های عملکردی را برای این بافت به ارمغان می­آورد. همچنین فیبرهای عضلانی قادر به تنظیم خواص فنوتیپی خود در پاسخ به نیازهای عملکردی متفاوت هستند. انواع فیبرهای عضلانی را می­توان با توجه به تفاوت در خواص ساختاری و عملکردی آن­ها مشخص کرد. تفاوت بین فیبرهای عضلانی به تارچه های انقباضی اکتین و میوزین مربوط می­شود. اکتین در بسیاری از فرآیندهای سلولی از جمله انقباض عضلانی شرکت می­کند. میوزین، نوعی موتور مولکولی است و انرژی شیمیایی آزاد شده از ATP را به انرژی مکانیکی تبدیل می­کند. این تولید انرژی از طریق آنزیم هیدرولیز کننده ATP موجود در زنجیره سنگین میوزین رخ می­دهد. ایزوفرم زنجیره سنگین میوزینی، حداکثر سرعت و نیروی کوتاه شدگی را تعیین می­کند. تفاوت­ انرژی لازم جهت تولید نیرو و تفاوت در پتانسیل فسفوریلاسیون ATP در انواع مختلف تارهای سریع و کند می­تواند در تغییر ایزوفرم­های MHC موثر باشد. به نظر می­رسد فعالیت ورزشی از طریق مکانیزم­هایی می­تواند موجب تغییر در ایزوفرم­های MHC و به دنبال آن تغییر در فنوتیپ تار عضلانی شود. در این مطالعه به بررسی اثر ورزش بر ایزوفرم­های MHC می­پردازیم.

کلیدواژگان: فعالیت ورزشی، تارهای عضلانی، زنجیره سنگین میوزینی، پلاستیسیته عضلانی

مقدمه

سیستم عضلانی برای کنترل حرکت بدن و اندام­های داخلی ما کار می­کند. بافت عضلانی حاوی فیبرهای عضلانی است. فیبرهای عضلانی خود از میوفیبریل­ها تشکیل شده­اند. میوفیبریل‌ها از میوفیلامنت‌هایی به نام رشته‌های اکتین و میوزین تشکیل شده‌اند که در واحدهایی به نام سارکومر تکرار می‌شوند و واحدهای عملکردی اصلی برای انقباض عضلانی هستند. به طور کلی دو نوع فیبر عضلانی وجود دارد: نوع I که کند است و نوع II که سریع به حساب می­آید. نوع II نیز به دو بخش تقسیم می­شود: نوع IIA (اکسیداتیو) و نوع IIX (گلیکولیتیک) که در مجموع سه نوع فیبر اصلی را می سازند. این الیاف دارای خواص متابولیکی، انقباضی و واحد حرکتی نسبتاً متمایزی هستند. اکتین­ها یکی از سه جزء اصلی اسکلت سلولی را تشکیل می­دهند و نقش اساسی در شکل و تحرک سلول، حمل و نقل درون سلولی، انقباض عضلانی و پویایی اندامک­ها و سایر موارد دارند. نقش عمده این پروتئین در سیستم‌های نیروزای مکانیکی عضلات و سایر سلول‌هاست. میوزین­ها نیز اَبَرخانواده­ای از پروتئین­های حرکتی هستند که بیشتر به دلیل نقش آن­ها در انقباض عضلانی و در طیف گسترده­ای از فرآیندهای حرکتی دیگر در یوکاریوت­ها شناخته شده­اند. تولید انرژی در میوزین از طریق تعدادی آنزیم هیدرولیز کننده ATP (ATPase) موجود در زنجیره سنگین میوزین ( در ناحیه سر)، رخ می­دهد. ایزوفرم زنجیره سنگین میوزینی، حداکثر سرعت و نیروی کوتاه شدگی را با توجه به سطح مقطع هر تار عضلانی تعیین می­کند. به نظر می­رسد تارهای عضلانی توانایی محدودی برای تغییر از نوعی به نوع دیگر را دارند و در مرحله تغییر، تارها نسبت زیادتری از ایزوفرم زنجیره سنگین میوزینی را بیان می­کنند. سوالی که در برخی از پژوهش­ها مورد بررسی قرار گرفته این است که فعالیت ورزشی می­تواند موجب تغییراتی در ایزوفرم­های سنگین میوزین و به دنبال آن تغییر رخ­مانه تار عضلانی شود یا خیر.

اکتین

پروتئین اکتین برای اولین بار توسط برونو استراوب[1] در سال 1943 که در آزمایشگاه آلبرت زنت گیورگی[2] گروه بیوشیمی در دانشگاه سگد[3] (مجارستان) کار می­کرد، شناسایی شد (2). امروزه اکتین را به عنوان فراوان ترین پروتئین در اکثر سلول های یوکاریوتی به حساب می­آورند. این پروتئین، خانواده­ای از پروتئین­های کروی چند عملکردی است که میکروفیلامنت­ها را در اسکلت سلولی و رشته­های نازک را در فیبریل­های عضلانی تشکیل می­دهند (3). آنها یکی از سه جزء اصلی اسکلت سلولی را تشکیل می دهند و نقش اساسی در شکل و تحرک سلول، حمل و نقل درون سلولی، انقباض عضلانی و پویایی اندامک ها و سایر موارد دارند (4). نقش عمده این پروتئین در سیستم‌های نیروزای مکانیکی عضلات و سایر سلول‌هاست (5). شکل مونومر آن G-اکتین کروی است که از طریق تعامل با تعداد بی‌شماری از پروتئین‌های اتصال دهنده اکتین (ABPs)، پلیمری از رشته‌های مارپیچ بلند (F-actin) می­سازد (4). گلوبولار (G)-اکتین، مونومر اکتین است که رشته‌های پلاریزه F اکتین را می­سازد (6) (شکل 1). واحدهای اکتین به شکل مارپیچ­های دو رشته­ای جمع می­شوند(5). دو رشته موازی F اکتین باید روی هم قرار گرفته و 166 درجه بچرخند تا ساختار F اکتین کارآمد تشکیل شود (7). این دو رشته در هم تنیده همراه با تروپومیوزین و کمپلکس تروپونین رشته های نازک را تشکیل می­دهند (شکل 2) (5).

تروپومیوزین یک پروتئین مارپیچ است که در بالای جایگاه فعال اکتین قرار دارد و مانع جذب اکتین و میوزین به هم می­شود. کمپلکس تروپونین، یک کمپلکس 3 زیر واحدی شامل: ترپونین I (میل به اتصال به اکتین)، تروپونین T (میل اتصال به تروپومیوزین) و تروپونین C (میل اتصال به یون کلسیم) است که آغازگر روند انقباض به حساب می­آید (10) (شکل 3). در مهره داران سه ایزوفرم اصلی اکتین شامل سه ایزوفرم α (در عضلات اسکلتی، قلبی و صاف) و ایزوفرم β-و γ (در سلول های غیر عضلانی) بیان می­شود. ایزوفرم­های اکتین تنها در چند اسید آمینه متفاوت هستند و بیشتر تغییرات به سمت انتهای N رخ می­دهد 23 (3).

میوزین

میوزین ها ابرخانواده­ای از پروتئین­های حرکتی هستند که بیشتر به دلیل نقش آن­ها در انقباض عضلانی و در طیف گسترده­ای از فرآیندهای حرکتی دیگر در یوکاریوت­ها شناخته شده­اند.

شکل 1 - ساختار مونومر و فیلامان اکتین (8)

شکل 2 - ساختار رشته های نازک (9)

شکل 3 - محل قرارگیری کمپلکس 3 بخشی تروپونین و پروتئین تروپومیوزین (11)

شکل 4 - ساختار میوزین نوع II : ( بخش آبی رنگ 2 زنجیره سنگین میوزین و دو بخش زرد و نارنجی 4 زنجیره سبک میوزین نوع II را تشکیل می­دهند.) (15)

ابتدا تصور می­شد که میوزین به سلول­های عضلانی محدود می­شود از این رو به آن­­ها مایوز (به معنی تارهای عضلانی)[4] + ین ( به معنی درون) گفته می­شد (12). تقریباً تمام سلول­های یوکاریوتی حاوی ایزوفرم­های میوزین هستند. برخی از ایزوفرم­ها عملکردهای تخصصی در انواع خاصی از سلول­ها (مانند سولو­های عضلانی) دارند، در حالی که ایزوفرم­های دیگر در همه جا یافت می­شوند (12). تا کنون بیش از 40 نوع میوزین شناخته شده است. از این تعداد، 13 نوع میوزین وجود دارد که در پستانداران بیان می­شود. اولین میوزین کشف شده میوزینی بود که از رشته­های ضخیم عضله جدا شد و امروزه به عنوان میوزین II یا میوزین معمولی شناخته می­شود (13). بیشتر مولکول‌های میوزین از ناحیه سر، گردن و دم تشکیل شده‌اند. سر میوزین را می­توان به محل تولید کننده نیرو (موتور میوزین) در نظر گرفت که ATPase فعال شده با اکتین زیرواحدی از آن به حساب می­آید و به به مبدل[5] معروف است (13). گردن میوزین، حرکات را در حوزه تولید نیرو، تقویت می­کند. زنجیره­ های سبک میوزین در این ناحیه قرار دارند و به نظر می­رسد مکانیسم فسفوریلاسیون را با واسطه Ca2⁺  تنظیم می­کنند (14). در نهایت دم میوزین قرار دارد که میوزین را در جای خود متصل نگه می­دارد (13) (شکل 4). موتورهای میوزین انرژی حاصل از ATP را به نیرو و حرکت تبدیل می­کنند. همچنین نیروی لازم برای عملکردهای سلولی متنوعی مانند سیتوکینز، عبور از غشاء، حرکت اندامک­ها و مهاجرت سلولی را تامین می­کنند. تولید انرژی در میوزین از طریق تعدادی آنزیم هیدرولیز کننده ATP (ATPase) موجود در زنجیره سنگین میوزین ( در ناحیه سر)، رخ می­دهد (13).

ایزوفرم زنجیره سنگین میوزین

ایزوفرم زنجیره سنگین میوزینی، حداکثر سرعت و نیروی کوتاه شدگی را با توجه به سطح مقطع هر تار عضلانی تعیین می­کند.

شکل 6 - یک طرح کلی از تغییرات متوالی و برگشت پذیر ایزوفرم­های MHC

بنابراین بیان ایزوفرم­های ویژه با عملکرد تارهای عضلانی ارتباط دارد. زنجیره سنگین میوزینی بالغ به ایزوفرم­های کند (نوع I) و تند ( نوعII) تقسیم می­شود. زنجیره­های نوع II، خود به ایزوفرم­های نوع IIa (میانی) و نوع IIx (تند) و نوع IIb تقسیم می­شود. ژن نوع IIb در ژنگان انسان وجود دارد اما در عضلات بزرگ انسان بیان نمی­شود (16). تفاوت بین ایزوفرم­های میوزین به دلیل تغییر در طول و شکل بازوی اهرمی (تغییر اندازه و جهت حرکت) و تغییرات در رویدادهای چرخه اتصال اکتین و میوزین است. در هر ایزوفرم، کل چرخه می­تواند با سرعت­های کلی بسیار متفاوت و با تغییر در کسری از زمان چرخه ای ادامه یابد که موتور در هر حالت سپری می­کند (17). میوزینی که ATPase آن نسبتا آرام­تر کار می­کند، در هر چرخه هیدرولیز ATP را 10٪ یا کمتر از ATPase سریع، هیدرولیز می­کند (شکل 5) (17).

به نظر می­رسد تارهای عضلانی توانایی محدودی برای تغییر از نوعی به نوع دیگر را دارند و در مرحله تغییر، تارها نسبت زیادتری از ایزوفرم زنجیره سنگین میوزینی را بیان می­کنند. این تارهای ترکیبی، تارهای هیبریدی نامیده می­شوند (16). به طور کلی، افزایش خیلی شدید فعالیت انقباضی، به تارهای عضلانی با رخ­مانه­ای کندتر منجر می­شود، در حالی که هر گونه کاهش فعالیت انقباضی، تارها را به سوی رخ­مانه تندتر هدایت می­کند (شکل 6) (16).

تفاوت­های تدریجی در هزینه انرژی تولید نیرو و تفاوت در پتانسیل های فسفوریلاسیون ATP در انواع مختلف تارهای سریع و کند می­تواند در مبادله ایزوفرم­های MHC موثر باشد که این تغییرات در مقادیر خاص پروتئین شامل تمام سطوح کنترل یعنی رونویسی، ترجمه و پروتئولیز می­شود (18). دو نوع دیگر از زنجیره­های سنگین میوزینی در دوران جنینی و رشدی[6] هنگام دوران جنینی و در تارهای عضلانی درحال ترمیم پس از آسیب بیان می­شود، اما در عضله سالم و بالغ بیان نمی­شود (16). زنجیره سنگین میوزین جنینی[7] (eMHC) می­توان به عنوان نشانگر رشد عضلانی طی تمرینات ورزشی استفاده نمود.

میوزین و فعالیت ورزشی

به نظر می­رسد فعالیت ورزشی می­تواند موجب تغییراتی در ایزوفرم­های سنگین میوزین شود. ماتیو[8] و همکاران (2009) در پژوهشی اثر تمرینات هوازی بر بهبود اندازه و عملکرد کل عضله و میوفیبر در زنان مسن را بررسی کردند. هفت زن مسن (2±71 سال) برای شرکت در این تحقیق داوطلب شدند. پروتکل تمرینی شامل 12 هفته دوچره سواری روی دوچرخه ارگونومتر پس از یک گرم کردن مختصر در بار کاری اولیه بود و حجم کار به تدریج در مراحل 1 دقیقه ای تا زمان خستگی در کل زمان آزمون 10-12 دقیقه­ای، افزایش یافت. برای تعیین اندازه و خواص انقباضی میوفیبرهای آهسته (MHC I) و سریع (MHC IIa)، ترکیب زنجیره سبک میوزین (MLC) و غلظت پروتئین عضلانی، بیوپسی‌های عضلانی از پهن جانبی به ‌دست آمد. تمرین هوازی باعث افزایش اندازه فیبر MHC I شد، در حالی که اندازه فیبر MHC IIa بدون تغییر بود. اوج قدرت MHC I بعد از تمرین بالا رفت، در حالی که اوج قدرت MHC IIa بدون تغییر بود. نتایج پژوهش آن­ها نشان داد تمرینات هوازی از طریق بازسازی خواص انقباضی در سطح میوفیبر، علاوه بر هیپرتروفی شدید عضلانی، عملکرد عضلانی را بهبود می­بخشد. تمرینات هوازی پیشرونده می­تواند به عنوان یک روش ورزشی مناسب برای مبارزه با سارکوپنیا در جمعیت سالمند در نظر گرفته شود (19). ماتیو و همکاران (2012) در پژوهش دیگر تاثیر تمرینات ورزشی هوازی در هیپرتروفی عضلات اسکلتی و سازگاری وابسته به سن در عملکرد میوفیبر در مردان جوان و مسن را مورد بررسی قراردادند. هفت جوان و 6 مرد مسن داوطلب شدند تا در آن مطالعه شرکت کنند. مداخله تمرین هوازی به صورت یک برنامه 12 هفته ای درجه بندی شده برای ارزیابی توان هوازی (VO2max) اجرا شد. برای تعیین اندازه و خواص انقباضی میوفیبرهای آهسته [زنجیره سنگین میوزین (MHC) I] و سریع (MHC IIa)، ترکیب MHC و غلظت پروتئین عضلانی، بیوپسی‌های عضلانی از بخش جانبی به‌ دست آمد. نتایج داده­ها نشان داد که بهبود نسبی در اندازه عضله و ظرفیت هوازی بین نمونه­های جوان و مسن مشابه است، در حالی که سازگاری در عملکرد انقباضی میوفیبرها، بهبود کلی در افراد مسن را نشان داد. اوج نسبت نیرو به سطح مقطع میوفیبر MHC I و MHC IIa با تمرین در افراد مسن حفظ شد، در حالی که اوج نسبت نیرو به سطح مقطع میوفیبر MHC IIa پس از تمرین در افراد جوان کمتر بود. افزایش­های مربوط به تمرین در اوج قدرت MHC I و MHC IIa نشان می­دهد که عضله اسکلتی افراد مسن به تمرینات ورزشی هوازی پاسخ می­دهد و از ورزش هوازی برای بهبود سلامت قلب و عروق و عضلات اسکلتی در افراد مسن حمایت می­کند (20). Christopher و همکاران (2014)، پاسخ سلول­های ماهواره­ای نوع خاص فیبر به تمرین هوازی در بزرگسالان کم تحرک را مورد بررسی قرار دادند. نمونه­ها شامل 23 نفر (6 مرد و17 زن) بود که قبل و بعد از یک برنامه 12 هفته ای تمرین هوازی روی دوچرخه ارگونومتر، بیوپسی عضلانی از پهن جانبی گرفته شد. تجزیه و تحلیل ایمونوهیستوشیمی برای تعیین کمیت بیان ایزوفرم زنجیره سنگین میوزین (MyHC)، سطح مقطع و سلول­های ماهواره­ای و محتوای میونوکلئی[9] استفاده شد. دوازده هفته تمرین هوازی باعث افزایش میانگین سطح مقطع در فیبرهای MyHC نوع I و IIa شد. محتوای سلول­های ماهواره­ای نیز پس از تمرین، به ویژه در الیاف MyHC نوع I افزایش یافت. اما تغییری در تعداد سلول­های ماهواره­ای مرتبط با الیاف MyHC نوع II مشاهده نشد (21). Wan و همکاران (2014)، تاثیر تمرین ورزشی را در تغییر ایزوفرم زنجیره سنگین میوزین در قلب انفارکتوس شده بررسی کردند. در پژوهش آن­ها، موش­های صحرایی نر هفت هفته ای (185 تا 200 گرم) یک هفته پس از سکته، شروع به تمرینات ورزشی با تردمیل کرده و به مدت 8 هفته تمرینات را ادامه دادند. بیان ژن MHCα بیشتر و بیان ژن MHCβ در گروهی که بعد از انفارکتوس ورزش کردند کمتر از گروهی بود که بعد از انفارکتوس ورزش نکردند. نتایج نشان داد که تمرین ورزشی پس از انفارکتوس قلبی، به طور مفید ایزوفرم­های MHC را تغییر داد و عملکرد قلب را بدون تغییر هورمون تیروئید بهبود بخشید (22). ووتاساتیئن[10] و همکاران (2015) اثر ورزش منظم بر تعدیل ایزوفرم­های MHC و فعالیت SERCA در موش­های صحرایی ارکیدکتومی شده را بررسی کردند. موش‌های 10 هفته‌ای ارکیدکتومی شده [11](ORX) تحت یک برنامه 9 هفته‌ای دویدن روی تردمیل با شدت متوسط قرار گرفتند که 1 هفته پس از جراحی شروع شد. ورزش منظم باعث افزایش حساسیت Ca²⁺ میوفیلامنت قلبی و فسفوریلاسیون زنجیره سبک 2 میوزین در موش‌هایی شد که تحت عمل قرار گرفته بودند. ورزش منظم همچنین از تغییر ایزوفرم های زنجیره سنگین میوزین (MHC) به سمت MHC نوع II جلوگیری کرد (23). Miller و همکاران (2017)، تاثیر ورزش مقاومتی با شدت متوسط را بر ساختار و عملکرد مولکولی و سلولی عضلات اسکلتی در افراد مسن غیرفعال مبتلا به استئوآرتریت زانو بررسی کردند. آن­ها ساختار و عملکرد عضلات اسکلتی را از سطح مولکولی تا بافتی در پاسخ به 14 هفته تمرین مقاوتی با شدت متوسط در 17 نمونه، افراد مسن (1±71 سال) غیرفعال فیزیکی مبتلا به استئوآرتریت زانو اندازه‌گیری کردند. اگرچه تمرین تمرین مقاوتی باعث افزایش سطح مقطع عضله چهار سر ران شد، اما میانگین سطح مقطع تک فیبر در زنجیره سنگین میوزین (MHC) الیاف I و IIA بدون تغییر بود. نتایج نشان داد که تمرین مقاوتی با شدت متوسط دارای حداقل اثر برای بهبود آتروفی عضلانی ذاتی و ناهنجاری‌های انقباضی در افراد مسن‌ مبتلا به استئوآرتریت زانو در سطوح سلولی و مولکولی است (24). بت[12] و همکاران (2018) اثرات تمرینات قدرتی بر بازسازی عضلانی پس از عمل ACL را بررسی کردند. بیوپسی از عضله پخن جانبی از 37 ورزشکار پس از 12 هفته توانبخشی منظم پس از عمل ACL و پس از 12 هفته تمرین بر یک پا، به دست آمد. پس از تمرین، نسبت تعداد الیاف MCH I  به  MCH_neo به طور معنی‌داری بیشتر بود. همچنین افزایش در فیبرهای نوع I آهسته و بدون اثر افزایشی بر فعال‌سازی، تکثیر و تمایز سلول­های ماهواره­ای مشاهده شد (25). آندرس[13] و همکاران (2018) در پژوهشی خاموش شدن سریع ژن MHC IIX انسانی پس از انقباضات عضلانی با بار سنگین را بررسی کردند. آزمودنی‌های تمرین نکرده (5 نفر – سن 1±24 سال) دو دوره تمرین مقاومتی را در دو روز متوالی با یک پا (و پای دیگر به‌عنوان کنترل) انجام دادند. بیوپسی عضلانی در هر دو پا قبل، بلافاصله بعد و 24، 54 و 96 ساعت بعد از ورزش گرفته شد. میزان mRNA ی MHC IIx در فیبر عضلانی پای تمرین شده در طول دوره مطالعه کاهش یافت. در 96 ساعت پس از ورزش، هیچ فیبری mRNA ی  MHC IIX را بیان نکرد. در مقابل، تعداد الیاف بیان کننده mRNAی  MHC IIA در طول دوره مطالعه افزایش یافت. درصد فیبرهایی که mRNA را برای MHC I بیان می‌کنند در هر زمان در هر دو پا بدون تغییر بود. در پایان نتیجه گرفتند که خاموش شدن سریع ژن MHC IIX انسانی پس از انقباضات عضلانی با بار سنگین حداقل به مدت 4 روز ادامه دارد (26). Liu و همکاران (2018) تاثیر ورزش هوازی در طول بارداری، بر ظرفیت اکسیداتیو در عضلات اندام عقبی فرزندان موش بررسی کردند. موش‌های ماده در شرایط ورزش 30 روز قبل از جفت‌گیری و در طول بارداری به چرخ دویدن در قفس خود دسترسی داشتند، در حالی که گروه بی‌تحرک قبل از جفت‌گیری و در طول بارداری به چرخ دونده دسترسی نداشتند. نتایج نشان داد در مقایسه با فرزندان موش­های کم تحرک، فرزندان موش­های تمرین کرده، افزایش بیان پروتئین میوزین زنجیره سنگین نوع I (MHC I) داشتند اما هیچ تغییری در MHC II مشاهده نشد (27). گریس[14] و همکاران (2019) به بررسی تاثیر ورزش هوازی مادام العمر بر عملکرد فیبر تک عضلانی در زنان تمرین کرده پرداختند. مطالعه شامل 3 گروه بود، افرادی بود که در طول 2±48 سال گذشته 5 روز در هفته به مدت 7 ساعت در هفته ورزش کرده اند (7 نفر، 2±72 سال)، افراد مسن سالم غیر ورزشکار (10 نفر، 75±1 سال)، ورزشکاران جوان (10 نفر 1±25 سال). برای بررسی اندازه و عملکرد فیبر تک عضلانی زنجیره سنگین میوزین (MHC) I و IIa (قدرت، سرعت، قدرت) هر آزمودنی، بیوپسی عضله پهن جانبی انجام شد. اندازه فیبر MHC I در هر سه گروه مشابه بود اما اندازه فیبر MHC IIa کاهش یافت. نتایج نشان داد گروهی که مسن و ورزشکار بودند، سازگاری عملکرد انقباضی داشتند که افزایش قدرت فیبر MHC I را نشان داد و قدرت فیبر MHC IIa را از طریق مکانیسم‌های انقباضی مختلف (قدرت در مقابل سرعت) حفظ کرده بودند. نتیجه اینکه خواص انقباضی فیبر تک عضلانی مشاهده شده با تمرینات هوازی مادام العمر منحصر به فرد است و بینش جدیدی را در مورد پلاستیسیته عضلات اسکلتی ارائه می­دهد (28). وُیگت[15] و همکاران (2019) تاثیر تمرین مقاومتی را بر قدرت بازکننده زانو در افراد مسن مبتلا به استئوآرتریت زانو بررسی کردند. این گزارش تجزیه و تحلیل اضافی بر روی زیرمجموعه ای از 7 (5 مرد، 2 زن) داوطلب بزرگسال از گروهی از بیماران (17 نفر) است که در در یک مطالعه قبلا منتشر شده است (24). در عرض 1 تا 3 هفته پس از بیوپسی، داوطلبان یک برنامه تمرین مقاومتی با شدت متوسط، یک طرفه و پیشرونده 14 هفته­ای را شروع کردند. نتایج نشان داد که بیان بیشتر مولکول چسبنده سلول عصبی[16] در الیاف زنجیره سنگین II میوزین با افزایش قدرت عضلانی بیشتر و اندازه فیبر MHC II بیشتر همراه بود (29). اسدمنش و همکاران (2019) تأثیر 6 هفته تمرین مقاومتی بر بازسازی عضلانی موش‌های BALB-C حامل تومور را مورد بررسی قرار دادند. نمونه مورد مطالعه شامل 10 موش BALB-C (سن: 6 هفته) بود که تومور CT-26 به آن­ها پیوند زده شد که به صورت تصادفی به دو گروه کنترل (5 سر) و تمرین مقاومتی (5 سر) تقسیم شدند. گروه تمرین به مدت شش هفته تمرین مقاومتی پیشرونده انجام دادند. eMHC در گروه تمرین نسبت به گروه کنترل به طور معنی داری کاهش یافت. آن­ها نتیجه گرفتند که اگرچه تمرین مقاومتی رشد تومور را افزایش نمی دهد، اما احتمالاً برخی از عوامل بازسازی عضلانی را در موش های سرطانی کاهش می دهد و بیان کردند که احتمالاً تمرینات مقاومتی برای بهبود بازسازی عضلانی در بیماران مبتلا به کاشکسی، انتخاب مناسبی نیست (30). مورو[17] و همکاران (2020) اثر تمرینات ورزشی مقاومتی را بر سازگاری‌های میونکلئی[18] فیبر عضلانی در بزرگسالان مسن، بررسی کردند. آن­ها برنامه ورزش مقاومتی پیشرونده 12 هفته­ای را در 19 نفر [10 مرد و 9 زن (3/4 ± 1/71 سال)] اجرا کردند. تجزیه و تحلیل ایمونوهیستوشیمی برای تعیین کمیت بیان ایزوفرم زنجیره سنگین میوزین (MHC)، سطح مقطع، فراوانی سلول های ماهواره ای، محتوای هستة ماهیچه ای و چگالی قطرات لیپید استفاده شد. تمرین مقاومتی باعث افزایش فرکانس فیبر MHC نوع II و کاهش همزمان در فرکانس فیبر MHC نوع I شد. میانگین سطح مقطع تار، تنها در الیاف MHC نوع II به طور قابل توجهی افزایش یافت. تمرین مقاومتی با افزایش فاصله بین سلول‌های، سازگاری‌هایی با عرضه مویرگی به سلول‌های ماهواره‌ای ایجاد کرد. هر دو نوع فیبر کاهش مشابهی را در تراکم چربی داخل عضلانی با تمرین نشان دادند. نتایج نشان دهنده پلاستیسیته هسته ماهیچه ای فیبرهای نوع II در طی یک محرک هیپرتروفیک است (31). در مطالعه دیگری اسد­منش و همکاران (2020) به بررسی تاثیر تمرین مقاومتی و مکمل یاری رسوراترول بر شاخص­های باززایی عضلانی MyoD و eMHC در موش­های سوری مبتلا به سرطان کولون CT-26 پرداختند. این مطالعه روی 20 موش سوری انجام شد که به مدت 6 هفته به تمرین مقاومتی فزاینده پرداختند. نمونه­ها به 4 گروه تمرین، مکمل، تمرین و مکمل و کنترل تقسیم شدند. در گروهی که تمرین مقاومتی و مصرف مکمل داشت، افزایش eMHC مشاهده شد. نتایج آن­ها نشان داد تمرین مقاومتی به همراه مکمل رسوراترول، می­تواند در بهبود باززایی عضلانی موثر باشد (32). گریگوری[19] و همکاران (2021) اثر ورزش استقامتی مادام العمر را بر ویژگی­های انقباضی فیبر عضلانی منفرد بررسی کردند. مطالعه شامل 21 نفر مرد مسن (4 ± 74 سال) را با سابقه ورزش استقامتی مادام العمر (بیش از 50 سال)، 10 نفر مرد مسن سالم غیر ورزشکار (2± 75 سال)، 10 نفر ورزشکار جوان (1 ± 25 سال) بود. به طور متوسط، گروه مسن ترمین کرده، در طول 6 ± 53 سال گذشته 5 روز در هفته به مدت 7 ساعت در هفته ورزش کرده بودند. بیوپسی عضلانی عضله پهن جانبی برای اندازه و عملکرد فیبر زنجیره سنگین میوزین آهسته (MHC I) و سریع (MHC IIa) (قدرت، سرعت، قدرت) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج پژوهش نشان داد که تمرین استقامتی مادام‌العمر به بهبود اندازه و عملکرد فیبر عضلانی کند کمک می‌کند (33).

جدول 1 - مطالعات تاثیر فعالیت ورزشی بر زنجیره سنگین میوزین

بحث و نتیجه گیری

عضله اسکلتی یک بافت هتروژنیک متشکل از انواع فیبر تند و کند است. یکی از ویژگی­های منحصر به فرد عضلات اسکلتی، ساختار فیبر­های آن است.

علاوه بر این، فیبرهای عضلانی قادر به تنظیم خواص فنوتیپی خود در پاسخ به نیازهای عملکردی متفاوت هستند. تفاوت­های تدریجی در هزینه انرژی تولید نیرو و تفاوت در پتانسیل­های فسفوریلاسیون ATP در انواع مختلف تارهای سریع و کند می­تواند در مبادله ایزوفرم­های MHC موثر باشد. به نظر می­رسد فعالیت ورزشی می­تواند در تغییر رخ­مانه تار عضلانی، از طریق مبادله ایزوفرم­های MHC، موثر واقع شود. بررسی مطالعات نشان داد به دنبال تمرین ورزشی هوازی، افزایش قدر انقباضی و اندازه و سطح مقطع فیبر MHC I و در برخی موارد حفظ تار­های حاوی MHC II رخ می­دهد. همچنین فعالیت ورزشی هوازی می­تواند از تغییر رخ­مانه تار عضلانی از کند به تند ( ناشی از بی­تحرکی) جلوگیری کند. سازوکار­های اثرگذاری تمرین هوازی بر زنجیره سنگین میوزین به طور کامل مشخص نشده است. به نظر می­رسد یکی از سازوکارهایی که ورزش هوازی از طریق آن بر MHC تاثیر می­گذارد، تنظیم اپی­ژنیک ساخت این پروتئین­ها باشد. این تنظیم برای میوژنز جنبه کلیدی دارد و به احتمال زیاد در تنظیم بیان ایزوفرم زنجیره سنگین میوزین و شناسایی نوع تار هم نقش مهمی ایفا می­کند. نشان داده شده است که هیستون استیلازها (HAT) و هیستون دِاستیلازها (HDAC) که استیله شدن هیستون­ها را تنظیم می­کند، در تنظیم اپی­ژنیک دخالت دارند. کیناز فعال شده با کمپلکس کلسیم کالمودالین (CaMK) می­تواند با فسفوریله کردن هیستون دِاستیلاز، موجب خروج آن از هسته شود. در ادامه عامل رونویسی فعال شده توسط کلسی­نورین فسفاتاز (CaN) که NFAT نام دارد، می­تواند دسته­های زنجیره سنگین میوزینی را هدف قرار دهد تا بیان ژن­ها در این دسته را تنظیم کند.

یکی دیگر از ویژگی­های موثر در تنظیم بیان MHC، تنظیم آن به صورت روشن/خاموش است. به بیان دیگر، تارهای عضلانی تکی، به جز تارهای هیبریدی انتقالی، تقریبا تنها یک ایزوفرم زنجیره سنگین میوزین را بیان می­کند و بیان همه ایزوفرم­های دیگر زنجیره سنگین میوزینی تقریبا به طور کامل خاموش (غیرفعال) است. پژوهشگران نشان داده اند زنجیره سنگین میوزین βI کند، دو میکرو RNA (miRNA) به نام­های miR208-b و miR-499 را به نام میومیر[20] در اینترون­های خود رمزگشایی می­کند. این دو میومیر عامل رونویسی به نام Sox6 را مهار می­کنند. Sox6 مانع از بیان ژن­های کند می­شود و مستقیم یا غیر مستقیم، ژن­های تند را تنظیم افزایشی می­کند.

با توجه به نتایج متناقضی که به آنها اشاره شد به نظر می­رسد ورزش مقاومتی یک پاسخ بیوشیمیایی چند وجهی را آغاز می­کند که به تنظیم ترجمه mRNA منجر می­شود. پروتئین‌های سیگنال‌دهنده در مسیر Akt/mTOR بیان mRNA ی  MHCبه دنبال یک پروتکل تمرین مقاومتی تنظیم می­کند. فسفوریلاسیون ناشی از ورزش p70S6k در الیاف نوع II به طور قابل توجهی بیشتر از الیاف نوع I است. p70S6k می‍تواند با تنظیم عوامل رونویسی پروتئین­ها بر سنتز و تولید پروتئین­هایی نظیر MHC اثر گذار باشد. همچنین نشان داده شده است که فسفوریلاسیون mTOR ناشی از ورزش مختص الیافی است که ایزوفرم MHC IIA را در موش‌ها بیان می‌کنند (34). بنابراین افزایش بیان ژن زنجیره سنگین میوزین را می­توان به عملکرد mTOR نسبت داد.

با این حال برخی دیگر از مطالعات مرتبط با ورزش مقاومتی نیز نتوانستند تغییری زنجیره سنگین میوزینی نشان دهند. پروتکل­های تمرینی متفاوت، حجم نمونه­ها و جامعه آزمودنی­ها ( اعم از مسن، جوان، نمونه­های حیوانی) می­توانند عوامل موثر در گزارش­های متناقض باشند. با این حال، به نظر می­رسد تحقیقات آینده بیشتری مورد نیاز است.

در پایان می­توان نتیجه گیری کرد که فعالیت ورزشی از طریق مکانیزم­های متعددی می­تواند موجب تغییر در ایزوفرم­های MHC و به دنبال آن تغییر در فنوتیپ تار عضلانی شود. همچنین فعالیت ورزشی می­تواند با جلوگیری از تغییر ایزوفرم های نوع I به II ( ناشی از بی تحرکی) و حتی تنظیم مثبت ایزوفرم­هایی مانند eMHC، مانع از کاهش قدرت عضلانی شود و بهبود و سلامت تار عضلانی را به همراه داشته باشد. انجام مطالعات بیشتر در زمینه مکانیزم­های اثر ورزش می­تواند گامی در راستای درک بهتر اثر فعالیت ورزشی بر انواع ایزوفرم­های MHC باشد.

شکل 7 - تاثیر فعالیت هوازی بر تنظیم رونویسی ژن MHC

شکل 8 - فعالیت هوازی و میومیرها

شکل 9 - ورزش مقاومتی و فعال سازی مسیر سنتز پروتئین وابسته به mTOR

[1] Bruno Straub

[2] Albert Szent-Györgyi

[3] Szeged

[4] Mayo(s)+ in

[5] Converter

[6] Embryonal and Developmental

[7] Embryonic Myosin Heavy Chain

[8] Matthew

[9] Myo-nuclei

[10] Vutthasathien

[11] Orchidectomy

[12] Bette

[13] Anderse

[14] Gries

[15] Voigt

[16] Neural cell adhesion molecule (NCAM)

[17] Moro

[18] myonuclear

[19] Gregory

[20] Myo-miR