עומס מכני – המפתח לעליה במסת שריר

עליה במסת שריר היא תהליך ובו סיבי השריר גדלים ומתחזקים. זהו תהליך חיוני לא רק עבור ספורטאים מקצועיים, אלא גם עבור כל אדם המעוניין לשמור על בריאות וחיוניות לאורך זמן. עליה במסת שריר מתרחשת כאשר סינתזת החלבון השרירית (קצב ייצור החלבונים) עולה על קצב פירוק החלבונים בשרירים. לאורך זמן, תהליך זה מוביל להצטברות חלבונים חדשים בשרירים, וכתוצאה מכך לעלייה בנפחם.

אחת הדרכים היעילות ביותר לעודד עליה במסת שריר היא על ידי ביצוע אימוני התנגדות. אימונים אלו גורמים לתהליך מורכב שבסופו מתקבלת הוראה “לייצר יותר חלבונים”. הבנת המנגנונים מאחורי עליה במסת שריר חיונית לפיתוח שיטות אימון יעילות יותר.

בסדרת מאמרים זו אתמקד במועמדים השונים שמתחילים את התהליך שמוביל לסינתזת חלבון שרירית מוגברת יותר, המאמר הראשון שלפניכם ידון באותות מכניים שנוצרים במהלך אימונים ויכולים לשמש כטריגרים התחלתיים. רבים מכירים את הטריגרים הללו בשם ״עומס מכני״. במאמרים הבאים אדון בתפקידם של “סטרס מטבולי” ו“נזק שרירי” בהקשר זה, תוך יצירת תמונה רחבה יותר של הנושא.

המטרה המרכזית: mTORC1

לפני שאנחנו קופצים לעומקם של הדברים, חשוב שנכיר קומפלקס חשוב מאוד. קומפלקס זה נקרא mTORC1 והוא משמש כמרכז איתות חיוני ששולט בסינתזת החלבון בשרירים והוא חיוני לעליה במסת שריר. מחקרים מראים שחסימת mTORC1 מעכבת הן את סינתזת החלבון השרירית והן את העלייה במסת השריר לאחר אימון התנגדות. בעוד שמסלולי איתות וגנים שונים משפיעים על גודל השריר, תפקידם המדויק בהקשר של עליה במסת שריר עדיין לא ברור לגמרי. במילים אחרות, mTOR עומד במרכזם של הדברים ושפעול שלו יוביל לאדפטציות חיוניות לאימון. בשביל שנוכל להבין כיצד משפעלים את הקומפלקס הזה, עלינו לעשות הנדסה הפוכה.

עומס מכני כגורם דומיננטי

מחקרים רבים חקרו את הקשר בין גירויים מכניים להיפרטרופיה שרירית. חשיבותם של גירויים אלו נתמכת על ידי שלושה ממצאים עיקריים:

1. אטרופיה שרירית: כאשר העומס המכני יורד, כתוצאה מחוסר פעילות ממושכת לדוגמה, השרירים נוטים לאבד מהמסה שלהם. ממצא זה מדגיש את תפקידו החיוני של עומס מכני קבוע בשמירה על מסת השריר. דוגמא מרתקת נוספת ניתן למצוא בקרב אסטרונאוטים שטסים לחלל. חוסר השימוש בשרירים מסוימים, מוביל לאטרופיה שרירית מהירה בשל עומס מכני נמוך, ולכן ישנם מכשירי כוח ייעודים לשימוש האסטרונאוטים בחלל בכדי למנוע את אותו אפקט שלילי על מסת השריר.

   

2. ניסויים בבעלי חיים: ניסויים אלו הראו עלייה משמעותית ומהירה במסת השריר בבעלי חיים שעברו שינוי מלאכותי בעומס מכני שהופעל על שריריהם. דוגמא יפה לכך אפשר למצוא במחקרים על מכרסמים שבהם אחד משרירי העזר נחתך באופן יזום. חיתוך השריר מוביל לעומס מכני מוגבר על שריר אחר מה שמוביל לעלייה מהירה באותו השריר שלוקח על עצמו תפקיד רב יותר.

   

3. אימוני התנגדות: מחקרים רבים מראים שאימוני התנגדות, הכוללים הרמת משקלים כבדים, יעילים יותר להיפרטרופיה שרירית מאשר תרגילי סבולת בעצימות נמוכה כמו ריצה, הן בבני אדם והן בבעלי חיים. חשוב לציין שלא תמיד נדרש להרים משקלים כבדים מאוד כדי להשיג עלייה במסת השריר. מחקרים מראים שאפילו עומסים נמוכים יחסית, המגיעים ל-30% מהמשקל המקסימלי שניתן להרים (1RM), יכולים להוביל לעלייה משמעותית במסת השרירים.

   

לסיכום, עומס מכני ממלא תפקיד מרכזי בהיפרטרופיה שרירית, כאשר עומסים גבוהים קשורים בדרך כלל לעלייה משמעותית יותר אולם גם עומסים מתונים יכולים להוביל להיפרטרופיה משמעותית, מה שהופך אימוני התנגדות לנגישים יותר לקהלים רבים.

חיישנים מכניים בסיבי שריר: הבנת המנגנונים המולקולריים של היפרטרופיה שרירית

החיים על פני כדור הארץ התפתחו בסביבה עם כוחות כבידה, כתוצאה מכך אורגניזמים חווים עומסים מכניים באופן רציף. כוחות אלו גרמו לאורך זמן להתפתחות מערך מתוחכם של חיישנים ברמת התא, המאפשרים ליצורים חיים לזהות גירויים מכניים. חיישנים אלו משחקים תפקיד מכריע לא רק בתגובה לכוח הישיר של התכווצות סיבי השריר, אלא גם לרמזים מכניים עדינים יותר, כמו כוחות גזירה, דפורמציה, דחיסה ושינויים במטריצה החוץ-תאית המקיפה כל תא.

סיבי שריר השלד: פוטנציאל כוח משמעותי

סיבי שריר השלד הם סיבים מיוחדים מכיוון שהם יכולים לייצר כוחות הרבה יותר חזקים בהשוואה לסוגים אחרים של תאים בגופנו. כל ראש מיזין תורם 6 פיקוניוטון לערך. תאים שאינם שריריים יכולים גם להפיק כוח דרך שלד האקטין שלהם, אך הכוחות נמוכים יותר. לדוגמא, נמצא כי פיברובלסטים מפיקים כוחות של 16 מיקרוניוטון לתא.

העברת כוחות בסיבי שריר:

כאשר השרירים מתכווצים, הכוחות שהם יוצרים עוברים לגידים ולעצמות דרך שתי מערכות שונות:

• העברה לאורך סיבי השריר: מערכת זו מעבירה כוחות לאורך סיבי השריר עצמם.
• העברה צידית: מערכת זו מעבירה כוחות הצידה, מסיבי השריר אל המטריצה החוץ-תאית שמסביב. העברה זו מתרחשת באמצעות מבנים הנקראים ׳קוסטמרים׳, שהם כמו עוגנים המחברים את סיבי השריר למטריצה החוץ תאית.

  

במערכות העברת הכוח של סיבי השריר, ישנם מבנים שונים שיכולים לשמש כחיישנים לזיהוי כוחות אלו. חיישנים אלו ממלאים תפקיד בהפעלת שרשרת תגובות המובילה להיפרטרופיה שרירית.
חלק מהחיישנים הפוטנציאליים עליהם נדבר הם:

• קוסטמרים: מבנים אלו מכילים קולטנים לחלבונים כמו וינקולין ותלין, העשויים לשמש כחיישנים מכניים. בנוסף, קינאז הידבקות מוקדית (FAK) הוא חלבון נוסף העשוי להיות מעורב בזיהוי כוחות מכניים בקוסטמרים.
• טיטין: חלבון בעל תפקיד חשוב בתפקוד תקין של השרירים. טיטין נמתח כאשר השריר מתכווץ, וייתכן שהוא משמש כחיישן מכני. מתיחת טיטין מפעילה אנזימים המובילים לייצור חומצה פוספטית, העשויה לקדם היפרטרופיה שרירית.
• Filamin-C-Bag3: קומפלקס חלבונים זה ממוקם בדיסק Z, מבנה מרכזי בתאי שריר.
  Filamin-C-Bag3 פועל כחיישן עומסים והוא קולט ומגיב לכוחות המופעלים על השריר. קומפלקס זה מפעיל מסלולי איתות המובילים לסינתזת חלבונים וליצירת סיבי שריר חדשים.

לסיכום, במערכות העברת הכוח של סיבי השריר, ישנם מבנים שונים שיכולים לשמש כחיישנים לזיהוי כוחות אלו. חיישנים אלו ממלאים תפקיד בהפעלת שרשרת תגובות המובילה להיפרטרופיה שרירית. חלק מהחיישנים הפוטנציאליים עליהם נדבר הם קוסטמרים, טיטין ו filamin-C-Bag3. מבנים אלה יכולים לחוש את הכוח המופעל על השריר ולהתחיל את שרשרת התהליכים שתהפוך את השרירים לגדולים וחזקים יותר.

קוסטמרים: מבנים חיוניים בסיבי שריר

בשנות ה-50 של המאה הקודמת גילו חוקרים שתאי סרטן יכולים לשגשג גם ללא עיגון באגר רך, בניגוד לרוב התאים האחרים. תגלית זו הובילה לחקירה מעמיקה של אופן התקשרות תאים לסביבתם. התברר שתאים משתמשים במבנים מיוחדים הנקראים “הידבקויות מוקדיות” (Focal Adhesions), המורכבים מחלבונים כמו וינקולין, תלין ואינטגרינים, כדי לעגן את עצמם למטריצה החוץ-תאית ולהגיב לגירויים מכניים.

בשרירים, קוסטמרים ממלאים תפקיד דומה להידבקויות מוקדיות. מבנים אלו מחברים את המסגרת הפנימית של השריר למטריצה שמסביב ומסייעים בהעברת כוחות. קוסטמרים חיוניים לתפקוד תקין של השרירים, ומוטציות בגנים המקדדים את ייצורם, כמו הגן DMD, עלולות להוביל למחלות שרירים קשות כמו ניוון שרירים מסוג דושן.

חיישנים פוטנציאליים בקוסטמרים:

אחת מהשאלות המעניינות היא האם קוסטמרים פועלים כחיישנים לגירויים מכניים המובילים להיפרטרופיה שרירית ואם כן, מה החלקים שאחראים על כך? יש לנו מספר מועמדים פוטנציאליים לתפקיד זה:

• קינאז הידבקות מוקדית (FAK): כאן אנחנו מדברים על חלבון המצטבר בהידבקויות מוקדיות כאשר תאים מתחברים למשטח או מצע כלשהו. FAK עשוי לשחק תפקיד בחישה של עומס מכני במהלך אימון התנגדות, אך מנגנון פעולתו המדויק אינו ברור עדיין.

  

• חומצה פוספטית (Phosphatidic Acid): מולקולה המיוצרת בתגובה לגירויים מכניים. חומצה פוספטית מפעילה מסלולים המעורבים בבניית שרירים, כמו מסלול Hippo ו-mTORC1. מחקרים מצביעים על כך שגירויים מכניים יכולים להפעיל אנזימים לייצור חומצה פוספטית, אשר לאחר מכן תעודד היפרטרופיה שרירית.

• אינטגרינים: קבוצת חלבונים הנמצאים בקוסטמרים שיכולים למלא תפקיד בבניית שרירים. ביטוי יתר של האיזופורם α7β1-integrin בעכברים מוביל לסיבי שריר גדולים יותר ולהיפרטרופיה שרירית מוגברת לאחר פעילות גופנית. עם זאת, מנגנון ההפעלה של אינטגרינים על ידי גירויים מכניים במהלך פעילות גופנית עדיין אינו ברור.
  

חיישנים שונים בקוסטמרים יכולים לזהות גירויים מכניים מוכרים נוספים:

• התנפחות סיבי השריר (פאמפ): נפיחות זו עלולה להוביל לעומס מכני על הקוסטמרים ולגרום להיפרטרופיה שרירית.
• שינויים בנוקשות של המטריצה החוץ-תאית: שינויים אלו עשויים להשפיע על איתותים מכניים בתוך השריר.

לסיכום, ניכר שבמבנה הקוסטמרים יש לנו מספר מועמדים רב שיכולים לשמש כחיישני עומס מכני פוטנציאלים שיובילו לתחילת שרשרת תהליכים שבסופה סינתזת החלבון השרירית תעלה.

טיטין: חלבון רב-תכליתי עם תפקיד חשוב בהיפרטרופיה שרירית

טיטין הוא חלבון ענק המהווה כ-10% ממשקל החלבונים בשריר. טיטין ממלא תפקידים רבים וחיוניים בתפקוד תקין של השרירים ובתפקוד ההכללי של גוף האדם. מוטציות בגן המקודד לטיטין (Ttn) קשורות למחלות גנטיות שונות, ביניהן מיופתיות. הבנת תפקידו של טיטין חיונית הן להבנת תפקוד השרירים והן לפיתוח טיפולים חדשים למחלות שרירים.

מבנה ותפקוד:

טיטין משתרע לאורך חצי סרקומר, יחידת הבניין הבסיסית של השריר. הוא נמתח מה-Z-דיסק ועד לקו M, שם הוא מקשר בין סיבי המיוזין זה לזה. חלקו האלסטי של טיטין, הממוקם ברצועת ה-I, תורם לגמישות השרירים, בעוד שחלקו בקו M מכיל קינאז (אנזים) המופעל במתיחה. קינאז זה, כאשר מופעל על ידי מתיחת השריר, גורם לטיטין לזרחן את עצמו, ויכול לפעול כחיישן עומסים הקשור לפעילות גופנית.

מחקרים מצביעים על כך שטיטין עשוי לשמש כחיישן עומס מכני, במיוחד באורכי שרירים ארוכים יותר. אף על פי שהוא אינו חש ישירות בכוח במהלך התכווצות השריר, הוא נמתח ומוסיף כוחות כאשר השריר ארוך יותר, מה שעלול להפעיל איתותים שונים שיובילו להיפרטרופיה שרירית. עם זאת, הקשר בין טיטין לשפעול mTORC1, המתווך העיקרי של היפרטרופיה שרירית, עדיין אינו ברור לחלוטין. מחקרים נוספים נדרשים כדי להבין טוב יותר את תפקידו של טיטין, תוך התמקדות באינטראקציות שלו עם מערכות איתות אחרות והשפעתו על תהליכים מולקולריים הקשורים לגדילת שרירים.

לסיכום, טיטין הוא חלבון בעל חשיבות מכרעת הן לתפקוד תקין של השרירים והן לבריאות האדם הכללית. תפקידו כחיישן עומסים והשפעתו על שפעול mTORC1 הופכים אותו לשחקן חשוב בהיפרטרופיה שרירית. מחקר נוסף נדרש כדי להבין טוב יותר את תפקידו המדויק של טיטין בתהליך זה.

Bag3 ו-Filamin-C: צמד חלבונים חיוניים לבריאות השרירים

שני חלבונים אלו ממלאים תפקיד מכריע בתפקוד תקין של השרירים. פגיעות גנטיות בחלבונים אלו גורמות למיופתיות מיופייברילריות, מחלות שריר קשות. Bag3 ו-Filamin-C מתמקמים בדיסק Z, מבנה מרכזי בתאי שריר, שם הם יוצרים קומפלקס ייחודי. קומפלקס זה פועל כחיישן עומסים, קולט ומגיב לכוחות המופעלים על השריר. קומפלקס Bag3-Filamin-C מפעיל מסלולים תאיים חשובים הקשורים להיפרטרופיה שרירית ותפקוד תקין, ביניהם:

• mTORC1: מסלול מרכזי המווסת את ייצור החלבונים בשריר, חיוני לגדילה ותיקון.
• YAP1: חלבון בעל השפעה רבה על גדילת תאים, כולל תאי שריר.
• אוטופגיה: תהליך פירוק רכיבים תאיים פגומים, החיוני לשמירה על בריאות השריר (לחצו לקריאה מורחבת).

פילמינים, ובפרט Filamin-C, פועלים כמולקולות שרגישות לעומס מכני. הם מתקפלים תחת כוחות מסוימים, מה שמאפשר להם לחוש את העומס המופעל על השריר. מנגנון הפעלת Bag3 על ידי פילמין עדיין אינו ברור. עם זאת, ידוע ש-Bag3 נקשר לפילמין ומתקשר עם חלבונים אחרים בתגובה לכוחות מכניים.

לסיכום, חקר Bag3 ו-Filamin-C פותח צוהר לעולם מרתק של בריאות שרירים ומנגנונים מולקולריים. הבנת תפקידם עשויה להוביל לפיתוח טיפולים חדשים למחלות שריר ולקידום היפרטרופיה שרירית.

עיוות גרעיני: תפקיד חדש לעליה במסת שריר

סיבי שריר מכילים גרעינים (Myonuclei) שמוקפים ברשת צפופה של שני סוגי חוטים: פילמנטים עבים של טובולין ופילמנטים של דסמין. חוטים אלו לא רק מקבעים את הגרעינים לשלד התא (ציטוסקלטון) אלא גם חושפים אותם לכוחות המופעלים על השלד התאי בתגובה למתיחה פסיבית, כיווץ פעיל או התנפחות של סיבי השריר. מחקרים מראים שכאשר מותחים סיבי שריר באופן פסיבי, הגרעינים מתעוותים.

עיוות גרעיני והפעלת חלבון Yap:

תגלית מחקרית מרתקת מצביעה על כך שעיוות גרעיני זה הוא למעשה מנגנון בו עומס מכני גורם לחלבון Yap (ועוד חלבונים פוטנציאליים) לנוע מהציטופלזמה אל תוך הגרעין. ידוע שפעילות יתר של Yap יכולה להוביל להיפרטרופיה של סיבי השריר, ולכן ייתכן שעיוות גרעיני הוא מנגנון בו עומס מכני תורם להיפרטרופיה שרירית.

מנגנוני איתות אפשריים:

הממצאים מציעים שני מסלולי איתות אפשריים הקשורים לעיוות גרעיני ו-Yap:

• מסלול filamin-Bag3-Yap: מסלול זה עשוי לחוש עומס מכני ולהפעיל את חלבון Yap.
• מסלול עיוות גרעיני-Yap-mTORC1: עיוות גרעיני מפעיל את Yap, אשר בתורו מפעיל את מסלול mTORC1, המתווך העיקרי של היפרטרופיה שרירית.

עם זאת, חשוב לציין שתי נקודות:

1. היפרטרופיה הנגרמת על ידי Yap נראית צנועה יחסית ואינה תלויה בהכרח ב-mTORC1.
2. עיוות גרעיני נצפה עד כה רק במתיחה פסיבית, ולא נצפה בכיווץ שרירי אקטיבי.

למרות זאת, מחקר עתידי צריך להתמקד באיתור חלבונים שיכולים לחוש עיוות גרעיני ואולי להוביל להפעלה של מסלולים אחרים כמו מסלול Hippo.

סיכום: יש לנו עוד מה ללמוד

המחקר מציע מספר מנגנונים אפשריים לחישת עומס מכני, אולם אף אחד מהם לא מובן עד תום. ייתכן שקיימים מספר גירויים מכניים המעודדים עליה במסת שריר (למשל כוח הכיווץ, העמסה על השלד תא השריר והתכונות המכניות של המטריקס החוץ-תאי) וחיישנים שונים המזהים אותם.

עד כה, לא פוענח לחלוטין אף מנגנון של העברת אותות מכניים המוביל לעליה במסת שריר. מחקר בתחום זה נתקל בקשיים רבים. לדוגמה, שיתוק גנים של חלבונים שאולי משמשים כחיישני עומס מכני, כמו Bag3, לא רק מונעת את התגובה הפוטנציאלית לעליה במסת שריר בעקבות אימון התנגדות, אלא גם עלולה לגרום למחלות שריר קשות וניוון שרירים. משמעות הדבר היא שבמקרים רבים, חוקרים לא יכולים להשתמש בחיות מעבדה עם השתקת גנים כוללת כדי לבחון האם חלבונים אלו חיוניים לתגובת ההיפרטרופיה הנובעת מאימון. בשורה התחתונה, הנושא הזה מרתק מאוד ומורכב מאוד בו זמנית.

מאמרים נוספים שיעניינו אתכם:

נזק שרירי ועלייה במסת השריר
מדריך לכמות סטים שבועית לבניית שרירים
רוצים להגדיל את שרירי התאומים?
מאמר על הצורך במאמץ בתוך האימון
מאמר על כמות אימונים שבועית
מדריך לחישוב הוצאה אנרגטית

אם ברצונכם לשדרג את הידע שלכם בכל מה שקשור לאימונים לעליה במסת שריר, בואו לסדנת האימונים המדעית לבניית שרירים!

מקורות לקריאה מורחבת:

PMID: 17127292
PMID: 35389932
PMID: 20847704
PMID: 37382939