Спортсмены в основном заинтересованы в увеличении силы или скорости в конкретных видах деятельности. Увеличение мышечной массы и силы, способности к выносливости, эффективности использования топлива: это часто является основной задачей при тренировках. Мы тратим много времени, усилий и денег на то, чтобы максимизировать наши мышечные возможности. Однако неотъемлемая часть нашей анатомии часто отходит на второй план: соединительная ткань.

Болезненность от упражнений — это знакомый опыт, часто приемлемый случайный результат тренировок. В большинстве случаев болезненность возникает в результате травмы мышечной ткани, но стресс также возникает в тканях, связанных с мышцами: костях, сухожилиях и связках. Эти ткани также подвержены проявлению второго закона термодинамики: старению.

Человеческое тело представляет собой великолепный механизм с резиновыми лентами, шарнирами и шарнирами. В отличие от жестянщика, масленка не вариант, когда наши суставы «заржавели». Когда Шалтай-Болтай совершил свое великое падение, вся королевская армия не смогла снова собрать его вместе. Но если бы железный человек и бедняга Шалтай должным образом позаботились о своих соединительных тканях, возможно, они выздоровели бы и продолжали бы сидеть на корточках в преклонном возрасте.

I. Что такое соединительная ткань?

Помимо мышечной ткани, травма соединительной ткани является основным источником физического дискомфорта, особенно у спортсменов. Это неудивительно, учитывая, что соединительная ткань является одной из самых обильных и широко распространенных тканей в организме. Он формирует наши кости, окружает наши органы, удерживает наши зубы на месте, смягчает и смазывает наши суставы и соединяет мышцы со скелетом.

Соединительная ткань выполняет несколько функций. Он обеспечивает организму форму и механическую поддержку. Кроме того, он модулирует миграцию, рост и дифференцировку клеток. К основным признакам соединительной ткани относятся:

Структурные и механические: соединительная ткань поддерживает форму клеток, тканей и органов, взаимодействующих с цитоскелетом. Наиболее очевидной структурной соединительной тканью является кость, составляющая скелет и поддерживающая весь организм.

Защита: он содержит клетки и метаболиты, важные для иммунной функции, такой как воспаление, и для восстановления тканей после травмы.

Питание и транспорт молекул: Кровеносные сосуды, соединительная ткань, транспортируют вещества по всему телу. Компоненты соединительной ткани регулируют перемещение питательных веществ между клетками.

Хранение: Жировая ткань представляет собой уникальную соединительную ткань, обеспечивающую хранение энергии и теплоизоляцию.

Функция соединительной ткани опосредуется ее различными компонентами, большинство из которых представляют собой макромолекулы, взаимодействующие друг с другом и с клетками. Изменение пропорций и расположение отдельных компонентов определяют функцию конкретной ткани. Некоторые заболевания возникают из-за известных дефектов первичной структуры одного или нескольких компонентов. Нарушения в регуляторных механизмах деградации способствуют возникновению таких состояний, как остеоартрит и осложнения при диабете. Кроме того, дефицит питательных веществ и различные лекарства могут нарушать регуляцию синтеза и деградации тканей.

В данной статье рассматривается влияние различных факторов на наиболее поражаемые при занятиях спортом виды соединительной ткани: хрящи, сухожилия и связки. Информация о гистологии и физиологии соединительной ткани представлена ​​для того, чтобы читатели могли понять, как питание и различные фармацевтические препараты влияют на синтез, деградацию и ремоделирование этих тканей. Наряду с кратким обсуждением эффектов определенных видов деятельности и метаболических нарушений рассматривается роль питания и некоторых распространенных лекарств.

II. Общие характеристики (1,2)

Соединительная ткань метаболически активна и выполняет множество структурных функций. Ткань состоит из трех основных компонентов: волокон, основного вещества и клеток. Волокна и основное вещество, находящиеся вне клеток, в совокупности называются внеклеточным матриксом. Матрица разделяет и защищает клетки, выдерживая вес, напряжение и обеспечивая защиту. Смешанные популяции клеток с различными функциями взаимодействуют с внеклеточным матриксом, внося свой вклад в различные механизмы физиологии тканей. За исключением хрящей, соединительная ткань иннервируется (имеет иннервацию). Сосудистость (кровоснабжение) в сухожилиях и связках скудная, тогда как хрящи аваскулярны (не имеют кровоснабжения). Дальнейшее изучение различных компонентов прояснит их вклад в эти атрибуты.

Волокна: в соединительной ткани присутствуют три основных типа волокнистых белков: коллагеновые, эластические и ретикулярные волокна. Ткани содержат один или несколько типов коллагена и различные пропорции коллагеновых и эластических волокон. Волокна связываются с дополнительными компонентами внеклеточных компонентов и минералов, образуя специализированную соединительную ткань. Преобладающий тип волокон обычно определяет специфические свойства ткани. Экспрессия типов соединительной ткани во многом зависит от врожденных типов клеток, внешней среды и физиологического возраста организма.

Коллаген является наиболее распространенным белком, составляющим около 30% от общего количества белка в организме. Было выделено и охарактеризовано не менее 14 типов коллагена, и большинство тканей содержат несколько типов. Типы коллагена могут образовывать фибриллы или пластины, обеспечивающие прочность или эластичность. Все коллагены имеют общую структуру, различаясь по своему химическому составу, организации макромолекул, распределению в тканях и функциям. Наиболее распространенные типы коллагена описаны в Таблице 1. Другие типы считаются второстепенными, хотя они обнаруживаются почти во всех тканях в небольших количествах.

Таблица 1. Основные типы коллагена и их характеристики.

Синтез коллагена включает каскад биохимических модификаций исходных строительных блоков. Многие ферменты, кофакторы и стимуляторы роста влияют на эти модификации, которые имеют решающее значение для структуры и функции зрелого коллагена. Наиболее распространенная форма коллагена, тип I, состоит из трех звеньев полипептидных цепей, состоящих из субъединиц аминокислот. Различия в химической структуре полипептидных цепей определяют разные типы коллагена. Эти цепи переплетаются в тройную спираль, образуя молекулы, называемые проколлагеном. Проколлаген образуется внутри клетки и впоследствии транспортируется из клетки во внеклеточный матрикс. Вне клетки проколлаген изменяется с образованием тропоколлагена, который затем способен формироваться в микрофибриллы. Микрофибриллы образуют фибриллы, когда они упакованы вместе перекрывающимся образом. Микрофибриллы удерживаются водородными связями, гидрофобными взаимодействиями и укреплены поперечными связями между молекулами тропоколлагена. Характерные типы и количество их поперечных связей во многом определяют механические свойства коллагеновых волокон. Как мы увидим в этой статье, дефицит питательных веществ и фармацевтические препараты могут влиять на синтез или метаболизм во время критических стадий развития коллагена.

В коллагене типа I и III фибриллы образуют волокна. Эти волокна объединяются, образуя пучки в коллагене типа I, но волокна не образуются в коллагене типа II (хрящ). Диаметр волокон зависит от количества фибрилл, которые они содержат. Изменения диаметра фибрилл часто наблюдаются при старении и на них влияют некоторые фармацевтические препараты. 

Паттерны между типами и ориентацией коллагена различаются между различными соединительными тканями и даже видами. Как правило, коллагеновые волокна неэластичны, но обладают большой прочностью на растяжение, что обеспечивает сочетание гибкости и прочности тканей, в которых они находятся. Диаметр волокон и их ориентация вдоль линий напряжения определяют прочность ткани на растяжение.

Эластические волокна преобладают в тканях, подверженных растяжению, таких как связки, но также встречаются вместе с коллагеном в сухожилиях, артериях и коже. Длина, толщина и распределение эластических волокон различаются в различных тканях. Эластические волокна состоят из эластина, заключенного в трубчатые микрофибриллы, они тоньше и натянуты, чем коллагеновые волокна. Эти волокна легко растягиваются, в полтора раза превышая их первоначальную длину, когда деформирующая сила ослабевает. Каждое эластиновое волокно образует перекрестно связанную сеть с другим эластином. Вся сеть может расширяться и сжиматься, как резиновая лента.

Ретикулярные волокна чрезвычайно тонкие и разветвляются, образуя разветвленную сеть в определенных органах, таких как гладкие мышцы, жировая ткань и костный мозг. Эти волокна состоят из белка коллагена, связанного с гликопротеинами и протеогликанами. При воспалении и заживлении ран большинство соединительных тканей имеют обильные ретикулярные волокна, которые впоследствии замещаются обычными коллагеновыми волокнами.

Основное вещество: основное вещество заполняет пространство между клетками и волокнами. Его вязкость действует как смазка из-за высокого содержания воды. В основном веществе много растворимых предшественников волокнистых белков, протеогликанов, гликопротеинов и других молекул, секретируемых клетками.

Двумя основными компонентами основного вещества являются протеогликаны и структурные гликопротеины, которые улавливают молекулы воды и придают прочность, жесткость и упругость внеклеточному матриксу. Химическая структура протеогликанов определяет их размер и структурную функцию и изучается в дальнейшем.

Протеогликаны представляют собой большие молекулы, образованные множеством линейных цепей полисахаридных звеньев, называемых гликозаминогликанами (ГАГ). Мономеры протеогликанов сгруппированы в соответствии с длиной и типом цепей ГАГ, прикрепленных к белковому ядру. Эти цепочки ГАГ исходят из ядра, как щетинки щетки для бутылок. Шесть классов ГАГ состоят из повторяющихся модифицированных двухсахарных субъединиц. Аминосахар (глюкозамин или галактозамин) всегда присутствует как один из двух сахаров в повторяющихся субъединицах. Эти субъединицы модифицируются добавлением сульфатных групп. Как мы увидим, сульфатирование ГАГ определяет их биологическую активность. Мономеры протеогликанов могут дополнительно объединяться с цепью гиалуроновой кислоты, несульфатированной ГАГ, с образованием более крупных протеогликановых комплексов. Как мы увидим, эти комплексы, которые могут содержать сотни прикрепленных агрегатов протеогликанов,

Протеогликаны действуют как молекулярное сито, замедляющее движение клеток, питательных и воспалительных веществ. Они также отвечают за привлечение и поддержание водного баланса в тканях. Длинные цепи ГАГ заряжены отрицательно за счет карбоксильных (СОО-) и сульфатных (SO 4 -) групп аминосахаров. Высокая плотность отрицательных зарядов притягивает и связывает молекулы воды.

В зависимости от структуры и типов ГАГ протеогликаны могут улавливать количество воды, в 50 раз превышающее их собственный вес. Молекулы гиалуроново-протеогликанового агрегата в хряще напоминают длинных многоножек с волосатыми ногами. Отрицательно заряженные ГАГ («волоски») отталкиваются друг от друга и придают комплексу открытую структуру, занимающую много места. Высокополярные «волоски» притягивают молекулы воды, а комплекс действует как жесткая губка, ограниченная сетью коллагена. Когда эта «губка» сжимается, часть связанной воды теряется и, следовательно, поглощает силы и перераспределяет их поровну. Таким образом хрящ защищает структуры сустава от механических (нагрузочных и весовых) повреждений.

Гликопротеины сходны с протеогликанами. Напротив, белковая фракция преобладает над углеводами, имеющими разветвленную структуру. Основными гликопротеинами являются фибронектин, ламинин и хондронектин. Их роль в основном веществе заключается в миграции и адгезии клеток к своим субстратам. Например, фибронектин соединяет фибробласты с коллагеном и связывается с протеогликанами. Эти соединения способствуют каркасу соединительной ткани, обеспечивая поддержку и влияя на движение клеток.

Клетки: различные клетки соединительной ткани хранят жизненно важные метаболиты и синтезируют волокнистые белки и другие компоненты внеклеточного матрикса. Они играют важную роль в иммунных и воспалительных реакциях, а также в восстановлении тканей. Многие клетки принадлежат соединительной ткани. Некоторые возникают в костном мозге, но постоянно присутствуют в тканях. Эти резидентные клетки и их функции перечислены в таблице 2. Другие клетки мигрируют из кровеносных сосудов в ответ на повреждение ткани, воспаление и восстановление. Они, как правило, исчезают по мере заживления и стихания воспаления. Эти клетки включают плазматические клетки, нейтрофилы, моноциты и базофилы. Обсуждение воспаления покажет их роль в восстановлении тканей.

Таблица 2. Типы резидентных клеток соединительной ткани и их функции.

Каждый класс тканей содержит основной тип клеток, который существует в зрелой и незрелой форме. Активные клетки, которые пролиферируют и выделяют основное вещество и волокна, обозначаются суффиксом – бласт (означает «формирующий»). Первичными бластными клетками являются фибробласты, хондробласты и остеобласты (см. Таблицу 2). Как только формируется взрослый матрикс, бластные клетки становятся менее активными и зрелыми и обозначаются суффиксом - цито (что означает клетка). Однако, когда ткань повреждена, клетки могут вернуться к своему более активному режиму для регенерации и восстановления компонентов матрикса.

Скорость секреции различных веществ одной и той же клеткой зависит от возраста и гормональных влияний организма. Отдельные клетки, такие как фибробласты в соединительной ткани, редко делятся на новые клетки, если ткани не требуются дополнительные клетки, как при повреждении ткани. Во время воспаления и репарации в некоторых соединительных тканях увеличивается количество фибробластов. Внеклеточный матрикс сильно влияет на функцию и дифференцировку клеток. Силы растяжения также могут влиять на функцию клеток, поскольку изменения в форме клеток могут изменить реакцию клеток на гормоны и факторы роста (3). Дискуссии о воспалении и фармацевтике исследуют влияние гормонов и факторов роста на функцию клеток.

III. Физиология соединительной ткани (2,4)

Чтобы понять, как на соединительную ткань влияют деятельность, питание и лекарственные препараты, мы должны понимать некоторые основы физиологии этих тканей. Синтез и деградация тканей представляют собой непрерывный процесс и являются неотъемлемой частью ремоделирования и обмена тканей. Многие модуляторы могут влиять на эти процессы, как мы увидим в последующем обсуждении.

Каждое из внутриклеточных и внеклеточных событий, участвующих в синтезе макромолекул, подвержено изменению или биохимической модификации. Изменения в транскрипции генов и в событиях после трансляции макромолекул могут изменить распределение и отложение тканевых белков и протеогликанов. Например, многие патологические состояния связаны с аномальным или недостаточным синтезом коллагена, например, цинга и дефицит витамина С.

Некоторые модуляторы регулируют синтез и деградацию компонентов соединительной ткани: ферментов и кофакторов, гормонов и факторов роста, цитокинов. Поскольку их роли настолько сложны, рассмотрение этих конкретных регулирующих органов выходит за рамки этой статьи. Тем не менее, энергетический и пищевой статус и различные лекарства влияют на них, и они будут обсуждаться там, где это уместно, в последующем контексте.

Деградация тканевых компонентов происходит во время роста, ремоделирования, воспаления и восстановления тканей. Это может происходить в любой момент синтеза различных компонентов. Например, цинга — это заболевание, вызванное дефицитом пищевого витамина С. Аскорбиновая кислота (витамин С) необходима для ферментативного гидроксилирования остатков пролила и лизила коллагена. Молекулы проколлагена, в которых отсутствуют остатки гидроксипролина, имеют нестабильное образование тройной спирали, подвержены изменениям и неадекватно сшиты. Следовательно, эти молекулы механически нестабильны и склонны к деградации. Поэтому степень деградации происходит с гораздо большей скоростью, чем синтез коллагеновых волокон. Это более выражено в области, где процессы обновления коллагена происходят с высокой скоростью.

Специфические ферменты инициируют деградацию макромолекул. Коллагеназы, разрушающие коллагеновые волокна, синтезируются различными типами клеток и стимулируются гормонами, простагландинами и другими веществами, секретируемыми лимфоцитами и макрофагами. Ионы металлов, таких как кальций, также регулируют активность коллагеназы. Ферменты внутри клеточных лизосом разрушают протеогликаны. Мы увидим, как синтез и деградация являются неотъемлемой частью оборота тканей.

Ремоделирование тканей – это процесс изменения и замены тканевых компонентов другими. Нормальное ремоделирование во время роста или восстановления требует правильного баланса синтеза и деградации тканевых компонентов. Протеогликаны во внеклеточном матриксе, по-видимому, регулируют ремоделирование соединительной ткани, влияя на образование коллагена в процессе восстановления. Ремоделирование также регулируется механической стимуляцией. Механическое напряжение и сжатие модифицируют ремоделирование кости и хряща, где такие ткани зависят от диффузии питательных веществ для поддержания, поскольку они не имеют прямого кровоснабжения.

Оборачиваемость соединительной ткани представляет собой чистый баланс между синтезом и деградацией макромолекул. Отрицательный баланс оборота характерен для некоторых воспалительных заболеваний и заболеваний суставов, при которых деградация происходит с большей скоростью, чем синтез. Предыдущий пример с цингой и дефицитом аскорбиновой кислоты иллюстрирует значение баланса оборота тканевых компонентов. Процесс репарации при повреждении ткани включает в себя управление оборотом макромолекул таким образом, чтобы синтез равнялся деградации.

Скорость оборота различных компонентов соединительной ткани неодинакова. Для обновления эластина могут потребоваться месяцы или годы. Коллаген также является стабильным белком, и его обновление происходит медленно. Замена зрелого коллагена может занять от нескольких недель до нескольких месяцев. Скорость оборота коллагена различается в разных структурах. Обновление коллагена сухожилий происходит очень медленно, тогда как коллаген рыхлой соединительной ткани, окружающей наши органы, обновляется быстрее.

Многие изменения метаболизма соединительной ткани могут быть связаны с изменениями в поперечном сшивании как коллагеновых, так и эластиновых волокон. Различия в аминокислотном составе поперечных связей влияют на стабильность и оборот этих волокон. Хотя одни и те же ферменты обрабатывают типы коллагена и эластина во время синтеза, результирующие поперечные связи могут значительно различаться. Некоторые типы поперечных связей более стабильны, чем другие, и поэтому косвенно влияют на обмен волокон. Например, 50-80% коллагенов из тканей костей и хрящей гликозилированы и имеют относительно более высокую скорость обновления. Однако коллагеновые волокна в сухожилиях не гликозилированы и имеют более низкую скорость обновления.

Протеогликаны быстро обновляются: 2-4 дня для гиалуроновой кислоты и 7-10 дней для сульфатированных протеогликанов. У взрослых людей за один день катаболизируется 250 мг протеогликанов (5). Полисахаридные цепи протеогликанов подвержены модификациям, аналогичным таковым у коллагена.

IV. Восстановление соединительной ткани (2,6)

Повреждение соединительной ткани включает повреждение клеток и структурных компонентов ткани. Запускается несколько реакций, и последовательность событий начинает восстанавливать ткань. Реакция на травму включает сосудистые, клеточные и биохимические ответы, которые описаны здесь.

Для общего заживления соединительной ткани можно применить три фазы процесса восстановления (7). Однако эти фазы могут пересекаться. Эти реакции предотвращают распространение повреждающих агентов на близлежащие ткани, избавляются от поврежденных клеток и заменяют поврежденную ткань вновь синтезированными компонентами.

Фаза острого воспаления:Сразу после травмы некоторые сосудистые и клеточные реакции инициируют реакцию, известную как воспаление. Процесс начинается с выброса химических медиаторов из клеток во внеклеточную жидкость. Начальное повреждение тканей стимулирует высвобождение гистамина из тучных клеток, что вызывает расширение кровеносных сосудов в локальной области и увеличивает проницаемость сосудов. Усиленный кровоток, а также жидкости и белки, вытекающие из проницаемых кровеносных сосудов, вызывают отек тканей и, как следствие, отек. Клетки мигрируют из близлежащих кровеносных сосудов и вызывают высвобождение большего количества медиаторов воспаления, таких как кинины и простагландины (ПГ). Местное давление тканей и некоторые из этих медиаторов воздействуют на близлежащие нервы, вызывая боль. Эти явления приводят к классическим признакам воспаления: покраснению, отеку, боли и жару.

Основная цель воспаления состоит в том, чтобы избавить участок от поврежденных клеток ткани и подготовить почву для восстановления тканей. Острое воспаление обычно длится от 48 до 72 часов после травмы и постепенно стихает по мере прогрессирования процесса восстановления. Многие события, происходящие в это время, инициируют восстановление тканей. PG считаются важными медиаторами воспаления и часто являются мишенью для вмешательства с помощью противовоспалительных средств. Однако PG также могут играть важную роль в восстановлении тканей. Многие клетки-иммигранты также играют важную роль в ремоделировании тканей. Лейкоциты (лейкоциты), такие как нейтрофилы и моноциты, накапливаются в поврежденной ткани вместе с резидентными макрофагами. Ферменты, высвобождаемые этими клетками, помогают переваривать некротические клетки и разрушать молекулы матрикса; нейтрофилы и макрофаги поглощают клеточный дебрис.

Фаза матрикса и клеточной пролиферации: химические медиаторы, высвобождаемые воспалительными клетками, стимулируют миграцию и пролиферацию фибробластов, которые участвуют в процессе восстановления. Фибробласты секретируют фибронектин, протеогликаны и волокна коллагена III типа малого диаметра. Помимо этих волокон, грануляционную ткань образуют новообразованные капиллярные каналы, белки свертывания крови, тромбоциты и свежесинтезированные молекулы матрикса. Однако эта грануляционная ткань имеет небольшую прочность на растяжение.

Фаза ремоделирования: вспомните, что ремоделирование изменяет форму и укрепляет поврежденную ткань, удаляя и реформируя матрикс и заменяя клетки. По мере прогрессирования репарации воспалительные клетки исчезают, количество кровеносных сосудов и плотность фибробластов уменьшаются. Доля коллагена типа I по отношению к коллагену типа III и структура матрикса увеличиваются. Коллагеновые волокна переориентируются в направлении нагрузки, особенно при восстановлении связок. Созревает коллаген и формируется эластин; увеличивается прочность на растяжение. Однако реконструированная ткань может не полностью напоминать оригинал, и поэтому механические свойства этой ткани могут быть изменены.

Теперь, когда у нас есть основы биологии соединительной ткани, мы начнем часть II с обсуждения конкретных соединительных тканей и некоторых аспектов их патофизиологии. Мы также рассмотрим роль питания и некоторых фармацевтических препаратов в заживлении и ремоделировании тканей.

Ссылка

1. Фосетт, Д.У. Учебник гистологии , одиннадцатое издание. 1986. В. Б. Саундер, PA.2. Гольдберг Б., Рабинович М. Соединительная ткань. В. Клеточная и тканевая биология , шестое издание, Weiss, L, ed. 1989: 158-188. Урбан и Шварценберг, Балтимор.

3. Шнапер Х.В., Клейнман Х.К. Регуляция клеточной функции внеклеточным матриксом. Педиатр Нефрол 1993, 7:96-104.

4. Смит К.А., Вуд Э.Дж. Клеточная биология , 1994. Чепмен и Холл, Лондон.

5. Paroli E, Antnilli L, Biffoni M. Фармакологический подход к гликозаминогликанам. Drugs Exptl Clin Res 1991, 17:9-20.

6. Оукс, Б.В. Классификация повреждений и механизмы повреждения, восстановления и заживления. В: Учебник науки и медицины в спорте . Блумфилд Дж., Фрикер П.А., Fitch KD, ред. 1991: 200-217. Книги по кинетике человека, Ил.

7. Альварес О.М., Уитто Дж., Перейда А.Дж., ред. Фармакологическая и экологическая модуляция заживления ран. В: Болезни соединительной ткани, Молекулярная патология внеклеточного матрикса , том. 12 Биохимия болезней 1987:367-383. Деккер, Нью-Йорк.