Na rowerze: w jaki sposób mięśnie odpowiadają na ćwiczenia Understand article

Tłumaczyła Katarzyna Badura. Wszyscy wiemy, że ćwiczenie poprawia naszą kondycję i powoduje, że jesteśmy zdrowsi – ale jakie zmiany zachodzą w naszych komórkach, że widzimy akurat takie efekty?

Zdjęcie dzięki uprzejmości Let
Ideas Compete; źródło: Flickr

Następnym razem, gdy będziesz ćwiczył na siłowni, lub przemierzał ulice biegnąc, pomyśl o tym, że koncepcja “pamięci mięśniowej” – że dzisiejsze ćwiczenie ma wpływ na nasze mięśnie przez wiele lat – tak naprawdę nigdy nie została naukowo przedstawiona. Czy w związku z tym takie zjawisko naprawdę ma miejsce? Jeśli tak, jak do tego dochodzi?

Ryc. 1: Proces biopsji igłowej
wykorzystywany jest do
pobrania próbki tkanki
mięśniowej z nogi osoby
badanej. Ta tkanka pozwala
na określenie jakie zmiany
zachodzą w włóknach
mięśniowych jako odpowiedź
na różne rodzaje ćwiczeń

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Maléne Lindholm i Susanna
Wallman Appel

To tylko niektóre z pytań, na które mamy nadzieję znaleźć odpowiedź w trwających badaniach, których celem jest przeanalizowanie zmian zachodzących w mięśniach w momencie, gdy ćwiczymy, oraz zbadanie w jaki sposób mięśnie “wiedzą”, że mają zareagować inaczej w przypadku treningu wytrzymałościowego a inaczej przy treningu siłowym.

W znalezieniu odpowiedzi na te pytania pomaga nam grupa wolontariuszy. Nie tylko jeżdżą oni do upadłego na rowerach w naszej siłowni, ale również każdorazowo przed i po dużym wysiłku – taki reżim trwa przez okres kilku tygodni – pozwalają nam, pod znieczuleniem miejscowym, na pobranie próbki tkanki mięśniowej ich nóg (ryc.1). Celem tych badań jest pomóc ludziom w optymalizacji ich programów treningowych w celu osiągnięcia maksymalnej sprawności, oraz potencjalnie pomóc w rozwoju nowych terapii dla ludzi, którym nie wolno ćwiczyć ze względu na fakt, że są sparaliżowani bądź też cierpią na choroby zwyrodnieniowe.

Ryc. 2: Przed rozpoczęciem
ćwiczeń, uczestnicy biorąc
udział w teście, w ramach
którego całe wydychane
przez nich powietrze jest
zbierane I mierzony jest
poziom tlenu pobierany
przez organizm. To
dostarcza informacji o
poziomie sprawności serca
i pracujących mięśni w
przypadku każdego z
uczestników

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Maléne Lindholm i Susanna
Wallman Appel

Oceniamy przydatność naszych wolontariuszy przez i po udziale w naszych badaniach, mierząc ich maksymalny pobór tlenu. Ćwiczenie polega na tym, że jadą na rowerku stacjonarnym przy rosnącym oporze do momentu utraty tchu. W tym czasie mają założoną maskę badającą stopień zużycia przez nich tlenu (ryc. 2). To daje nam obraz zdolności pompujących serca oraz metabolizmu pracujących mięśni – oba te czynniki są ściśle powiązane z poziomem sprawności człowieka.

W kolejnym etapie badamy tkankę mięśniową, krojąc ją, barwiąc i oglądając pod mikroskopem (ryc. 3), bądź też rozbijając tkankę i prowadząc pomiary poszczególnych cząsteczek.

Oczywiście już wiemy, że regularne ćwiczenia generują korzyści zdrowotne. Osoby aktywne fizycznie obarczone są mniejszym ryzykiem zachorowania na choroby układu krążenia, cukrzycę typu II i niektóre rodzaje raka. Nawet umiarkowana ilość codziennej aktywności fizycznej, np. 30 minut szybkiego marszu, wystarcza, by odczuć wiele korzyści. Im więcej dziennie będziemy ćwiczyć, tym większe będą korzyści dla naszego organizmu.

Ryc. 3: Mikroskop jest
wykorzystywany do
zobrazowania zmian
zachodzących wewnątrz
włókien mięśniowych w
odpowiedzi na ćwiczenia.
Różne rodzaje zabarwień
pozwalają na obserwację
różnych struktur
wewnątrzkomórkowych. W
tym wypadku, konkretna
modyfikacja histonu
wybarwiona jest na
czerwono, jąderka na
niebiesko, a błona
komórkowa na zielono. Żeby
sprawdzić czy zaszłą jakaś
zmiana, musielibyśmy
porównać ten stan ze
zdjęciem zrobionym przed
treningiem. Kliknij na
obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Maléne Lindholm i Susanna
Wallman Appel

Ważna jest nie tylko kwestia tego ile ćwiczymy, ale również jakiego typu i jak intensywnie wykonujemy ćwiczenia: różne rodzaje ćwiczeń generują różne efekty w obrębie ciała. Ciężkie treningi odpornościowe, takie jak podnoszenie ciężarów powodują, że mięśnie szkieletowe zwiększają swoją objętość, zapewniając zwiększoną wytrzymałość, natomiast regularne ćwiczenia wytrzymałościowe, np. biegi długodystansowe, kolarstwo czy aerobik, poprawiają kondycję i zmniejszają zmęczenie.

W jaki sposób regularne ćwiczenia wytrzymałościowe mogą prowadzić do takich rezultatów? Wraz z upływem czasu, serce zyskuje zdolność pompowania większej ilości krwi z każdym uderzeniem, a po kilku miesiącach treningu nowe malutkie naczynka krwionośne (kapilary) gromadzą się wokół komórek mięśniowych zapewniając dobry dopływ tlenu. Ponadto wzrasta ilość mitochondriów – komórkowych “elektrowni”. Wewnątrz mitochondriów enzymy zużywają tlen do przekształcenia strawionych cukrów i tłuszczów w energię użytkową. Im więcej mitochondriów posiadają mięśnie, tym więcej tłuszczy i cukrów są w stanie strawić I tym więcej energii uwalniają.

To czego nie rozumiemy związane jest z tym w jaki sposób wykonywanie ćwiczeń generuje takie zmiany. Analizujemy tą kwestię dwutorowo – po pierwsze: w jaki sposób wykonywanie ćwiczeń powoduje wzrost ilości mitochondriów w komórkach mięśni szkieletowych? Po drugie: w jaki sposób wykonywanie ćwiczeń zmienia sposób wykorzystania komórkowego DNA?

Budowa mitochondium

Mitochondria zbudowane są z cząsteczek białka, w związku z czym czynniki, które zwiększają ilość produkowanych białek mitochondrialnych zwiększają również ilość mitochondriów obecnych w komórce. Czynnikiem działającym jako kluczowy regulator produkcji mitochondrialnych białek jest cząsteczka o nazwie PGC-1α (ryc. 4).

Ryc. 4: PGC-1α jest jednym z czynników znanym z tego, że reguluje ilość mitochondriów w komórkach mięśni szkieletowych, wpływając tym samym na wytrzymałość. Zmiany zachodzące w czasie wykonywania ćwiczeń stymulują produkcję białka, które współdziała z wyspecjalizowanymi czynnikami transkrypcyjnymi (PPAR i NFR-1) przy produkcji elementów budulcowych mitochondrium. Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Susanne Mükusch
Artystyczna impresja
przekroju mitochondrium,
ukazująca wewnętrzną
złożoność strukturalną błon.
Kliknij na obrazek aby
powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Mariana Ruiz Villarreal;
źródło: Wikimedia Commons

Żeby gen uległ ekspresji – to znaczy został wykorzystany do produkcji białka – informacja znajdująca się w jąderku musi zostać najpierw skopiowana na cząsteczkę mRNA. W następnej kolejności cząsteczka mRNA wydostaje się z jąderka do miejsca w komórce, gdzie cząsteczki białka są konstruowane.

Proces transkrypcji jest kontrolowany przez cząsteczki wiążące DNA, zwane czynnikami transkrypcyjnymi. To one przyczepiają się do łańcucha DNA w bardzo konkretnych miejscach, a tym samym blokując lub wspierając proces transkrypcji. PGC-1α współdziała z czynnikami transkrypcyjnymi, które wspierają ekspresję genów kodujących białka mitochondrialne.

Ostatnio odkryliśmy, że jedna z form PGC-1α nie występuje w organizmie przez rozpoczęciem ćwiczeń, natomiast duże jej ilości można zanotować już po godzinie jazdy na rowerze.

To sugeruje, że niektóre geny uruchamiane są wyjątkowo przez wykonywanie ćwiczeń i właśnie to może być powodem, dla którego ćwiczenia mają wpływ na stan zdrowia. W chwili obecnej jesteśmy na etapie sprawdzania prawdopodobnych modulatorów protein PGC-1α, które mogą się przyłączać do tego białka w celu zwiększenia lub zmniejszenia jego aktywności w pobudzaniu produkcji białek mitochondrialnych.

Czynniki epigenetyczne

Sprawdzamy również czy wykonywanie ćwiczeń może mieć wpływ na epigenetykę. Zmiany epigenetyczne wpływają na sposób, w jaki DNA jest wykorzystywane, bez jednoczesnego wpływu na informację, które są w nim zakodowane. W naszych komórkach, DNA jest owinięte wokół histonów, białek, które kształtem przypominają monety. Przyczepianie małych chemicznych cząsteczek do łańcucha DNA lub do histonów wpływa na możliwość dotarcia przez czynniki transkrypcyjne do ich genów. Np. przyłączenie reszty metylowej (CH3) do DNA generalnie powoduje, że dane geny stają się mniej dostępne i mniej aktywne, tymczasem przyłączenie grupy acetylowej (COCH3) do histonów zazwyczaj rozluźnia daną część łańcucha DNA, powodując, że staje się bardziej podatna na transkrypcję (ryc. 5).

Ryc. 5: przyłączenie reszty metylowej (CH3) do DNA generalnie powoduje, że dane geny stają się mniej dostępne i mniej aktywne (A), tymczasem przyłączenie grupy acetylowej (COCH3) do histonów zazwyczaj rozluźnia daną część łańcucha DNA, powodując, że staje się bardziej podatna na transkrypcję (B)
Zdjęcie dostosowane za pozwoleniem NIH Common Fund (żeby zobaczyć oryginał wejdź na: http://commonfund.nih.gov/Epigenomics/epigeneticmechanisms.aspx)

Wykorzystując próbki od naszych wolontariuszy uzyskane w wyniku biopsji postanowiliśmy sprawdzić, czy takie efekty epigenetyczne pozostają zauważanie po dłuższym okresie czasu, pozbawionym ćwiczeń fizycznych, oraz jak taka osoba reaguje na późniejsze okresy ćwiczeń. Na podstawie rezultatów tych eksperymentów, będziemy w stanie określić, czy “pamięć mięśniowa” rzeczywiście istnieje, a jeśli tak to jak do tego dochodzi.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Profesorowi Nadzwyczajnemu Carlowi Johanowi Sundbergowi za umożliwienie nam pracy w swoim laboratorium i za wartościowy wkład w pisanie artykułu.


Resources

  • Aby dowiedzieć się więcej o funkcji ćwiczeń w zapobieganiu i leczeniu różnych schorzeń, przeczytaj:
    • Henriksson J, Sundberg CJ (2008) General effects of physical activity. In Ståhle A (ed) Physical Activity in the Prevention and Treatment of Disease pp 11-37. Stockholm, Sweden: Professional Associations for Physical Activity. ISBN: 9789172577152.

    • WHO (2010) Global recommendations on physical activity for health. ISBN: 9789241599979.

    • Powyższa publikacja w chwili obecnej dostępna jest w języku angielskim, chińskim, francuskim, rosyjskim oraz hiszpańskim.

  • Żeby uzyskać więcej informacji na temat fizjologicznych efektów wykonywania ćwiczeń, przeczytaj:
    • Wilmore JH, Costill DL, Kenney WL (2007) Physiology of Sport and Exercise 4th edition. Champaign, IL, USA: Human Kinetics. ISBN: 9780736055833

    • Na stronie internetowej Bitesize BBC GCSE znajduje się źródło informacji zatytułowane ‘efekty treningów i ćwiczeń’. Jest skierowany do uczniów z grupy wiekowej 14 do 16 lat.

    • Jak ciało reaguje na wykonywanie ćwiczeń’ video na Amerykańskiej stronie internetowej dla nauczycieli

    • Skąd czerpiesz energię’ video na Amerykańskiej stronie internetowej dla nauczycieli

  • Poniższe artykuły zawierają dodatkowe informacje dotyczące naukowych szczegółów poruszanego zagadnienia:

Author(s)

Maléne Lindholm oraz Susanna Wallman Appel w ramach swoich prac doktorskich prowadzą badania na temat wpływu wykonywania ćwiczeń na funkcjonowanie ludzkich mięśni szkieletowych oraz równoczesnych korzyści zdrowotnych. Obie otrzymały tytuł magistra w biomedycynie w Karolinska Institutet w Sztokholmie w Szwecji, gdzie w chwili obecnej wykładają również fizjologię.


Review

Wykonywanie ćwiczeń odnosi się (bądź też powinno się odnosić) do każdego człowieka kroczącego po planecie ziemskiej, dlatego też przez wiele dziesięcioleci poświęcano tej tematyce sporo uwagi. Pomimo tego, iż potencjalne korzyści z ćwiczenia są powszechnie znane, powód, dla którego właśnie takie korzyści występują wciąż pozostaje zagadką. Ten artykuł prezentuje przegląd przez część genetycznych czynników, które mogą być powiązane z pozytywnymi wynikami obserwacji jakich dokonano na osobach ćwiczących.

Biolodzy i inne osoby posiadające przynajmniej podstawowe informacje dotyczące genetyki, włączając w to uczniów szkół średnich, mogą uznać informacje zawarte w tym artykule za wysoce interesujące. Co więcej, mogą się poczuć zmotywowani do rozmyślań nad alternatywnymi drogami, którymi ćwiczenie może prowadzić do korzyści zdrowotnych.


Michalis Hadjimarcou, Cypr




License

CC-BY-NC-ND