Na biciklu: kako mišići reaguju na vežbanje Understand article

Prevela Sara Todorović, Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu. Svi znamo da nas vežbanje čini vitkijim i zdravijim – ali kakve promene se dešavaju u našim ćelijama kako bi došlo do toga?

Slika dobijena od Let Ideas
Compete; Izvor slike: Flickr

Sledeći put kada budete vežbali u teretani, ili trčali ili džogirali ulicama, razmislite o ovome: ideji o „mišićnoj memoriji“ – da današnje vežbanje ima efekte na naše mišiće godinama unapred – koja nikada nije dokazana naučno. Da li zaista postoji, i ako postoji, kako funkcioniše?

Slika 1: Uzorak mišića noge
učesnika ispitivanja se uzima
iglom za biopsiju. Ovo tkivo
može otkriti do kojih
promena dolazi u mišićnim
vlaknima kao odgovor na
različite tipove vežbi

Slika dobijena od Maléne
Lindholm i Susanna Wallman
Appel

Ovo su neka od pitanja na koja se nadamo da ćemo odgovoriti u našem trenutnom istraživanju, koje teži da ustanovi koje se promene dešavaju u mišićima dok vežbamo, i kako naši mišići „znaju“ da odgovore različito na, recimo, trening izdržljivosti nasuprot treningu snage.

Veliki tim volontera nam pomaže da istražimo ova pitanja. Ne samo da moraju da voze bicikl do iznemoglosti u našoj teretani, već pre i posle napornog režima vežbanja u trajanju od nekoliko nedelja, uzimamo mali uzorak njihovog mišića noge pod lokalnom anestezijom (slika 1). Cilj našeg istraživanja jeste da pomognemo ljudima da poboljšaju svoje programe treniranja za maksimalne rezultate, i da možda pomognemo u razvoju novih tretmana za ljude koji ne mogu da vežbaju jer su paralizovani ili imaju neko oboljenje zglobova.

Slika 2: Pre početka
ispitivanja o vežbanju,
učesnici rade test u kojem se
iz njihovog maksimalnog
izdaha ispituje količina
kiseonika iskorišćenog od
strane organizma. Rezultati
nam daju informacije o
stepenu spremnosti srca i
zaposlenih mišića svakog
učesnika

Slika dobijena od Maléne
Lindholm i Susanna Wallman
Appel

Mereći maksimalni unos kiseonika procenjujemo spremnost naših volontera pre i posle učešća u ispitivanju. Oni voze sobni bicikl pri rastućem opterećenju i pritom nose masku koja analizira njihovu potrošnju kiseonika (slika 2). Ovo nam daje informacije o kapacitetu pumpanja srca i o metabolizmu zaposlenih mišića – oba faktora su povezana sa stepenom spremnosti osobe.

Potom proučavamo mišićno tkivo iz biopsija ili tako što ga sečemo i bojimo, pa posmatramo pod mikroskopom (silka 3), ili tako što ga kidamo i potom merimo nivoe određenih molekula.

Naravno, već nam je poznato da vežbanje ima zdravstvene beneficije. Fizički aktivni pojedinci imaju manji rizik za razvoj kardiovaskularnih bolesti, dijabetesa tipa II i određenih tipova karcinoma. Čak i umerena dnevna fizička aktivnost, na primer 30 minuta brzog hodanja, je dovoljna za ostvarivanje mnogih od ovih prednosti. I što više vežbamo, to nam više koristi donose.

Slika 3: Koristimo mikroskop
da bi vizualizovali promene
koje se dešavaju u mišićnim
vlaknima kao reakcija na
vežbanje. Različiti načini
bojenja mogu otkriti
različite strukture u ćeliji.
Ovde, jedna specijalna
histonska modifikacija je
obojena u crveno, sa
nukleusima u plavoj boji i
ćelijskom membranom u
zelenoj. Kako bismo otkrili da
li je došlo do neke promene,
uporedićemo je sa slikom
snimljenom pre treninga.
Kliknite na sliku da biste je
uvećali

Slika dobijena od Maléne
Lindholm i Susanna Wallman
Appel

Međutim, nije pitanje samo koliko vežbamo, već i vrsta vežbi i koliko intenzivno: različiti tipovi vežbanja imaju drugačije efekte na telo. Trening visoke otpornosti, kao što je dizanje tegova, doprinosi rastu skeletnih mišića, pojačanoj snazi, dok redovne vežbe izdržljivosti, na primer trčanje na duže staze, vožnja bicikla ili aerobik, poboljšavaju fizičku spremnost i smanjuju zamor.

Kako redovne vežbe izdržljivosti dovode do ovih efekata? Vremenom, srce dobija sposobnost da pumpa veće količine krvi i nakon nekoliko meseci treninga, formiraju se novi sitni krvni sudovi (kapilari) oko mišićnih ćelija kako bi osigurali dobro snabdevanje kiseonikom. Takođe, broj mitohondrija – ćelijskih „elektrana“ – se povećava. U mitohondrijama, enzimi koriste kiseonik da bi pretvorili uneseni šećer i masti u iskoristivu energiju. Što više mitohondrija mišići imaju, to više šećera i masti mogu da metabolišu i više energije mogu da oslobode.

Ali ono što još uvek ne razumemo jeste kako tačno vežbanje izaziva ove promene. Nastojimo da dođemo do dva zaključka po ovom pitanju: prvo, kako vežbanje vodi do povećanja broja mitohondrija u ćelijama skeletnih mišića? I drugo, kako vežbanje menja način na koji se koristi ćelijska DNK?

Građa mitohondrije

Mitohondrije su građene od molekula proteina, dakle faktori koji povećavaju proizvodnju mitohondrijskih proteina mogu povećati broj mitohondrija u ćeliji. Jedan faktor, koji je ključni regulator proizvodnje mitohondrijskih proteina, jeste molekul koji se zove PGC-1α (slika 4).

Slika 4: PGC-1α je jedan od faktora za koje se zna da regulišu broj mitohondrija u vlaknima skeletnih mišića, time utičući na izdržljivost. Promene koje se dešavaju tokom vežbanja stimulišu proizvodnju ovog proteina, koji deluje zajedno sa specijalizovanim faktorima transkripcije (PPAR i NRF-1) kako bi se proizvele mitohondrijske komponente. Kliknite na sliku da biste je uvećali
Slika dobijena od Susanne Mükusch
Umetnički doživljaj preseka
mitohondrije, sa prikazom
unutrašnje, nabrane
membranske strukture.
Kliknite na sliku da biste je
uvećali

Slika dobijena od Mariana
Ruiz Villarreal; Izvor slike:
Wikimedia Commons

Da bi došlo do ekspresije gena – to jest, da bi bio iskorišćen za proizvodnju proteina – DNK informacija iz nukleusa mora prvo biti kopirana, ili transkribovana, na iRNK molekul. iRNK molekuli potom putuju iz nukleusa do mesta u ćeliji gde će doći do sinteze proteina.

Proces transkripcije je kontrolisan od strane DNK-vezujućih molekula koji se zovu transkripcioni faktori. Oni se kače na lanac DNK na strogo određenim mestima, i pritom blokiraju ili promovišu transkripciju. PGC-1α deluje zajedno sa transkripcionim faktorima kako bi promovisao ekspresiju mnogih gena koji kodiraju mitohondrijske proteine.

Nedavno smo otkrili da jedna varijanta PGC-1α nije uopšte prisutna pre vežbanja, ali nakon samo jednog sata vožnje bicikla je prisutna u velikoj količini.

Ovo ukazuje na to da se određeni geni aktiviraju isključivo vežbanjem, a to može biti pokazatelj na efekte vežbanja i treninga na zdravlje. Sada istražujemo moguće proteinske modulatore PGC-1α, koji se mogu zakačiti za ovaj protein kako bi povećali ili smanjili njegovu aktivnost u povećanju proizvodnje mitohondrijskih proteina.

Epigenetski faktori

Takođe istražujemo moguće efekte vežbanja na epigenetiku. Epigenetske promene utiču na način na koji se koristi DNK, bez uticaja na genetsku informaciju kodiranu u njoj. U našim ćelijama, DNK je obmotana oko proteina oblika novčića koji se zovu histoni. Kačenje malih hemijskih molekula na lanac DNK ili histone utiče na mogućnost transkripcionih faktora da dođu do svojih ciljnih gena. Na primer, dodavanje molekula metila (CH3) na DNK uglavnom čini susedne gene nepristupačnijim i tako manje aktivnim, dok dodavanje acetilne (COCH3) grupe histonima uglavnom opušta taj deo DNK lanca, čineći ga pristupačnijim za transkripciju (slika 5).

Slika 5: Dodavanje molekula metila (CH3) na DNK uglavnom čini susedne gene nepristupačnijim i tako manje aktivnim (A), dok dodavanje acetilne (COCH3) grupe histonima uglavnom opušta taj deo DNK lanca, čineći ga pristupačnijim za transkripciju (B). Kliknite na sliku da biste je uvećali
Slika je prilagođena uz dozvolu NIH Common Fund (za originalnu sliku, pogledajte: http://commonfund.nih.gov/Epigenomics/epigeneticmechanisms.aspx)

Koristeći materijal biopsija naših volontera, cilj nam je da vidimo da li se ovi epigenetski faktori zadržavaju nakon produženog vremena bez fizičke aktivnosti, i da li utiču na to kako će individua reagovati na period vežbanja kasnije. Na osnovu rezultata ovih eksperimenata, moći ćemo da ispitamo da li „mišićna memorija“ zaista postoji i, ako postoji, kako dolazi do toga.

Zahvalnica

Autori bi želeli da se zahvale vanrednom profesoru Carl Johan Sundberg-u na pruženoj prilici da radimo u njegovoj laboratoriji i na dragocenom doprinosu na ovom članku.


Resources

Author(s)

Maléne Lindholm i Susanna Wallman Appel sprovode doktorska istraživanja o efektima vežbanja na funkciju ljudskih skeletnih mišića i istovremenih zdravstvenih beneficija. Obe imaju magistarske diplome iz oblasti biomedicine sa Karolinska Institutet iz Stokholma, Švedska, gde takođe predaju psihologiju.


Review

Vežbanje je aktivnost koja se odnosi (ili bi trebalo) na svaku osobu na planeti; kao takva, privlačila je mnogo pažnje decenijama. Iako su potencijalne beneficije vežbanja dobro poznate, uzrok ovih beneficija je uglavnom nepoznat. Ovaj članak daje pregled nekih od genetičkih faktora koji mogu biti uključeni u pozitivne ihode posmatrane u fizičkom stanju pojedinca koji vežba.

Biolozima, kao i drugim osobama sa bar skromnim razumevanjem genetike, uključujući napredne srednjoškolce koji uče biologiju, će verovatno informacije iznesene u ovom članku biti vrlo interesantne. Možda čak budu motivisani da razmisle o alternativnim načinima na koje vežbanje može doprineti zdravstvenim beneficijama.


Michalis Hadjimarcou, Kipar




License

CC-BY-NC-ND