Na kole: jak svaly reagují na cvičení Understand article

Přeložila Zdena Nováková. Všichni víme, že cvičení zlepšuje kondici a činí nás zdravějšími-ale jaké změny se dějí v našich buňkách, aby k tomu došlo?

Obrázok so súhlasom Let Ideas
Compete; zdroj obrázku: Flickr

Až příště budete cvičit v tělocvičně, nebo kroužit ulicemi při běhu či joggingu, zamyslete se nad tímhle: myšlenka „svalové paměti“- tzn. cvičení dnes má vliv na vaše svaly na roky dopředu – nebyla nikdy vědecky prokázána. Existuje opravdu, a pokud ano, jak přesně funguje?

Obrázek 1: Bioptická jehla je
využívána k odběru části
svalu z nohy účastníka
studie. Tato tkáň může
ukázat, jaké změny se dějí
ve svalových vláknech v
odpovědi na různé typy
cvičení

Obrázok so súhlasom Maléne
Lindholm and Susanna
Wallman Appel

Toto jsou otázky, na které doufáme, nalezneme odpovědi v našem probíhajícím výzkumu, jež si klade za cíl objasnit změny probíhající v našich svalech během cvičení a také to, jak svaly „vědí“, že mají reagovat rozdílně na vytrvalostní cvičení a na silový trénink.

S odpověďmi na tyto otázky nám pomáhá velký tým dobrovolníků. Nejen že musí do vyčerpání jezdit na kole v naší tělocvičně, ale po silovém režimu trvajícím několik týdnů jim odebereme malý kousek nožního svalu v lokální anestezii (obrázek 1). Cílem našeho výzkumu je pomocí lidem s optimalizací jejich tréninkového programu vedoucího k co nejlepší kondici a potenciálně pomoci vytvořit nové návyky lidem s nemocemi kloubů či ochrnutým.

Obrázek 2: Před samotným
cvičením účastníci
podstupují test, při kterém je
shromažďován jejich
vydechovaný vzduch a
měřena spotřeba kyslíku.
To poskytuje informaci o
kondici srdce a namáhaných
svalů každého účastníka

Obrázok so súhlasom Maléne
Lindholm a Susanna Wallman
Appel

Kondici našich účastníků testujeme před studií a po ní měřením maximálního příjmu kyslíku. Účastníci šlapou na kole při vzrůstající zátěži a na obličeji mají masku, která vyhodnocuje jejich spotřebu kyslíku (obrázek 2). Takto získáme informaci o čerpací kapacitě srdce a metabolismu namáhaných svalů – oba faktory souvisí s kondicí každého jedince.

Biopticky odebranou svalovou tkáň jsme buď rozřezali, obarvili a pozorovali pod mikroskopem (obrázek 3), nebo jsme ji rozbili a měřili úrovně jednotlivých molekul.

Samozřejmě dávno víme, že pravidelné cvičení s sebou nese zdravotní bonusy. Fyzická aktivita snižuje riziko kardiovaskulárních chorob, diabetu II. typu a určitých typů rakoviny. Dokonce i mírná každodenní fyzická aktivita, například 30 minut svižné chůze přináší mnoho výhod. A čím více cvičíme, tím vice pozitiv získáváme.

Obrázek 3: Mikroskop je
využíván k vizualizaci změn
ve svalových vláknech po
cvičení. Různé typy barvení
mohou odhalit rozdílnou
strukturu buněk. Zde jedna
konkrétní modifikace
histonu je obarvena červeně
s modrým jádrem a zelenou
buněčnou membránou.
Abychom zjistili, zda nastala
nějaká změna, srovnali jsme
tento obrázek s obrázkem
pořízeným před cvičením.
Kliknutím na obrázok ho
zväčšite

Obrázok so súhlasom Maléne
Lindholm a Susanna Wallman
Appel

Není to jen otázkou množství cvičení, ale také jeho typu a intenzity: různé typy cvičení mají rozdílný vliv na tělo. Těžký vytrvalostní trénink, jako je vzpírání, způsobuje zvětšování kosterních svalů, zatímco pravidelné vytrvalostní cvičení, například dlouhé běhy, jízda na kole nebo aerobik, zlepšuje kondici a snižuje únavu.

Jak přesně vede vytrvalostní cvičení k těmto výsledkům? Postupem času srdce získá vyšší čerpací kapacitu a po pár měsících tréninku se okolo svalových buněk vytvoří nové malé cévy (kapiláry) pro zajištění dobrého zásobování kyslíkem. Také počet mitochondrií – buněčných “elektráren”- roste. Uvnitř mitochondrií enzymy využívají kyslík k přeměně stráveného cukru a tuku na využitelnou energii. Čím více mitochondrií svaly mají, tím více tuku a cukru mohou metabolizovat a uvolnit tak větší množství energie.

Stále ještě nerozumíme tomu, jak přesně cvičení vyvolá takové změny. Tuto otázku sledujeme ve dvou liniích: zaprvé, jak cvičení vede ke zvyšování počtu mitochondrií v kosterních svalových buňkách? A zadruhé, jak cvičení mění způsob využívání buněčné DNA?

Výstavba mitochondrií

Mitochondrie jsou tvořeny proteinovými molekulami, takže faktory zvyšující tvorbu mitochondriálních proteinů mohou zvýšit počet mitochondrií v buňce. Jedním z faktorů je klíčový regulátor tvorby mitochondriálních proteinů, molekula nazývaná PGC – 1α (obrázek 4).

Obrázek 4: PGC – 1α je jedním ze známých faktorů, které ovlivňují počet mitochondrií ve vláknech kosterních svalů, čímž ovlivňují odolnost. Změny během cvičení stimulují produkci tohoto proteinu, což, ve spolupráci se speciálními transkripčními faktory (PPAR a NRF-1), vede k produkci mitochondriálních částí. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom Susanne Mükusch
Umělecká představa průřezu
mitochondrie, ukazující její
vnitřní složené membránové
struktury. Klikněte na
obrázek pro zvětšení.

Obrázok so súhlasom
Mariana Ruiz Villarreal; zdroj
obrázku: Wikimedia Commons

Aby mohlo dojít k expresi genů-což je využíváno k tvorbě proteinu-DNA informace nesená v jádru musí být nejprve kopírována nebo transkribována do molekuly mRNA. Tyto mRNA molekuly se potom přesunují z jádra do míst v buňce, kde dochází k výstavbě bílkovin.

Transkripce je řízena DNA-vazebnými molekulami nazývanými transkripční faktory. Ty se váží na DNA vlákno ve specifických bodech, čímž mohou buď blokovat či naopak podporovat transkripční proces. PGC – 1α působí se shodě s transkripčními faktory jako podpora exprese mnoha genů, kódujících mitochondriální proteiny.

V nedávné době jsme zjistili, že jeden typ PGC – 1α nelze nalézt před cvičením, ale objevuje se ve vysokém množství již po jedné hodině jízdy na kole.

Toto vede k myšlence, že určité geny se tvoří pouze cvičením, což by mohl být klíč k účinkům cvičení na zdraví. V současnosti zkoumáme možné proteinové modulátory PGC – 1α, které by mohly být připojeny k tomuto proteinu, a tím zvýšit, či snížit jeho aktivitu při podpoře tvorby mitochondriálních proteinů.

Epigenetické faktory

Zkoumáme i možný vliv cvičení na epigenetiku. Epigenetické změny ovlivňují způsob využívání DNA, bez vlivu na genetickou informaci v ní zakódovanou. DNA v našich buňkách je zabalena okolo proteinů, které mají tvar mince, nazývaných histony. Připojení malé molekuly k pásu DNA nebo k histonu ovlivňuje schopnost transkripčních faktorů vyhledat své cílové geny. Například přidáním methylové skupiny (CH3) do DNA se zhorší přístup k přilehlým genům a tím i jejich aktivita, zatímco připojením acetylu (COCH3) k histonu se obvykle uvolní daná část DNA, čímž se stane přístupnější pro transkripci.

Obrázek 5: Přidáním methylové skupiny (CH3) do DNA se zhorší přístup k přilehlým genům a tím i jejich aktivita (A), zatímco připojením acetylu (COCH3) k histonu se obvykle uvolní daná část DNA, čímž se stane přístupnější pro transkripci (B)
Obrázek přizpůsoben se svolením NIH Common Fund (originál zde: http://commonfund.nih.gov/Epigenomics/epigeneticmechanisms.aspx)

S využitím materiálu z biopsie našich dobrovolníků se snažíme zjistit, zda takové epigenetické efekty zůstávají i po delším období bez fyzického cvičení a zda ovlivňují individuální odpověď na trénink po delší době. Na základě těchto experimentů budeme schopni zjistit, zda „svalová paměť“ skutečně existuje a pokud ano, jak vzniká.

Poďakovanie

Autoři by rádi poděkovali docentovi Carl Johan Sundbergovi za možnost pracovat v jeho laboratoři a za velký přínos k tomuto článku.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Author(s)

Maléne Lindholm a Susanna Wallman Appelprovádí medicínský výzkum o vlivu cvičení na funkci lidských kosterních svalů a souběžně i pozitivní vliv na zdraví. Oba absolvovali v biomedicínském magisterském programu v Karolinska Institutu ve Stockholmu, kde také vyučují fyziologii.


Review

Cvičení je aktivita, která se týká (nebo by se měla týkat) každého člověka na planetě; jako takovému je mu po celá desetiletí věnováno mnoho pozornosti. Ačkoli potenciální pozitiva cvičení jsou dobře známy, jejich příčiny tak dobře neznáme. Tento článek dává přehled některých genetických faktorů, které by mohly mít zásluhu na pozitivních výsledcích, pozorovaných na fyzickém stavu jedince, který cvičí.

Pro biology a další osoby s alespoň základní znalostí genetiky, včetně pokročilých středoškolských studentů, by informace z toho článku mohly být velmi zajímavé. Mohli by dokonce být motivováni k vymýšlení alternativních způsobů, jak přesně cvičení pozitivně ovlivňuje zdraví.


Michalis Hadjimarcou, Kypr




License

CC-BY-NC-ND