Auf dem Rad: wie Muskel auf Bewegung reagieren Understand article

Übersetzt von Veronika Ebert, Höhere Bundeslehr- und versuchsanstalt für chemische Industrie, Wien. Wir alle wissen, dass uns Bewegung leistungsfähiger und gesünder macht – aber welche Veränderungen in der Zelle sind dafür verantwortlich?

Mit freundlicher Genehmigung
von Let Ideas Compete;
Bildquelle: Flickr

Wenn du das nächste Mal in den Trainingsraum gehst, laufend oder joggend über die Straße stampfst, denk daran: Die Idee des sogenannten „Muskelgedächtnisses“ – dass die heutige Bewegung jahrelange Auswirkungen auf unsere Muskel hat – wurde niemals wissenschaftlich bestätigt.

Abbildung 1: Mit einer
Biopsienadel wird ein Stück
Muskelgewebe aus dem Bein
eines Studienteilnehmers
entnommen. Das Stückchen
kann verwendet werden, um
die Veränderungen im
Muskel während
unterschiedlicher
Trainingsformen aufzuklären

Mit freundlicher Genehmigung
von Maléne Lindholm and
Susanna Wallman Appel

Wir hoffen durch unsere laufenden Forschungsarbeiten einige offene Fragen über die Veränderungen im Muskel bei Bewegung aufzuklären und Fragen, wie unsere Muskel „wissen“, wie sie auf verschiedene Trainingsformen, z.B. Ausdauer- im Gegensatz zu Krafttraining, unterschiedlich reagieren sollen, beantworten zu können.

Dabei hilft uns ein großes Team von Freiwilligen. Sie müssen in unserem Trainingsraum nicht nur bis zur Erschöpfung radeln, sondern auch vor und nach einer anstrengenden, mehrere Wochen dauernden Übungsreihe die Entnahme einer kleinen Probe ihres Muskelgewebes unter Lokalanästhesie über sich ergehen lassen (Abbildung 1). Das Ziel unserer Forschung ist einerseits die Optimierung von Trainingsprogrammen für eine optimale Leistungsentwicklung, andererseits die Entwicklung möglicher neuer Behandlungsformen für Menschen, die nicht trainieren können, etwa auf Grund von Lähmungen und Gelenkserkrankungen.

Abbildung 2: Vor der
Trainingsstudie werden die
StudienteilnehmerInnen
getestet. Dabei wird die
ausgeatmete Luft gesammelt,
und die vom Körper
aufgenommene
Sauerstoffmenge gemessen.
Dies liefert Informationen
über das Leistungsvermögen
des Herzens und des Muskels
jedes Studienteilnehmers/
jeder Studienteilnehmerin

Mit freundlicher Genehmigung
von Maléne Lindholm and
Susanna Wallman Appel

Vor und nach der Teilnahme an einer Studie wird das Leistungsniveau der Probanden durch Messung der maximalen Sauerstoffaufnahme gemessen. Dazu radeln die StudienteilnehmerInnen auf einem Radergometer mit steigendem Wiederstand bis zur Erschöpfung. Zur Messung der Sauerstoffaufnahme (Abbildung 2) tragen sie dabei eine Maske. Die gewonnenen Daten lassen uns Rückschlüsse auf die Pumpkapazität des Herzens, und die Stoffwechselprozesse im aktiven Muskel ziehen – beides hängt mit dem Leistungsvermögen zusammen.

Im Anschluss werden die Muskelgewebsproben entweder geschnitten, gefärbt, und unter dem Mikroskop untersucht (Abbildung 3),oder homogenisiert, um die Menge einzelner Verbindungen quantitativ zu bestimmen.

Natürlich wussten wir bereits, dass regelmäßige Bewegung die Gesundheit positiv beeinflusst. Menschen, die körperlichen Aktivitäten nachgehen, haben ein geringeres Risiko für kardiovaskulären Erkrankungen, Typ II Diabetes und bestimmte Krebsformen. Um eine große Zahl positiver Wirkungen zu erzielen, reichen sogar geringe Bewegungsumfänge, wie z.B. 30 min schnelles Gehen. Und je höher der Trainingsumfang, desto größer die positive Wirkungen.

Abbildung 3: Für die
Untersuchung der sichtbaren
Veränderungen im Muskel
durch das Training wird ein
Mikroskop verwendet. Durch
unterschiedliche
Färbemethoden können
verschiedene Zellstrukturen
sichtbar gemacht werden.
Hier wurde eine bestimmte
Modifikation der Histone
rot eingefärbt, der Zellkern
blau, und die Zellmembran
grün. Um Veränderungen
feststellen zu können,
vergleichen wir Bilder vor
und nach dem Training.
Zum Vergrößern auf das
Bild klicken

Mit freundlicher Genehmigung
von Maléne Lindholm and
Susanna Wallman Appel

Es kommt aber nicht nur darauf an, wie viel, sondern auch, wie und wie intensiv wir uns bewegen: verschiedenen Trainingsformen haben unterschiedliche Wirkungen auf den Körper. Ein Training gegen starke Wiederstände, wie z.B. Gewichtheben, führt zu Muskelwachstum, und somit zu einer Kraftzunahme, während regelmäßige Ausdauerbelastungen, wie z.B. der Langstreckenläufe, die Ausdauer verbessern und die Erschöpfungserscheinungen reduzieren.

Aber wie erzielt regelmäßige Ausdauerbelastung diese Effekte? Mit der Zeit entwickelt das Herz die Fähigkeit, mit einem Herzschlag größere Blutvolumina zu transportieren, und nach mehreren Monaten Training werden zusätzliche kleine Blutgefäße (Kapillaren) rund um die Muskelzellen gebildet, um eine gute Sauerstoffzufuhr zu gewährleisten. Auch die Zahl der Mitochondrien – die Kraftwerke der Zelle – steigt. In den Mitochondrien wird Sauerstoff enzymatisch umgesetzt, um die zerkleinerten Zucker und Fette in nutzbare Energieformen umzuwandeln. Je mehr Mitochondrien im Muskel vorhanden sind, desto mehr Fett und Zucker kann umgesetzt werden, und desto mehr Energie wird freigesetzt.

Wie Training solche Veränderungen bewirkt, wissen wir Moment noch nicht genau. Wir untersuchen diese Fragen auf zwei Ebenen: Erstens, auf welchem Weg verursacht Bewegung eine Zunahme der Zahl von Mitochondrien in Skelettmuskelzellen? Und zweitens, wie beeinflusst Bewegung die Nutzung der zellulären DNA?

Der Aufbau von Mitochondrien

Da Mitochondrien aus Proteinmolekülen aufgebaut sind, können Faktoren, die die Produktion mitochondrialer Proteine stimulieren, zu einer Steigerung der Zahl an Mitochondrien führen. Jener Faktor, der als zentraler Regulator für die Produktion mitochondrialer Proteine wirkt, ist eine Verbindung mit dem Namen PGC-1α (Abbildung 4).

Abbildung 4: PGC-1α ist einer der Faktoren, der für die Regulation der Mitochondrienzahl in Skelettmuskelzellen verantwortlich ist, und beeinflusst somit die Ausdauer. Veränderungen während eines Trainings stimulieren die Produktion des PGC-1α- Proteins, das – gemeinsam mit zwei ganz bestimmten Transkriptionsfaktoren (PPAR und NRF-1) – die Bildung von Mitochondrienbestandteilen stimuliert. Zum Vergrößern auf das Bild klicken
Mit freundlicher Genehmigung von Susanne Mükusch
Die Sicht eines Künstlers auf
den Querschnitt eines
Mitochondrions, auf der die
innere gefaltete
Membranstruktur erkennbar
ist. Zum Vergrößern auf das
Bild klicken

Mit freundlicher Genehmigung
von Mariana Ruiz Villarreal;
Bildquelle: Wikimedia
Commons

Wenn ein Gen exprimiert werden soll, d.h. verwendet wird, um ein Protein zu bilden, muss die in der DNA vorhandene Information zuerst in ein mRNA-Molekül überschrieben werden. Das mRNA-Molekül verlässt den Zellkern und wandert in jene Zellbereiche, in denen das Protein zusammengebaut wird.

Dieser Transkriptionsprozess wird durch DNA-bindende Moleküle, die als Transkriptionsfaktoren bezeichnet werden, kontrolliert. Transkriptionsfaktoren binden an den ganz bestimmten Stellen an den DNA-Strang, und können dadurch die Transkription entweder blockieren oder stimulieren. PGC-1α stimuliert gemeinsam mit anderen Transkriptionsfaktoren die Expression vieler Gene, die für mitochondriale Proteine kodieren.

Wir haben kürzlich herausgefunden, dass eine Variante von PGC-1α vor Trainingsbeginn überhaupt nicht vorhanden ist, aber nach einer Stunde Radfahren in großer Menge nachgewiesen werden kann.

Das führt zu der Annahme, dass bestimmte Gene nur bei sportlicher Aktivität eingeschaltet werden. Möglicherweise ist das der Hauptgrund für die Wirkung des sportlichen Trainings auf die Gesundheit. Wir untersuchen jetzt Kandidaten für mögliche Proteinmodulatoren von PGC-1α. Diese könnten an das PGC-1α-Protein binden, und dadurch dessen Aktivität steigern oder senken, wodurch die Herstellung mitochondrialer Proteine stimuliert wird.

Epigenetische Faktoren

Wir untersuchen auch den möglichen Einfluss von Training auf epigenetische Prozesse. Epigenetische Veränderungen beeinflussen, wie die DNA genutzt wird, ohne die in der DNA kodierte genetische Information zu verändern. Die DNA menschlicher Zellen ist um bestimmte scheibenförmige Proteine, sogenannte Histone, gewickelt. Durch die Anheftung kleiner chemischer Gruppen an die Histone wird die Fähigkeit der Transkriptionsfaktoren an die jeweiligen Zielgene zu binden beeinflusst. Zum Beispiel führt die Bindung einer Methyl (CH3)-Gruppe zu einer generell schlechteren Zugänglichkeit der benachbarten DNA-Abschnitte, und damit zu einer reduzierten Aktivität, während die Anheftung einer Acetyl (COCH3)-Gruppe den jeweiligen Abschnitt des DNA-Strangs normalerweise entspannt, und die Transkription erleichtert wird (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Bindung einer Methyl (CH3)-Gruppe an die DNA verschlechtert die Zugänglichkeit des benachbarten Gens, und reduziert dadurch seine Aktivität, während die Bindung einer Acetyl (COCH3)-Gruppe an Histone zur Entspannung des benachbarten DNA-Strangs führt, und die Transkription erleichtert
Abbildung mit Erlaubnis des NIH Common Fund abgeändert (das Original findet sich unter: http://commonfund.nih.gov/Epigenomics/epigeneticmechanisms.aspx)

Durch Untersuchung des Biopsiematerials unserer StudienteilnehmerInnen wollen wir herausfinden, ob solche epigenetischen Effekte auch nach einer längeren Trainingspause erhalten bleiben, und ob sie die Reaktion des Individuums auf eine spätere Trainingsphase beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden uns helfen, die Frage, ob es tatsächlich ein „Muskelgedächtnis“ gibt, zu untersuchen, und wenn ja, wie es entsteht.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei Assistenzprofessor Carl Johan Sundberg für die Möglichkeit in seinem Labor zu arbeiten und für seine wertvolle Beiträge zu diesem Artikel.

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Resources

  • Weitere Informationen über die Wirkung von Training auf die Prävention und die Behandlung verschiedener Krankheiten finden sich in:
  • Weitere Informationen über die physiologischen Effekte von Training finden sich in:
    • Wilmore JH, Costill DL, Kenney WL (2007) Physiology of Sport and Exercise 4th edition. Champaign, IL, USA: Human Kinetics. ISBN: 9780736055833

    • Die BBC’s GCSE Bitesize Webseite bietet Materialien mit dem Titel ‘effects of training and exercise’ an. Zielgruppe sind 14-16-jährige SchülerInnen.

    • How the body responds to exercise’ Video auf der US Teachers’ Domain Webseite

    • Where do you get your energy’ Video auf der US Teachers’ Domain Webseite

  • Die folgenden Veröffentlichungen liefern detaillierte Informationen über wissenschaftliche Details:

Author(s)

Maléne Lindholm und Susanna Wallman Appel schreiben ihre Doktorarbeit über die Effekte von Training auf die Funktion des menschlichen Skelettmuskels und die damit einhergehenden positive Wirkungen auf die Gesundheit. Sie haben beide ihren Master am Karolinska Institut in Stockholm erworben, wo sie auch Physiologie unterrichten.


Review

Bewegung hat (oder sollte) mit jedem Menschen auf diesem Planeten etwas zu tun haben. Daher wurde ihr jahrzehntelang viel Aufmerksamkeit zuteil. Obwohl die potentiellen positiven Wirkungen von Bewegung altbekannt sind, kennt man die Ursachen dafür größtenteils nicht t. Der Artikel gibt einen Überblick über einige genetische Faktoren, die an der bei körperlich aktiven Menschen beobachteten positiven Wirkungen beteiligt sein könnten.

BiologenInnen, oder andere Personen mit einem einigermaßen ausgeprägten Verständnis von Genetik, darunter auch fortgeschrittene BiologielehramtsstudentenInnen werden die in dem Artikel enthaltenen Informationen vermutlich hochinteressant finden. Möglicherweise werden sie auch angeregt, über alternative Wege, wie Bewegung die Gesundheit positiv beeinflussen kann, nachzudenken.


Michalis Hadjimarcou, Zypern




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CC-BY-NC-ND