1 Medisin stadium IA, Tonje S. Steigedal 2 ATP er den eneste forbindelsen som kan drive kontraksjon av musklene. ATPnivået i muskelcellene er imidlertid begrenset, og må etterfylles kontinuerlig. Ved ulike typer idrett vil forskjellige metabolske spor gjendanne ATP. 1
3 Skjelettmuskulatur Skjelettmuskelfibre Tynne filament: Actin Tykke filament: Myosin Bindingsseter for ATP og actin i myosinhodet. Troponin (aktivert av Ca 2+ ) medfører konformasjonsendring og binding av myosin til actin. 4 ATP driver muskelkontraksjonen 2
5 ATP driver muskelkontraksjonen 6 Ulike typer muskelfibre har ulik energiomsetning Type I: Type I fibre inneholder mye myoglobin, mange mitokondrier, og rikelig med enzymer for oksidativ metabolisme (gir en mørk farge i histologiske snitt) De har langsom kontraksjon, og er utholdende ( maraton). Type II: Type IIa fibre har en blanding av glykolytiske og oksidative enzymer, og har en middels kontraksjonshastighet. Type IIb har lite myoglobin og få mitokondrier. De har imidlertid mye glykolytiske enzymer og har rask kontraksjonshastighet. Hovedenergien for de glykolytiske prosessene er muskelglykogen, som brukes raskt opp. Type IIb fibre har derfor lav utholdenhet. Gir lysere farge på histologiske snitt ( sprint). 3
7 Ulike typer trening Husk: antall muskelfibre er mer eller mindre konstant gjennom livet (Lav intensitets) utholdenhetstrening (aerob) økt antall mitokondrier i muskelfibrene og økt antall kapillærer rundt fibrene økt evne til ATP dannelse. Styrketrening av høy intensitet (anaerob) økning i glykolytisk aktivitet økning i andel aktin-og myosin fibre økt fiberdiameter 8 Kan sammensetningen av muskelfibre endres ved trening? Andelen av type I og type II muskelfibre varierer fra person til person. Det er fremdeles noe uklart i hvor stor grad den relative andelen av ulike type I og II fibertyper kan endres ved trening. Evnen til å aktivere mange motorenheter samtidig, kan imidlertid trenes opp. 4
9 Kan sammensetningen av muskelfibre endres på andre måter? Plos Biology 2004 10 Økt mengde Type I- fiber ble observert i de transgene (TG) musene. Disse har høyere mengde myoglobin og er rødere av farge. De transgene musene hadde i tillegg mindre vektøkning når de ble foret med en høy-fett diett. 5
11 mrna nivå-gastrocnemius De transgene musene hadde også større utholdenhet under løping. Biokjemiske analyser viste at en rekke gener for proteiner involvert i Type I- kontraksjon, mitokondriebiosyntese og beta-oksidasjon, var oppregulert. (DNA (gen) RNA protein) protein nivå 12 Ruter for gjendannelse av ATP I. Fra ADP ved adenylat kinase II. Fra kreatinfosfat ved kreatin kinase III. Fra glykogen via glykolyse IV. Fra fullstendig oksydasjon via Krebs syklus og oksidativ fosforylering 6
13 Ruter for gjendannelse av ATP I. Fra ADP ved adenylat kinase: Ved eksplosjonsartet idrett (sprint, vektløfting o.l) vil musklenes ATP være brukt opp i løpet av 3-4 sekunder. Samtidig vil det dannes så mye ADP ved spalting av den terminale fosfatgruppen i ATP, at det vil kunne hemme muskelkontraksjonen. Dette forhindres ved at enzymet adenylat kinase raskt omsetter det dannede ADP i reaksjonen: 2ADP ATP + AMP G o 0kJ/mol Denne reaksjonen er reversibel, slik at når den intense belastningen opphører, vil enzymet kunne gjendanne ADP, som så kan fosforyleres til ATP i mitokondriene. 14 II. Fra kreatinfosfat ved kreatin kinase: I skjelettmuskulatur finnes det ca 30 mm kreatinfosfat (CP), som utgjør ca 10X mer enn ATP-mengden. CP er en høyenergifosfatforbindelse som lett kan omsettes til ATP, og er en betydelig energireserve i musklene ved kortvarig energiutfoldelse (ytterligere ca 10-20 sekunders forbruk av ATP) ADP + CP ATP + Cr G o = -12.5 kj/mol En del idrettsutøvere bruker mye kreatin. Ved inntak av kreatin vil likevekten over forskyves mot dannelse av kreatinfosfat, og derved gi en ekstra energireserve i musklene. Inntak av kreatin vil også øke fett-fri kroppsmasse. For høyt inntak vil imidlertid kunne skade nyrene. 7
15 III. Fra glykogen via glykolyse: 1-2% av muskelmassen i skjelettmuskulatur består av glykogen (opptil 4% hos svært veltrente). Dette er en polymer lagringsform av glukose, og bidrar lite til osmolariteten i muskelcellene (ca 55 000 glukosepartikler pr molekyl). Glykogenet utgjør en raskt tilgjengelig energikilde både for anaerob (glykolyse-melkesyre) og aerob (Krebs-syklus-oxphos) metabolisme, og vil være tilstrekkelig for nesten 1 times hardt arbeid. Nedbrytningen av glykogen til glukose katalyseres av glykogen fosforylase (kalsiumregulert via PKA), hvor glukose frigjøres direkte i form av glukose 1-fosfat. Denne kan fores rett inn i glykolysen i muskelcellene. 16 Høyt AMP-nivå øker glykolysen Energitilstanden i cellene gjenspeiles i mengden ATP tilgjengelig, men deteksjon av ATP-nivået skjer hovedsakelig via mengden ADP og AMP i cellene, da [AMP], [ADP] og [ATP] er gjensidig avhengige av hverandre: ATP + AMP 2ADP I og med at [AMP] er avhengig av kvadratet av [ADP], og i tillegg resiprokt avhengig av [ATP], vil selv et liten økning i [ADP] (med tilsvarende fall i [ATP], føre til en kraftig økning i [AMP], som igjen vil stimulere regulatorenzymene i glykolysen. 8
17 IV. Fra fullstendig oksydasjon via Krebs syklus og oksidativ fosforylering: Når lagrene av raskt tilgjengelig energi i cellene tømmes, blir musklene mer og mer avhengig av energi via fullstendig nedbrytning av molekyler i de oksidative prosessene (aminosyrer og fettsyrer fores inn i Krebs syklus og oksidativ fosforylering i mitokondriene). Den individuelle kapasiteten hos idrettsutøvere vil da avhenge av faktorer som lungekapasitet, blodgjennomstrømning, muskel- og kroppsmasse osv. Det er også flere studier som viser at både volumet av- og enzyminnholdet i muskel-mitokondrier øker ved gjentatt aerob trening. Hos godt trente personer vil også evnen til å fjerne melkesyre fra musklene være økt. Dette ser ut til å skyldes en kombinasjon av økt melkesyreoksidasjon i musklene, en økt mengde monokarboksylattransportkanaler (MCT) i cellene og økt glukoneogeneseaktivitet i leveren. 18 Selv ved langvarig energiutfoldelse (f. eks. maraton) vil en imidlertid ikke gå over til kun oksidasjon av fettsyrer. Siden ATP-dannelse fra fettsyrer er mye mer tidkrevende enn fra glykogen, ville en maraton da ha tatt bortimot 6 t i forhold til ca 2 t. Elite-maratonløpere forbruker derfor omtrent like mye glykogen og fettsyrer for å oppnå en gjennomsnittshastighet på ca 5.5 m/s. Dette reguleres blant annet ved at et lavt blodsukkernivå fører til økt glukagon/insulin-ratio, noe som frigjør fettsyrer fra fettvev. Disse transporteres raskt inn i muskelcellene, hvor de danner CoA- som fores inn i Krebs syklus og oksydativ fosforylering. Et høyt CoA-nivå nedsetter aktiviteten til pyruvat dehydrogenase, slik at denne ikke fores like raskt inn i Krebs syklus. Glykogenlagrene vil derved ideelt sett kunne vare ut hele løpet, slik at akkurat nok er igjen til en sluttspurt. 9
19 Forbruk av ulike energikilder ved trening Fett og glykogen ved lav aktivitet Fett og (mer) glykogen ved økende aktivitet Ca like mye fett og glykogen ved høy aktivitet 20 Hva med lavkarbo-diett og trening? Høy karbo diett Studier tyder på at noen dagers adaptering til en lavkarbo/høy fett diett kan øke den relative forbrenningen av fett under trening. Lav karbo/høy fett diett Lav karbo/høy fett diett Høy karbo diett Carey et al, J. Appl. Physiol 91, 2001 10
21 Men - det ble ikke funnet noen signifikant økning i utholdenheten. Carey et al, J. Appl. Physiol 91, 2001 11