Molekulare Mechanismen der Anpassungsfähigkeit der Skelettmuskulatur

Die Forschungsgruppe um Hoppeler et al. veröffentliche im Jahr 2011 ein Artikel über die Anpassungsfähigkeit der menschlichen Skelettmuskulatur. Es wird dargestellt wie die Signalwege bei Kraft- und Ausdauertraining erfolgen und sich ggf. blockieren.

Allgemein

Die menschliche Skelettmuskulatur kann sich in kürzester Zeit (6-8 Wochen) bei Untrainierten bei der VO2max um 15% und bei der Muskelkraft sogar um 30% verbessern. Dabei reagiert das System auf spezifische Reize, die unterschiedlich hervorgerufen werden können u.a. durch mechanische Belastung, hormonelle Veränderungen, neuronale Aktivierung sowie metabolische Störungen. Jeder Reiz bedient sich einem bestimmten Signalweg, um der Muskelfaser die Umstände der Belastung mitzuteilen. Die Aufgaben der Signale liegen zum einen in der Herstellung der Homöostase und zum anderen in der Einleitung von Veränderungen in der Muskelzelle, um zukünftig ähnliche Reize standhalten zu können.

Bei der Trainingssteuerung kommt es nun zu einer bestimmten Abfolge von Reizen, die u.a. von der Intensität, Dauer und Häufigkeit abhängen. Bei Krafttraining werden vermehrt mechanische Reize angesprochen und bei Ausdauersport sind es viel mehr die metabolischen Reize. Zusätzlich stellt die hohe Kombinationsmöglichkeit eine zusätzliche Herausforderung der Anpassungsfähigkeit dar.

molekulare Signalewege

Dauerleistung

Die Dauerleistung (Ausdauersport) ist dadurch charakterisiert, dass die Leistung über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Man spricht auch von einer Erhöhung des Ermüdungswiderstandes. Dabei passt sich nicht nur das kardiovaskuläre System (Kapillarisierung) an, es werden auch mehr Mitochondrien in den Muskelzellen produziert. Mitochondrien dienen u.a. der ATP-Regeneration. Hier werden Veränderungen auf der transkriptionellen Ebene durchgeführt, d.h. hier gibt es eine vermehrte Überschreibung relevanter DNA in mRNA. In der oben dargestellten Abbildung kann der Signalweg gut nachvollzogen werden. Im Bereich der Dauerleistung gibt es mehrere Eingangsmöglichkeiten.

1. Dabei kann der Energiezustand die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK), also ein Enzym, aktivieren, d.h. wenn ein Athlet sich länger belastet, steigt die AMP Konzentration in der Muskelzelle und aktiviert somit das Enzym AMPK. Durch diese Aktivierung werden Energieliefernde Prozesse unterstützt und energieverbrauchende Prozesse gehemmt. Zusätzlich aktiviert AMPK den wichtigsten Aktivator der mitochondriellen Biogenese PGC-1α.

2. Ein weiterer Weg sind die Kalzium-abhängigen Signalkaskaden. Diese werden über die neuronale Erregung und folgende Depolarisation der Muskelzelle aktiviert. Hinzukommt, dass bei einer Muskelaktivierung durch Kalziumsignale auch ATP sich verbraucht und somit AMPK aktiviert wird.

3. Bei körperlicher Betätigung fallen freie Radikale und Peroxide an. Früher galten diese immer als Schädlich (sog. oxidativer Stress) und in den Sportgetränken mischte man Antioxidantien bei. Heute weiß man, dass diese Radikalen (Sauerstoff-Radikale (ROS)) wichtige Mittler zellulärer Anpassungsvorgänge sind. ROS ist auch an der mitochondriellen Biogenese mitbeteiligt, d.h. der Körper kann nicht nur mit den anfallenden Sauerstoffradikalen umgehen – sondern nutzt diese auch für die Steuerung der Anpassungsvorgänge.

4. Durch lokale Hypoxie-Anwendung konnte festgestellt werden, dass es eine Verbesserung der Veränderung der Ausdauerleistung gab. Zusätzlich fand man ein Transkriptionsfaktoren (HIF-1α), welcher durch Hypoxie aktiviert wird und anschließend eine große Anzahl Effektorgene aktiviert die auf Hypoxie reagieren. Jedoch ist die Bedeutung von HIF-1α noch sehr umstritten, da dieser Stress nur vorübergehend und wiederholend ist. Bei genetisch veränderten Organismen sind Veränderungen permanent aktiv. Wenn Hypoxie nun als Zusatzstress während eines Trainings benutzt (train high – live low) können zusätzliche molekulare Anpassungsvorgänge in der Muskulatur vorgenommen werden. Betrachtet man nun das Gesamte, scheint es nicht die lokale muskuläre Hypoxie beim Training, sondern eher Hypoxie als Umweltfaktor zu sein, welche Einfluss auf die muskuläre Struktur und Funktion nehmen kann.

Weitere Themen, die hier nicht näher Betrachtet werden, sind noch die Bedeutung des Schlüsseleffektors PGC-1α und Angiogenese sowie VEGF, die für die Kapillarisierung eine entscheidende Rolle spielt.

Krafttraining

Beim Krafttraining kommt es viel mehr zu einer Vermehrung der myofibrillären Proteine statt einer Veränderung der Mitochondrien und der Kapillarisierung. Erstaunlicherweise ist die Muskelmasse ist über die gesamte Lebensspanne konstant. Dabei müssen sich anabole und katabole Vorgänge die Waage halten. Erst in höherem Alter kommt es zu einer Abnahme der Muskelmasse durch Faseratrophie, Verlust an motorischen Einheiten und Verlust an kontraktilen und metabolen Eigenschaften der Muskelfaser (sog. Sarkopenie). Wie auch bei der Dauerleistung kann der Signalweg in der obigen Darstellung nachverfolgt werden.

  1. Für die Aufrechterhaltung der Muskelmasse spielt das Enzym mTOR eine entscheidende Rolle. mTOR ist ein Schlüsselfaktor für die Kontrolle der Translation und unter anderem in der Lage, das Vorhandensein von anabol wirkenden Aminosäuren im Plasma (vor allem Leuzin) direkt festzustellen. Es wird davon ausgegangen, dass der Mensch einen Bedarf an etwa 10 g essentieller Aminosäuren pro Tag haben (unabhängig vom Alter – wobei im Alter die Responsivität für Aminosäuren abnimmt). Bei Krafttraining scheint eine Einnahme von 20 g essentieller Aminosäuren notwendig zu sein.
  2. Ein weiterer Initiator ist das Peptidhormon IGF-1, welches zu 50% mit Insulin identisch ist. Im Gegensatz zum Insulingen kodiert das IGF-1-Gen für multiple gewebsspezifische Protein Iso formen. IGF-1-Isoformen wirken in unterschiedlichem Umfang wachstumshormonabhängig parakrin und autokrin, sowohl als zirkulierende Hormone als auch als lokale Wachstumsfaktoren. Muskelzellen verfügen sowohl über Insulin- als auch über IGF-Rezeptoren. Während die Insulinrezeptoren hauptsächlich metabol regulatorisch aktiv sind, kontrollieren die IGF-Rezeptoren Wachstum und Entwicklung. Bei der IGF-1 Aktivierung steht die Aktivierung von Akt (dient der Muskelhypertrophie) über verschiedene Zwischenschritte für die Muskelhypertrophie im Vordergrund. Zusätzlich wirkt Akt über Zwischenschritte indirekt fördernd auf mTOR und begünstigt damit den Translationsprozess (die sog. IGF-Akt-mTOR-Achse). Weiterhin wirkt Akt hemmend auf FOXO und behindert dadurch Atrophieprozesse.
  3. Das Schlüsselprotein beim Krafttraining ist mTOR und ist u.a. zuständig für die Regulation von Zellproliferation, Zellwachstum, Differenzierung, Proteinsynthese, Energiehomoestase und Substratmetabolismus. mTOR funktioniert als integraler Bestandteil der Insulin/IGF-Signalkaskade und als Insulin-unabhängiger Substratsensor. Zusätzlich ist mTOR für Krafttraining-induzierte Veränderungen an der Skelettmuskulatur verantwortlich. Es besteht eine starke Assoziation von mechanischer Belastung und mTOR-Aktivierung. Es ist bekannt, dass mTOR über das AMPK-System durch den Energiestatus der Muskelzelle beeinflusst wird. Bei hohem Energieverbrauch findet eine Aktivierung des AMPK-Systems statt, welche sich negativ auf mTOR auswirkt. Damit wird die Proteinsynthese in diesem Zustand unterbunden.
  4. Myostatin ist ein Hauptregulator der embryonalen Myogenese und des frühen Muskelwachstums. Myostatin wird von der Muskelzelle abgegeben und wirkt sowohl systemisch durch die Zirkulation als auch lokal autokrin und parakrin. Im ausdifferenzierten Muskel wirkt sezerniertes Myostatin als «pro-kachektischer» Faktor und begünstigt Muskelschwund. Wird die Myostatin-Genexpression unterdrückt, kommt es zu einem massiven Muskelwachstum. Myostatin wird als der wichtigste Faktor zur Kontrolle der Muskelmasse in adultem Zustand angesehen und zwar unter Vermittlung von mTOR-abhängigen und mTOR-unabhängigen Signalwegen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass während im Dauerleistungstraining hauptsächlich transkriptionelle Aktivierungen über das PGC-1α koordiniert werden, findet im Krafttraining eine translationelle Regulation gesteuert durch mTOR statt. Essentielle Aminosäuren, speziell Leuzin, können mTOR direkt aktivieren. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, mTOR zu unterdrücken, darunter spielen Myostatin und ein niedriger zellulärer Energiestatus eine besondere Rolle. Zusätzlich konnte beobachtet werden, dass im Krafttraining eine DNA-Rekrutierung durch Aktivation der Satellitenzellen, und auch Repressoren wie Myostatin und Interleukine von wesentlicher Bedeutung sind. Weiterhin haben die Anpassungsprozesse multiple Eingangspunkte, in denen parallele Signalwege vorliegen und sich die beteiligten Partner beeinflussen können.

In Trainingsversuchen beim Menschen konnte gezeigt werden, dass Dauerleistungstraining unmittelbar vor Krafttraining dazu führt, dass die anabole Antwort ausbleibt. Bei Krafttraining vor Dauerleistungstraining kommt es zu Entzündungszeichen und zu Proteinkatabolismus. Daher wird heute, zu mindestens im Hochleistungssport, empfohlen, Kraft- und Dauerleistungstraining zu separieren (Blocktraining).


Autor: Hans Hoppeler, Oliver Baum, Matthias Mueller, Glenn Lurman
Titel: Molekulare Mechanismen der Anpassungsfähigkeit der Skelettmuskulatur
Erscheinung: Schweizerische Zeitschrift für «Sportmedizin und Sporttraumatologie» 59 (1), 6–13, 2011