Lab do badania wzrostu mięśni i ścieżki mTOR

Mechaniczna naprężoność jako podstawowy spustnik

Gdy wątki mięśniowe kontraktują przeciwko ciężkim lub powolnie kontrolowanemu obciążeniu, fizyczne rozciąganie i siła przekazywana przez wewnętrzną ramkę wątku wykrywa mechanosensoryczne proteiny zainstalowane w błonie komórkowej i cytosklecie. Te czujniki, w tym struktury związane z kostameryami i matrycą ekstermaryczną, przekształcają plynne wydarzenie mechaniczne – naprężenie – w sygnał biochemiczny. Ten proces nazywany jest mechanotransdukcją i uważany jest za jedynego najważniejszego źródła aktywacji reakcji anablicznej na ćwiczenia z oporami. Najbardziej wiarygodnie mechaniczne naprężenie generuje podnoszenie ciężkich obciążeń względem siły osoby, szczególnie w fazie rozciągania (eccentric) ćwiczenia, gdy wątki mięśniowe są zmuszone do rozciągnięcia podczas nadal wykonywanej pracy. Dlatego fazy opadającej (eccentric) kontrolowanej kontrakcji przyczyniają się nieproportionowanie do sygnału wzrostu mięśni, a nie tylko fazę podnoszenia. Sygnał mechaniczny aktywizuje małą proteinkętozę Rheb, która w turystyce bezpośrednio aktywuje mTORC1 na powierzchni lizozomu, organelu odpowiadającego za recykling komórkowy, gdzie znajduje się duża część tego centrum sygnałowego. Uważajmy jednak, że mechaniczne naprężenie nie musi być ekstremalne, aby było skuteczne; obciążenia o średnim poziomie podjęte blisko zmęczenia mięśni mogą wygenerować porównywalne poziomy naprężenia w wątkach, ponieważ z powodu zmęczenia system nerwowy zaczyna odnawiać kolejno większe, wyższy próg jednostki motorycznej do utrzymania wyjścia siły. Dlatego zarówno ciężkie ćwiczenia o niskim liczbę powtórzeń, jak i średnio obciążone ćwiczenia o wysokiej liczbie powtórzeń, wykonane z odpowiednim wysiłkiem, mogą każdy znacząco aktywizować mTORC1. Stopień wysiłku i wynikające z niego naprężenie w poszczególnych wątkach, a nie konkretna liczba obciążeń na sztangę, jest tym, co właściwa ścieżka sygnałowa reaguje. Bez odpowiedniego naprężenia, skrajna cascada prowadząca do syntezy protein prostu się nie zaczyna, niezależnie od tego, jak duży jest zmęczenie metaboliczne lub ból mięśni wywoływany przez ćwiczenie.

Stres metaboliczny i uszkodzenie mięśni jako wsparcia sygnałowe

Podczas gdy napięcie mechaniczne jest dominującym czynnikiem waktywacji mTORC1, dwa dodatkowe stimulatory wywoływane podczas treningu opartego na siłach wspierają i potęgują odpowiedź anaboliczną. Pierwszym z nich jest stres metaboliczny, który akumuluje się w mięśniu pracującym, gdy produkty takie jak laktoza, jony tlenku wodoru i fosfata inorganiczne zaczynają się zbierać wewnątrz. Akumulacja tych metabolitów przyczynia się do rozswierciania komórek i wydaje się ulepszać odpowiedź sygnałową poprzez kilka niecałkowicie zrozumiałych mechanizmów, w tym zwiększone zapobieganie aktywacji łączek szybkich i większa produkcja molekuł sygnalizacyjnych związanej z lokalną aktywnością czynników wzrostu. Drugi wsparciowy stimulant to uszkodzenie mięśni, mikroskopiczne zniszczenie struktury łączek mięśniowej, które występuje szczególnie w przypadku nieznajomych ćwiczeń lub znaczącego obciążenia eccentricznego. Uszkodzone łączki wywołują lokalny reaktywny i naprawczy odpowiedź, obejmującą satelitowe komórki, specjalizowane komórki pierwotne mięśni, które migrują do miejsca uszkodzenia, rozprzestrzeniają się i przekazują swoje nukleusy istniejącym łączkom mięśniowym. Ten proces, zwany dodawaniem myonuclearnym, zwiększa zdolność łączki do produkowania protein, rozszerzając liczbę nukleusów dostępnych do wsparcia większej objętości cytoplazmatycznej. Warto podkreślić, że uszkodzenie mięśni nie jest wymagane w celu wzrostu i, jeśli jest nadmiernym, może być przeciwwskrzałkowe, ponieważ poważnie zniszczone tkaniny muszą najpierw poświęcić zasoby na naprawę przed tym, aby mogły znacząco dodawać nowych proteinów kontraktoryjnych ponad punkt bazowy. Zdobrzałym treningowi jest więc cel, który tworzy wystarczające napięcie mechaniczne i stres metaboliczny do wywołania silnej odpowiedzi sygnałowej, jednocześnie unikając uszkodzenia tak poważnego, że opóźnia ono odzyskanie i odkładanie kolejnego produktywnego stimulatu treningowego. Przezroczysta interakcja tych trzech czynników – napięcia mechanicznego, stresu metabolicznego i uszkodzenia – wyjaśnia, dlaczego różne stylów treningowych, od ciężkich ćwiczeń siłowych do treningów skupionych na pumpie z wyższą liczbą powtórzeń, mogą wszystkie prowadzić do znaczącego wzrostu poprzez pokryte, ale różne ścieżki sygnałowe.

Cascada mTORC1: Od sygnału do ribosomu

Jedynkę mTORC1 aktywowaną na powierzchni lizozymowej funkcjonuje jako kinaza serina/threoninowa, co oznacza dodanie grup fosfata do określonych protei celowych, aby zmieniać ich aktywność. Dwa z najważniejszych celów dolistniego są p70S6K (serina/threoninowa kinaza ribosomu S6) i 4E-BP1 (proteina łącząca się z eukaryotycznym czynnikiem inicjacji translacjonowej 4E). Fosforylowanie p70S6K aktywuje go, a następnie pozwala na poprawę funkcji protei ribosomu S6 i innych komponentów maszyny translacyjnej, co zwiększa zdolność komórek mięśniowych do inicjowania i rozszerzania nowych łańcuchów proteinowych. Fosforylowanie 4E-BP1 działa poprzez mechanizm zwalczającego: w niesfosforylowanym stanie, 4E-BP1 wiąże się mocno z eIF4E, proteinem wymaganym do rozpoczęcia tłumaczenia RNA komórkowego na proteinę, i blokuje jego działanie. Gdy jedynka mTORC1 fosforyluje 4E-BP1, relaksuje swoją uścisk na eIF4E, pozwalając mu dołączyć do kompleksu inicjacji tłumaczenia i zacząć produkować nowe proteinowe łańcuchy na podstawie istniejących wzorów genetycznych. Wspólne działanie tych dwóch równoległych procesów znacznie zwiększa szybkość, jaką komórki mięśniowe konwertują swój istniejący zapas RNA komórkowego w nowe strukturalne i kontraktory proteinowe, takie jak aktyn i myozyn. To dlatego ścieżka mTORC1 jest często opisywana jako kontrolująca zdolność translacyjną zamiast samą transkrypcję genów; dominuje ona nad efektem skutecznym i szybkim konwersji istniejących instrukcji genetycznych w fizyczne proteinę, a nie bezpośrednim przełączaniem genów na lub wyłączanie. Szybkość i stopień tego wzrostu translacyjnego jest jednym z głównych powodów, dlaczego szybkość syntezy protein mięśniowej może znacząco wzrosnąć w ciągu kilku godzin po sesji treningu opartym na siłach, zanim nie wystąpi żadna widoczna zmiana rozmiaru mięśni.

Bilans syntezy i rozkładu oraz okno odzyskiwania

Tissue mięśniowe znajduje się w ciągłym stanie obrotu: proteininy są ciągle syntezowane i ciągle rozkłady, nawet bez ćwiczeń. W spoczynku te dwa procesy są prawie równoważne, co prowadzi do względnie stabilnej masy mięśniowej dziennie. Ciwkość fizjologiczna przerywa ten bilans tymczasowo, zwiększając szybkość syntezy protein mięśniowej (MPS) w sposób znaczący, zwykle bez powodzenia powodując podobne zwiększenie rozkładu protein mięśniowych (MPB). Kluczowym pojęciem jest to, że netto hipertrofia – rzeczywiste akumulowanie nowych protein kontraktualnych – występuje tylko w okresach, gdy syntezy przewyższa rozkład, a nie jedynie kiedy syntezy jest podwyższona. Badania wykorzystujące techniki takie jak studia trakcji izotopów stabilnych pokazują, że szybkość MPS wzrasta kilka godzin po sesji treningowej i pozostaje podwyższone około dwadzieścia cztery do czterdziestu osiem godzin, w zależności od stanu treningowego, grupy mięśni treningowej oraz intensywności seansu, zanim powoli wraca do poziomu bazowego. To często nazywane jest oknem anabolickim, choć jest to znacznie dłuższe okno niż popularna myślenie o krytycznym okresie post-ćwiczeniowym trwającym tylko kilka minut. W czasie podwyższonego poziomu, jeśli aminokwasów jest odpowiednio dostępnych i rozkład się nie zwiększa tak, aby dopasować się do lub przewyższyć syntezę, bilans przesuwa się w kierunku netto dodatniego i akumuluje się mała ilość nowych protein mięśniowych. Dzięki temu, że podwyższony stan jest skończony, hipertrofia jest podstawowym procesem zacumulacyjnym i powtarzalnym. Jedna sesja treningowa tworzy tylko mały, tymczasowy okres netto dodatni; to, co dodaje się do widocznej wzrostu mięśni, to akumulacja wielu takich okien po wielu tygodniach i miesiącach konsekwentnych ćwiczeń. To jest również przyczyną, dla której częstotliwość treningu dla danej grupy mięśni ma znaczenie: jeśli kolejna stimulująca sesja dla tego mięśnia wystąpi przed pełnym zamknięciem okna podwyższonej syntezy, okresy anaboliczne mogą się nakładać i kompensować, a długie przerwy między seansami pozostawiają długie okresy czasu bez żadnych sygnałów wzrostu.

Aminokwasy, czas odzyskania i sytuacje, w których wzrost mięśni się nie zdarza

Ścieżka mTORC1 działa nie tylko na podstawie sygnałów mechanicznych i metabolicznych; jest również bezpośrednio czuła na dostępność witaminy, szczególnie leucyn. Leucyn jest wykrywana przez zestaw protein, w tym Sestrin2 i złożenie GTPazy Rag, które przekazują obecność wystarczającej ilości aminokwasów do mTORC1 na membrance lizomalnej, działając prawie jak znak zgody pozwalający mechanicznemu sygnałowi kontynuować pełną siłę. Bez odpowiedniej ilości leucyny i innych niezbędnych aminokwasów krążących w krew, maszyna translacyjna aktywowana przez mTORC1 ma niewystarczające materiały na budowę nowych protein, dlatego sam mechaniczny sygnał powoduje uciśnioną odpowiedź syntetyczną. To dlaczego wypadek witaminy rozłożonego na cały dzień, szczególnie wokół sesji treningowych, wspiera reakcję budowniczą mięśni zainicjowaną przez ćwiczenia. Czas odzyskania jest równie istotny, a niedostateczna odzyskiwała może uniemożliwić netto hipertrofii nawet wtedy, gdy stimulacja treningowa i spożywanie są wystarczające. Jeśli grupa mięśniowa jest ponownie ćwiczone przed tym, jak rozpad protein mięśniowy osiągnie stan równowagi i podczas tego, gdy włókna nadal są w aktywnym naprawieniu z mikroszkodzenia, zwiększyony rozpad związany z niewytrzeźwionymi szkodami może przeważyć lub przekroczyć ciągłą odpowiedź syntetyczną, zachowując netto równowagę płaską lub nawet ujemną w czasie. Chroniczne niedostateczne odzyskiwała – zbyt często ćwiczenie, za mało snu, czy za mało spożywanie – utrzymuje ciało w ciągłym stanie katabolycznego, gdzie rozpad regularnie równa się lub przewyższa syntezę, co oznacza, że opisane wcześniej skończone okna anaboliczne nigdy nie mają szansy wytworzyć trwałą netto zysk. Nawet odstępstwo zbyt długie między sesjami ćwiczeń pozwala na pełne zamknięcie wzniesionej okna syntetycznej i powrót do podstawowej wartości przed kolejnym stimulatem, stracając częstotliwość treningową, która mogłaby być użyta do zastąpienia dodatkowych netto-pozitwnych okresów. Praktyczne znaczenie to, że ćwiczenia hipertroficzne muszą równoważić odpowiedniego mechanicznego stimulatu, wystarczającego spożycia witamin i całkowitej kaloryczności, oraz okresu odzyskiwania długotrwałego do rozwiązywania szkód i zmęczenia, ale krótkiego do uniknięcia opuszczenia czasu produkcyjnego – równowaga, której ta symulacja pozwala na bezpośrednie eksperymentowanie.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Muscle Hypertrophy and mTOR Signaling Lab i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.