The effect of different exercise regimens on mitochondrial biogenesis and performance

Fredagen den 19 december kl 9:00 disputerar Niklas Psilander i idrottsfysiologi. Avhandlingens titel är "The effect of different exercise regimens on mitochondrial biogenesis and performance".

Avhandling i medicinsk vetenskap vid Institutionen för fysiologi och farmakologi, Karolinska Institutet, i samarbete med GIH. Niklas tillhör GIH:s enhet Prestation och träning.

Opponent är professor Jostein Hallén(icon), Norges Idrettshogskole (NIU)

Huvudhandledare: professor Kent Sahlin (GIH), bihandledare professor Michail Tonkonogi, professor Abram Katz.Omslag Niklas Psilanders avhandling

Betygsnämnden består av:

  • docent Thomas Gustafsson (KI)
  • professor Jan Henriksson (KI) 
  • professor Karin-Piehl Aulin (ORU) 

Läs mer om Niklas Psilander.

Länk till fulltext i DiVA.

Abstract 

Länk till pressmeddelande

Populärvetenskaplig sammanfattning

Bakgrund

Det är numera välkänt att fysisk aktivitet har en betydande inverkan på livslängd och hälsa. Det finns ett brett vetenskapligt stöd för att regelbunden träning har en positiv effekt på många av våra vanligaste folksjukdomar så som diabetes, hjärt- och kärlåkommor, vissa typer av cancer, Alzeimer's och depression.

Den mest hälsofrämjande träningsformen är uthållighetsträning, dvs. träning som aktiverar en stor muskelmassa och ger en kraftigt förhöjd puls. Förutom att denna träningsform effektivt motverkar många folksjukdomar så medför den dessutom en ökad ork (prestation) både i vardagen och idrottsliga sammanhang. En av de mest påtagliga anpassningar som sker i kroppen vid uthållighetsträning är en ökad mängd mitokondrier i muskulaturen. Detta är förknippat med både god hälsa och prestation och vältränade personer kan ha 3-4 gånger så många mitokondrier i sina muskler som otränade.

Förenklat kan man säga att mitokondrierna är musklernas kraftverk där större delen av de näringsämnen som vi får i oss via kosten (framförallt fett och kolhydrater) förbränns och alstrar energi i from av ATP. ATP är den universala energimolekylen i våra celler och används i nästan alla energikrävande processer i kroppen. En sådan mycket energikrävande process är muskelarbete. En stor mängd mitokondrier är därför avgörande för hur hårt och hur länge en muskel kan arbeta utan att bli trött. Man brukar säga att en vältränad muskel med mycket mitokondrier har en hög aerob förmåga och uthållighetskapacitet.

Även om det sedan lång tid är klarlagt att uthållighetsträning stimulerar tillväxten av mitokondrier så är det fortfarande oklart vilken typ av träning som är mest effektiv. En flitigt diskuterad frågeställning är därför om träningen bör fokuseras på kvalitet (hög intensitet under kort tid) eller kvantitet (låg/medelintensiv intensitet under lång tid).

En av anledningarna till att man inte har kommit längre inom detta område är begränsningar i den traditionella metodiken där förändringar i muskulaturen enbart har kunnat mätas på protein- och prestationsnivå. För att kunna detektera dessa förändringar krävs långa, tidskrävande studier som är mycket kostsamma och svårkontrollerade.

Med nya molekylärbiologiska metoder finns det nu möjlighet att studera de initiala processerna som styr muskelns anpassning till träning. Genom att analysera mRNA av gener som reglerar tillväxten av mitokondrier kan man undersöka hur effektiv en viss typ av träning är efter endast ett träningspass.

Den viktigaste genen för mitokondriell tillväxt är PGC-1α (transcriptional coactivator peroxisome proliferator–activated receptor-γ coactivator-1α). PGC-1α är en nyckelspelare som reglerar andra gener som behövs för att bygga fler och större mitokondrier. Djurstudier visar att genmanipulerade råttor som har en ökad mängd PGC-1α i sina muskler har ett mycket större antal mitokondrier samt är betydligt uthålligare än råttor med normala PGC-1αnivåer. Både i djur- och humanstudier har man dessutom kunnat påvisa att uthållighetsarbete ökar nivåerna av PGC-1α (både mRNA och protein).

mRNA nivåerna, som är ett mått på genens aktivering, brukar för PGC-1α vara som högst cirka 3 timmar efter ett träningspass. Det är på grund av detta som muskelproverna (biopsier) i denna avhandling oftast har tagits vid just denna tidpunkt. Andra viktiga gener som styr mitokondriell tillväxt och som regleras av PGC-1α är: peroxisome proliferator-activated receptor δ (PPARδ), mitochondrial transcription factor A (Tfam) och nuclear respiratory factors 1 and 2 (NRF-1 and 2).

Målsättning

Målet med projektet som ligger till grund för denna avhandling var att jämföra olika typer av träning för att undersöka vilken träningsform som är mest effektiv för att stimulera tillväxten av mitokondrier i human skelettmuskulatur.

Resultat och konklusion

Otränade försökspersoner som vid ett tillfälle fick cykla 90 minuter på en konstant belastning och vid ett annat tillfälle fick cykla 90 minuter i form av intervaller (dock samma totala arbete i båda fallen) hade en likvärdig aktivering av PGC-1α-genen. Detta tyder på att om träningen är långvarig och belastningen åtminstone är måttlig (> 60% av VO2max) så verkar uthållighetsträningens karaktär vara av liten betydelse för otränade personer, dvs. det spelar ingen roll om träningen utförs i form av intervaller eller på en konstant belastning.

Orsaken till detta är troligen att en måttlig belastning räcker för att ge en maximal adaptation hos en otränad person. Däremot så verkar den mitokondriella tillväxten hos otränade försökspersoner kunna förstärkas då styrketräning läggs i direkt anslutning till ett uthållighetspass. Mängden PGC-1α mRNA var cirka dubbelt så hög i lårmuskulaturen efter ett kombinerat uthållighet- och styrkearbete jämfört med ett renodlat uthållighetsarbete. Att träna styrka och kondition under ett och samma träningspass verkar således vara fördelaktigt för att förbättra uthålligheten hos otränade personer.

Resultaten i denna avhandling tyder dock på att tränade försökspersoner påverkas annorlunda än otränade. Åtta veckors kombinerad träning av uthållighet och styrka medförde nämligen inte någon ökning av mängden mitokondrier eller prestationen hos cyklister jämfört med renodlad uthållighetsträning. Orsaken till denna skillnad skulle kunna vara att otränade personer initialt får en uthållighetseffekt av styrketräning på grund av deras låga träningsstatus. Cyklister däremot har redan en så pass tränad muskulatur att styrketräning inte ger någon ytterligare effekt på deras aeroba förmåga.

En träningsform som däremot verkar vara effektiv för vältränade är sprintintervaller. Elitcyklister fick en mycket kraftig aktivering av PGC-1α-genen efter ett sprintintervallpass (7 x 30 s). Ökningen var till och med lika stor som efter ett betydligt längre intervallpass (3 x 20 min) trots att det totala utförda arbetet var hela 17 gånger mindre. Detta skulle kunna bero på att denna mycket högintensiva träningsform stimulerar delar i muskulaturen som fortfarande har en viss anpassningspotential kvar och därmed kan påverkas relativt mycket av träningen.

En annan träningsform som också hade stor effekt på vältränade var träning med lågt muskelglykogen. En timmes cykelarbete med lågt glykogen medförde nämligen en betydligt större ökning av PGC-1α mRNA hos cyklister än träning med normalt glykogen. Den klassiska synen att uthållighetsträning alltid bör utföras med välfyllda glykogenlager kan därför ifrågasättas. Det skulle kunna vara så att det är fördelaktigt att utföra vissa träningspass "låg" för att maximera mitokondriell tillväxt, fettmetabolism och muskulär aerob förmåga.

Det kanske mest betydelsefulla fyndet i denna avhandling var att muskelglykogen (kolhydrater som lagras i musklerna) verkar ha en mycket central roll vid regleringen av mitokondriell tillväxt, oberoende av träningsstatus och träningens karaktär. Personer som hade låga nivåer av glykogen i sin lårmuskulatur hade nämligen den starkaste aktiveringen av PGC-1α och detta samband sågs både hos vältränade och otränade försökspersonerna oberoende av om de tränat kontinuerligt, intervallbetonat eller en kombination av uthållighet och styrka.

Det går således inte att säga att en viss intensitet, duration eller typ av träning är optimal för att stimulera tillväxten av mitokondrier utan resultaten i denna avhandling tyder snarare på att det avgörande är att träna så pass hårt eller länge att delar av muskulaturen mer eller mindre töms på glykogen.

Adress till denna sida www.gih.se/disputationNP