Effects of endurance exercise

Maria Fernström:
Avhandling i medicinsk vetenskap “Effects of endurance exercise on mitochondrial efficiency, uncoupling and lipid oxidation in human skeletal muscle”.

Disputation fredag 19 jan, 2007, kl. 9:00 i Aulan, GIH.

Opponent: Roger Harris, professor, University College Chichester
Handledare: Kent Sahlin (GIH) och Michail Tonkonogi (GIH)

Under senare år har betydelsen av väl fungerande muskelmitokondrier och en god förmåga att bilda ATP uppmärksammats. Effektiva mitokondrier har inte bara betydelse för prestation utan också för hälsa. All syreförbrukning är inte kopplad till ATP produktion, uppskattningsvis förloras nära 20% av energin i så kallad frikopplad cellandning, vilket påverkar effektivitet. Det är nu nästan 10 år sedan frikopplingsprotein 3 (UCP3) upptäcktes men fortfarande är inte UCP3's roll i skelettmuskelns metabolism klarlagd.  

Syfte

Syftet med avhandlingen var att undersöka mitokondriell effektivitet, mitokondriell fettoxidering, frikoppling och proteinuttryck av UCP3 i skelettmuskel efter uthållighetsträning.  

Studier  

I.

Fernström M, Tonkonogi M, and Sahlin K. Effects of acute and chronic endurance exercise on mitochondrial uncoupling in human skeletal muscle. J Physiol 554: 755-763, 2004.  

I studie I undersöktes 8 unga och friska försökspersoner före och efter ett 6 veckor långt uthållighetsträningsprogram. Försökspersonerna ökade sin syreupptagningsförmåga (VO2 max) med 24% (P<0.05). Mängden mitokondrier i skelettmuskulaturen (citrate synthase (CS) aktivitet, vanligt förekommande markör för mitokondrietäthet) ökade också signifikant (+47%). Studien visar att proteinmängden av UCP3 inte förändrades, men när UCP3 uttrycktes i förhållande till antalet mitokondrer (CS-aktivitet), var mängden UCP3 signifikant lägre efter träningsprogrammet. En av slutsatserna från studien är därför att UCP3 inte ökar parallellt med andra mitokondrieprotein under mitokondriell biogenes. UCP3 och mitokondriell frikoppling (state 4 respiration) minskade efter uthållighetsträning (P<0.05).  

9 unga och friska försökspersoner studerades också före och efter ett 75 min långt träningspass. Resultatet visar att proteinuttryck av UCP3 och mitokondriell frikoppling (state 4 respiration) är oförändrat efter akut arbete och efter 3 timmars återhämtning. Syreförbrukningen var högre 3 timmar efter arbetet, men vi kunde inte visa att ökningen orsakades av en ökad frikoppling.  

II.

Mogensen M, Bagger M, Pedersen PK, Fernström M, Sahlin K. Cycling efficiency in humans is related to low UCP3 content and to type I fibres but not to mitochondrial efficiency. J Physiol. 571: 669-81, 2006.

För elitidrottare kan skillnader i mekanisk verkningsgrad (MV) ha stor betydelse för resultatet. Med MV avses hur effektivt energi från födan kan omvandlas till arbete. Det är känt att det finns stora skillnader i MV mellan individer men är inte helt utrett vad dessa skillnader beror på. Avsikten med studien var att undersöka om skillnader i MV under cykling kan förklaras med skillnader i mitokondriell effektivitet (MEff), d v s hur mycket ATP som bildas per förbrukad mängd syre.  

I studien har 9 vältränade (VO2 max 60.4 ml/min kg) och 9 otränade (VO2 max 37.0 ml/min kg) friska män utfört ett submaximalt cykeltest och MV har beräknats vid tre belastningar. Vid ett separat tillfälle togs muskelbiopsier och mitokondrier isolerades för analys av MEff. Totalmängd UCP3 protein och fibertypsamansättning analyserades också. De tränade försökspersonerna hade högre mitokondrietäthet, mätt som CS-aktivitet och 40% högre kapacitet för oxidativ fosforylering (P<0.05), men skillnaden beror inte på att mitokondrierna i skelettmuskel är effektivare hos vältränade individer, utan beror på den större mängden mitokondrier. De vältränade personerna hade 48% lägre nivå av UCP3 protein (P<0.05).  

Studien visar att det inte finns något samband mellan MV och MEff. Däremot är MV korrelerat till både till mängden UCP3 protein och till mängden typ 1 fibrer i skelett muskulaturen. Slutsatsen från studien är därför att cykeleffektivitet inte påverkas av träningsstatus, men att en hög andel typ 1 fibrer och en låg nivå av UCP3 gynnar MV.   

III.

Sahlin K, Mogensen M, Bagger M, Fernström M, Pedersen PK. The potential for mitochondrial fat oxidation in human skeletal muscle influences whole body fat oxidation during low-intensity exercise. Am J Physiol Endocrinol Metab 292. E223-E230, 2007.

Avsikten med studien var att undersöka oxidationen av fettsyror i isolerade mitokondrier i förhållande till träningsstatus, fibertypsammansättning och oxidationen av fettsyror i hela kroppen. Försökspersonerna är de samma som i studie II. Mitokondriell respiration mättes dels med kolhydratbaserat substrat, pyruvat + malat (Pyr) och med substrat baserat på fett, palmiotyl-L-carnitine + malat (PC). Den relativa fettförbränningen beräknades som PC oxidation/Pyr oxidation.  

Skillnaden mellan individer var stor och varierade mellan 49-93%. Generellt är effektiviteten för oxidativ fosforylering lägre vid fettoxidering. Det visade sig att den relativa fettoxidationen är korrelerad till fibertypsammansättning både hos tränade och otränade personer (P<0.05), och ökar med ökande andel typ 1 fibrer. Studien visar också att den relativa fettoxidationen inte skiljer sig inte åt mellan vältränade och otränade individer.

IV.

Fernström M, Bakkman L, Tonkonogi M, Shabalina I, Rozhdestvenskaya Z,. Mattsson MC, Enqvist JK, Ekblom B and Sahlin K. Regulation of skeletal muscle mitochondrial efficiency, uncoupling and lipid oxidation in response to 24 hours ultra-endurance exercise.

I artikel IV har 9 manliga idrottare som alla tävlar på elitnivå i ultra-endurance performance studerats. Dessa idrottsmän är extremt vältränade och har följts under ett 24 timmar långt träningspass bestående av löpning, cykling och paddling. För att standardisera upplägget har alla tränat vid 60% av sitt individuella VO2 max. Muskelbiopsier för isolering av mitokondrier och mätning av UCP3 har tagits före försöket, omedelbart efter försöket och efter 28 timmars återhämtning. Vid dessa tidpunkter har också syreupptagning (VO2) mätts under cykling vid 60% av VO2 max, och blodprov tagits.  

Mitokondriell effektivitet, dvs. hur mycket ATP som bildas per förbrukad mängd syre och mitokondriell frikoppling (state 4) studerades med samma substrat som i studie III, och den relativa fett förbränningen beräknades. Resultatet visar att skelettmuskel mitokondrier är mindre effektiva efter ett långt uthållighetsarbete både med kolhydratbaserat substrat (Pyr) och med fettbaserat substrat (PC), (P<0.05). Efter ett drygt dygns återhämtning är den mitokondriella effektiviteten fortfarande sänkt både med Pyr och PC (P<0.05). Detta kan till en del förklara den ökade syreförbrukningen på helkroppsnivå, men kan inte förklaras av en ökad frikoppling eftersom UCP3 inte ökade och frikopplad syreförbrukning (state 4) var signifikant lägre både med Pyr (–32%) och med PC (–27%) efter 28 timmars återhämtning.