Free Press

Syntetické účinky podávání aminokyselin a cvičení s odporem na rychlost syntézy kosterních svalových bílkovin (MPS) jsou nyní dobře popsány (přehled viz: ). Konzumace aminokyselin ve stravě po odporovém cvičení stimuluje zvýšení MPS a je nezbytná k posunu čisté bílkovinné bilance (definované jako MPS minus odbourávání svalových bílkovin (MPB)) ze záporné (čistá ztráta bílkovin) na kladnou (čistý zisk bílkovin) . U zdravých jedinců jsou změny MPS vyvolané krmením v průběhu daného dne ~3-5krát větší než měřitelné změny MPB, což dokazuje, že MPS je vysoce citlivý, regulovaný a představuje hlavní hnací sílu změn čisté bilance svalových bílkovin. Z toho vyplývá, že pro chronické zvýšení čisté bilance svalových bílkovin, které vede k nárůstu svalové hmoty, jsou změny MPS velmi důležité. Netvrdíme, že MPB je triviální biologický proces; MPB napomáhá udržovat hladinu intracelulárních aminokyselin a pravděpodobně hraje roli při udržování kvality svalových bílkovin tím, že odstraňuje poškozené bílkoviny a umožňuje využití jejich složek – aminokyselin – pro syntézu nových funkčních svalových bílkovin. V důsledku toho navrhujeme, že nutriční intervence, které posilují MPS, mohou mít velký vědecký a klinický význam jako strategie na podporu pozitivní bilance svalových bílkovin a případného nárůstu svalových bílkovin. Dále mohou být tyto intervence zajímavé pro sportovce, kteří se zabývají zvýšením adaptační odpovědi kosterního svalstva na chronický trénink. Současný výzkum prokázal, že faktory, jako je dávka přijímaných bílkovin/esenciálních aminokyselin (EAA), zdroj bílkovinné potravy (tj. syrovátka, sója, micelární kasein) a načasování příjmu bílkovin/EAA, ovlivňují velikost (a případně i trvání) MPS v reakci na krmení a odporové cvičení. Další výzkum se zaměřil na schopnost zvýšit MPS dodáním zvýšeného množství leucinu nebo argininu v roztoku obsahujícím aminokyseliny. Konečně byla věnována pozornost také vlivu konzumace smíšených makronutrientů na metabolismus svalových bílkovin. Účelem tohoto přehledu je diskutovat o nutriční regulaci lidského MPS a poskytnout aktuální informace o nutričních strategiích, které mohou sloužit k maximalizaci MPS při krmení a odporovém cvičení.

Definice „okna anabolického potenciálu“ po odporovém cvičení

Ačkoli je aminokyselinami zprostředkované zvýšení MPS přechodné, trvající nanejvýš několik hodin , kontraktilní aktivita spojená s intenzivním odporovým cvičením vede ke zvýšené míře MPS, která u mladých účastníků přetrvává ~48 h ve stavu nalačno. Nyní je jednoznačné, že okamžité dodání aminokyselin po cvičení je účinnou strategií založenou na výživě, která zvyšuje MPS nad míru pozorovanou při samotném cvičení . Význam časného příjmu bílkovin po cvičení souvisí se skutečností, že cvičením zprostředkované zvýšení míry MPS je největší bezprostředně po cvičení (~100-150 % nad bazální míru) , a tudíž synergické účinky cvičení a výživy na MPS jsou pravděpodobně v tomto časovém období největší. Protože však odporové cvičení zvyšuje MPS až po dobu ~ 48 h, konzumace aminokyselin ve stravě 24 – 48 h po zotavení po cvičení by pravděpodobně také přinesla stejné synergické účinky na MPS, jaké jsou pozorovány při podávání aminokyselin bezprostředně po odporovém cvičení . Jak ukazuje obrázek 1, synergické zvýšení již existujícího zvýšení MPS vyvolaného odporovým cvičením podáním bílkovin je největší bezprostředně po cvičení a časem slábne, ale může být stále přítomno až o 48 hodin později. Nedávno jsme prokázali, že podávání 15 g syrovátkových bílkovin, což je méně než optimálně účinná dávka bílkovin pro maximalizaci MPS , ~24 h po akutním odporovém cvičení vede k větší stimulaci syntézy myofibrilárních (kontraktilních bílkovin kosterního svalu) bílkovin než stejná dávka poskytnutá v klidu (obr. 2). Účinek zvýšené citlivosti na příjem bílkovin vyvolaný předchozím odporovým cvičením provedeným o 24 h dříve byl však nezávislý na množství zvednuté hmotnosti. Konkrétně bylo odporové cvičení prováděno s relativně vysokou zátěží (90FAIL) nebo s nízkou zátěží (30FAIL), ale oba režimy byly prováděny do dobrovolné únavy. Bez ohledu na cvičební zátěž bylo tedy konečným výsledkem případné podobné zvýšení náboru svalových vláken . Budoucí výzkum by měl prozkoumat, zda existují věkově podmíněné rozdíly ve schopnosti odporového cvičení zprostředkovat zvýšenou citlivost MPS na příjem bílkovin, pokud jsou konzumovány ~24 h po cvičení, a zda je tento účinek ovlivněn typem konzumovaných bílkovin, neboť tyto výsledky by byly důležité pro lepší pochopení faktorů podílejících se na úbytku svalové hmoty souvisejícím s věkem.

Přes noc poskytované živiny mohou také představovat účinnou nutriční strategii pro stimulaci MPS, a tím zvýšit „okno anabolických příležitostí“ podporou větší čisté bilance svalových bílkovin v průběhu 24 h. Předchozí výzkum ukázal, že noční míra MPS je poměrně nízká , nicméně jak intragastrické poskytování bílkovin během spánku , tak perorální příjem bílkovin po odporovém cvičení bezprostředně před spaním jsou následovány normální kinetikou trávení a vstřebávání bílkovin a noční stimulací MPS. Proto tvrdíme, že správně naplánované poskytování bílkovin/EAA nejen bezprostředně po cvičení, ale až ~ 24 hodin po cvičení by mělo být pečlivě zváženo jako dietní strategie pro maximální stimulaci míry MPS vyvolané cvičením.

Mechanismy, které jsou základem zvýšené citlivosti kosterního svalu po cvičení

Aminokyseliny a inzulín jsou hlavními nutričními efektory MPS a MPB a nedávné práce osvětlily molekulární cesty, které se podílejí na regulaci zvýšení MPS vyvolaného aminokyselinami a kontrakcí. Komplexní přehled molekulární regulace MPS v reakci na výživu a cvičení přesahuje rámec tohoto článku, ale lze jej nalézt jinde . Proteinkináza mTORC1 slouží jako kritický bod integrace široké škály signálů, které podporují MPS, včetně aminokyselin v potravě a svalové kontrakce . Konkrétně mTORC1 reguluje MPS fosforylací následných proteinových efektorů, jako jsou p70S6k a 4E-BP1, které se podílejí na iniciaci translace MPS. Blokování aktivity mTOR pomocí léku rapamycin dále blokuje jak kontrakci, tak zvýšení MPS u lidí zprostředkované EAA, což prokazuje zásadní význam této kinázy v regulaci MPS. Dosud několik studií prokázalo, že poskytování aminokyselin po odporovém cvičení a následné zvýšení MPS je spojeno se zvýšenou fosforylací složek signalizační kaskády mTOR nad úrovně, které jsou pozorovány po cvičení bez živin . Již dříve však byla zaznamenána disociace mezi přímým měřením míry MPS a rozsahem fosforylace svalových anabolických signálních molekul . Dále není přesně známo, jak jsou aminokyseliny schopny aktivovat mTORC1 ke zvýšení MPS, ačkoli MAP4K3 , vakuolární třídicí protein 34 (Vps34) a Rag GTPázy jsou signální proteiny, které jsou kandidátními „senzory“ aminokyselin schopnými reagovat na změny koncentrace aminokyselin s následnou aktivací mTORC1 . Kromě toho bylo zjištěno, že exprese mRNA vybraných transportérů aminokyselin v kosterním svalu, jako jsou LAT1 (SLC7A5), SNAT2 (SLC38A2), CD98 (SLC3A2) a PAT1 (SLC36A1), se zvyšuje po příjmu EAA a odporovém cvičení v lidském kosterním svalu. Tyto transportéry mohou hrát důležitou roli v regulaci metabolismu lidských svalových bílkovin na základě jejich schopnosti přenášet aminokyseliny přes buněčnou membránu a přenášet signály k následným cílům, o nichž se předpokládá, že regulují MPS . Po příjmu EAA a odporovém cvičení bylo rovněž pozorováno zvýšení hladin proteinů některých z těchto transportérů aminokyselin , avšak v současné době není jasné, zda zvýšení exprese mRNA a proteinů těchto transportérů souvisí se zvýšenou schopností transportu aminokyselin. Je zřejmé, že je zapotřebí dalšího výzkumu k definování funkčního a fyziologického významu těchto transportérů v regulaci MPS zprostředkované výživou a cvičením.

Optimalizace MPS: role zdroje bílkovin

Příjem bílkovin v potravě včetně syrovátky , vaječného albuminu , sóji , kaseinu a hovězího masa je schopen stimulovat MPS. Dietní bílkoviny z různých zdrojů se však liší ve schopnosti stimulovat MPS jak v klidu, tak po odporovém cvičení . Například práce z naší laboratoře ukázala, že syrovátkové bílkoviny a hovězí mléko podporují větší zvýšení MPS po akutním odporovém cvičení než konzumace ekvivalentního množství rostlinných sójových bílkovin, a to navzdory skutečnosti, že tyto zdroje bílkovin mají skóre aminokyselin korigované na stravitelnost bílkovin (PDCAAS) vyšší než 1,0 . Omezení skórovacího systému PDCAAS a umělé zkrácení na 1,0, kdy některé bílkoviny mají PDCAAS > 1,0, bylo diskutováno v našem předchozím přehledu . Mechanismy zodpovědné za tyto rozdíly nejsou zcela jasné, ale mohou souviset s důležitými rozdíly v aminokyselinovém profilu a/nebo dostupnosti aminokyselin v důsledku rozdílů v kinetice trávení/absorpce proteinů. Syrovátková bílkovina je rozpustná v kyselinách a je spojena s velmi rychlým, velkým, ale přechodným zvýšením postprandiální dostupnosti aminokyselin , zatímco kasein se při vystavení žaludeční kyselině sráží a vysráží a vzniklý mléčný tvaroh se pomalu uvolňuje ze žaludku, což vede k mnohem mírnějšímu, ale trvalému zvýšení aminokyselin v plazmě . Naše laboratoř nedávno porovnávala vliv syrovátkového proteinového izolátu a micelárního kaseinu na míru MPS u starších mužů . V souladu s našimi předchozími zjištěními u mladých osob jsme zaznamenali větší zvýšení koncentrace leucinu v krvi a zvýšení MPS v klidu i po cvičení po požití 20 g izolátu syrovátkové bílkoviny než po požití micelárního kaseinu . Tyto údaje potvrzují naši předchozí práci, která ukázala, že rychlá rychlost výskytu aminokyselin v krvi po nakrmení zvyšuje MPS a anabolickou buněčnou signalizaci po odporovém cvičení více než pomalá rychlost výskytu aminokyselin , což podporuje názor, že rychlost trávení a vstřebávání bílkovin představuje důležitý faktor v nutriční regulaci MPS u lidí. Naše údaje o MPS se v některých ohledech liší od výsledků získaných ze studií celotělového obratu bílkovin , pravděpodobně proto, že kosterní sval se na syntéze celotělových bílkovin podílí pouze ~30 % a jeho obrat je výrazně nižší (~20krát) než u splanchnických i plazmatických bílkovin . Zajímavé je, že nedávný výzkum naznačuje, že forma potravy (tj. tekutá vs. pevná) může být důležitým faktorem regulujícím postprandiální dostupnost aminokyselin v plazmě . Například Conley a jeho kolegové prokázali větší nárůst plazmatických aminokyselin, který byl trvalejší po podání nápoje ve srovnání se stejným doplňkem (tj. energetickým a makroživinám odpovídajícím) podaným v pevné formě potravy. Tato zjištění jsou zajímavá s ohledem na skutečnost, že postprandiální vzestup plazmatických EAA a/nebo leucinu se zdá být klíčovým regulátorem postprandiálního vzestupu MPS, ale k určení fyziologického významu formy potravy, pokud jde o regulaci MPS, je třeba dalšího výzkumu.

Leucin jako nutriční signál v kosterním svalu

Z aminokyselin jsou za stimulaci MPS odpovědné především EAA , zatímco neesenciální aminokyseliny se zdají být v tomto ohledu neúčinné. Aminokyselina s rozvětveným řetězcem (BCAA) leucin se jeví mezi EAA jako jedinečný klíčový regulátor iniciace translace MPS . Například leucin, ale nikoli isoleucin nebo valin, může u zvířat stimulovat zvýšení MPS prostřednictvím aktivace dráhy mTOR-p70S6k . Práce na buněčných kulturách využívajících buňky C2C12 prokázaly, že leucin je nejsilnější z EAA, pokud jde o jeho schopnost zvýšit fosforylační stav p70S6k, a jediný EAA schopný zvýšit fosforylační stav mTOR a 4E-BP1 . S ohledem na tyto údaje se nedávný výzkum zaměřil na využití leucinu jako součásti nutriční intervence k modulaci MPS a/nebo svalové hmoty u lidí. Tipton a jeho kolegové zkoumali vliv volného leucinu (3,4 g) přidaného k syrovátkovému proteinu (16,6 g) na míru MPS po akutním odporovém cvičení a nezaznamenali žádné další zvýšení MPS s přídavkem volného leucinu ve srovnání s tím, co bylo dříve uvedeno pro 20 g syrovátkového proteinu. Tyto údaje však nejsou překvapivé ve světle prací naší skupiny a dalších, v nichž byl zkoumán vztah mezi dávkou a odpovědí mezi příjmem bílkovin/EAA a MPS. Moore a jeho kolegové uvádějí, že MPS byla u mladých mužů maximálně stimulována 20 g vysoce kvalitních bílkovin po odporovém cvičení, přičemž 40 g bílkovin nevedlo ke zvýšení MPS nad úroveň pozorovanou u 20 g, ale pouze ke zvýšené úrovni oxidace aminokyselin. Příjem leucinu v množství větším, než je zjištěno v nasycovací dávce (20-25 g syrovátkové bílkoviny obsahující 2,5-3.0 g leucinu) vysoce kvalitních bílkovin, je nepravděpodobné, že by dále stimuloval zvýšení velikosti nebo trvání MPS. Tyto údaje však pocházejí od mladých zdravých mužů o hmotnosti ~86 kg a maximálně účinná dávka bílkovin může být zcela odlišná například u ~50 kg vážící gymnastky nebo 120 kg vážícího kulturisty. Starší lidé také představují populaci, která může vyžadovat větší množství bílkovin a/nebo leucinu ve stravě, aby dosáhla výrazného zvýšení MPS v reakci na krmení . Budoucí výzkum je nutný k definování množství leucinu potřebného ke stimulaci MPS u mladých i starších dospělých a k jasnému stanovení role dalších EAA v regulaci MPS při krmení a odporovém cvičení.

Po-cvičební výživa starších osob

Definování nutričních intervencí, které maximálně stimulují míru MPS, je zajímavé pro vývoj terapeutických strategií určených k boji proti úbytku svalové hmoty souvisejícímu s věkem (sarkopenie). Příčina sarkopenie je pravděpodobně vícefaktorová , nicméně některé důkazy naznačují, že starší lidé jsou „rezistentní“ vůči anabolickým účinkům aminokyselin a rezistenčnímu cvičení , a vůči antiproteolytickým účinkům inzulínu . Například Kumar a jeho kolegové zaznamenali s věkem související otupení MPS odpovědi v postabsorpčním stavu po akutním odporovém cvičení prováděném v rozmezí intenzit (20-90 % 1RM), když se měřilo po 1-2 hodinách zotavení po cvičení. Protože však volně žijící jedinci po odporovém cvičení obvykle jedí, lze pouze spekulovat, zda by stejné otupení reakce MPS mezi mladými a starými lidmi bylo pozorováno i v nakrmeném stavu.

Přes sníženou reakci na přísun aminokyselin a cvičení u starších lidí se zdá, že aditivní účinky krmení a odporového cvičení na míru MPS jsou u této populace zachovány, přičemž několik studií ukazuje, že kombinace krmení a cvičení vede k většímu zvýšení MPS než samotné krmení . Naše laboratoř nedávno zkoumala vztah mezi dávkou a odezvou mezi příjmem syrovátkových bílkovin a syntézou myofibrilárních bílkovin v klidových podmínkách i po odporovém cvičení u starších osob . Na rozdíl od mladých účastníků, u nichž je MPS maximálně stimulována po odporovém cvičení s ~ 20 g bílkovin, 40 g bílkovin zvýšilo míru MPS u starších osob více než 20 g při konzumaci po odporovém cvičení , což naznačuje, že starší osoby mohou mít prospěch z většího množství aminokyselin a/nebo leucinu po odporovém cvičení, aby maximalizovaly syntézu myofibrilárních bílkovin. Na podporu toho, že starší lidé reagují na větší množství leucinu, Katsanos a kolegové (2006) uvedli, že směs 6,7 g EAA obsahující 26 % leucinu nedokázala u starších lidí podpořit zvýšení MPS nad základní úroveň; když se však obsah leucinu ve stejné směsi EAA zvýšil na 41 %, MPS byla stimulována nad základní úroveň ve stejném rozsahu, jaký byl pozorován u mladých subjektů . Tato zjištění naznačují, že složení aminokyselin, a ne pouze celkový obsah EAA, má klíčový význam při určování postprandiální odpovědi MPS u starších svalů. Účinnost suplementace volného leucinu při podávání jídla jako strategie zvyšování svalové hmoty u starších osob však v současné době není podpořena. Verhoeven a kolegové (2009) zkoumali účinnost dlouhodobé suplementace leucinem na hmotnost kosterního svalstva u starších osob a uvedli, že suplementace leucinem (7,5 g denně s jídlem) po dobu 12 týdnů nezvýšila hmotnost kosterního svalstva ani sílu ve srovnání s energeticky odpovídajícím placebem . To se však týkalo pouze subjektů, které konzumovaly standardní jídla, a přírůstky svalové hmoty vyvolané samotným krmením bez odporového cvičení budou pravděpodobně malé, zejména po dobu 12 týdnů. Dále byla suplementace leucinem spojena s poklesem cirkulujícího valinu a izoleucinu, které se mohly stát limitujícími pro stimulaci MPS . Studie na zvířatech ukázaly, že podávání leucinu vede k poklesu cirkulujících EAA a zkracuje dobu trvání zvýšení MPS zprostředkovaného aminokyselinami ; pokud se však tomuto poklesu zabrání a udržují se bazální koncentrace aminokyselin, trvá odpověď MPS na podávání aminokyselin ~ 2 hodiny . Celkově může být dodatečný leucin ve stravě, který lze získat z vysoce kvalitních bílkovin a nemusí být nutně v krystalické formě, pro starší osoby z hlediska zvýšení MPS určitým přínosem . Je zapotřebí dalšího výzkumu, který by prozkoumal vliv přívodu aminokyselin obohacených leucinem v časném období po odporovém cvičení na MPS a přírůstky svalové hmoty po dlouhodobějším tréninku.

Nedávno Smith a jeho kolegové (2011a, 2011b) zkoumali úlohu doplňkových (4 g denně po dobu 8 týdnů) omega 3 polynenasycených mastných kyselin na míru MPS a aktivaci signálních proteinů v rámci dráhy mTOR-p70S6k u mladých a středně starých , i starších osob . Ve všech zkoumaných věkových skupinách suplementace omega 3 mastnými kyselinami významně zvýšila velikost stimulace MPS a fosforylace mTOR indukované aminokyselinami/ inzulinem . Ačkoli mechanismy nejsou v současné době známy, tyto výsledky naznačují, že polynenasycené mastné kyseliny omega 3 mají anabolické vlastnosti prostřednictvím své schopnosti zvyšovat citlivost kosterního svalstva na aminokyseliny a inzulín, a to i u mladých zdravých jedinců . Nedávno se ukázalo, že doplňkový rybí olej (2 g/den) je také schopen zvýšit adaptační odpověď na chronický odporový trénink tím, že podporuje zvýšení svalové síly u starších žen . Budoucí výzkum by se měl zabývat úlohou doplňkových omega 3 polynenasycených mastných kyselin na nárůst svalové hmoty po období chronického odporového tréninku u mladých i starších osob.

Úloha sacharidů a inzulínu v regulaci metabolismu svalových bílkovin

Konzumace typického smíšeného jídla je obecně spojena s příjmem nejen bílkovin a aminokyselin v potravě, ale také sacharidů a lipidů. Zatímco o vlivu společného příjmu lipidů a bílkovin na přímá měření MPS při krmení a odporovém cvičení není známo téměř nic, Elliot a kolegové uvedli, že příjem threoninu a fenylalaninu (svědčící o anabolické reakci) byl větší po požití plnotučného mléka (8,2 g tuku, 8,0 g bílkovin, 11,4 sacharidů: celkem 627 kcal) ve srovnání s mlékem bez tuku nebo izokalorickými kontrolními podmínkami, které byly bez tuku. Důvod většího anabolismu po požití plnotučného mléka není zcela jasný; může však souviset s větší svalovou perfuzí, alespoň v této studii. Předchozí studie se zabývaly úlohou sacharidů (CHO) v regulaci metabolismu lidských svalových bílkovin . Příjem CHO je spojen se zvýšenou hladinou cirkulujícího inzulínu, který má silný inhibiční účinek na MPB , a je tak schopen zlepšit čistou bilanci bílkovin . Při absenci příjmu aminokyselin však příjem CHO nevede k pozitivní čisté bilanci bílkovin . Naše laboratoř nedávno zkoumala vliv společného příjmu sacharidů a bílkovin ve srovnání s příjmem samotných bílkovin na míru MPS a MPB po akutním odporovém cvičení u mladých mužů . Pokusné osoby konzumovaly 25 g syrovátkového proteinu nebo 25 g syrovátkového proteinu s 50 g přidaného CHO ve formě maltodextrinu. Plocha pod plazmatickou inzulinovou křivkou byla po společném příjmu bílkovin a sacharidů ~5krát vyšší, avšak míry průtoku krve končetinami, MPS a MPB v klidu a po odporovém cvičení se ve srovnání se samotnými bílkovinami nelišily . Pokud je tedy příjem bílkovin v dostatečném množství k maximalizaci MPS (viz ), výsledná hyperaminoacidémie/hyperinzulinémie postačuje nejen k maximalizaci MPS, ale také k úplné inhibici MPB. Tato zjištění potvrzují dřívější práci Greenhaffa a jeho kolegů (2008), kteří prokázali, že ke zprostředkování maximální aminokyselinami indukované stimulace syntézy bílkovin v noze jsou zapotřebí nízké koncentrace (5 mU/l) inzulínu a že ke snížení odbourávání bílkovin v noze o více než 50 % a zvýšení čisté bilance bílkovin bylo zapotřebí zvýšení plazmatického inzulínu až na 30 mU/l, ale koncentrace nad touto hodnotou již odbourávání bílkovin dále neinhibovaly . Je důležité poznamenat, že ačkoli CHO nemusí mít zásadní význam pro změnu čisté bilance bílkovin po odporovém cvičení, pokud je zajištěn dostatek bílkovin, svalový glykogen se po odporovém cvičení snižuje a CHO má důležitou roli při resyntéze svalového glykogenu, a je proto užitečný pro zlepšení regenerace po tréninku .

.