Free Press

De synergistiske virkninger af aminosyretilførsel og modstandstræning på muskelproteinsyntesehastigheden (MPS) i skeletmuskulaturen er nu velbeskrevet (for oversigter se: ). Indtagelse af aminosyrer i kosten efter modstandstræning stimulerer en stigning i MPS og er nødvendig for at flytte nettoproteinbalancen (defineret som MPS minus muskelproteinnedbrydning (MPB)) fra negativ (nettoprotein tab) til positiv (nettoprotein gevinst) . Hos raske personer er ernæringsinducerede ændringer i MPS ~3-5 gange større i løbet af en given dag end målbare ændringer i MPB, hvilket viser, at MPS er meget lydhør, reguleret og udgør den primære drivkraft for ændringer i muskelnettoproteinbalancen. Som sådan ville det følge heraf, at for at kroniske forhøjelser i nettomuskelproteinbalancen kan resultere i gevinster i muskelmasse, er ændringer i MPS yderst relevante. Vi hævder ikke, at MPB er en triviel biologisk proces; MPB bidrager til opretholdelse af intracellulære aminosyreniveauer og spiller sandsynligvis en rolle i opretholdelsen af muskelproteinkvaliteten ved at fjerne beskadigede proteiner og tillade, at deres bestanddele af aminosyrer kan anvendes til syntese af nye funktionelle muskelproteiner. Vi foreslår derfor, at ernæringsinterventioner, der forbedrer MPS, kan være af stor videnskabelig og klinisk interesse som en strategi til at fremme en positiv muskelproteinbalance og eventuel muskelproteintilvækst. Endvidere kan disse interventioner være af interesse for atleter, der ønsker at forbedre skeletmusklernes adaptive respons på kronisk træning. Den nuværende forskning har vist, at faktorer som f.eks. den indtagne dosis protein/essentielle aminosyrer (EAA), proteinfødekilden (dvs. valle, soja, micellær kasein) og tidspunktet for indtagelse af protein/EAA påvirker omfanget (og muligvis varigheden) af MPS som reaktion på fodring og modstandstræning. Andre undersøgelser har fokuseret på muligheden for at øge MPS ved at tilføre øgede mængder leucin eller arginin i en aminosyreholdig opløsning. Endelig har indtagelsen af blandede makronæringsstoffer på muskelproteinmetabolismen også fået en vis opmærksomhed. Formålet med denne gennemgang er at diskutere den ernæringsmæssige regulering af menneskelig MPS og give en opdatering af ernæringsstrategier, der kan tjene til at maksimere MPS med fodring og modstandstræning.

Redefinering af ‘vinduet for anabolsk potentiale’ efter modstandstræning

Selv om den aminosyreformidlede stigning i MPS er forbigående og kun varer højst et par timer , resulterer den kontraktile aktivitet i forbindelse med intens modstandstræning i øgede MPS-hastigheder, der opretholdes i ~ 48 h i fastende tilstand hos unge deltagere . Det er nu utvetydigt, at tilførsel af aminosyrer umiddelbart efter træning er en effektiv ernæringsbaseret strategi til at øge MPS i en grad, der er højere end den, der er observeret ved træning alene . Betydningen af tidlig proteinindtagelse efter træning er relateret til det faktum, at træningsmedierede stigninger i MPS-hastigheden er størst umiddelbart efter træning (~ 100-150 % over basalhastigheden) , og dermed er de synergistiske virkninger af træning og fodring på MPS sandsynligvis størst i denne periode. Men da modstandstræning øger MPS i op til ~48 timer, vil indtagelse af aminosyrer i kosten 24-48 timer efter genoptræning efter træning sandsynligvis også have de samme synergistiske virkninger på MPS som dem, der observeres, når aminosyrer gives umiddelbart efter modstandstræning . Som vist i figur 1 er den synergistiske forstærkning af allerede eksisterende modstandstræningsinducerede stigninger i MPS ved proteintilførsel størst umiddelbart efter træningen og aftager med tiden, men kan stadig være til stede op til 48 timer senere. Vi har for nylig vist, at fodring med 15 g valleprotein, en mindre end optimalt effektiv proteindosis til maksimering af MPS , ~24 timer efter akut modstandstræning resulterer i en større stimulering af myofibrillær (sammentrækkende proteiner i skeletmuskulaturen) proteinsyntese end den samme dosis, der blev givet i hvile (figur 2). Effekten af den øgede følsomhed over for proteinindtagelse induceret af forudgående modstandstræning udført 24 timer tidligere var imidlertid uafhængig af den vægt, der blev løftet. Specifikt blev modstandstræning udført med en relativt høj belastning (90FAIL) eller lav belastning (30FAIL), men begge regimer blev udført til voldelig træthed. Uanset træningsbelastningen var det endelige resultat således en eventuel lignende stigning i rekruttering af muskelfibre . Fremtidig forskning bør undersøge, om der er aldersrelaterede forskelle i modstandstræningens evne til at formidle en øget følsomhed af MPS over for proteinindtag, når det indtages ~24 timer efter træning, og om denne effekt påvirkes af den type protein, der indtages, da disse resultater ville være relevante for at øge vores forståelse af de faktorer, der er involveret i aldersrelateret muskeltab.

Tilførsel af næringsstoffer om natten kan også udgøre en effektiv ernæringsstrategi til stimulering af MPS og dermed øge “vinduet for anabolske muligheder” ved at fremme en større muskelnettoproteinbalance i løbet af 24 timer. Tidligere forskning har vist, at MPS-raterne om natten er ret lave , men både intragastrisk proteintilførsel under søvn , og oral proteinindtagelse efter modstandstræning umiddelbart før sengetid efterfølges af normal proteinfordøjelses- og absorptionskinetik og en natlig stimulering af MPS. Derfor hævder vi, at korrekt planlagt protein/EAA-tilførsel, ikke kun umiddelbart efter, men op til ~24 timer efter træning, bør overvejes nøje som en diætstrategi til maksimal stimulering af træningsinduceret MPS-hastighed.

Mekanismer, der ligger til grund for den øgede følsomhed af skeletmuskulaturen efter træning

Diætaminosyrer og insulin er vigtige ernæringsregulerede effektorer af MPS og MPB, og nyere arbejde har kastet lys over de molekylære veje, der er involveret i reguleringen af den aminosyre- og kontraktionsinducerede stigning i MPS. En omfattende gennemgang af den molekylære regulering af MPS som reaktion på ernæring og motion ligger uden for rammerne af denne artikel, men kan findes andetsteds . Proteinkinasen mTORC1 tjener som et kritisk integrationspunkt fra en lang række signaler, der fremmer MPS, herunder aminosyrer fra kosten og muskelkontraktion . Specifikt regulerer mTORC1 MPS ved fosforylering af nedstrøms proteinekspektorer såsom p70S6k og 4E-BP1, der er involveret i translationsinitiering af MPS . Endvidere blokerer blokering af mTOR-aktivitet med lægemidlet rapamycin både sammentrækning og EAA-medieret stigning i menneskelig MPS, hvilket viser, at denne kinase er afgørende for reguleringen af MPS. Hidtil har flere undersøgelser vist, at aminosyretilførsel efter modstandstræning og den efterfølgende stigning i MPS er forbundet med øget fosforylering af komponenter i mTOR-signalkaskaden over de niveauer, der observeres efter træning uden næringsstoffer . Der er imidlertid tidligere blevet rapporteret om dissociation mellem direkte målinger af MPS-hastigheder og omfanget af fosforylering af muskelanabolske signalmolekyler tidligere . Endvidere forstås det ikke præcist, hvordan aminosyrer er i stand til at aktivere mTORC1 for at øge MPS, selv om MAP4K3 , vacuolar sorteringsprotein 34 (Vps34) og Rag GTPaser er signalproteiner, der er kandidataminosyre-“sensorer”, som er i stand til at reagere på ændringer i aminosyrekoncentrationen med efterfølgende aktivering af mTORC1. Desuden er det blevet rapporteret, at mRNA-ekspressionen af udvalgte aminosyretransportører i skeletmuskulaturen såsom LAT1 (SLC7A5), SNAT2 (SLC38A2), CD98 (SLC3A2) og PAT1 (SLC36A1) er blevet øget efter indtagelse af EAA og modstandstræning i menneskers skeletmuskulatur. Disse transportører kan spille en vigtig rolle i reguleringen af muskelproteinmetabolismen hos mennesker på grund af deres evne til at transportere aminosyrer gennem cellemembranen og videresende signaler til nedstrømsmål, der menes at regulere MPS . Der er også observeret en stigning i proteinniveauerne af nogle af disse aminosyretransportører efter indtagelse af EAA og modstandstræning , men det er i øjeblikket uklart, om stigninger i mRNA- og proteinekspressionen af disse transportører er forbundet med en øget aminosyretransportkapacitet. Der er helt klart behov for yderligere forskning for at definere den funktionelle og fysiologiske betydning af disse transportører i den ernærings- og træningsmedierede regulering af MPS.

Optimering af MPS: proteinkildens rolle

Indtagelse af kostproteiner, herunder valle , ægalbumin , soja , kasein og oksekød, er alle i stand til at stimulere MPS. Kostproteiner fra forskellige kilder er imidlertid forskellige i deres evne til at stimulere MPS både i hvile og efter modstandstræning . For eksempel har arbejde fra vores laboratorium vist, at valleprotein og kvægmælk fremmer større stigninger i MPS efter akut modstandstræning end indtagelse af en tilsvarende mængde plantebaseret sojaprotein på trods af, at disse proteinkilder har proteinfordøjelighedskorrigerede aminosyrescorer (PDCAAS) på over 1,0. Begrænsningerne ved PDCAAS-scoringsystemet og den kunstige trunkering ved 1,0, når nogle proteiner har en PDCAAS på > 1,0, er blevet diskuteret i vores tidligere gennemgang . De mekanismer, der er ansvarlige for disse forskelle, er ikke helt klare, men kan vedrøre vigtige forskelle i aminosyreprofilen og/eller tilgængeligheden af aminosyrer som følge af forskelle i proteinernes fordøjelses-/absorptionskinetik. Valleprotein er syreopløseligt og er forbundet med en meget hurtig, stor, men forbigående stigning i den postprandiale aminosyretilgængelighed , mens kasein koagulerer og udfælder, når det udsættes for mavesyre, og den resulterende mælkeost frigives langsomt fra mavesækken, hvilket resulterer i en meget mere moderat, men vedvarende stigning i plasmaaminosyrer . Vores laboratorium har for nylig sammenlignet virkningerne af valleproteinisolat med micellær kasein på MPS-raten hos ældre mænd . I overensstemmelse med vores tidligere resultater hos unge forsøgspersoner rapporterede vi større stigninger i leucinkoncentrationen i blodet og stigninger i både hvilet og efter træning MPS efter indtagelse af 20 g valleproteinisolat end indtagelse af micellær kasein. Disse data bekræfter vores tidligere arbejde, der viser, at en hurtig hastighed af aminosyreforekomst i blodet efter fodring forbedrer MPS og anabolsk cellesignalering efter modstandstræning mere end en langsom hastighed af aminosyreforekomst , hvilket understøtter den opfattelse, at proteinfordøjelses- og absorptionshastighed udgør en vigtig faktor i den ernæringsmæssige regulering af MPS hos mennesker. Vores data om MPS ligner i nogle henseender ikke de resultater, der er opnået ved undersøgelser af helkroppens proteinomsætning , sandsynligvis fordi skeletmuskulaturen kun tegner sig for ~30% af helkroppens proteinsyntese og omsættes med en hastighed, der er betydeligt mindre (~20 gange) end både splanchniske og plasmaproteiner . Interessant nok tyder nyere forskning på, at fødevarens form (dvs. flydende vs. fast føde) kan være en vigtig faktor, der regulerer den postprandiale plasmaaminosyretilgængelighed . For eksempel viste Conley og kolleger større stigninger i plasmaaminosyrer, der var mere vedvarende efter indgivelse af drikkevarer sammenlignet med det samme tilskud (dvs. energi og makronæringsstoffer matchet), der blev givet i fast fødeform. Disse resultater er interessante i lyset af, at den postprandiale stigning i plasma EAA og/eller leucin synes at være en vigtig regulator af den postprandiale stigning i MPS, men der er behov for mere forskning for at fastslå den fysiologiske relevans af fødevareformen i forbindelse med reguleringen af MPS.

Leucin som et næringssignal i skeletmuskulaturen

Af aminosyrerne er EAA primært ansvarlige for stimulering af MPS , mens ikke-essentielle aminosyrer synes ineffektive i denne henseende . Den forgrenede aminosyre (BCAA) leucin synes unik blandt EAA’erne som en central regulator af translationsinitiering af MPS . For eksempel kan leucin, men ikke isoleucin eller valin, stimulere en stigning i MPS gennem aktivering af mTOR-p70S6k-vejen i dyr . Arbejde i cellekultur ved hjælp af C2C12-celler har vist, at leucin er den mest potente blandt EAA’erne i sin evne til at øge fosforyleringsstatus af p70S6k og den eneste EAA, der er i stand til at øge fosforyleringsstatus af mTOR og 4E-BP1 . Under hensyntagen til disse data har nyere forskning fokuseret på at udnytte leucin som en del af en ernæringsmæssig intervention for at modulere MPS og/eller muskelmasse hos mennesker. Tipton og kolleger undersøgte effekten af frit leucin (3,4 g) tilsat valleprotein (16,6 g) på MPS-hastighederne efter akut modstandstræning og rapporterede ingen yderligere stigning i MPS med tilsætning af frit leucin sammenlignet med den tidligere rapporterede for 20 g valleprotein. Disse data er imidlertid ikke overraskende i lyset af arbejde fra vores gruppe og andre, hvor dosis-responsforholdet mellem protein/EAA-indtagelse og MPS blev undersøgt. Moore og kolleger rapporterede, at MPS blev maksimalt stimuleret hos unge mænd med 20 g protein af høj kvalitet efter modstandstræning, hvor 40 g protein ikke resulterede i øget MPS over det, der blev observeret med 20 g, men blot i forhøjede niveauer af aminosyreoxidation. Indtagelse af leucin i større mængder end dem, der findes i en mættende dosis (20-25 g valleprotein indeholdende 2,5-3.0 g leucin) af protein af høj kvalitet er usandsynligt, at det ikke vil stimulere en yderligere stigning i MPS’s omfang eller varighed. Disse data er imidlertid taget fra unge, raske mænd på ~86 kg, og den maksimalt effektive proteindosis kan være helt anderledes hos f.eks. en kvindelig gymnast på ~50 kg eller en bodybuilder på 120 kg. De ældre udgør også en population, der kan kræve større mængder protein og/eller leucin i kosten for at opnå en kraftig stigning i MPS som reaktion på fodring . Der er behov for fremtidig forskning for at definere den mængde leucin, der kræves for at stimulere MPS hos både unge og ældre voksne, og for klart at fastslå den rolle, som andre EAA spiller i reguleringen af MPS ved fodring og modstandstræning.

Ernæring efter træning for ældre

Definering af ernæringsinterventioner, der maksimalt stimulerer MPS-raten, er af interesse i udviklingen af terapeutiske strategier, der er designet til at bekæmpe aldersrelateret muskeltab (sarkopeni). Årsagen til sarkopeni er sandsynligvis multifaktoriel , men noget tyder på, at ældre mennesker er “resistente” over for de anabole virkninger af aminosyrer og modstandstræning og over for insulins antiproteolytiske virkninger . Kumar og kolleger rapporterede f.eks. en aldersrelateret afstumpning af MPS-responset i den post-absorptive tilstand efter akut modstandstræning udført over en række intensiteter (20-90% 1RM), når den blev målt i løbet af 1-2 timer efter genoptræning efter træning. Men da fritlevende individer typisk spiser efter modstandstræning, kan det kun spekuleres, om den samme afstumpede MPS-respons mellem unge og gamle ville være blevet observeret i den fodrede tilstand.

På trods af det formindskede respons på aminosyretilførsel og motion hos ældre, ser det ud til, at de additive virkninger af fodring og modstandstræning på MPS-hastighederne er bevaret i denne population, idet flere undersøgelser viser, at kombineret fodring og motion resulterer i større stigninger i MPS end fodring alene. Vores laboratorium har for nylig undersøgt dosis-responsforholdet mellem valleproteinindtagelse og myofibrillær proteinsyntese under både hvilede og post-modstandstræningsbetingelser hos ældre mennesker . I modsætning til unge deltagere, hos hvem MPS stimuleres maksimalt efter modstandstræning med ~ 20 g protein, øgede 40 g protein MPS hos ældre mere end 20 g, når de indtages efter modstandstræning , hvilket tyder på, at ældre kan drage fordel af en større mængde aminosyrer og/eller leucin efter modstandstræning for at maksimere myofibrillær proteinsyntese. Til støtte for, at ældre reagerer på større mængder leucin, rapporterede Katsanos og kolleger (2006), at en 6,7 g blanding af EAA indeholdende 26 % leucin ikke var i stand til at fremme en stigning i MPS over basalniveauet hos ældre; men når leucinindholdet i den samme EAA-blanding blev øget til 41 %, blev MPS stimuleret over basalniveauet i samme omfang som det, der blev observeret hos unge forsøgspersoner . Disse resultater tyder på, at aminosyresammensætningen og ikke blot den samlede EAA-sammensætning er af afgørende betydning for det postprandiale respons på MPS i ældre menneskers muskler. Effektiviteten af tilskud af frit leucin i forbindelse med måltidsfodring som en strategi til at øge muskelmassen hos ældre er imidlertid ikke på nuværende tidspunkt understøttet. Verhoeven og kolleger (2009) undersøgte effektiviteten af langvarig leucintilskud på skeletmuskelmasse hos ældre personer og rapporterede, at supplerende leucin (7,5 g pr. dag med måltider) i en 12 ugers periode ikke øgede skeletmuskelmasse eller styrke sammenlignet med en energimatchet placebo . Dette var dog kun hos forsøgspersoner, der indtog standardmåltider, og måltidsinducerede gevinster i muskelmasse fra ernæring alene uden modstandstræning vil sandsynligvis være små, især over en periode på 12 uger. Endvidere var leucintilskuddet forbundet med fald i cirkulerende valin og isoleucin, som kunne være blevet begrænsende for stimuleringen af MPS . Undersøgelser på dyr har vist, at tilførsel af leucin fører til et fald i cirkulerende EAA og reducerer varigheden af den aminosyremedierede stigning i MPS ; men når dette fald forhindres, og basale aminosyrekoncentrationer opretholdes, varer responsen af MPS på aminosyretilførsel ~2 timer . Alt i alt kan yderligere leucin i kosten, som kan fås fra proteiner af høj kvalitet og ikke nødvendigvis i krystallinsk form, være til nogen fordel for ældre mennesker med henblik på at øge MPS . Der er behov for mere forskning for at undersøge effekten af leucinberiget aminosyretilførsel i den tidlige tidsperiode efter modstandstræning på MPS og gevinster i lean masse efter mere langvarig træning.

For nylig har Smith og kolleger (2011a, 2011b) undersøgt rollen af supplerende (4 g dagligt i 8 uger) omega 3 flerumættede fedtsyrer på hastigheder af MPS og aktivering af signalproteiner inden for mTOR-p70S6k-vejen i både unge og midaldrende , og ældre forsøgspersoner . I alle undersøgte aldersgrupper øgede tilskud med omega 3-fedtsyrer signifikant størrelsen af den aminosyre/insulininducerede stimulering af MPS og fosforylering af mTOR . Selv om mekanismerne i øjeblikket er ukendte, tyder disse resultater på, at omega 3-polyumættede fedtsyrer har anabole egenskaber via deres evne til at øge skeletmusklernes følsomhed over for aminosyrer og insulin, selv hos unge raske personer . For nylig er det blevet vist, at supplerende fiskeolie (2 g/dag) også er i stand til at forbedre det adaptive respons på kronisk modstandstræning ved at fremme stigninger i muskelstyrke hos ældre kvinder . Fremtidig forskning bør undersøge den rolle, som supplerende omega 3 flerumættede fedtsyrer spiller for tilvæksten af magert muskelmasse efter en periode med kronisk modstandstræning hos både unge og ældre.

Kulhydrat og insulins rolle i reguleringen af muskelproteinmetabolismen

Indtagelse af et typisk blandet måltid er generelt forbundet med indtagelse af ikke kun diætproteiner og aminosyrer, men også kulhydrater og lipider. Mens der næsten intet er kendt om virkningen af lipid-protein co-indtagelse på direkte målinger af MPS med fodring og modstandstræning, rapporterede Elliot og kolleger, at threonin- og phenylalaninoptagelsen (som indikerer et anabolsk respons) var større efter indtagelse af sødmælk (8,2 g fedt, 8,0 g protein, 11,4 kulhydrat: i alt 627 kcal) sammenlignet med fedtfri mælk eller isokaloriske kontrolbetingelser, der var blottet for fedt. Årsagen til den større anabolisme efter indtagelse af sødmælk er ikke helt klar; den kan dog hænge sammen med den større muskelperfusion, i det mindste i denne undersøgelse. Tidligere undersøgelser har undersøgt kulhydratets (CHO) rolle i reguleringen af den menneskelige muskelproteinmetabolisme . Indtagelse af CHO er forbundet med øgede niveauer af cirkulerende insulin, som har en stærk hæmmende virkning på MPB , og som således er i stand til at forbedre nettoproteinbalancen . I mangel af aminosyreindtag resulterer CHO-indtag imidlertid ikke i en positiv nettoproteinbalance . Vores laboratorium har for nylig undersøgt effekten af kulhydrat-protein-samindtagelse sammenlignet med proteinindtagelse alene på hastigheder af MPS og MPB efter akut modstandstræning hos unge mænd . Forsøgspersoner indtog 25 g valleprotein eller 25 g valleprotein med 50 g tilsat CHO i form af maltodextrin. Arealet under plasmainsulinkurven var ~5 gange højere efter protein-kulhydrat-samindtagelse, men målinger af blodgennemstrømning i lemmerne, MPS og MPB i hvile og efter modstandstræning var ikke forskellige sammenlignet med protein alene . Når proteinindtagelsen er tilstrækkelig stor til at maksimere MPS (se ), er den resulterende hyperaminoacidæmi/hyperinsulinæmi derfor tilstrækkelig til ikke blot at maksimere MPS, men også til fuldt ud at hæmme MPB. Disse resultater bekræfter tidligere arbejde af Greenhaff og kolleger (2008), som viste, at lave koncentrationer (5 mU/L) af insulin er nødvendige for at formidle en maksimal aminosyreinduceret stimulering af proteinsyntese i benene, og at en stigning i plasmainsulin op til 30 mU/L var nødvendig for at reducere proteinnedbrydningen i benene med over 50 % og øge nettoproteinbalancen, men at koncentrationer over dette ikke var yderligere hæmmende for proteinnedbrydningen . Det er vigtigt at bemærke, at selv om CHO måske ikke har nogen grundlæggende betydning for ændringen af nettoproteinbalancen efter modstandstræning, når der tilføres tilstrækkeligt med protein, reduceres muskelglykogenet efter modstandstræning, og CHO spiller en vigtig rolle i muskelglykogenresyntesen og er derfor nyttigt for at forbedre restitutionen efter træning .