Free Press

De synergistiska effekterna av aminosyratillförsel och motståndsträning på skelettmuskulaturens proteinsynteshastighet (MPS) är nu väl beskrivna (för översikter se: ). Konsumtion av aminosyror i kosten efter motståndsträning stimulerar en ökning av MPS och är nödvändig för att skifta nettoproteinbalansen (definierad som MPS minus muskelproteinnedbrytning (MPB)) från negativ (nettoproteinförlust) till positiv (nettoproteintillväxt) . Hos friska individer är de foderinducerade förändringarna i MPS ~3-5 gånger större under en viss dag än mätbara förändringar i MPB, vilket visar att MPS är mycket känsligt, reglerat och utgör den primära drivkraften för förändringar i muskeln nettoproteinbalans. Det är därför troligt att förändringar i MPS är av stor betydelse för att kroniska förhöjningar av muskelproteinbalansen ska resultera i ökad muskelmassa. Vi hävdar inte att MPB är en trivial biologisk process; MPB bidrar till att upprätthålla intracellulära aminosyrenivåer och spelar sannolikt en roll för att upprätthålla muskelproteinkvaliteten genom att avlägsna skadade proteiner och låta deras ingående aminosyror användas för syntesen av nya funktionella muskelproteiner. Följaktligen föreslår vi att näringsinterventioner som förbättrar MPS kan vara av stort vetenskapligt och kliniskt intresse som en strategi för att främja positiv muskelproteinbalans och eventuell muskelproteintillväxt. Vidare kan dessa interventioner vara av intresse för idrottare som vill förbättra skelettmuskulaturens adaptiva svar på kronisk träning. Aktuell forskning har visat att faktorer som dosen av intaget protein/essentiella aminosyror (EAA), proteinkällan (dvs. vassle, soja, micellärt kasein) och tidpunkten för intag av protein/EAA påverkar omfattningen (och eventuellt varaktigheten) av MPS som svar på utfodring och motståndsträning. Annan forskning har fokuserat på förmågan att förbättra MPS genom att tillföra ökade mängder leucin eller arginin i en aminosyrahaltig lösning. Slutligen har man också uppmärksammat hur konsumtion av blandade makronäringsämnen påverkar muskelproteinmetabolismen. Syftet med denna översikt är att diskutera den näringsmässiga regleringen av mänsklig MPS och ge en uppdatering av näringsstrategier som kan tjäna till att maximera MPS med utfodring och motståndsträning.

Redefiniering av ”fönstret för anabolisk potential” efter motståndsträning

Och även om den aminosyramedierade ökningen av MPS är övergående, och endast varar i högst några timmar, resulterar den kontraktila aktiviteten som är förknippad med intensiv motståndsträning i ökade MPS-hastigheter som upprätthålls i ~48 timmar i fastande tillstånd hos unga deltagare . Det är nu otvetydigt att tillförsel av aminosyror omedelbart efter träning är en effektiv näringsbaserad strategi för att öka MPS i högre grad än vad som observerats vid enbart träning. Betydelsen av ett tidigt proteinintag efter träningen beror på att de träningsmedierade ökningarna av MPS är störst omedelbart efter träningen (~100-150 % över basala nivåer), och därmed är de synergistiska effekterna av träning och utfodring på MPS troligen störst under denna tidsperiod. Eftersom motståndsträning ökar MPS i upp till ~48 timmar skulle konsumtion av aminosyror i kosten 24-48 timmar efter återhämtning efter träning sannolikt också ge samma synergieffekter på MPS som de som observeras när aminosyror ges omedelbart efter motståndsträning . Som framgår av figur 1 är den synergistiska förstärkningen av redan existerande motståndsträningsinducerade förhöjningar av MPS genom tillförsel av protein störst omedelbart efter träningen och avtar med tiden, men kan fortfarande vara närvarande upp till 48 timmar senare. Vi har nyligen visat att utfodring med 15 g vassleprotein, en mindre än optimalt effektiv proteindos för att maximera MPS, ~24 timmar efter akut motståndsträning resulterar i en större stimulering av myofibrillär proteinsyntes (sammandragningsproteiner i skelettmuskulaturen) än samma dos som gavs i vila (figur 2). Effekten av ökad känslighet för proteinintag inducerad av tidigare motståndsträning som utförts 24 timmar tidigare var dock oberoende av mängden vikt som lyftes. Motståndsträning utfördes med relativt hög belastning (90FAIL) eller låg belastning (30FAIL), men båda dessa övningar utfördes till frivillig trötthet. Oavsett träningsbelastning var det slutliga resultatet alltså en liknande ökning av rekryteringen av muskelfibrer. Framtida forskning bör undersöka om det finns åldersrelaterade skillnader i motståndsträningens förmåga att förmedla en ökad känslighet hos MPS för proteinintag när det konsumeras ~24 timmar efter träningen, och om denna effekt påverkas av vilken typ av protein som konsumeras, eftersom dessa resultat skulle vara relevanta för att öka vår förståelse av de faktorer som är inblandade i åldersrelaterad muskelförlust.

Näringstillförsel under natten kan också utgöra en effektiv näringsstrategi för att stimulera MPS och därmed öka ”fönstret för anabola möjligheter” genom att främja en större nettoproteinbalans i muskeln under loppet av 24 timmar. Tidigare forskning har visat att MPS-nivån under natten är ganska låg, men både intragastrisk proteintillförsel under sömnen och oralt proteinintag efter motståndsträning omedelbart före sänggåendet följs av normal proteinspjälkning och absorptionskinetik och en stimulering av MPS under natten. Vi hävdar därför att en korrekt planerad tillförsel av protein/EAA, inte bara omedelbart efter, utan upp till 24 timmar efter träningen, noggrant bör övervägas som en koststrategi för att maximalt stimulera den träningsinducerade MPS-frekvensen.

Mekanismer som ligger till grund för skelettmuskulaturens ökade känslighet efter träning

Dietära aminosyror och insulin är viktiga näringsreglerade effektorer av MPS och MPB och nyligen utförda arbeten har belyst de molekylära vägar som är involverade i regleringen av den aminosyra- och kontraktionsinducerade ökningen av MPS. En omfattande genomgång av den molekylära regleringen av MPS som svar på näring och motion ligger utanför ramen för denna artikel, men kan hittas på annat håll . Proteinkinaset mTORC1 fungerar som en kritisk integrationspunkt från ett stort antal signaler som främjar MPS, inklusive aminosyror från kosten och muskelkontraktion . Specifikt reglerar mTORC1 MPS genom fosforylering av nedströms proteineffektorer såsom p70S6k och 4E-BP1 som är involverade i translationsinitiering av MPS. Vidare blockerar blockering av mTOR-aktiviteten med läkemedlet rapamycin både kontraktion och EAA-medierad ökning av mänsklig MPS, vilket visar att detta kinas är viktigt för regleringen av MPS. Hittills har flera studier visat att tillförsel av aminosyror efter motståndsträning och den efterföljande ökningen av MPS är förknippade med ökad fosforylering av komponenter i mTOR-signalkaskaden över de nivåer som observeras efter träning utan näringsämnen . Det har dock tidigare rapporterats att det finns ett samband mellan direkta mätningar av MPS-frekvensen och omfattningen av fosforylering av muskelnas anabola signalmolekyler. Vidare förstår man inte exakt hur aminosyror kan aktivera mTORC1 för att öka MPS, även om MAP4K3 , vacuolärt sorteringsprotein 34 (Vps34) och Rag GTPaser är signalproteiner som är tänkbara aminosyra-”sensorer” som kan reagera på förändringar i aminosyrakoncentrationen med efterföljande aktivering av mTORC1. Dessutom har det rapporterats att mRNA-uttrycket av vissa aminosyretransportörer i skelettmuskulaturen, t.ex. LAT1 (SLC7A5), SNAT2 (SLC38A2), CD98 (SLC3A2) och PAT1 (SLC36A1), ökar efter intag av EAA och motståndsträning i mänsklig skelettmuskulatur. Dessa transportörer kan spela en viktig roll i regleringen av proteinmetabolismen i musklerna på grund av deras förmåga att transportera aminosyror genom cellmembranet och vidarebefordra signaler till nedströmsmål som tros reglera MPS . En ökning av proteinnivåerna för vissa av dessa aminosyretransportörer har också observerats efter intag av EAA och motståndsträning , men det är för närvarande oklart om ökningar av mRNA- och proteinuttrycket av dessa transportörer är förknippade med ökad aminosyretransportkapacitet. Det är uppenbart att ytterligare forskning behövs för att definiera den funktionella och fysiologiska betydelsen av dessa transportörer i den närings- och träningsmedierade regleringen av MPS.

Optimering av MPS: proteinkällans roll

Intag av kostproteiner, inklusive vassle , äggalbumin , soja , kasein och nötkött, kan alla stimulera MPS. Kostproteiner från olika källor skiljer sig dock åt i sin förmåga att stimulera MPS både i vila och efter motståndsträning . Arbete från vårt laboratorium har till exempel visat att vassleprotein och nötmjölk främjar större ökningar av MPS efter akut motståndsträning än vad konsumtion av en motsvarande mängd växtbaserat sojaprotein gör, trots att dessa proteinkällor har en proteinförtäringskorrigerad aminosyrapoäng (PDCAAS) på över 1,0. Begränsningarna i PDCAAS-poängsystemet och den konstgjorda trunkeringen vid 1,0, när vissa proteiner har en PDCAAS på > 1,0, har diskuterats i vår tidigare översikt . De mekanismer som ligger bakom dessa skillnader är inte helt klara, men kan hänga samman med viktiga skillnader i aminosyraprofilen och/eller tillgången på aminosyror på grund av skillnader i proteinernas matsmältnings-/absorptionskinetik. Vassleprotein är syrolösligt och är förknippat med en mycket snabb, stor men övergående ökning av tillgången på aminosyror efter födseln, medan kasein koagulerar och fälls ut när det utsätts för magsyra och den resulterande ostmassan släpps långsamt ut ur magsäcken, vilket resulterar i en mycket mer måttlig men ihållande ökning av aminosyror i plasma. Vårt laboratorium har nyligen jämfört effekterna av vassleproteinisolat med micellärt kasein på MPS hos äldre män. I överensstämmelse med våra tidigare resultat hos unga försökspersoner rapporterade vi större ökningar av leucinkoncentrationen i blodet och ökningar av MPS både i vila och efter träning efter intag av 20 g vassleproteinisolat än intag av micellärt kasein. Dessa data bekräftar vårt tidigare arbete som visar att en snabb hastighet av aminosyror i blodet efter utfodring förbättrar MPS och anabola cellsignaler efter motståndsträning mer än en långsam hastighet av aminosyror , vilket stödjer uppfattningen att proteinets matsmältnings- och absorptionshastighet utgör en viktig faktor i den näringsmässiga regleringen av MPS hos människor . Våra uppgifter om MPS skiljer sig i vissa avseenden från de resultat som erhållits från studier av helkroppsproteinomsättning , vilket sannolikt beror på att skelettmuskulaturen endast står för ~30 % av helkroppsproteinsyntesen och omsätts med en hastighet som är betydligt lägre (~20 gånger) än både splanchniska proteiner och plasmaproteiner . Intressant nog tyder ny forskning på att matens form (dvs. flytande eller fast) kan vara en viktig faktor som reglerar tillgängligheten av aminosyror i plasma efter födointag. Conley och kollegor visade till exempel större ökningar av plasmaaminosyror som var mer långvariga efter att dryck hade administrerats jämfört med samma tillskott (dvs. energi- och makronutrientmatchning) som gavs i form av fast föda. Dessa resultat är intressanta mot bakgrund av att den postprandiella ökningen av plasma-EAA och/eller leucin tycks vara den viktigaste regulatorn för den postprandiella ökningen av MPS, men det behövs mer forskning för att fastställa den fysiologiska betydelsen av livsmedelsformen när det gäller regleringen av MPS.

Leucin som en näringssignal i skelettmuskulaturen

Av aminosyrorna är EAA främst ansvariga för att stimulera MPS , medan icke-essentiella aminosyror verkar ineffektiva i detta avseende . Den grenade aminosyran (BCAA) leucin verkar unik bland EAA som en nyckelregulator för translationsinitiering av MPS . Leucin, men inte isoleucin eller valin, kan till exempel stimulera en ökning av MPS genom aktivering av mTOR-p70S6k-vägen i djur . Arbete i cellkultur med C2C12-celler har visat att leucin är det mest potenta bland EAA när det gäller förmågan att öka fosforyleringsstatusen för p70S6k, och det enda EAA som kan öka fosforyleringsstatusen för mTOR och 4E-BP1 . Med hänsyn till dessa uppgifter har den senaste forskningen fokuserat på att utnyttja leucin som en del av en näringsintervention för att modulera MPS och/eller muskelmassa hos människor. Tipton och medarbetare undersökte effekten av fritt leucin (3,4 g) tillsatt till vassleprotein (16,6 g) på MPS-nivåer efter akut motståndsträning och rapporterade ingen ytterligare ökning av MPS med tillsats av fritt leucin jämfört med den som tidigare rapporterats för 20 g vassleprotein. Dessa uppgifter är dock inte överraskande mot bakgrund av arbete från vår grupp och andra där dos-responsförhållandet mellan protein/EAA-intag och MPS undersöktes. Moore och medarbetare rapporterade att MPS stimulerades maximalt hos unga män med 20 g högkvalitativt protein efter motståndsträning. 40 g protein resulterade inte i ökad MPS utöver den som observerades med 20 g, utan helt enkelt i förhöjda nivåer av aminosyraoxidation. Intag av leucin i större mängder än vad som finns i en mättande dos (20-25 g vassleprotein innehållande 2,5-3.0 g leucin) av högkvalitativt protein är osannolikt att ytterligare stimulera en ökning av MPS:s omfattning eller varaktighet. Dessa uppgifter är dock hämtade från unga friska män som väger ~86 kg och den maximalt effektiva proteindosen kan vara helt annorlunda hos t.ex. en kvinnlig gymnast på ~50 kg eller en bodybuilder på 120 kg. Äldre personer är också en population som kan behöva större mängder protein och/eller leucin i kosten för att få en kraftig ökning av MPS som svar på utfodring. Framtida forskning behövs för att definiera den mängd leucin som krävs för att stimulera MPS hos både unga och äldre vuxna och för att tydligt fastställa andra EAA:s roll i regleringen av MPS vid utfodring och motståndsträning.

Näring efter träning för äldre

Definiering av näringsinterventioner som maximalt stimulerar MPS-nivåer är av intresse för utveckling av terapeutiska strategier som är utformade för att bekämpa åldersrelaterad muskelförlust (sarkopeni). Orsaken till sarkopeni är sannolikt mångfacetterad, men vissa bevis tyder på att äldre människor är ”resistenta” mot de anabola effekterna av aminosyror och motståndsträning samt mot insulinets antiproteolytiska effekter. Kumar och medarbetare rapporterade till exempel en åldersrelaterad avtrubbning av MPS-svaret i det post-absorptiva tillståndet efter akut motståndsträning utförd med olika intensiteter (20-90 % 1RM), mätt under 1-2 timmar efter återhämtningen efter träningen. Eftersom fritt levande individer vanligtvis äter efter motståndsträning kan man dock bara spekulera om samma avtrubbade MPS-svar mellan unga och gamla skulle ha observerats i matat tillstånd.

Trots det minskade svaret på aminosyratillförsel och träning hos äldre verkar det som om de additiva effekterna av utfodring och motståndsträning på MPS-hastigheterna bevaras i denna population, och flera studier visar att kombinerad utfodring och träning resulterar i större ökningar av MPS än utfodring ensam . Vårt laboratorium har nyligen undersökt dos-responsförhållandet mellan vassleproteinintag och myofibrillär proteinsyntes under både vila och efter motståndsträning hos äldre . I motsats till unga deltagare hos vilka MPS stimuleras maximalt efter motståndsträning med ~20 g protein, ökade 40 g protein MPS hos äldre mer än 20 g när det intogs efter motståndsträning , vilket tyder på att äldre kan dra nytta av en större mängd aminosyror och/eller leucin efter motståndsträning för att maximera myofibrillär proteinsyntes. Till stöd för att äldre personer reagerar på större mängder leucin rapporterade Katsanos och kollegor (2006) att en 6,7 g blandning av EAA som innehöll 26 % leucin inte kunde främja en ökning av MPS över basala nivåer hos äldre personer. När leucininnehållet i samma EAA-blandning ökades till 41 % stimulerades dock MPS över basala nivåer i samma utsträckning som den som observerades hos unga personer . Dessa resultat tyder på att sammansättningen av aminosyror, och inte bara den totala mängden EAA, är av avgörande betydelse när det gäller att bestämma det postprandiella svaret på MPS i äldre människors muskler. Effekten av tillskott av fritt leucin i samband med utfodring av måltider som en strategi för att öka muskelmassan hos äldre personer stöds dock inte för närvarande. Verhoeven och medarbetare (2009) undersökte effekten av ett långvarigt leucintillskott på skelettmuskelmassan hos äldre personer och rapporterade att kompletterande leucin (7,5 g per dag i samband med måltider) under en tolvveckorsperiod inte ökade skelettmuskelmassan eller styrkan jämfört med en energimatchad placebo . Detta gällde dock endast försökspersoner som åt vanliga måltider, och måltidsinducerade vinster i muskelmassa från enbart mat utan motståndsträning är sannolikt små, särskilt under en tolvveckorsperiod. Vidare var leucintillskott förknippat med minskningar av cirkulerande valin och isoleucin som kan ha blivit begränsande för stimuleringen av MPS . Studier på djur har visat att tillförsel av leucin leder till en minskning av cirkulerande EAA och minskar varaktigheten av den aminosyramedierade ökningen av MPS. När denna minskning förhindras och basala aminosyrakoncentrationer bibehålls, varar dock svaret på MPS på tillförsel av aminosyror ~2 timmar . Sammantaget kan extra leucin i kosten, som kan erhållas från proteiner av hög kvalitet och inte nödvändigtvis i kristallin form, vara till viss nytta för äldre när det gäller att öka MPS . Mer forskning behövs för att undersöka effekten av tillförsel av leucinberikade aminosyror i den tidiga tidsperioden efter motståndsträning på MPS och vinster i muskelmassa efter mer långvarig träning.

Nyligen har Smith och kollegor (2011a, 2011b) undersökt rollen av kompletterande (4 g dagligen i 8 veckor) omega 3-fettsyror med fleromättade fettsyror på MPS-frekvensen och aktiveringen av signalproteiner inom mTOR-p70S6k-banan hos både unga och medelålders , och äldre personer . I alla undersökta åldersgrupper ökade tillskott av omega 3-fettsyror signifikant storleken på den aminosyra/insulininducerade stimuleringen av MPS och fosforylering av mTOR . Även om mekanismerna för närvarande är okända, tyder dessa resultat på att fleromättade omega 3-fettsyror har anabola egenskaper genom sin förmåga att öka skelettmuskelns känslighet för aminosyror och insulin, även hos unga friska individer . Nyligen har det visats att kompletterande fiskolja (2 g/dag) också kan förbättra det adaptiva svaret på kronisk motståndsträning genom att främja ökningar av muskelstyrkan hos äldre kvinnor . Framtida forskning bör undersöka vilken roll kompletterande omega 3 fleromättade fettsyror spelar för uppbyggnaden av muskelmassa efter en period av kronisk motståndsträning hos både unga och äldre.

Kolhydraternas och insulinets roll i regleringen av muskelproteinmetabolismen

Konsumtionen av en typisk blandad måltid är i allmänhet förknippad med intag av inte bara kostproteiner och aminosyror, utan även kolhydrater och lipider. Även om nästan ingenting är känt om effekten av samintag av lipider och proteiner på direkta mätningar av MPS vid utfodring och motståndsträning, rapporterade Elliot och kollegor att upptaget av threonin och fenylalanin (som indikerar ett anabolt svar) var större efter intag av helmjölk (8,2 g fett, 8,0 g protein, 11,4 kolhydrater: totalt 627 kcal) jämfört med fettfri mjölk eller isokaloriska kontrollförhållanden som saknade fett. Orsaken till den större anabolismen efter intag av helmjölk är inte helt klar; den kan dock hänga samman med den större muskelperfusionen, åtminstone i den studien. I tidigare studier har man undersökt kolhydraternas (CHO) roll i regleringen av proteinmetabolismen i mänskliga muskler . Intag av CHO är förknippat med ökade nivåer av cirkulerande insulin, som har en starkt hämmande effekt på MPB , och därmed kan förbättra nettoproteinbalansen . I avsaknad av aminosyraintag resulterar CHO-intag dock inte i en positiv nettoproteinbalans . Vårt labb har nyligen undersökt effekten av kolhydrat-protein samintag jämfört med enbart proteinintag på hastigheter av MPS och MPB efter akut motståndsträning hos unga män . Försökspersonerna konsumerade 25 g vassleprotein eller 25 g vassleprotein med 50 g tillsatt CHO i form av maltodextrin. Arean under plasmainsulinkurvan var ~5 gånger högre efter protein- och kolhydratintag, men mätningar av blodflöde i extremiteterna, MPS och MPB i vila och efter motståndsträning skiljde sig inte åt jämfört med enbart protein . När proteinintaget är tillräckligt stort för att maximera MPS (se ) är den resulterande hyperaminoacidemi/hyperinsulinemi därför tillräcklig för att inte bara maximera MPS utan också helt hämma MPB. Dessa resultat bekräftar tidigare arbete av Greenhaff och kollegor (2008) som visade att låga koncentrationer (5 mU/L) av insulin krävs för att förmedla en maximal aminosyrainducerad stimulering av proteinsyntesen i benet, och att det krävdes en ökning av plasmainsulinet upp till 30 mU/L för att minska nedbrytningen av protein i benet med över 50 % och öka nettoproteinbalansen, men att koncentrationer över detta inte var ytterligare hämmande för proteinnedbrytningen . Det är viktigt att notera att även om CHO kanske inte har någon grundläggande betydelse för att ändra nettoproteinbalansen efter motståndsträning när tillräckligt med protein tillförs, så minskar muskelglykogenet efter motståndsträning och CHO har en viktig roll i resyntesen av muskelglykogen och är därför användbart för att förbättra återhämtningen efter träning.