Kopi fra DBC Webarkiv

Transkript

1 Kopi fra DBC Webarkiv Kopi af: Michael Kristensen : Muskeltræthedens velbevarede hemmelighed Dette materiale er lagret i henhold til aftale mellem DBC og udgiveren. dbc@dbc.dk

2 16 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b Muskeltræthedens velbevarede hemmelighed Når en muskel arbejder, bliver den træt. På trods af den åbenlyse interesse vi har i at forstå dette fænomen, er der stadig forbavsende meget, vi ikke ved om muskeltræthedens hemmeligheder. Af Martin Krøyer Rasmussen og Michael Kristensen Hver gang Tour de France eller andre store sportsbegivenheder ruller over skærmen, bombarderes vi med udsagn som sukkerkold, muskler der syrer til, ben der føles som bly osv. Alle disse udsagn udtrykker en og samme ting, nemlig at sportsudøveren har nået en grænse for sin fysiske formåen. Det interessante spørgsmål er imidlertid, hvad det er i kroppen der sætter denne begrænsning hvad udløser denne træthed, når vi kigger ind i den enkelte muskelcelle. Bliver man træt fordi man ikke fik nok sukker på sine havregryn til morgenmad? Er det mælkesyrer der får musklerne til at syre til og blive uarbejdsdygtige? Eller bliver benene blot bly-tunge, fordi nervesignaler fra musklerne prøver at overbevise hjernen om dette? Spørgsmål er der nok af, mens det kniber mere med at blive enige om svarene. To typer af træthed Arbejdsinduceret muskeltræthed er flere gange blevet forsøgt defineret. Én definition har været, at muskeltræthed skyldes nedsat kraftudvikling fra den arbejdende muskel. Et er definitioner på muskeltræthed, noget andet er de fysiologiske parametre der ligger til grund for, at skeletmuskulaturen trættes under fysisk aktivitet. Svaret er formodentlig, at mange faktorer spiller ind, hvor bl.a. intensiteten og varigheden af arbejdet samt træningsstatus spiller en vigtig rolle. Normalt skelnes mellem to typer af træthed, nemlig central og perifer. Perifer træthed defineres som muskeltræthed forårsaget af fysiologiske ændringer lokalt i og omkring den arbejdende muskel, mens den centrale træthed er tilknyttet centralnervesystemet (hjerne og rygmarv). Sidstnævnte er det vi forbinder med motivationens betydning under Forskerne har stadig ikke helt styr på, hvad der betinger muskeltræthed på det cellulære niveau. fysisk aktivitet. Denne er måske ikke så stor hvis vejret er dårligt, man er træt i hovedet efter en lang arbejdsdag eller kampen er uden betydning for den endelige placering. Omvendt vil en millionbonus eller det at løbe for sit liv, formodentlig have en kraftig positiv effekt på motivationen. Selvom motivationen selvfølgelig spiller en vigtig rolle i forbindelse med muskeltræt-

3 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b hed vil dens bidrag som oftest udgøre mindre end 10 % af den samlede reduktion af kraftudvikling og i de fleste tilfælde er det således den perifere træthed, der spiller langt den vigtigste rolle i forbindelse med muskeltræthed. Mange faktorer spiller ind Vores viden omkring de biologiske begivenheder der fører til udviklingen af den perifere muskeltræthed er stadigvæk langtfra fuldstændig, og diskuteres til stadighed forskere imellem. Forståelsen for udviklingen af muskeltræthed kompliceres yderligere af, at de faktorer der bevirker muskeltræthed formodentlig er forskellige alt afhængig af hvilken type af muskelarbejde der er tale om. De fleste personer vil kunne skrive under på at der er forskel på den træthed man oplever efter en 100 meter sprint (kort varighed og høj intensitet) sammenlignet med hvad man oplever efter et længere løb som eksempelvis et maratonløb (lang varighed og lav intensitet). Dette giver også mening fysiologisk set, da det formodentlig er forskellige faktorer der medfører muskeltrætheden. Det er foreslået at ændringer i mælkesyrebalancen, den uorganiske fosfation (P i ), eller kaliumionen (K + ) influerer på udviklingen af muskeltræthed under bl.a. sprint, mens det under et maratonløb måske snarere er f.eks. reduceret glykogenmængde (mængden af sukker, energistatus) i musklerne eller dehydrering (væsketab) der er den vigtigste virkningsmekanisme. Der er altså en lang række forskellige faktorer der spiller ind, når både superatleter såvel som motionister ikke længere kan opretholde et givet aktivitetsniveau fordi musklen er påvirket i så ekstrem grad at funktionen nedsættes. Det paradoksale og sjove ved fænomenet er at det opstår som følge af fysisk aktivitet og således er en mekaniske der hæmmer sin egen dannelse. Den elektriske muskel En del af svaret på muskeltræthedens hemmelighed skal formodentlig findes i opbygningen og funktionen af selve musklen. Muskler Muskel Bundt af muskelfibre Langsom fiber Hurtig fiber Hvad der sker i en muskelcelle ved sammentrækning af musklen? 1. I hvile er koncentrationen af kalium høj inden i musklen og lav udenfor, og omvendt for natrium. Indersiden af cellemembranen er negativt ladet. 2. Når der går besked fra hjernen om, at musklen skal trække sig sammen, åbnes ionkanaler for natrium, der strømmer ind i cellen. Det får ladningen til at skifte til positivt ladet for cellemembranens inderside. Der frigøres derved calciumioner inde i cellen. Det får muskelfi beren til at trække sig sammen. Muskler udgør mere end en tredjedel af kropsmassen hos en normal 30årig person. En muskel (f.eks. m. Biceps) er opbygget af mange muskelfi bre. Muskelfi bre adskiller sig på fl ere måder fra andet væv i kroppen. Dette både anatomisk, hvor længden kan variere fra nogle få mm og op til ca 30 cm, og fysiologisk da de indeholder fl ere cellekerner. Muskelfi bren indeholder desuden Muskelfiber Muskelcelle 3. Ionkanalen for kalium åbner, og der strømmer kalium ud af cellen. Membranen bliver dermed igen negativ og musklen er klar til en ny sammentrækning. Natrium-kaliumpumpen sørger for at pumpe natrium og kaliumioner hhv. ud og ind af cellen modsat gradienten, hvilket gør, at forskellen i ionkoncentrationen på indersiden og ydersiden i længden kan opretholdes. Muskelfiberen Den enkelte muskelfi ber er opbygget af bundter af myofi briller, som igen er opbygget af enheder kaldet sarkomerer. Disse sarkomerer består principielt af to slags proteiner, aktin og myosin. Disse proteinfi lamenter glider langs hinanden for at trække hele sarkomeren sammen. Kollektivt får de hele muskelfi beren til at trække sig sammen. Ionkanaler Aktin bundter af proteintråde, myofi briller, der strækker sig i hele cellens længde. De enkelte muskelfi bre er omgivet af bindevæv og pakkede i bundter kaldet fasciculi. Disse bundter er igen omgivet af fl ere typer af bindevæv og udgør tilsammen den funktionelle muskel (f.eks. m. biceps). Der fi ndes to typer fi bre. Røde, langsomme fi bre, der er modstandsdygtige over for udtrætning, men til gengæld langsommere i optrækket, når hjernen kræver en eksplosiv kraftudladning. Hvide, hurtige muskelfi bre reagerer hurtigere og stærkere, men kan også trættes hurtigere. Myofibril Na/K-pumpe Natriumioner Kaliumioner Calciumioner Sarkomer Myosin Spændt Afslappet

4 18 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b Et stykke muskel tages ud ved hjælp af en biopsinål. Heri kan man f.eks. måle mængden af Na + /K + -pumper. Denne er opbygget af en række langstrakte celler (muskelfibre) der som bundter er omgivet af en bindevævshinde. En muskelfibers cellemembran er opbygget af et dobbelt lag af fedtmolekyler, som er svært gennemtrængelige for ladede partikler (ioner). Ionerne kan dog passere igennem cellemembranen via forskellige proteiner der bl.a. fungerer som kanaler. Der er dog forskel på hvornår de enkelte kanaler er åbne og dermed hvornår gennemtrængeligheden for de enkelte ioner som f.eks. de positivt ladet kalium- og natriumioner er størst. I en hvilende muskelfiber er koncentrationen af kalium inde i cellen ca. 35 gange højere end i den omgivende vævsvæske. For natriumioner er det omvendt, her er koncentrationen ca. 10 gange større udenfor muskel fiberen sammenlignet med indenfor. I en hvilende muskel vil fordelingen Sådan bestemmer man mængden af Na+/K+-pumpen Na + /K + -pumpen er et sammensat protein der består af en stor og en lille proteinenhed. Der fi ndes fl ere forskellige varianter af både de store og de små enheder. Når man vil undersøge mængden af pumpeenhederne i et stykke muskel, eksempelvis udtaget fra et menneske ved brug af en biopsinål, kan man benytte fl ere teknikker. En er westernblotting, som bygger på en adskillelse af enhederne efter deres størrelse. Dette gøres ved at en opløst muskel køres på en gel, der kan sammenlignes med et fi nmasket net. I dette net vil små enheder bevæge sig hurtigere og dermed længere end store enheder og man får på denne måde adskilt disse efter størrelse. Ved brug af antistoffer der binder til disse proteinenheder kan man herefter visualisere de forskellige pumpeenheder og bestemme deres relative tilstedeværelse i musklerne. Fordelen ved denne teknik er, at man kan kigge på alle pumpens enheder. Ulempen er, at metoden ikke altid er 100 % specifi k, og at man ikke kan måle absolutte værdier. En anden teknik er mærkning af pumpen vha. radioaktiv ouabain. Ouabain er et giftstof der fi ndes i visse planter og som binder sig til Na + /K + -pumpens store enhed. Ved brug af radioaktivt mærket ouabain kan mængden af pumper bestemmes ved at måle hvor meget radioaktivt ouabain musklen binder. Fordelen ved denne teknik er, at den absolutte mængde af de store pumpeenheder kan bestemmes. Ulempen er, at man ikke kan adskille hvilke af de store enheder man ser på, samt at man ikke får nogen information om de små enheder. Begge metoder er ofte brugt til f.eks. at se hvad der sker med mængden af Na + /K + -pumpen ved at sammenligne værdier før og efter længerevarende træning. På tegningen ses den tredimensionelle opbygning af Na + /K + - pumpen. Den grå kasse angiver cellemembranen, hvori pumpen sidder. De to lilla kugler midt i strukturen illustrerer to kaliumioner i færd med at blive transporteret gennem membranen. Grafi k: Molekylærbiologisk Institut Aarhus Universitet af bl.a. de nævnte ioner bevirke at indersiden af en muskelfiber er negativ ladet (målt i mv) set i forhold til ydersiden. Denne spændingsforskel kaldes for hvilemembranpotentialet og vil som regel ligge på ca. -80mV. Når musklen får besked fra hjernen, via nervesystemet, om at den skal trække sig sammen, sætter det en række begivenheder i gang der leder til selve sammentrækningen af de mange muskelfibre som musklen består af og dermed kraftudviklingen. Signalet fra nervesystemet vil i første omgang åbne kanaler der lukker natriumioner ind i muskelfiberen, hvilket resulterer i at muskelfiberens inderside bliver positiv ladet i forhold til ydersiden. Denne ændring i ladning betyder at der frigøres calciumioner inde i den enkelte muskelfiber, hvilket medfører sammentrækning af fiberen og dermed i sidste ende hele musklen. I muskelfiberen findes også kanaler der lukker kaliumioner ud af cellen. Disse åbner senere end kanalerne der lukker natriumioner ind og åbningen af disse kanaler vil betyde at kaliumioner strømmer ud af muskelfiberen, hvorved indersiden igen vil bliver negativ i forhold til ydersiden, og hvilemembranpotentialet (-80 mv) genoprettes. Musklen er nu klar til en ny sammentrækning. En konsekvens af ovennævnte flytning af ioner ville ved gentagende muskelsammentrækninger betyde, at koncentrationerne af ionerne hurtigt ville blive ens på begge sider af membranen, hvis der ikke var en mekanisme tilstede i musklen, der prøvede at modvirke dette. En sådan mekanisme findes i form af natrium-kaliumpumpen (Na + /K + -pumpen) der under forbrug af energi transporterer ionerne mod deres koncentrationsgradienter. Det vil sige kaliumioner ind og natriumioner ud af muskelfiberen. Denne pumpe blev første gang beskrevet i 1957 af Jens Chr. Skou fra Århus Universitet, og gav ham i 1997 Nobelprisen. Kalium spiller en væsentlig rolle Under vedvarende aktivering af musklerne er det vist at Na + /K + - pumpen ikke kan nå at tilbagetransportere alle de kaliumioner der strømmer ud af muskelfiberen. Man har således bl.a. i blodet hos forsøgspersoner, der har arbejdet på kondicykler til udmattelse, målt forhøjede koncentrationer af kalium i blodplasmaet. Lignende stigninger i kaliumkoncentrationerne er også fundet lokalt omkring den enkelte muskelfiber, hvor man ved indsættelse af millimetertynde plastikrør i musklen har opsamlet den vævsvæske der ligger umiddelbart rundt om muskelfibrene. Spørgsmålet er så hvilken effekt denne tidsmæssige ændring i kaliumkoncentrationen har på musklens kraftudvikling? I forsøg hvor muskler fra rotter er blevet taget ud og lagt i en væske med en meget høj kaliumkoncentration har man kunnet måle en sammenhæng mellem koncentrationsforskellen og kraftudviklingen, således at jo mindre forskel (mere kalium udenfor fiberen) jo større nedsættelse i kraftudviklingen af

5 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b den enkelte muskel. Samme type forsøg har vist, at sådanne ændringer af kaliumkoncentrationen også ændrer musklens hvilemembranpotentiale. Denne ændring i musklens hvilemembranpotentiale medfører, at natriumkanalerne der starter hele processen med sammentrækning af musklen får sværere ved at virke; med andre ord, muskeltræthed indtræffer. Der er efterhånden en udbredt enighed om at ændringer i fordelingen af kaliumionerne spiller en væsentlig rolle i forbindelse med udviklingen af den perifere muskeltræthed og at dette især er tilfældet under høj-intens fysisk aktivitet af få minutters varighed. Træning og muskeltræthed Ved træning vil de fleste personer opleve, at deres styrke og/ eller udholdenhed med tiden vil forbedres. Hvis opretholdelsen af kaliumkoncentrationerne i musklerne er en vigtig parameter i forbindelse med i hvert fald nogle typer af muskeltræthed, vil man forvente at mængden af de proteiner der er involveret heri vil kunne trænes. Som nævnt er Na + /K + -pumpen hovedansvarlig for at opretholde forskellen i fordelingen af kaliumionerne over muskelfiberens cellemembran. Det har vist sig at musklerne ved træning, som et respons på den belastning de udsættes for, øger antallet af Na + /K + -pumper i muskelfiberen. Dette betyder at musklen bliver bedre til at transportere kalium-ionerne tilbage ind i muskelfiberen (og natriumioner ud), hvorved der vil gå længere tid før der ophobes så meget kalium udenfor musklen at der opstår muskeltræthed. I undersøgelser hvor forsøgspersoner er fulgt gennem træningsprogrammer af 6-8 ugers varighed, er der fundet stigninger i antallet af Na + /K + -pumper på ca. 20 %. Dette stemmer overens med det, faktum at veltrænede atleter har større mængder af Na + /K + -pumper i forhold til utrænede. Opbygningen af nye Na + /K + - pumper er en langsommelig proces der kræver regelmæssig Mælkesyre En faktor der har været ivrigt diskuteret blandt både sportsfolk og forskere er mælkesyres effekt på præstationsevnen. En hårdtarbejdende muskel vil naturligt danne mælkesyre under sit forsøg på at danne energi til sammentrækningen. Den dannede mælkesyre vil, hvis ikke der er ilt nok tilstede, ophobes i musklen. Dette vil betyde et fald i ph, hvilket har ført til udtrykket at musklen syrer til. Man har i mange år ment at mælkesyreproduktionen derfor var en væsentlig årsag til at musklen blev træt. Nyere forskning har imidlertid vist at dette måske ikke er tilfældet. Forsøg udført på Aarhus Universitet har endda vist at tilsætning af mælkesyre til en kunstigt udmattet muskel, får kraften til at vende tilbage. Det er på denne baggrund blevet spekuleret i om mælkesyrer i virkeligheden er med til at udsætte muskeltræthed og dermed har en gavnlig effekt på præstationsevnen. Forskere fra Københavns Universitet mener ikke, baseret på deres undersøgelser, at dette er tilfældet. Effekten af mælkesyre i forbindelse med muskeltræthed er således ikke klarlagt og diskuteres til stadighed både nationalt og internationalt. træning. Man skal derfor ikke forvente at kunne se en nævneværdig forbedring i reguleringen af kaliumbalancen efter kun få ganges træning. Ligeledes skal træningen holdes ved lige for at de nydannede Na + /K + -pumper ikke skal forsvinde igen. Når snakken falder på kalium, muskeltræthed og Na + /K + -pumpen er der stadig mange spørgsmål tilbage at besvare. Et af de store spørgsmål er for eksempel om Na + /K + -pumpen er i stand til at flytte, fra lagre inde i cellen, ud i muskelfiberens cellemembran når der er brug for den. Desuden kompliceres fænomenet muskeltræthed endnu mere når man begynder at kigge på flere faktorer samtidig, f.eks. kalium og mælkesyre eller glykogendepotet og motivationen. Om vi nogensinde kommer til at forstå den fulde sandhed bag muskeltræthed er svært at sige. Men for hver gang forskerne gør nye opdagelser kommer vi forhåbentlig et lille stykke nærmere det store overblik. Om forfatterne Martin Krøyer Rasmussen er ph.d.-studerende ved Institut for Fødevarekvalitet, Aarhus Universitet. Martink.rasmussen@agrsci.dk Michael Kristensen er post. doc. ved Københavns Universitet. mkristensen@bio.ku.dk Forslag til viderelæsning Aerob og anaerob træning. Lars Michalsik og Jens Bangsbo. Danmarks Idræt- Forbund Carsten Juel. Training-induced changes in membrane transport proteins of human skeletal muscle. Eur J Appl Physiol Apr;96(6): Allen DG, Lamb GD, Westerblad H. Skeletal muscle fatigue: cellular mechanisms. Physiol Rev Jan;88(1): Review. Thomas Vorup-Jensen. Jens Christian og opdagelsen af natrium-kalium pumpen. Aktuel Naturvidenskab 2, 2002.