4. Metabolisk fitness

Arbejdsfysiologi: Dynamikken i metabolisk fitness, Kan metabolisk fitness måles?, Kondition og metabolisk fitness, Træning af metabolisk fitness.

Dynamikken i metabolisk fitness

Efter nogle uger med øget aktivitetsgrad observeres nogle vigtige forskelle mellem udvikling af kondition på den ene side og af den mitokondrielle kapacitet på den anden. I løbet af de første uger forøges begge variable ensartet. Derefter fortsætter mitokondriernes enzymaktivitet med at stige, mens stigningen i kondition aftager (Figur 41). Efter 4-6 uger er konditionstallet forøget med 15- 20 %, mens den mitokondrielle enzym-aktivitet er forøget med det dobbelte eller mere.

Figur 41. Træningsforsøg med unge raske mænd som i 8-14 uger udførte udholdenhedstræning (3-5 gange pr. uge, 40 min /gang på moderat intensitet). I de første uger forøges iltoptagelsen (VO₂max) og et enzym i mitokondriernes åndingskæde ensartet, hvorefter enzymaktiviteten yderligere forøges i markant grad, mens iltoptagelsen (VO₂max) stagnerer. Resultater fra målinger efter træningenophør er også angivet. Notabelt er, at iltoptagelsen (VO₂ max) relativt langsomt reduceres, mens den mitokondrielle enzymaktivitet på nogle få uger er tilbage til udgangsværdien eller derunder. Resultater fra Henriksson og Reitmans studium.

Potentialet for aerob metabolisme i muskelfibrene forøges således markant og mere end ”nødvendigt” for den maksimale iltoptagelse. Dette ses endnu tydeligere, når utrænede sammenlignes med meget veltrænede personer. Forskellen i konditionstal kan være 50-60 %, mens mitokondrietæthed og enzymaktivitet adskiller sig med en faktor 4. Det indebærer, at skeletmuskulaturen besidder en metabolisk overkapacitet, hvis størrelse påvirkes af træning.

Hvis betegnelsen ”metabolisk fitness” skal defineres, så kunne det være ratioen mellem den mitokondrielle kapacitet til substratomsætning og musklens maksimale iltoptagelse. Mere præcist omfatter det musklens maksimale kapacitet til at danne acetyl-CoA fra pyruvat og fedtsyrer sat i relation til TCA cyklussens maksimale flux-hastighed. Sidstnævnte bestemmes formentlig af den reaktion, som oxogluterat-dehydrogenase katalyserer (Figur 42). Oxogluterat-dehydrogenase synes i mange dyrearters (også menneskets) muskler at være bestemmende for musklens maksimale iltoptagelse, fordi den er det enzym i Krebs’ cyklus, som har den laveste aktivitet.

Figur 42. Det enzym, som anses for at være hastighedsbegrænsende i Krebs cyklus er oxogluterate- dehydrogenase. I figuren illustreres det, at musklens maksimale iltoptagelse er lineært relateret til den maksimale flux, som kan beregnes i den reaktion, som enzymet katalyserer. Resultater fra Blomstrands studium.

Kan metabolisk fitness måles?

En direkte måling af metabolisk fitness er ikke let at udføre efter ovennævnte definition, da det vil kræve en analyse af muskelenzymer og musklens iltoptagelse. En variabel, som indirekte reflekterer metabolisk fitness, kunne være RER. Ved et givent submaksimalt arbejde har den trænede person en lavere RER end den utrænede (Figur 31).

Forskellen kan anskueliggøres ved en beregning af den under arbejde forbrugte energi, som fås fra fedtoxidering. I løbet af en times moderat muskelarbejde med en energiomsætning på ~2.4 l ilt min-1 og en RER på henholdsvis 0,95 (utrænet) og 0,87 (trænet) er fedtomsætningen henholdsvis 0,21, og 0,55 g min-1 (og kulhydratforbruget 2,7 g versus 1,7 g min-1). Et mindre kulhydratforbrug og mindre af det enzym, som katalyserer, at pyruvat reduceres til laktat (muskel-isoformen af laktatdehydrogenase; LDH4-5) som følge af udholdenhedstræning, bidrager til en mindre laktatproduktion, der kan måles som et lavere blodlaktatniveau under arbejdet (Figur 43). En kombination af måling af RER (Figur 31) og mælkesyre i blodet under submaksimalt arbejde giver derfor formentlig det bedste indirekte mål på metabolisk fitness, som samtidig er en god prognostisk værdi for udholdenhed.

Figur 43. Blodlaktatkoncentrationen ved arbejde med stigende belastning til maksimalt niveau for trænede og utrænede. Noter at iltoptagelse – gang /løbehastighedsrelationen er uforandret ved submaksimalt arbejde, men at den maksimale iltoptagelse øges med træning.

Kondition og metabolisk fitness

Hvorfor er der en forskel mellem aerob og metabolisk fitness, og har den en funktionel betydning? Et entydigt svar findes ikke. En metabolisk overkapacitet betyder, at fedtstofskiftet forøges i skeletmuskulaturen både i hvile og under muskelarbejde. Et belysende eksempel er et forsøg, hvor trænede personer afholdt sig fra al træning i to uger, og derefter trænede de igen. Arbejdsforsøg, der blev gennemført før og efter træningspausen samt to uger inde i den genoptagne træning, viste, at den maksimale iltoptagelse kun gik ned med nogle få procent (Tabel 10). Musklens indhold af energirelaterede metaboliske enzymer blev markant påvirket. Reduktionen efter to ugers træningspause var på ~30 %, og genoptræningen medførte en halvvejs ~50 % normalisering af den muskelmetaboliske kapacitet.

Bedømt ud fra akkumulering af mælkesyre i blodet var stofskiftets ændringer tæt relateret til enzymforandringerne, og det samme gjaldt evnen til langtidsarbejde. Det betyder, at ved en stort set uændret VO₂max ændres stofskiftet meget hurtigt og markant i nær relation til muskulaturens metaboliske kapacitet.

Tabel 10. Personer, som havde trænet regelmæssigt i flere år stoppede med al træning i 2 uger, hvorefter de genoptog træningen. Løbetests udførtes ved tre lejligheder: A. Mens de var veltrænede, B. efter to uger uden træning og C, to uger efter de havde genoptaget træningen. En maksimal arbejdstest blev gennemført med måling af maksimal iltoptagelse, og en muskelbiopsi blev udtaget til måling af mitokondriel kapacitet. Desuden gennemførtes en submaksimal arbejdstest på ~80 % af VO₂max, som udførtes til udmattelse. Under testen måltes iltoptagelse, RER og blodlaktat.

Nyere studier viser, at det ikke kun er den mitokondrielle kapacitet, der forbedres med træning, men også substrattransportproteiner (Figur 37). Endvidere øges LPL, hvilket muliggør et forøget forbrug af S-TG fra blodet, når det passerer gennem musklernes kapillærnet (Figur 37). De fedttransporterende proteiner i sarkolemma og transporten af fedtsyrer ind i mitokondrierne forøges også. Med den større fedtoxidering under arbejde bliver kulhydratforbruget reduceret.

Inden for 1-2 uger efter, at en person har forøget sin fysiske aktivitetsgrad, ses der forandringer i mitokondriernes enzymaktivitet, og som angivet ovenfor, så mistes den metaboliske træningsgevinst væsentligt hurtigere, end den bygges op, hvis aktivitetsniveauet reduceres (Figur 41). Konditionen ændres også, men det er bemærkelsesværdigt, hvor meget langsommere dette sker. Tidsrelationen mellem fysisk aktivitet og metabolisk fitness er således tættere og mere udtalt end mellem fysisk aktivitet og aerob fitness.

Træning af metabolisk fitness

En livsstil med det aktivitetsniveau, der giver en god aerob fitness, giver normalt også en god metabolisk fitness. Relationen mellem VO₂max og f.eks. den mitokondrielle kapacitet i de trænede muskler er tæt. I enkelte træningsstudier er langtidsarbejds- evnen blevet studeret, efter at forsøgspersonerne har trænet med varierende intensitet, varighed og frekvens.

Høj intensitet i træningen forbedrer også kapaciteten til at arbejde længere på en moderat belastning. Studierne viser også, at lettere, men længerevarende træning, som gentages flere gange om ugen, har en effekt. Således gav f.eks. træning 5 gange om ugen med moderat belastning samme forbedring (~30 %) som træning på maksimal belastning 3 gange om ugen.

Nyere studier antyder, at selv betydelig mindre fysisk aktivitet – specielt hvad angår intensitet – også signifikant reducerer risikoen forbundet med fysisk inaktivitet. Det rejser spørgsmålet om, hvorvidt et individ kan være fysisk aktiv, uden at konditionen ændres, men hvor den metaboliske fitness forbedres.

I et studie fra USA kaldet ”The Family Heritage Study” fik mindre end 5 % en uændret eller en ikke-signifikant forhøjet maksimal iltoptagelse efter træning i 20 uger med en hjertefrekvens på 65 % af max (~160 slag pr. minut) 30 minutter 3 gange pr. uge (Figur 44). På baggrund af de data, som i dag findes om træning og muskeladaptation, er det svært at tro, at disse forsøgspersoner ikke forbedrer deres metaboliske fitness, specielt fordi rigtig mange af dem får en markant positiv påvirkning på HDL-kolesterol og blodtryk. Når dette er sagt, så skal det bemærkes, at der ikke findes nogen studier, hvor formålet specifikt har været at gennemføre en træning med en forbedring af den metaboliske fitness, uden at konditionen samtidig forøges.

Figur 44. Resultater fra et i USA udført studium af Bouchard og medarbejdere (det såkaldte ”Family Heritage Study”). Det illustreres, at på trods af at samtlige individer udførte identisk samme træning (tid, antal gange og relativ belastning), så var træningssvaret højst varieret. Nogle fik ingen forøgelse af den maksimale iltoptagelse, mens andre opnåede en forbedring på helt op til 40 %. Det, der diskuteres i teksten er, om ikke træningen har givet en muskelmetabolisk forbedring for alles vedkommende.

En type studium, som er udført både på raske og på patienter, er at udholdenhedstræne små muskelgrupper hver og en for sig med træningsvarighed på i alt 30-40 minutter (Tabel 11). Belastningen på musklen bliver stor, men hjerte-kar systemet belastes ikke. Både i patientgruppen og blandt de raske forsøgspersoner noteredes ingen forbedring i maksimal iltoptagelse, men den lokale udholdenhed blev markant forbedret, helt på linje med at muskelmitokondriekapaciteten bliver forøget, ofte med 50 % eller mere.

Tabel 11. En sammenligning af effekten af lokal træning med styrke, udholdenhed eller styrke/udholdenhed i patienter med hjerteinsufficiens. Forbedring i % efter 2 måneder med 3 gange 45 min. træning pr. uge er rapporteret.

Gen-ekspression som følge af fysisk aktivitet er ovenfor beskrevet på proteinniveau. Disse forandringer er ikke altid store, og det kan tage op til flere uger inden en signifikant effekt kan påvises. Molekylærbiologiske metoder åbner nye muligheder for at studere effekten af fysisk aktivitet på metabolisk fitness. I dag kan gen-ekspression studeres på transskriptionsniveau i human skeletmuskulatur (Figur 45).

Figur 45. Skematisk illustration af de principielle trin fra aktivering af et givent gen til dannelsen af det pågældende protein.

Fysisk aktivitet nogle gange eller måske blot en enkelt gang har en effekt på visse geners aktivitet. Når transskriptionshastigheden og akkumuleringen af mRNA bestemmes for LPL-genet ved cykling, ses det, at transskriptionshastigheden øges og, med en vis forsinkelse også mRNA for LPL (Figur 46). I restitutionsfasen efter arbejdet er genet fortsat aktiveret nogle timer, hvorefter transskriptionshastigheden atter mindskes mod hvileniveau. Den forøgede ekspression på mRNA-niveau opretholdes i endnu nogle timer, om end ofte ikke til næste dag. At proteinet bliver dannet og transporteret til sin lokalisation inde i kapillæren er tidligere blevet påvist.

Figur 46. Eksempel på hvordan transskriptionshastigheden og akkumuleringen af et specifikt mRNA påvirkes af en enkelt gang fysisk aktivitet af moderat belastning af nogle timers varighed. Fastende til seks timer efter arbejde for lipoproteinlipase (LPL) og karnitine palmitoyl transferase (PT1) samt 3-hydroxyacyl CoA dehydrogenase (HAD). Resultater fra Pilegaard og medarbejderes studium.

Et andet kritisk enzym er 3- hydroxyacyl-CoA-dehydrogenase (HAD), som indgår i β-oxideringen af fedtsyrer i mitokondrierne. HAD og LPL har et ensartet mønster for forandringer på transskriptionsniveau, om end genet, der koder for HAD, kommer langsommere i gang. Til gengæld opretholdes mRNA-akkumuleringen længere.

Transportproteinerne påvirkes også af en enkelt gang træning. Det gælder for eksempel for karnitinpalmitoyltransferase (CPT; transport af fedtsyrer over mitokondriemembranen) (Figur 46) og GLUT4. Forandringsmønsteret er det samme, men forandringen kommer hurtigere for CPT end for GLUT4. Også ekspression af gener, der koder for enzymer som HKII og GS, påvirkes akut. Det betyder, at påvirkningen af både glukose- og fedtsyrestofskiftet er direkte relateret til, hvorvidt musklen bruges eller ej.

En anden problematik berører varighed. Den akkumulerede fysiske aktivitet i løbet af en dag synes at have en positiv effekt på sundheden. Det er formentlig relateret til, at gener, der koder for proteiner i fedtstofskiftet, aktiveres under træning. Det kan betyde, at selv lettere fysisk aktivitet i løbet af en dag har en effekt på lipidstofskiftet. I forsøg med en oral fedttolerancetest med eller uden foregående fysisk aktivitet kunne det vises, at i førstnævnte tilfælde er blodlipidprofilen signifikant forbedret, hvilket formentlig kan relateres til en højere muskel-LPL-aktivitet.

Disse fund er på linje med, at 6 ugers meget let træning (hjertefrekvens ~120-130 slag min-1) af unge raske mænd, som kun forøgede deres kondital med 1,5 til 42,5 ml kg-1 min-1, havde en effekt på metabolismen. Det totale kolesterolniveau faldt noget, samtidig med at LDL/HDL-ratio blev forbedret fra 2,4 til 1,9 målt 16 timer efter den sidste træningsgang. Ved en måling 32 timer senere var ratio 2,1 og således allerede på vej mod prætræningsniveauet. Resultaterne bekræfter tidligere studier, der viste, at S-TG er reduceret i op til to dage efter en længerevarende træningsgang.

På samme måde påvirker en enkelt gangs fysisk aktivitet insulinfølsomheden. Den er forhøjet umiddelbart efter arbejdet, og effekten ses i op til et døgn. Reduktion i musklens glykogenindhold er i denne sammenhæng en betydningsfuld faktor. Varighed og regelmæssighed i træningen er således vigtigere end intensitet for træningen af metabolisk fitness. Den store effekt, som udholdenhedstræning kan have på den metaboliske kapacitet er verificeret i studier, hvor et ben blev udholdenhedstrænet i 2-3 måneder. Ved test af begge ben på samme arbejdsbelastning forøgedes fedtforbrændingen markant, og kulhydratafhængigheden, både hvad angår glykogenforbrug og glukoseoptagelse, reduceredes tilsvarende (Figur 47).

Figur 47. Resultater fra et forsøg, hvor et ben blev trænet (udholdenhed) i 8 uger med moderat belastning, 40-60 min pr. gang, 3-5 gange om ugen. Begge ben undersøgtes efter træningens afslutning med henblik på at kvantificere de substrater, som blev anvendt, når begge ben arbejdede på samme moderat tunge arbejdsbelastning i to timer. Det ses, at det trænede ben har en væsentlig højere fedtforbrænding, og at den reducerede kulhydratudnyttelse medfører, at både muskelglykogenforbruget og glukoseoptagelsen fra blodet er reduceret. Da begge ben under forsøget perfunderes med lige meget blod, der har et ensartet indhold af substrat og hormoner, sikres det, at de observerede resultater er en følge af den af træningen inducerede metaboliske tilpasning. Resultater fra Kiens og medarbejderes studium.