pohybová aktivita a obezita

Pohybová aktivita a obezita

z hlediska metabolismu

kosterních svalů

Rekreologie

FTK UP Olomouc

• nalačno

• při vytrvalostní tělesné práci nízké a střední intenzity

• zvýšená inzulínová stimulace (např. po jídle)

• při intenzivní tělesné práci

lipidy glykogen

Negativní vliv na dlouhodobou regulaci tukové rovnováhy

Snížená oxidace?

Nalačno:Nalačno: Neefektivní utilizace mastných kyselin kosterními svaly u obézních osob

KELLEY, D.E., SIMONEAU, A., GOODPASTER,B., TROOST, F. Defects of skeletal muscle fatty acid metabolism in obesity. Obes. Res. 1997, vol. 5, p. 21S.

Redukovaná oxidace lipidů kosterními svaly není u obézních osob způsobená nižší nabídkou MK!

0.75

0.78

0.81

0.84

0.87

0.9

0.93

RQ

obézní

štíhlí

0

20

40

60

80

100

%

MK

Nižší oxidace MK Stejná spotřeba MK

0

25

50

75

100

%

obézní štíhlí

Zvýšená tvorba zásobních intramyocelulárních lipidů u obézních osob nalačno

spotřeba

oxidace

zásobní tuk

zásobní tuky = spotřebované MK mínus oxidované MK

Selhání mechanismů potlačujících oxidaci lipidů a preferujících jako energetický substrát glykogen.

Při zvýšené produkci inzulínu:Při zvýšené produkci inzulínu: Neefektivní utilizace mastných kyselin kosterními svaly u obézních osob


0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

RQ

obézní štíhlí

RQ nalačno a po stimulaci inzulínu u obézních a štíhlých jedinců

nalačno inzulínová stimulace

Při změně produkce inzulínu k přesunu mezi využívanými substráty - metabolická regulační rigidita = porušená odpověď jak na nízkou, tak i vysokou hladinu inzulínu.

1. Oxidativní kapacita kosterních svalů pro FA je redukovaná

2. Zvýšená dispozice obézních k akumulaci lipidů v kosterních svalech

Závěr 1:Závěr 2:

http://ajpendo.physiology.org/content/vol280/issue4/images/large/h10410320001.jpeg

PŘÍČINY NEROVNOVÁHY MEZI SPOTŘEBOU A OXIDACÍ MK V KOSTERNÍCH SVALECH ???????????????????????????????????????????????????????????????????

??

SIMONEAU, J.A., KELLEY, D.E., NEVEROVA, M., WARDEN, C.H. Overexpression of muscle uncoupling protein 2 content in human obesity associates with reduced skeletal muscle lipid utilization. FASEB J. 1998, vol. 12, no. 15, p. 1739-1745.

0

25

50

75

100

125

150

% h

odno

t štíh

lých

oso

b

HrLPL CPT CS UCP2

Aktivita látek ovlivňujících metabolismus MK u obézních osob

acyl-CoA acyl-CoA

CoA CoA

Karnitin Karnitin

acylkarnitinacylkarnitin

Cytoplazma Vnitřní membrána Matrix

I IIKarnitin palmitoyl

transferáza

Pyruvát (3C)CO2

NAD+

NADH + H+

Acetyl-CoA (2C)

Oxalacetát (4C) Citrát (6C)

Izocitrát (6C)

Alfa-ketoglutarát (5C)

Sukcinyl-CoA (4C)

Sukcinát (4C)

Fumarát (4C)

Malát (4C)

CO2

NAD+

NADH + H+

NADH + H+

NAD+ CO2GTP

GDP

PFADH2

FAD

NAD+

NADH + H+

Acyl-CoA

Citrát syntáza

Uncoupling proteins - UCP (rozpřahující proteiny)

Mitochondriální membránové transportní proteiny, ruší protonový gradient

(rozpřahují kaskádové reakce, např. fosforylaci od oxidace)

UCP2

fosforylace oxidace

RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC

NADH2 1 2 3

1/2 O2

H20ADP+Pi ADP+Pi ADP+Pi

ATPATPATP

NAD+

RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC

NADH2 1 2 3

ADP+Pi ADP+Pi ADP+Pi

ATPATPATP

NAD+

pyruvát

oxidacelaktát

MITOCHONDRIE

NADH+ + H+NAD+

1,3-di P glycerátglyceraldehyd 3-P

pyruvát laktát

PŘÍČINY NEROVNOVÁHY MEZI SPOTŘEBOU A OXIDACÍ MK V KOSTERNÍCH SVALECH ???????????????????????????????????????????????????????????????????

??

SIMONEAU, J.A., KELLEY, D.E., NEVEROVA, M., WARDEN, C.H. Overexpression of muscle uncoupling protein 2 content in human obesity associates with reduced skeletal muscle lipid utilization. FASEB J. 1998, vol. 12, no. 15, p. 1739-1745.

0

25

50

75

100

125

150

% h

odno

t štíh

lých

oso

b

HrLPL CPT CS UCP2

Aktivita látek ovlivňujících metabolismus MK u obézních osob

0

100

200

300

I IIA IIB

Počet tukových kapének v různých typech svalových vláken

obézní

štíhlí

MALENFANT, P., JOANISSE, D.R., THERIAULT, R., GOODPASTER, B.H., KELLEY, D.E., SIMONEAU, J.A. Fat content in individual muscle fibers of lean and obese subjects. Int. J. Obes. Relat. Metab. Disord. 2001, vol. 25, no. 9, p. 1316-1321.

Centrálnější distribuce tukových kapének ve svalových vláknech obézních než štíhlých

(27,2± 5,7% vs 19,7±6,4%; P<0.05)

ATP

cAMPIRS

kinázy

Protein-kináza B

Transport glukózydo svalové buňky

Atypickáprotein-kináza C

buněčná membránaInzulínová rezistence

Hyperinzulinémie + inzulínová

rezistence


rezistence

Centrální obezita

Centrální obezita

Dyslipo

proteinémie

Dyslipo

proteinémie

Mírná

hypertenze

Mírná

hypertenze

Zvýšenásrážlivost

krve


krve

Zvýšenáaktivita

sympatiku

Zvýšenáaktivita

sympatiku

Zvýšenáhladina

adrenalinu v krvi

Zvýšenáhladina

adrenalinu v krvi

METABOLICKÝ SYNDROM


rezistence


rezistence

Centrální obezita

Centrální obezita

Dyslipo

proteinémie

Dyslipo

proteinémie

Mírná

hypertenze

Mírná

hypertenze


krve


krve

Zvýšenáaktivita

sympatiku

Zvýšenáaktivita

sympatiku

Zvýšenáhladina

adrenalinu v krvi

Zvýšenáhladina

adrenalinu v krvi

Zvýšenémnožstvítukovýchdepozit

v kosterníchsvalech

Zvýšenémnožstvítukovýchdepozit

v kosterníchsvalech

KELLEY, D.E., GOODPASTER, B.H. Skeletal muscle triglyceride. An aspect of regional adiposity and insulin resistance. Diabetes Care. 2001, vol. 24, no. 5, p. 933-941.

GOODPASTER, B.H., THAETE, F.L., SIMONEAU, J.A., KELLEY, D.E. Subcutaneous abdominal fat and thigh muscle composition predict insulin sensitivity independently of visceral fat. Diabetes. 1997, vol. 46, no. 10, p. 1579-1585.

PAN, D.A., LILLIOJA, S., KRIKETOS, A.D., MILLER, M.R., BAUR, L.A., BOGARDUS, C., JENKINS, A.B., STORLIEN, L.H. Skeletal muscle triglyceride levels are inversely related to insulin action. Diabetes. 1997, vol. 46, no. 6, p. 983-988.

Obsah tuku ve svalech, zjišťovaný pomocí počítačové tomografie

nebo svalové biopsie, má u obézních osob největší, na viscerálním tuku nezávislou,

prediktivní hodnotu pro inzulínovou rezistenci

? PŘÍČINY INZULÍNOVÉ REZISTENCE V KOSTERNÍCH SVALECH ?

NARUŠENÁ REGULACE SIGNALIZACE INZULÍNOVÝCH RECEPTORŮ

AHMAD, F., AZEVEDO, J.L., CORTRIGHT, R., OHM, G.L., GOLDSTEIN, B.J. Alterations in skeletal muscle protein-tyrosine phosphatase activity and expression in insulin-resistant human obesity and diabetes. J. Clin. Invest. 1997, vol. 100, no. 2, p. 449-458.

ZHORŠENÉ INZULÍNEM STIMULOVANÉ USKLADŇOVÁNÍ GLUKÓZY

EVANS, D.J., MURRAY, R., KISSEBAH, A.H. Relationship between skeletal muscle insulin resistance, insulin-mediated glucose disposal, and insulin binding. Effects of obesity and body fat topography. J. Clin. Invest. 1984, vol. 74, no. 4, p. 1515-1525.

PORUŠENÝ TRANSPORT A FOSFORYLACE GLUKÓZY

ROTHMAN, D.L., MAGNUSSON, I., CLINE, G., GERARD, D., KAHN, C.R., SHULMAN, R.G., SHULMAN, G.I. Decreased muscle glucose transport/phosphorylation is an early defect in the pathogenesis of non-insulin-dependent diabetes mellitus. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, vol. 92, no. 4, p. 983-987.

ATP

cAMPIRS

kinázy

Protein-kináza B

Transport glukózydo svalové buňky

Atypickáprotein-kináza C

buněčná membránaInzulínovárezistence

Uncoupling proteins - UCP(rozpřahující proteiny)

Mitochondriální membránové transportníproteiny, ruší protonový gradient

(rozpřahují kaskádové reakce, např. fosforylaci od oxidace)

UCP2

fosforylace oxidace

acyl-CoA acyl-CoA

CoA CoA

Karnitin Karnitin

acylkarnitinacylkarnitin

Cytoplazma Vnitřní membrána Matrix

I IIKarnitin palmitoyl

transferáza

Pyruvát (3C)CO2

NAD+

NADH + H+

Acetyl-CoA (2C)

Oxalacetát (4C) Citrát (6C)

Izocitrát (6C)

Alfa-ketoglutarát (5C)

Sukcinyl-CoA (4C)

Sukcinát (4C)

Fumarát (4C)

Malát (4C)

CO2

NAD+

NADH + H+

NADH + H+

NAD+ CO2GTP

GDP

PFADH2

FAD

NAD+

NADH + H+

Acyl-CoA

Citrát syntáza


NARUŠENÁ REGULACE SIGNALIZACE INZULÍNOVÝCH RECEPTORŮ

REDUKOVANÁ KAPACITA KOSTERNÍCH SVALŮ PRO OXIDACI TUKŮ

ZHORŠENÉ INZULÍNEM STIMULOVANÉ USKLADŇOVÁNÍ GLUKÓZY

PORUŠENÝ TRANSPORT A FOSFORYLACE GLUKÓZY

• COLBERG, S.R., SIMONEAU, J.A., THAETE, F.L., KELLEY, D.E. Skeletal muscle utilization of free fatty acids in women with visceral obesity. J. Clin. Invest. 1995, vol. 95, no. 4, p. 1846-1853.


menší využitelnost MK zvýšená esterifikace a ukládání tuků v kosterních svalech

INZULÍNOVÁ REZISTENCE


defekt metabolismu sacharidů defekt metabolismu MK


Poměr mezi využitím glukózy (Rd – ukazatel inzulínové senzitivity) během inzulínové stimulace a poměrem aktivity hexokinázy (glykolytický enzym) k aktivitě citrát syntázy

(oxidativní enzym) u diabetiků, obézních a štíhlých zdravých osob

JOHNSON, N.A., STANNARD, S.R., THOMPSON, M.W. Muscle triglyceride and glycogen in endurance exercise: implications for performance. Sports Med. 2004, vol. 34, no. 3, p. 151-164.

Sportovní medicína dříve – manipulace s krátkodobými změnami příjmu živin - akcentování glykogenu jako energetického substrátu

(glykogenová superkompenzace před závody)

? ?


Intracelulární tuky - významný svalový energetický substrát - využíván při prolongovaném zatížení

tvorba zásobních lipidů relativně rychlá ukládání lipidů za podmínek sníženého příjmu sacharidů dominantní

U výborně vytrvalostně trénovaných osob


Intracelulární tuky - významný svalový energetický substrát - využíván při prolongovaném zatížení

Intramyocelulární lipidy stejně dostupný energetický substrát jako glykogen

Dobře vytrvalostně trénovaní sportovci snadno využívají

? tuková superkompenzace před závody ?? tuková superkompenzace před závody ?

0

20

40

60

80

100

120

140

%

m. vastus lateralis m. biceps brachii

před zátěží po zátěži

0

400

800

1200

1600

mm

ol/l

VMK glycerol

před zátěží po zátěži

Vliv vytrvalostní tělesné práce na hladinu volných mastných kyselin a glycerolu v plazmě a na množství intracelulárních lipidů

v pracujících a nepracujících svalech

SCHRAUWEN-HINDERLING, et al. Intramyocellular lipid content is increased after exercise in nonexercising human skeletal muscle. J Appl Physiol. 2003, vol. 95, no. 6, p. 2328-23.

SCHRAUWEN-HINDERLING, V.B., VAN LOON, L.J., KOOPMAN, R., NICOLAY, K., SARIS, W.H., KOOI, M.E. Intramyocellular lipid content is increased after exercise in nonexercising human skeletal muscle. J. Appl. Physiol. 2003b, vol. 95, no. 6, p. 2328-23.

Hladina inzulínu v krvi před a po 14 denním vytrvalostním tréninku (otevřený symbol – před tréninkem, plný červený symbol – po tréninku)

se významně neliší

http://jcem.endojournals.org/content/vol88/issue4/images/large/eg0439358004.jpeg

Obsah intramyocelulárních lipidů po 14 denním vytrvalostním tréninku Bílý sloupec – před zátěží, černý sloupec – po zátěži

SCHRAUWEN-HINDERLING, V.B., VAN LOON, L.J., KOOPMAN, R., NICOLAY, K., SARIS, W.H., KOOI, M.E. Intramyocellular lipid content is increased after exercise in nonexercising human skeletal muscle. J. Appl. Physiol. 2003b, vol. 95, no. 6, p. 2328-23.

před tréninkem po tréninku

se významně zvyšuje

http://jcem.endojournals.org/content/vol88/issue4/images/large/eg0439358005.jpeg

Zvýšení množství intramyocelulárních tuků je velmi časnou odpovědí na

trénink, která předchází zvýšení inzulínové senzitivity

Při vytrvalostním tréninku zvýšená přítomnost

triglyceridů ve svalech nemá negativní vliv na

účinnost inzulínu

Při nedostatku pohybu je zvýšená přítomnost triglyceridů ve svalech

příčinou inzulínové rezistence

!!!

Během vytrvalostní práce dochází k depleci intramyocelulárních tukových depot

BOESCH, C., SLOTBOOM, J., HOPPELER, H., KREIS, R. In vivo determination of intra-myocellular lipids in human muscle by means of localized 1H-MR-spectroscopy. Magn. Reson. Med. 1997, vol. 37, no. 4, p. 484-493.

Zdravé štíhlé osoby kosterní svaly metabolicky flexibilní

BRUN, J.F., VARLET-MARIE, E., CASSAN, D., MANETTA, J., MERCIER, J. Blood fluidity is related to the ability to oxidize lipids at exercise. Clin. Hemorheol. Microcirc. 2004, vol. 30, no. 3-4, p. 339-343.

Obézní osoby nebo diabetici 2. typu kosterní svaly metabolicky

neflexibilní

při intenzivní zátěži v důsledku zvýšené oxidace

lipidů snížená oxidace glykogenu

při vytrvalostní práci dominantní využití tuků

při intenzivní zátěži dominantní využití

glykogenu

při vytrvalostní práci využití tuků klesá


Obézní osoby nebo diabetici 2. typu kosterní svaly metabolicky

neflexibilní

při intenzivní zátěži v důsledku zvýšené oxidace

lipidů snížená oxidace glykogenu

při vytrvalostní práci využití tuků klesá KLESÁ VYTRVALOSTNÍ

KAPACITA

KLESÁ MAXIMÁLNÍ AEROBNÍ KAPACITA

COLBERG, S.R., HAGBERG, J.M., McCOLE, S.D., ZMUDA, J.M., THOMPSON, P.D., KELLEY, D.E. Utilization of glycogen but not plasma glucose is reduced in individuals with NIDDM during mild-intensity exercise. J. Appl. Physiol. 1996, vol. 81, no. 5, p. 2027-2033.

Oxidace glykogenu (40-minutové práci při 40% VO2 max)

0

1

2

3

ml/k

g.m

in

štíhlí obézní NIDDM

**

***

Snížená schopnost oxidovat a periodicky snižovat svalové triglyceridy při vytrvalostní práci


Zvýšené množství krevních tuků

Zvýšená tvorba volných radikálů

Zvýšená viskozita krve

Deformace erytrocytů


Pravidelná pohybová aktivita

Snižuje množství krevních tuků

Snižuje tvorbu volných radikálů

ŘADA POZITIVNÍCH VLIVŮ NA ZDRAVÍ ČLOVĚKA

BERGGREN, J.R., HULVER, M.W., DOHM, G.L., HOUMARD, J.A. Weight loss and exercise: implications for muscle lipid metabolism and insulin action. Med. Sci. Sports Exerc. 2004, vol. 36, no. 7, p. 1191-1195.

GOODPASTER, B.H., THAETE, F.L., SIMONEAU, J.A., KELLEY, D.E. Subcutaneous abdominal fat and thigh muscle composition predict insulin sensitivity independently of visceral fat. Diabetes. 1997, vol. 46, no. 10, p. 1579-1585.

Snížení hyperinzulinémie

Pravidelná pohybová aktivita

Zvýšená oxidace MK

Zvýšená účinnost inzulínu v kosterním svalstvu

DRISCOLL, S.D., MEININGER, G.E., LJUNGQUIST, K., HADIGAN, C., TORRIANI, M., KLIBANSKI, A., FRONTERA, W.R., GRINSPOON, S. Differential effects of metformin and exercise on muscle adiposity and metabolic indices in human immunodeficiency virus-infected patients. J. Clin. Endocrinol. Metab. 2004, vol. 89, no. 5, p. 2171-2178.

Intramyocelulární lipidy v m. vastus lateralis před (pre) a po 15 týdenní energetické restrikci (ER 700 kcal/day) a 20 týdenním vytrvalostním tréninku + nízkoenergetické dietě (ET-LFD).

Glykogen v m. vastus lateralis před (pre) a po energetické restrikci (ER) a vytrvalostním tréninku + nízkoenergetické dietě (ET-LFD).

MALENFANT, P., TREMBLAY, A., DOUCET, E., IMBEAULT, P., SIMONEAU, J.A., JOANISSE, D.R. Elevated intramyocellular lipid concentration in obese subjects is not reduced after diet and exercise training. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2001, vol. 280, no. 4, p. E632-639.

Redukce hmotnosti ze 100 ± 6 kg na 89 ± 6 kg během ER a na 84 ± 4 kg po ET-LFD



Index celkového množství intramuskulárních lipidů (ORO fraction) u šesti morbidně obézních osob před a po redukci hmotnosti

GRAY, R.E., TANNER, C.J., PORIES, J.W., MACDONALD, K. G., AND HOUMARD, J. A. Effect of weight loss on muscle lipid content in morbidly obese subjects. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2003, vol. 284. no 4, p. E726 - 732.


Změna intramyocelulárních lipidů na základě redukce hmotnosti

způsob intervence

vstupní hodnoty intramuskulárních lipidů

genetická výbava

atd.

atd.

atd.atd.

atd.atd.atd.

atd.atd.

atd. atd.

atd.

Dominantní paradigma = porto-viscerální hypotéza

syndrom ektopických tukových zásob

zvýšená viscerální adipozita inhibice účinnosti inzulínu

endokrinní žláza s multifaktoriálním

zásahem do metabolismu

ostatních tkání

Játra Β-buňkyKosterní

svaly

RAVUSSIN, E., SMITH, SR. Increased fat intake, impaired fat oxidation, and failure of fat cell proliferation result in ectopic fat storage, insulin resistance, and type 2 diabetes mellitus. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2002, vol. 967, p. 363-378.

těžká inzulínová rezistence

angiotenzin II

interleukin-6

leptin

rezistin

adiponectin

syndrom ektopických tukových zásob

zvýšená viscerální adipozita inhibice účinnosti inzulínu

endokrinní žláza s multifaktoriálním

zásahem do metabolismu

ostatních tkání

Játra Β-buňkyKosterní

svaly

těžká inzulínová rezistence

Redukce hmotnosti založená na racionální dietě a pravidelném cvičení

výrazně snižuje riziko, které je spojeno se zvýšeným množstvím intramuskulárních lipidů u obézních osob

pohybová aktivita a obezita

Documents