SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2001
Styrketräning
med eller utan doping
Verknings mekanismer på muskelfiber nivå
Styrketräning skall ju leda till ökad muskelstyrka. Fortfarande finns inget optimalt recept hur
denna ökning i muskelstyrka bäst uppnås (se dock artikel av A Eriksson i detta nummer), ej heller
känner vi i detalj till vad som händer vid olika former av träning. I den här artikeln sammanfattar
vi våra synpunkter på musklers uppbyggnad ur morfologisk synvinkel, deras anpassningsförmåga
och vilka mekanismer som är av betydelse för att ökad muskelstyrka uppstår vid träning med
eller utan doping.
Varje skelettmuskel är unik
Lars-Eric Thornell
Anders Eriksson
Institutionen för
integrativ medicinsk
biologi, avdelning
för anatomi Umeå
universitet och
Belastningskadecentrum
Arbetslivsinstitutet,
Umeå
Fawzi Kadi
Institutionen för
Idrott och Hälsa,
Örebro Universitet
10
Med muskelmorfologisk metodik kan
man korrelera muskelstyrka till
enskilda muskelfibrers tvärsnittsyta
men egentligen borde man bara helst
beräkna tvärsnittsytan av de kraftgivande myofibrillerna. Metodolign för
dessa beräkningar är muskelbiopsier
som snabbfryses eller behandlas
kemiskt för att sedan kunna snittas i
tunna tvärsnitt. Snitten behandlas histokemiskt för att påvisa olika enzymaktiviteter eller immunologiskt för att
påvisa olika proteiner och undersöks
sedan i ljus eller elektronmikroskop.
Metoden innebär att man även kan
visualisera muskelfibertyper vilka återspeglar de motoneuron som styr muskeln och vilka i sin tur har olika
trösklar för aktivering. Muskelfibertyp
begreppet är klassiskt, ett typ exempel
är ju att sprinters har framför allt
snabba fibrer i sina muskler medan
långdistanslöpare har långsamma och
uthålliga fibrer. Tidigare har man trott
att muskelfibertyper är något statiskt
man föds med. I dag vet vi att de är
i högsta grad påverkbara och att de
skiljer sig åt även i olika muskler.
Det senare borde i sig inte vara så
förvånansvärt om man betänker att
varje muskel i människroppen är
speciell makroskopiskt. Varje muskel
har ett speciellt ursprung och fäste,
olika storlek och längd och varierande
muskelfiberriktning, pennation, i förhållande till ursprungs och insertions
senorna (Fig.1). De flesta muskler
påverkar en eller flera leder medan
andra inte har något benfäste. Dessa
skillnader är grund till att varje muskel
har unika mekaniska och funktionella
egenskaper. Vissa muskler blir därför
mer känsliga för överbelastning vid
träning eller tävling eller i arbetslivet
såsom kappmuskeln vilken är frekvent
drabbad vid nack skuldermyalgi (5, 6,
16).
I vår forskargrupp har vi studerat
olika humana muskler med avseende
på olika muskelfiber typer, deras tvärsnittsyta, kärlförsörjning av kapillärer
mm. (bl. a 4, 5, 14, 15,19, 20).
Vår huvudtes som befästs i dessa
undersökningar är att varje muskel är
unik. Detta gäller muskler från samma
person, vid olika åldrar eller av manligt
eller kvinnligt kön.
Muskel fiberns principiella uppbyggnad
En muskelfiber är omgiven av en
cellmembran och en basalmembran.
Mellan fibrerna finns ett mer eller
mindre rikligt kapillärnät som svarar
SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2001
för kärlförsörjningen av fibrerna (Fig
2). Inne i muskelfibrerna finns ett
flertal kärnor som vanligtvis ligger i
anslutning till cellmembranen, myofibriller - som består av en serie
av sarkomerer, de minsta kontraktila
enheterna i muskelcellen (se fig 3),
mitokondrier – energifabrikerna, sarkotubulära nätverket –innehåller Ca++,
av betydelse för aktivering och reglering av kontraktionen, ett cellskelett
av sammanlänkande trådar, näringsämnen som glykogen och fett, ribosomer för proteinsyntes och enzymer för
nedbrytning av ämnen.
Fig. 1. Schematisk bild av kappmuskeln. Muskeln består av olika portioner med olika fiberförlopp
och funktioner. Muskelns sammansättning varierar avsevärt både vad gäller fiber typer och fiber
tvärsnittsyta, dels mellan de olika portionerna dels mellan män och kvinnor. (Se 14, 15)
a
b
c
Fig 2. Schematiskt tvärsnitt av muskel. I a ses muskelfibrer med kärnor (N) och kapillärer (C), i b
och c ses myofibriller (F) och mitokondrier (m). För nyliga översikter om muskelfiberns uppbyggnad
se 2 och 11.
Myofibrillerna består av tjocka
myosinfilament som bildar sarkomerens A band och tunna aktin filament
som dels överlappar de tjocka filamenten och dels ingår i I bandet. De senare
består också av tropomyosin och troponin. De tunna filamenten är sammanfogade inom Z bandet som består
av ett flertal proteiner bl a α-actinin
och som utgör sarcomerens gräns.
Från Z bandet utgår också nebulin
och titin – mycket stora proteiner, det
senare sträcker sig från Z bandet till
mitten på A bandet till M bandet
och som är av betydelse för myofibrillens elastiska egenskaper. Cellskelettet består främst av intermediära
filament uppbyggda främst av desmin.
Andra viktiga cellskelett proteiner är
plektin och dystrophin. Avsaknad av
eller skada på något av dessa proteiner
leder till muskelfiberdegeneration och
muskelsjukdom (Carlson och Thornell
2001).
Av fundamental betydelse för musklers förmåga till anpassning och variabilitet är att i stort sett alla proteiner
som omnämnts ovan består av s.k. isoformer. Vad gäller myosinmolekylen,
som bygger upp de tjocka filamenten,
består den av två tunga kedjor och fyra
lätta kedjor. Den tunga kedjan kodas
av minst 8 gener dvs. det finns minst
8 olika former som i sin tur kan kombineras med ett flertal isoformer av lätta
kedjor. Detta ger upphov till en enorm
spännvidd i funktion. Som framgår av
B Saltins artikel i detta nummer kan
myosin isoformerna snabbt förändras
vid olika former av muskelaktivitet och
träning (8).
Satellit celler och nuclear domains
Fig.3. Schematisk bild av myofibril. I a ses det typiska tvärbandsmönstret med A (mörka band), I
(ljusa band) och mellanskivor, Z band. En sarkomer sträcker sig från ett Z band till ett annat och
ses uppförstorat i b, Här framgår att A bandet är uppbyggt av tjocka myosin filament, som till delar
överlappas av de från Z bandet utgående tunna filamenten. De tjocka filamenten (c) är uppbyggda
av myosin molekyler som har två huvuden och en stav (d) vilka i sin tur är uppbyggda av två tunga
kedjor och fyra lätta kedjor (e).
Två ytterligare begrepp av stor betydelse för förståelsen av hur muskler
påverkas vid träning är satellitceller
och kärn områden (nuclear domains
(1)). Satellitceller är celler som är lokaliserade utanför muskelcellens cellmembran men innanför basalmembranen.
11
SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2001
Fig.4. Schematisk bild av tvärsnitt av muskelfiber. Satellitceller är lokaliserade mellan fibrerns
basalmembran och cellemembran.
Satellitceller är vilande mesenkymala celler som kan aktiveras och bilda
nya celler genom mitos. Typiskt scenario för deras aktivering är en muskelfiber skada (17). Vid membranruptur
sker en inflammatorisk aktivering som
leder till att satellitcellerna aktiveras.
De genomgår därefter samma förändringar som myoblaster och myotuber
gör under fosterutvecklingen vid bildandet av muskelfibrer men nu i avsikt
att återställa den skadade muskelfibern
eller att ersätta den helt och hållet
(11). Med immunhistokemiska markörer kan man enkelt observera mognaden av nybildade muskelfibrer (8, 9).
En muskel fiber innehåller en
mängd kärnor, typiskt för dessa är att
de alla är postmitotiska dvs. de kan
inte föröka sig, gå i mitos. Kärnorna
innehåller förstås den genetiska koden
och mallen för tillverkning av nya
proteiner som behöver tillverkas för
upprätthållande av proteinbalansen i
muskelfibrerna. Med kärn område
(nuclear domain) menas att varje kärna
styr ett visst begränsat avsnitt av cytoplasman med information (1). Muskelfiberhypertrofi innebär förstås att
muskelfibrerna har blivit större och
atrofi att de har blivit mindre. Om en
muskelfiber tränas och den svarar med
att öka sin storlek hur gör den då?
Till en början kan nog muskel öka
sin proteinsyntes men, eftersom varje
kärna enbart styr en viss mängd cytoplasma, krävs en ökning av kärnantalet
för att förstärka proteinsyntes potentialen. Eftersom muskelfiban delas sig
krävs att kärnor inkorporerars från
annat håll. De kärnor som kommer i
fråga är satellitcellskärnorna. Hur vet
vi då det?
Effekter av styrketräning
Vi har dels undersökt kvinnor med lätt
skuldermyalgi som fått träna 10 veckor
antingen styrketräning, cirkulationsträ-
12
Fig. 5. Antal kärnor per muskelfiber har plottats mot fibrens tvärsnittsyta
Vilande satellitcell
Tillägg av kärnor
Upprätthållande av balansen
mellan kärnor och cytoplasma
Hyperplasi
förbättrad kapacitet att
reparera muskelfibrer
Fig. 6
ning eller koordinationsträning dels har
vi undersökt otränade män, styrketränade män på elit nivå och dopade styrkelyftare med avseende på muskelfiber
tvärsnittsyta och antal kärnor per tvärsnittsyta (9, 10, 12)
Enbart 10 v träning tre ggr i veckan
ledde till för den kvinnliga styrketräningsgruppen en signifikant styrkeökning, ökning av fiber area samt ökning
av antal kärnor per tvärsnittsyta, (12).
I de manliga grupperna erhölls en signifikant större fiberyta för de styrketränade i förhållande till det otränade och
för det dopade i förhållande till det
styrketränade dopade (9, 10).
När antalet kärnor i relation till
medeltvärsnittsyta plottas erhålles en
mycket hög korrelation (r=0.86, p <
0.0001) starkt talande för att det finns
ett samband mellan tvärsnittsyta och
kärnantal (11).
Principiellt kan man ju då säga att
ju fler kärnor man har i en fiber desto
större potential bör man ha för att tillverka cellkomponenter och därmed bli
starkare. Detta stämmer med att de
dopade hade störst fiberyta och flest
kärnor (10).
I våra studier noterade vi också att
det förelåg en signifikant ökning av
små fibrer som uttryckte utvecklings-
SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2001
myosiner vilket talade för att de var
omogna muskelceller (10). Vi observerade också att frekvensen av satellitceller var ökad i de tränade grupperna
(10)
Vad detta innebär kan sammanfattas enligt vidstående schema: (Fig.6)
Varierande förekomst av androgenreceptorer
Vi analyserade också förekomst av
androgen receptorer i vastus lateralis
och i trapezius genom att immunologiskt färga för dessa kärnreceptorer
(13).
Vi fann inga skillnader i vastus lateralis men signifikanta skillnader i trapezius muskeln hos icke dopade och
dopade. Detta visar att förekomsten
av androgenreceptorer varierar i olika
muskler dels att de kan öka i vissa
muskler men ej i andra vid tillförsel av
androgena steroider. Ytterligare forskning krävs för att belysa olika musklers
potential och reaktions mönster på träning med eller utan anabola steroider.
Långtidseffekter av doping
Ur dopingsammanhang är det ju högst
intressant att veta om de förändringar
man uppnår med doping som vi påvisat här dvs. högre proteinsyntespotential och därmed möjlighet att bygga
mer myofibriller i större muskelfibrer
är bestående eller reversibla. Teoretiskt
kan man tänka sig att en person intar
steroider och tränar hårt under en
period i det dolda och sedan efter det
att steroidnivåerna sjunkit till de normala går ut och tävlar med en bättre
maskin dvs. kraftigare muskler än vad
han skulle kunna uppnå med sedvanlig
träning. Våra preliminära resultat tyder
på att så är fallet!
Icke dopade mäste träna annorlunda
Våra studier har kunnat utföras tack
vare A Erikssons kontakter inom styrkelyftar kretsar. På annan plats i
detta nummer redovisar Anders hur
det kan komma sig att en liten klubb
som Öjebyns atletklubb utan doping
har kunnat vara framgångsrika inom
styrkelyftbranschen.
Satellitceller har begränsad livstid
En varning för långvarig hård träning
och doping är också på sin plats.
Det finns helt klart risker med långvarig överträning. Satellitcellerna har en
begränsad livstid och kan förbrukas.
Detta är relaterat till att de s.k. telomererna som binder ihop kromosomerna vid celldelningen förbrukas vid
varje celldelning (5). Detta kan inne-
bära att regenerations potentialen går
förlorad vilket man ser hos patienter
med Duchennes muskleldystrofi (3).
Dessa patienter lider av brist på dystrofin som gör att muskelfibrerna försvagas och degenerar. Under barnaåren
återbildas musklerna men ofta blir de
rullstolsbundna pga. muskelförtvining
Referenser:
1. Cheek D.B. The control of cell mass and
replication. The DNA unit -a personal 20-year
study. Early Hum Dev, 1985, 12, 211-239.
2. Carlsson L, Thornell L-E Desmin-related
myopathies in mice and man acta Physiol
Scand 2001, 171:341-348.
3. Decary S, Ben Hamida C, Mouly V,
Barbet JP, Hentati F, Butler-Browne GS, Shorter telomeres in dystrophic muscle consistent
with extensive regeneration in young children.
Neuromusc.Disord 10: 113-120.
4. Eriksson P-O, Muscle fibre compositiomn
of human mandibular locomotor system.
Enzyme-histochemical and morphological characteristics of functionally different parts.
Swed Dent J 1982: 781-95.
5. Hayflick L The limited lifetime of human
diploid strains. Exp Cell Res 37, 614-636.
6. Kadi F, G Hägg, S Holmner, GS ButlerBrowne, L-E Thornell. Structural changes in
male trapezius muscle with work-related myalgia. Acta Neuropathol, 1998a, 95:352-360.
7. Kadi F, K Waling, C Ahlgren, G Sundelin,
S Holmner, GS Butler-Browne, L-E Thornell.
Pathological mechanisms implicated in localised female trapezius myalgia. Pain, 1998b,
78:191-196.
8. Kadi F, L-E Thornell. Training affects
myosin heavy chain phenotype in the trapezius
muscle of women. Histochem Cell Biol, 1999a,
112:73-78.
9. Kadi F, A Eriksson, GS Butler-Browne, L-E
Thornell. Cellular adaptation of the trapezius
muscle in strength trained athletes. Histochem
Cell Biol, 1999b, 111:189-195.
10. Kadi F, A Eriksson, S Holmner, L-E Thornell. Effects of anabolic steroids on the muscle
cells of strength trained athletes. Med Sci
sports Exerc, 1999c, 31: 1528-1535.
11. Kadi F. Adaptation of human skeletal
muscle to training and anabolic steroids
Acta Physiol Scand, 2000a, 168 suppl 646,
1-52.
12. Kadi F, L-E Thornell. Concomitant
increases in myonuclear and satellite cell content in female trapezius muscle following
strength training, Histochem Cell Biol, 2000b,
113:99-103.
13. Kadi F, P Bonnerud, A Eriksson, L-E Thornell. The expression of androgen receptors in
human neck and limb muscles: effects of training and self-administration of androgenic-anabolic steroids. Histochem Cell Biol, 2000c,
113:25-29.
14. Lindman R, A Eriksson, L-E Thornell.
Fiber type composition of the human male
trapezius muscle: enzyme-histochemical characteristics. Am J Anat, 1990, 189:236-244.
15. Lindman R, A Eriksson, L-E Thornell.
Fiber type composition of the human feamale
trapezius muscle. Am J Anat 1991, 190,
385-392.
16. Lindman R, M Hagberg, K A Angqvist,
K Soderlund, E Hultman, and L-E Thornell.
Changes in muscle morphology in chronic trapezius myalgia, Scand J Work Environ Health,
1991, 17 347-355.
17. McCormick KM, E Schultz. Role of satellite cells in altering myosin expression during
avian skeletal muscle hypertrophy. Dev Dyn,
1994, 199: 52-63.
18. Monemi M
19. Pedrosa-Domellof F, P-O Eriksson, GAS
Butler-Browne, L-E Thornell, Expression of
alpha-cardiac myosin heavy chain in mammalian skeletal muscle. Experientia, 1992, 48,
491-494.
20. Stal P, Characterization of human orofacial and masticatory muscles with respect to
fibre types, myosins and capillaries. Swed Dent
J, 1994, Supplement 98, 1-55.
13
