S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 2 - 2 0 10
Fria syreradikaler har positiva effekter
på glukosutnyttjandet under fysiskt
arbete
Det anses allmänt att fria syreradikaler (reactive oxygen species, ROS) försämrar ett flertal viktiga funktioner. De senaste resultaten tyder dock på att ROS krävs för normala processer, t ex
för att öka glukosupptaget under fysiskt arbete. Således kan ROS ha både positiva och negativa
effekter, beroende på villkoren och om nivåerna är fysiologiska eller onormalt höga.
■■■
Abram Katz
Docent
Institutionen för Fysiologi och Farmakologi,
Karolinska InstituteT
Glukostr a nsport in i
cellen är en metaboliskt viktig process i
alla eukaryota celler. Det mest potenta
fysiologiska stimulit för glukostransport in i skelettmuskelceller är fysiskt
arbete, som kan ge en upp till 50-faldig
ökning av transporthastigheten (3).
Bidraget från extracellulärt glukos till
musklernas kolhydratutnyttjande och
ATP-produktion är försumbart under
ett intensivt kortvarigt arbete och även
under tidiga stadier av långvariga
submaximala arbeten (3, 4). Betydelsen
av extracellulärt glukos ökar dock med
arbetets längd och man har visat att
tillförsel av glukos ökar prestationsförmågan under långvarigt arbete (10).
Mekanismerna för hur fysiskt arbete
leder till ökat glukosupptag i muskel
är ännu inte klarlagda. Det finns dock
goda bevis för att aktiveringen av
AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK)
spelar en viktig roll i denna process (1).
Fria syreradikaler
Fria syreradikaler (ROS) består av
superoxid och flera av dess derivat,
inklusive väteperoxid (H2O2). Produktionen av ROS är liten i en vilande
muskel och den ökar under arbete (6).
Vidare har det visats att muskelpreparat som exponerats för H2O2 uppvisar
en aktivering av glukostransporten och
AMPK (11). Dessa resultat gör det sannolikt att ROS är betydelsefullt för det
ökade glukosupptaget under arbete
ROS och glukostransport
Vi testade nyligen hypotesen att ökad
ROS-produktion är betydelsefull för
14
det ökade glukosupptaget under arbete
(8). Snabba extensor digitorum longus
(EDL) muskler isolerades från möss och
inkuberades i en fysiologisk saltlösning.
Musklerna stimulerades sedan elektriskt
för att utföra upprepade kontraktioner.
Efter arbetet analyserades musklernas
glukosupptag med en metod baserad på
upptaget av radioaktivt märkt 2-deoxyglucose (2-DG). Glukosupptaget efter
arbetet var nästan tre gånger större
än i muskler som vilat (Fig. 1). Om
musklerna stimulerades i närvaro av
en allmän antioxidant, N-acetylcystein
(NAC), så var ökningen av glukosupptaget c:a 50% mindre. Detta visar att
endogen ROS-produktion spelar en betydande roll för det kontraktionsmedierad
glukosupptaget. För att se om effekten
var specifik så studerade vi även effekten
av NAC på andra typer av aktivering av
glukosupptaget. Resultaten visade att
NAC inte påverkade det insulin- eller
hypoximedierade glukosupptaget (8).
Detta visar att ROS-effekten är specifik
för fysiskt arbete.
Vi utförde även försök för att utreda
vilken typ av ROS som var betydelsefull för den kontraktionsmedierade
ökningen av glukostransport. I en serie
försök använde vi en annan antioxidant,
ebselen, som framför allt tar bort H2O2.
Ebselen hämmade också det kontraktionsmedierade glukosupptaget, vilket
tyder på att H2O2 är betydelsefull för
denna process (8). Försök utfördes också
på muskler från möss som överuttrycker
mangan-beroende superoxiddismutas,
som är ett mitokondriellt enzym som
omvandlar superoxid till H2O2. Man kan
S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 2 - 2 0 10
Figur 1. Antioxidanten NAC hämmar kontraktionsmedierat glukosupptag i EDL-muskler från mus (8).
Data anges som medelvärden ± SEM för 6-8 muskler. Ofyllda staplar =kontroll; fyllda staplar = NAC (20
mM). * P <0,05 jämfört med kontroll.
het (5). Samtidigt visar anadra studier
att ROS är viktiga signaleringsmolekyler i normala fysiologiska processer. Ett
exempel på detta är en nyligen publicerad
studie som visar att intag av antioxidanter kan minska de positiva effekterna av
fysisk träning (7). De motsatta effekterna
av ROS kan förklaras med att låga fysiologiska nivåer är nödvändiga för korrekt
cellsignalering och funktion medan hög
och/eller långvarig exponering kan leda till
försämrad funktion (Fig. 2).
Kontakt:
[email protected]
patologisk
Funktion
fysiologisk
Fria syreradikaler
Figur 2. Illustration av det bifasiska förhållandet mellan muskelcellens funktion och ROS-nivåer (1). Den
blå cirkeln betecknar tillståndet i en vilande muskel.
anta att produktionen av H2O2 är ökad
i muskler från dessa djur, vilket i sin tur
borde leda till ökat kontraktionsmedierat glukosupptag. Resultaten stämde
med vår hypotes. Muskler från möss
som överuttryckte enzymet uppvisade
25% högre glukosupptag än muskler
från kontrolldjur (8). Sammantaget
visar dessa resultat att antingen H2O2
(eller något av dess derivat) är den typ
av ROS som deltar i aktiveringen av
glukostransport under fysiskt arbete.
Fria syreradikaler och AMPK
I nästa steg ville vi ta reda på om
effekten av ROS på glukostransporten
involverar aktivering av AMPK. Våra
resultat visar att NAC minskar den
kontaktionsmedierad ökningen av aktivitet och fosforylering av AMPK med
cirka 50% (8). ROS effekten verkar
alltså inbegripa aktivering av AMPK.
Förhållandet mellan ROS, AMPK
och glukostransport under fysiskt
arbete visade sig hålla även under
andra omständigheter. Exempelvis
utförde vi försök där muskelcellernas
”motorer”(korsbryggorna) hämmades
med N-bensyl-p-toluen sulfonamid
(BTS). Elektrisk stimulering av dess
”förlamade” muskler ledde fortfarande
till ökad ROS-produktion och glukosupptag samt aktivering av AMPK (9).
Det är alltid osäkert om resultat som
erhållits i försök med isolerade muskelpreparat från försöksdjur också gäller
för human muskel under fysiskt arbete.
Studier har visat att både glukosupptag
och ROS-produktion ökar i human
muskel som en funktion av det fysiska
arbetets intensitet (3, 12). Ytterligare
studier behövs dock för att visa om
detta beror på ett orsakssamband.
Fria syreradikaler och fibertyp
En intressant iakttagelse är att upprepade kontraktioner stimulerar glukosupptaget mer i snabba än i långsamma
muskler, medan man ser det motsatta
förhållandet med insulinstimulering
(2). Beror detta på en större produktion av ROS i snabba muskler eller en
bättre förmåga att buffra ROS i långsamma muskler? Våra studier tyder
på det senare alternativet. Långsamma
muskler uppvisar en högre antioxidativ
aktivitet än snabba (12). Dessutom är
den H2O2-medierade inaktivering av
ett ROS-känsligt enzym, aconitase,
markant mindre i långsam än i snabb
muskel (12).
Slutsatser
Oftast förknippas ROS med negativa
effekter på kroppens funktioner; ROS
har t ex förknippats med muskeltrött-
Referenser
1. Hardie DG, Sakamoto K. AMPK: a key sensor
of fuel and energy status in skeletal muscle. Physiology (Bethesda ) 21: 48-60, 2006.
2. Johansson SM, Salehi A, Sandstrom ME,
Westerblad H, Lundquist I, Carlsson PO, Fredholm BB, Katz A. A1 receptor deficiency causes
increased insulin and glucagon secretion in mice.
Biochem Pharmacol 74: 1628-1635, 2007.
3. Katz A, Broberg S, Sahlin K, Wahren J. Leg
glucose uptake during maximal dynamic exercise
in humans. Am J Physiol 251: E65-E70, 1986.
4. Katz A, Sahlin K, Broberg S. Regulation of glucose utilization in human skeletal muscle during
moderate dynamic exercise. Am J Physiol 260:
E411-E415, 1991.
5. Medved I, Brown MJ, Bjorksten AR, Murphy
KT, Petersen AC, Sostaric S, Gong X, McKenna
MJ. N-acetylcysteine enhances muscle cysteine
and glutathione availability and attenuates fatigue
during prolonged exercise in endurance-trained
individuals. J Appl Physiol 97: 1477-1485, 2004.
6. Murrant CL, Reid MB. Detection of reactive
oxygen and reactive nitrogen species in skeletal
muscle. Microsc Res Tech 55: 236-248, 2001.
7. Ristow M, Zarse K, Oberbach A, Kloting N,
Birringer M, Kiehntopf M, Stumvoll M, Kahn CR,
Bluher M. Antioxidants prevent health-promoting
effects of physical exercise in humans. Proc Natl
Acad Sci U S A 106: 8665-8670, 2009.
8. Sandström, M. E., Zhang, S. J., Silva, J. P.,
Reid, M. B., Westerblad, H., Katz, A. Role of
reactive oxygen species in contraction-mediated
glucose transport in skeletal muscle. J Physiol 575,
251-262. 2006.
9. Sandström ME, Zhang SJ, Westerblad H, Katz
A. Mechanical load plays little role in contractionmediated glucose transport in mouse skeletal
muscle. J Physiol 579: 527-534, 2007.
10. Spencer MK, Yan Z, Katz A. Carbohydrate
supplementation attenuates IMP accumulation in
human muscle during prolonged exercise. Am J
Physiol 261: C71-C76, 1991.
11. Toyoda T, Hayashi T, Miyamoto L, Yonemitsu S, Nakano M, Tanaka S, Ebihara K, Masuzaki H, Hosoda K, Inoue G, Otaka A, Sato K,
Fushiki T, Nakao K. Possible involvement of the
alpha1 isoform of 5’AMP-activated protein kinase
in oxidative stress-stimulated glucose transport in
skeletal muscle. Am J Physiol Endocrinol Metab
287: E166-E173, 2004.
12. Zhang SJ, Sandstrom ME, Lanner JT, Thorell
A, Westerblad H, Katz A. Activation of aconitase
in mouse fast-twitch skeletal muscle during contraction-mediated oxidative stress. Am J Physiol
Cell Physiol 293: C1154-C1159, 2007.
15
