Role of intracellular energy compartmentalization in skeletal muscle function during work and recovery

Baggrund:
Kulhydrat er kroppens foretrukne brændstof under længerevarende arbejde ved moderat til høj intensitet. Musklerne lagrer kulhydrat som forgrenede polymerer kaldet glykogen, og mængden af glykogen i musklerne kan manipuleres gennem kulhydratmængden i kosten. Udholdenhedskapacitet er tæt forbundet med glykogenmængden i musklerne, da højere glykogenmængde (superkompensering) medfører bedre udholdenhed i cykling. I de enkelte muskelfibre bliver glykogen lagret i afgrænsede områder, som oftest klassificeres som mellem eller i myofibrillerne (hhv. inter- og intramyofibrillært) eller mellem sarkolemma og den yderste myofibril (subsarkollemmalt). Et rotteforsøg har tidligere indikeret, at glykogen lagret intramyofibrillært er vigtigst for udholdenhed, men det er uvist, om dette også gælder for mennesker. Glykogenpartikler består af glykosylenheder organiseret i lag og findes typisk i submaksimale størrelser. Derfor kan forskellige glykogenniveauer opnås ved at ændre størrelsen (antallet af lag) på eksisterende glykogenpartikler større eller ved at ændre på antallet af glykogenpartikler, men det er uvist hvilken af disse mekanismer (eller begge) der bidrager til superkompensering af glykogen.
De underliggende mekanismer, som kobler glykogenudtømning med udholdenhed er ikke fuldstændigt klarlagt. Det er generelt accepteret, at glykogenudtømning medfører en nedsat kraftudvikling grundet forringet Ca2+-frisætning fra sarkoplasmatisk retikulum, men vi ved kun lidt om betydningen af glykogen for de trin i excitation-kontraktions-koblingen, som går forud for Ca2+-frisætning (for eksempel membran-excitabilitet).

Formål:
Formålene med dette ph.d.-projekt var at undersøge 1) forbruget af glykogen fra forskellige intracellulære områder under længerevarende cykling efter forskellige diæter, 2) hvordan glykogenmængden i forskellige intracellulære områder før og under længerevarende arbejde korrelerer med udholdenhedskapaciteten, 3) hvordan forskellige glykogenniveauer opnås i forhold til antallet og størrelse af glykogenpartikler, og 4) vigtigheden af tilgængelig glykogen for bevarelsen af muskelfibrenes excitabilitet.
Metoder:
Der blev gennemført to studier, som undersøgte vigtigheden af glykogen for muskelfunktion:

Studie 1:
Et humant studie, hvor der blev indsamlet biopsier før, under og efter cykling ved 75% af den maksimale iltoptagelseshastighed indtil udmattelse efter lavt (LAV), varieret (MIX) eller højt (HØJ) kulhydratindtag. Biopsierne blev analyseret for fibertype-specifikt mængde af glykogen og størrelse af glykogenpartikler i forskellige intracellulære områder ved brug af transmissions elektronmikroskopi.

Studie 2:
Et dyreforsøg, hvor kraftudvikling og excitabilitet blev undersøgt i mekanisk skinnede fibre fra rotte EDL-muskler. Eksperimenterne blev udført med og uden hæmning af glykogennedbrydningen i fibre med velpolariseret eller delvist depolariseret tubulært system. Glykogennedbrydningen blev hæmmet ved at hæmme glykogenfosforylasen (DAB (1,4-dideoxy-1,4-imino-D-arabinitol, 2 mM) eller CP (CP-316,819, 10 μM)) eller ved kemisk fjernelse af glykogen (amyloglucosidase, 20 U/ml). Membran-excitabiliteten blev undersøgt under disse forhold ved at måle repolariseringstiden efter et aktionspotentiale (udtryk for Na+,K+-ATPase-aktivitet).

Resultater:
Studie 1:
Gennemsnitlig (standardafvigelse) tid til udmattelse var 150 (30), 112 (22) og 69 (18) minutter for henholdsvis HØJ, MIX og LAV (P < 0.001). HØJ medførte en fibertype-specifik glykogen superkompensering før arbejde i de subsarkollemmale (P<0.001) og intermyofibrillære (P<0.01) områder af type 1-fibre, hvilket blev opnået ved en forhøjelse af den numeriske tæthed af glykogenpartikler sammenlignet med MIX på hhv. (median [middelspredning]) 40% [9;80] og 61% [25;107] uden ændring i det intramyofibrillære område (3% [-20;32], P = 0.83). LAV medførte et fald i glykogenmængden før arbejde i type 1-fibre, hvilket skyldtes et fald i den numeriske tæthed af glykogenpartikler sammenlignet med MIX på henholdsvis 23% [95 % CI 2; 41], 47% [32; 59] og 30% [10; 46] for de intermyofibrillære, intramyofibrillære og subsarkollemmale områder (hhv. P = 0.04, <0.001, and < 0.01). Der blev ikke fundet forskelle mellem diæterne på median-størrelsen af glykogenpartiklerne før arbejde.
En multipel regressionsanalyse viste, at glykogenmængden i det intramyofibrillære område i type 1-fibre korrelerer stærkest med tid til udmattelse især efter 60 minutters cykling. Intramyofibrillært glykogen blev sparet i løbet af de første 60 minutter af HØJ, hvilket var sammenfaldende med forhøjet glykogenmængde or glykogenforbrug i det subsarkollemmale område. Forbruget af intramyofibrillært og subsarkollemmalt glykogen var relativt mere udtalt end forbruget af intermyofibrillært glykogen uanset forudgående diæt.

Studie 2:
Hæmning af glykogenfosforylasen medførte et fald i tetanisk kraft på (gennemsnit (standardafvigelse)) 21% (15) i velpolariserede fibre (DAB og CP samlet), samt 76% (28) (DAB) eller 94% (6) (CP) i delvist depolariserede fibre (P < 0.001 for begge). Delvis depolarisering alene sænkede kraften med 28% (15). Kraften i en enkeltkontraktion (twitch) faldt med 80% (26) med DAB og 94% (6) med CP i delvist depolariserede fibre, mens depolarisering alene sænkede kraften med 33% (21). Der var ingen effekt af hæmning i velpolariserede fibre (-16% (10), P = 0.14). Hæmning af glykogenfosforylasen havde ingen effekt på repolariseringstiden i velpolarisede fibre (median [middelspredning]: 5 ms [4;5] vs. 4 ms [4;5], P = 0.26), men repolariseringstiden blev forlænget i delvist depolarisede fibre fra 6 ms [5;7] til 8 ms [7;10] (P = 0.01). I overensstemmelse med dette medførte kemisk fjernelse af glykogen en forlængelse af repolariseringstiden fra 5 ms [5;6] til 6 ms [5;7] (P < 0.01) i delvist depolarisede fibre.

Konklusioner:
Superkompensering af glykogen efter længerevarende cykling foregår i type 1-fibrene og opnås ved at øge den numeriske densitet af glykogenpartikler frem for størrelsen på de eksisterende partikler. Glykogen i det intramyofibrillære område ser ud til at være vigtigst for udholdenhedskapaciteten særligt efter den indledende fase (60 minutter) af arbejdet. Den funktionelle kobling mellem glykogen-tilgængelighed og muskelkraft kan delvist forklares ved en sænket excitabilitet og reduceret Na+,K+-ATPase aktivitet når glykogennedbrydningen hæmmes.