La vía mTOR en la hipertrofia muscular

Der mTOR-Signalweg bei der Muskelhypertrophie

Bei der Erörterung eines kontroversen Themas wie mTOR und Hypertrophie analysieren wir die Theorie und schließen mit der Darstellung von Roberto Castellano ab.

Bevor wir über den mTOR-Signalweg sprechen, sollten wir uns daran erinnern, dass bei der Hypertrophie letztlich alles auf die Aktivierung der Satellitenzellen hinausläuft. Dafür gibt es drei Mechanismen: das Training, die Ernährung und die Hormone (das endokrine System).

Roberto Castellano erklärt, dass durch das Training eine Schädigung entsteht, die eine Immunreaktion auslöst.

Dies ist ein kritischer Punkt, der nicht immer berücksichtigt wird: Wenn das Immunsystem nicht richtig funktioniert, findet schlicht kein Muskelwachstum statt, und der Körper ist zudem deutlich anfälliger für Krankheiten.

Das Training führt zu einer Immunreaktion, die eine Entzündung hervorruft und eine verstärkte Durchblutung des geschädigten Gewebes bewirkt.

Dieser Bluttransport dient dazu, Abfallstoffe zu beseitigen, denn wenn die Muskeln geschädigt sind, müssen Makrophagen dorthin gelangen, um die Rückstände beschädigter Zellen zu beseitigen, Milchsäure abzutransportieren usw.

Erst wenn dieser Entzündungsprozess abgeschlossen ist, kann die Hypertrophie einsetzen; genau deshalb ist es nicht sinnvoll, dieselbe Muskelgruppe direkt hintereinander zu trainieren, da nicht der gesamte Erholungsprozess für die Entstehung der Hypertrophie stattfindet.

mTOR: Was ist das?

Es handelt sich um eine Proteinkinase, die den Zellstoffwechsel im Bereich der Hypertrophie reguliert, aber auch für die Entstehung von Tumoren verantwortlich ist.

Daher ist das, was gerade im Trend liegt, nicht immer auch das Beste; im medizinischen Bereich wird mTOR gerade deshalb untersucht, weil es bestimmte Krankheiten wie beispielsweise Krebs verursachen kann.

Nun zufolge einer 2017 in der Zeitschrift Frontiers – Physiology veröffentlichten Studie wird der Erhalt der Skelettmuskelmasse durch das Gleichgewicht zwischen anabolen und katabolen Prozessen reguliert (1)

  • Das Säugetierziel von Rapamycin (mTOR) erfüllt wichtige Funktionen bei der Proteinsynthese.
  • Neuere Erkenntnisse haben unser Verständnis der Funktion von mTOR bei der Aufrechterhaltung der Skelettmuskelmasse weiter verfeinert.

In gewissem Sinne steuert dieses Protein die anabole und katabole Signalübertragung der Skelettmuskelmasse und führt dadurch zur Modulation der Muskelhypertrophie und des Muskelabbaus.

mTOR und Satellitenzellen

Während der Myogenese werden Satellitenstammzellen zur Proliferation und Differenzierung in myogene Vorläuferzellen angeregt. Die Myogenese ist der Prozess, durch den die Zellen des Muskelgewebes gebildet werden, und sie ist für die Hypertrophie entscheidend.

mTOR ist ein wichtiger Regulator der Proteinsynthese, der Zellproliferation und des Energiestoffwechsels. Für unsere Zwecke müssen wir jedoch seine Funktion in den Muskelstammzellen (Satellitenzellen) und bei der Regeneration der Skelettmuskulatur bestimmen.

In einer Studie aus dem Jahr 2015 wurde in einem Labor beobachtet, dass die Regeneration der Skelettmuskulatur nach einer Verletzung (wie sie beispielsweise durch ein Training verursacht wird) in Abwesenheit von mTOR stark beeinträchtigt war (2).

  • Die wissenschaftliche Methode zeigte, dass bei diesen Nagetieren eine größere Anzahl nekrotischer, mit Evansblau infiltrierter Muskelfasern sowie eine geringere Anzahl und Größe regenerierter Muskelfasern auftrat.
  • Um den zellulären Mechanismus zu untersuchen, wurden primäre Myoblasten analysiert, die aus Satellitenzellen hervorgegangen waren und entweder auf einzelnen Muskelfasern wuchsen oder an Kulturschalen hafteten.

Bei dieser Methode zeigten die Myoblasten der genetisch veränderten Nagetiere im Vergleich zu den von Wurfgeschwistern stammenden Myoblasten eine gestörte Proliferations- und Differenzierungskinetik.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass mTOR für die Funktion der Satellitenzellen und die Regeneration der Skelettmuskulatur durch die Kontrolle der Expression myogener Gene unerlässlich ist.

mTOR: Aminosäuren und Kohlenhydrate

Der Proteinumsatz in der Muskelzelle ist ein komplexer Prozess, der sowohl die Proteinsynthese als auch den Proteinabbau umfasst.

Der Aufbau von Muskelmasse erfordert eine höhere Muskelproteinsynthese sowie eine Verringerung des Muskelproteinabbaus; auf Ernährungsebene setzt dies die richtige Aufnahme von Makronährstoffen voraus.

Genauer gesagt erreichen bestimmte Makronährstoffe durch die Aktivierung von mTOR eine stärkere Muskelproteinsynthese, was das Muskelwachstum fördert.

Kürzlich lenkten mehrere wissenschaftliche Studien die Aufmerksamkeit auf die Aktivierung von mTOR durch essenzielle Aminosäuren, insbesondere durch Leucin.

  • In der ersten Studie zeigten Walker et al.2, dass die Aufnahme essenzieller Aminosäuren, insbesondere von Leucin, die Aktivität von mTOR erhöhte.
  • Interessanterweise bestätigte diese Studie auch, dass der Verzehr größerer Mengen essenzieller Aminosäuren den zellulären Aminosäurevorrat erhöhte.
  • Mehr essenzielle Aminosäuren in der Muskelzelle stimulieren den Insulin-Signalweg und aktivieren dadurch mTOR.

Andere Studien, etwa die von Wilson et al., zeigen jedoch, dass Kohlenhydrate hinzugefügt werden sollten und dass dies als bevorzugte Energiequelle der Muskelzellen das anabole Umfeld verbessert.

Interessanterweise erzeugt die bevorzugte Nutzung von Kohlenhydraten durch die Muskelzelle Zellenergie (ATP).

  • In diesem Szenario wird AMPK, der Energiesensor der Zelle, durch die ATP-Produktion abgeschaltet.
  • Da AMPK mTOR durch Hemmung aktiviert, wird auch die Abschaltung von AMPK die Aktivität von mTOR stimulieren.

mTOR: Was ist mit den Fetten?

Langkettige Omega-3-Fettsäuren stimulieren die Muskelproteinsynthese durch die Aktivierung von mTOR.

Die jüngste Untersuchung von Gingras et al.5 stellt langkettige Omega-3-Fettsäuren als spezifische Aktivatoren dieser Proteinkinase und der Muskelproteinsynthese über den Insulin-Signalweg dar.

So wurde festgestellt, dass langkettige Omega-3-Fettsäuren den Signalweg des Zusammenspiels von Proteinsynthese, mTOR und Insulin verbessern.

Dies geschieht durch die Verringerung der Entzündung im gesamten Körper, die nachweislich eine Insulinresistenz verursacht.

Außerdem zeigten sie, dass der Verzehr langkettiger Omega-3-Fettsäuren die Aufnahme von Aminosäuren in die Muskelproteinsynthese um 108 % erhöhte, sofern sie einige Stunden nach dem Training konsumiert wurden, nicht jedoch direkt nach dem Ende einer Trainingseinheit.

So wie bestimmte Makronährstoffe die mTOR-Aktivität und die Muskelproteinsynthese stimulieren, hemmen andere Makronährstoffe ihre Signalübertragung und die Muskelproteinsynthese.

Eine Studie von Rivas et al.7 bestätigte, dass der Verzehr einer fettreichen Ernährung eine Insulinresistenz auslöst, wodurch die Signalübertragung dieses Signalwegs und die Muskelproteinsynthese abnehmen.

Die Hemmung von mTOR entsteht durch negative Rückkopplung innerhalb des Insulin-Signalwegs. Der chronische Verzehr einer fettreichen Ernährung aktiviert sie übermäßig, was wiederum das S6K-Molekül stark aktiviert.

Ein hyperaktives S6K-Molekül erzeugt in der Insulin-Signalkaskade hemmende Signale, wodurch die Insulinsensitivität zusammen mit der Aktivierung von mTOR und der Proteinsynthese abnimmt.

mTOR: kalorienreduzierte Ernährung

mTOR integriert verschiedene interne und externe Signale, um zahlreiche zelluläre Aktivitäten zu regulieren, darunter die mRNA-Translation, die Proteinsynthese, die Zellproliferation und das Zellwachstum, die Autophagie, die Lipogenese und die Thermogenese

In diesem Zusammenhang übt es seine biologischen Aktivitäten in Säugetierzellen aus, indem es zwei unterschiedliche Komplexe bildet:

  • Der mTOR1-Komplex (mTORC1)
  • Der mTOR2-Komplex (mTORC2).

In allen Szenarien unterscheiden sich beide hinsichtlich ihrer Bestandteile, Regulation, Funktion und Empfindlichkeit gegenüber Rapamycin.

Insbesondere wird die Aktivität von mTORC1 durch Wachstumsfaktoren, Hormone und andere Faktoren stimuliert.

Darüber hinaus wird sie durch Nährstoffe wie Glukose und Aminosäuren reguliert; folglich muss die Ernährung berücksichtigt werden.

So wie verzweigtkettige Aminosäuren (BCAA) wie Leucin und Arginin starke Aktivatoren von mTORC1 sind, hemmt eine Energiebegrenzung, etwa durch Glukoseentzug und Hunger, die Aktivierung von mTORC1 stark, indem sie AMPK aufgrund des Energiemangels stimuliert.

AMPK ist ein weiterer kritischer Sensor für die Zellenergie, der die Aktivität von mTORC1 unterdrückt.

Schlussfolgerungen

Wie wir in dieser Abbildung sehen können, ist mTOR über verschiedene Signalwege mit der Proteinsynthese und dem Zellwachstum verbunden.

Das bedeutet, dass es indirekt die Hypertrophie beeinflusst. Etwa so, wie der Motor eines Autos notwendig ist, damit es sich bewegt, aber dennoch weitere «Wege» wie das Lenkrad, Kühlsysteme, die Kupplung usw. benötigt – und das muss klar sein.

Krafttraining (mit Gewichten oder Zubehör) aktiviert mTOR, und da das Training den Muskelzuwachs fördert, besteht ein Zusammenhang mit der Hypertrophie.

mTOR steht nicht nur mit der Proteinsynthese, sondern auch mit dem Proteinabbau in Verbindung (katabole Wirkung).

Die 2014 von Goodman durchgeführte Studie zeigt, dass es umgekehrt mit diesem Prozess verbunden ist, wodurch der Katabolismus verhindert wird (3).

Zum Abschluss erklärt uns Roberto Castellano in einem Video, wie die Aktivierung des mTOR -Signalwegs und seine Beziehung zur Hypertrophie erfolgen.

Referenzen

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