1
بسم الله الرحمن الرحیم
2
سازگاری های سلولی
3
اثر فعالیت های بدنی بر میتوکندری سلولی
James B. Gale
Sonoma State University
Department of Kinesiology
Rohnert Park, CA 94928
USA
Responses of Mitochondria to exercise and trainig
WWW.sportsci.org/encyc/drafts/mitochondria.doc
4
اولین مسیر ساخت ATPدرتمرینات طولانی ,متابولیسم هوازی است ومیتوکندری ها در داخل تمام اندام هایی که برای ساخت ATP واکنش پذیر هستند وجود دارند.
میتوکندریها درعضله ی قلب وعضلات اسکلتی نقش کلیدی را ایفا می کند.
اغلب مطالعات به پاسخ میتوکندریها بر دو شیوه تمرینی پرداخته اند:
اغلب مطالعات با این نظریه موافق هستند که تطابق میتوکندری به تمرین مربوط به افزایش VO2maxمی باشد .
تمرینات شدید یا تکرار چند
تمرین خسته کننده طی چند
روز
تمرینات طولانی مدت یا
مزمن
مقدمه
5
میتوکندری ها عموما به عنوان اندام هایی کوچک ودولایه باقطری معادل 0.5میکرومتر وطولی معادل 2-1میکرومتر می باشند.
ساختار داخلی آنها کیسه مانند وچند لایه ای است.
دارای اندامکهای کاملا مشخص ومجزای درونی هستند.
غشاء بیرونی نفوذ پذیر وبه عنوان یک عامل نگهدارنده وحمایت کننده محسوب می شود.
ساختار میتوکندری ها
6
7
غشاء خارجی دارای تعداد بسیار کمی آنزیم است.آنزیم های شاخص شامل :مونو آمینو اکسیداز و NADH-سیتوکروم b5 ردوکتاز می باشد که هیچ یک در ارتباط بامتابولیسم تمرین عامل مهمی به شمار نمی آیند.
غشاءداخلی ,غشاءواقعی آن محسوب می شود.این غشاء شامل پروتئین های زیادی است که یا به عنوان ناقل ویا آنزیم در فرآیند متابولیکی نقش عمده ای راایفا می کنند.
غشائ خارجی
8
بعضی از آنزیم هایی که در تمرین نقش ویژه ای راایفا می کنند شامل:سیتوکروم اکسیداز,کارنیتین پالمیتیل ترانسفرازو هیدروکسی بوتیرات دهیدروژناز است.
غشاء داخلی شامل غلظت بالایی از کارد یولیپین است که سبب افزایش نفوذ پذیری به یون های + H می شوند.
غشاءداخلی توسط کریستاها افزایش سطح داده وبه طرف ماتریکس شناورند و حاوی آنزیم ها وسیتو کروم های درگیر در زنجیره انتقال الکترونی هستند.
بسیاری از آنزیم های مربوط به چرخه کربس و اکسیداسیون در داخل ماتریکس قراردارند.
در فضای بین غشایی آنزیم آدنیلات کیناز(میوکیناز) وجوددارد.
غشای داخلی
9
10
نمودار زنجیره انتقال الکترونی در فضای بین غشایی میتوکندری
11
12
میتوکندری های عضلات اسکلتی
دوگروه میتوکندری در عضلات مخطط معرفی شده اند:
الف)تحت سارکولمی (زیر غشایی) – مابین سارکولم ولایه ی بیرونی تارچه های عضلانی قرار دارند.
این دسته بیشتراز گروه دوم نزدیک شبکه مویرگی بوده وبه نظر می رسد بانقل وانتقال غشایی مثل پمپ سدیمی – کلسیمی ,فسفریلاسیون گلوکز وپروتئین های غشایی ,وباساخت پروتئین های هسته ای در ارتباط باشند.
13
ب) میتوکندریهای بین میوفیبریلی: آنها مابین میوفیبریل های مجاور یکدیگر واقع شده اندودر محل خطوط Z مابین میوفیبریلها دیده شده که در بعضی از آنها تا خطوط Mنیز گستردگی دارند.
*آنها ظرفیت متابولیکی بالایی دارند ولی میتوکندریهای زیر غشایی به دلیل تراکم بیشترشان اثر اکسیداتیوی بیشتر ومهمتری را در همه میو فیبریل ها دارند*
**تارهای کند انقباض تعداد بیشتری از میتوکندری های زیر غشایی را به نسبت فیبر های تند انقباض دارا هستند**
گروه دوم
14
میتوکندریها علاوه بر ساخت انرژی با نقش افزایش دهندگی یون کلسیم وخروج یون هیدروژن به سیتو پلاسم سلولی به نظر میرسد در تنظیم فرآیند تحریک – انقباض نیز دخیل باشند.
دارای DNAهایی (mtDNA)هستند که در ساخت 8-6 پروتئین از حدود400 پروتئین دخیل در نقش ساختاری ومتابولیسمی میتوکندری همراه هستند.
دونقش مهم دیگر
15
پاسخ میتو کندری ها به تمرین
مروری بر
16
مطالعات روی حیوانات آزمایشگاهی نشان داده است که میتوکندری جدا شده از حیوانات خسته ,شکننده گی بیشتری از حیوان در حال استراحت داشته است.
میتوکندری عضله خسته همچنین کاهش اکسیداسیون اسید های چرب را نشان داده است.
این اطلاعات, خستگی ناشی از تمرین و تخلیه گلیکوژنی را به عنوان یک مکانیسم معرفی می کند.
17
میتوکندریهای قلبی جدا شده از سگهایی که تا سرحد خستگی شنا کرده بودند,تورم داشته ودچار کاهش چگالی ماتریکس شده بودند.
ابتدا تصور بر این بود که ایجاد شکافها یی در غشاء واز دست دادن ماتریکس با شروع خستگی ,مکانیزم این اتفاق باشد.اما بعد مشخص شد که این اختلال ناشی از عملیات آزمایشگاهی فیکس کردن با موادی مثل تترا اکسید اسمیوم می باشد.
ادامه آزمایشات بیان می کند که میتوکندری موش های خسته به کاتیونهای کلسیمی وباریم واسترانسیومی که به تثبیت کننده ها اضافه شده بود حساس بودند.
18
تقریبا از اثر دوره های تمرینی بر پاسخ های میتوکندری اطمینان حاصل شده است.
افزایش در پروتئین میتوکندری,چندین آنزیم همراه در متابولیسم هوازی (NADHدهیدروژناز,SDH,سیتوکرومc ردوکتاز , NADHسوکسینات اکسیدازوسیتوکرومcاکسیداز) وافزایش حجم میتو کندری.
افزایش تعداد میتوکندری ها به ویژه میتو کندری های زیر غشایی که بیشترین فضا را برای افزایش دارا هستند..
پاسخ میتو کندری ها به دوره های تمرینی
19
افزایش پروتئین ها بیشتر مربوط به افزایش آ نزیمهای غشایی و داخلی می شود.
مسیرهای متابولیکی تحت تاثیر واقع شده با افزایش غلظت SDH وسیتوکرومc وآنزیم های میانجی در چرخه کربس هستند(سیترات سنتتاز وسیترات)
آنزیم های مسیر متابولیسم اسیدهای چرب نیز افزایش می یابد.
افزایش در سیتو کروم ها و پروتئینها باید مربوط به افزایش طول زمانی تمرین باشد.
20
یکی از تطابق های شناخته شده از تمرینات استقامتی کاهش غلظت لاکتات در بار کاری نسبی ومطلق است.
افزایش در پروتئین های میتوکندری ممکن است با افزایش دفع پیروات توسط کمپلکس پیروات دهیدروژناز وکاهش میزان ساخت لاکتات توسط کمپلکس لاکتات دهیدروژناز درسیتو پلاسم همراه باشد.
افزا یش حجم میتوکندریایی با افزایش آنزیم های بتا اکسیداسیون وزنجیره تنفسی همراه است.این حالت میتواند حتی با کاهش سوبسترا بامیزان یکسان ومشابهی از افزایش متابولیسم چربی عمل نماید.
21
افزایش بتا اکسیداسیون همراه با افزایش ناقلهای چربی آسیل کارنیتین است که با افزایش سطح میتوکندری رخ می دهد
اثر مشهور افزایش میتوکندری ممکن است افزایش شارژ انرژی باشد(ATP,ADP,Pi) .
22
در کسب ذخایر انرژی
ترموژنز
آپوپتوزیس
ساخت چندین نوع از پروتئین های داخلی
فرآیند های تنفس سلولی
بیماریهای ارثی ومحیطی وفرآیند پیری سبب اختلال در کار آن می شود.
میتوکندریها
اما
23
برای نسخه برداری در mtDNA نیاز به آنزیم ها وسیستم ساخت پروتئین برای ترجمه 13 mRNAs میتوکندری است.این mRNAs برای ظرفیت رمز گذاری پروتئینی mtDNAوزیر واحدهای رمز گذاری شده کمپلکسهای تنفسی
I,III,IV,V لازم هستند.
خروج پروتون ها توسط کمپلکس های I,III,V با انتقال پی در پی به سمت مجموعه هایی از حامل های افزایش دهنده پتانسیل واکنشهای ریدوکس منجر به ایجاد گرادیان الکتروشیمیایی پروتون در عرض غشاء داخلی می شود.کمپلکس V ATPase جفت شده با کانال پروتون را که در ساخت ATP نقش مهمی دارد را در بر می گیرد.
24
mtDNA همچنین RNAs ریبوزومی وRNA 22 ناقل را رمز گذاری می کند که برای ترجمه توسط میتوریبوزوم ها در داخل ماتریکس ویا برای دستگاه تنفسی مورد نیاز هستند.
علاوه بر اینها آنزیم های متابولیکی رمز گذاری شده هسته ای برای اکسیداسیون پیروات , اسیدهای
چرب واستیل کوآنزیم A وبیوسنتز اسیدهای آمینه کراتین وتولیدهم نیز برای میتو کندری ذکر می شود.
دومین کلاس ژنهای هسته عوامل مهم پروتئینی را رمزگذاری می کند.
سومین کلاس ,پروتئین های کلیدی را که برای مضاعف شدن بیان ژنوم های میتوکندریایی لازم است شامل پلی مراز های اسید ی هسته ای است وهمچنین آنزیمهای مورد نیاز در فرآیند RNA , نسخه برداری وعوامل مضاعف شدن وبه همان نسبت tRNA سنتتاز وعوامل ترجمه وزیر واحد های ریبوزومی را دربرمی گیرد .
25
بنابر این برنامه تنظیم بیوژنز میتوکندریایی سبب هماهنگ شدن ژن های میتوکندریایی وهسته ای می شود.
26
27
28
پروتئین های تنظیم کننده در نسخه برداری ژنی میتوکندری
Tfam ژن هدف NRF-1 است که نقش مهمی را در انسجام واکنشهای متقابل بین میتوکندری وهسته ایفا می کند.
مطالعات نشان داده است که افزایش سطوح NRF-1mRNA نشان دهنده فعالیت اتصالی DNA با بیوژنز میتوکندری است .NRF-1 وفعال کننده اش PGC-1 به عنوان بخشی از تطابق عضله اسکلتی به دوره های تمرینی می باشد.(Baur et al 2002)
استفاده از کراتین برای موش ها شرلیط مشابه تمرین بدنی را ایجاد کرده که منجر به فعالیت پروتئین کیناز فعال کننده AMP شده وسبب افزایش فعالیت NFR1 وفعالیت اتصالی NFR-1—DNA شده است.
29
البته در سلولهایی که از mtDNA تخلیه شده بودند هم افزایش NFR-1 و Tfam دیده شده که احتمالا به عنوان پاسخی به استرس اکسایشی می باشد.
NRF-1 و Tfamدر پاسخ به لیپو پلی ساکارید ناشی از آسیب اکسیداتیو احتمالا برای افزایش سطوح DNAmt وفعالیت 9XpHOs می باشد.( Suliman et al .2003).
NFR-1 پلی پپتید KD 68 که در پایانه C دارای یک ناحیه فعالیت نسخه برداری شامل گروه های گلوتامینی است.
فسفریلاسیون سرین در ناحیه ی پایانه N آن هم اتصال به DNA وهم عملکرد انتقالی – فعال کنندگی آنرا افزایش می دهد.
30
بسیاری از ژن های هدف NRF-1 زیرواحد های 5 کمپلکس تنفسی را رمز گذاری می کنند.
جایگاه های NFR-2 نیز در چندین ژن مربوط به بیان زنجیره تنفسی در ناحیه پیش برنده ( Promoter)وجود دارد.
3ژن رمز گذاری شده از 4زیر واحد سوکسینات دهیدروژناز (کمپلکس II ) هردو جایگاه NFR-1 و NFR-2 را دارند.
این که چندین عامل نسخه برداری (NFR-1,NFR2,PPARα,mtTFA) در فرآیند بیوژنز میتوکندری چگونه هماهنگ می شوند هنوز هم جای سوال دارد.
31
PGC1-α یک فعال کننده در نسخه برداری است چون بر عوامل کلیدی مثل NFR-1 اثر دارد.
در بافت چربی قهوه ای , قلب , تارهای کند انقباض , بافت کلیوی که غنی از سیتم میتوکندری هستند وجود دارد.
بیان این ژن در مقابل سرما و تمرین های کوتاه وسرعتی وشرایطی که به میتوکندری برای تولید گرما مورد نیاز هست افزایش می یابد.
PGC-1α در کنترل فیزیولوژِکی عملکرد میتوکندری دخالت دارد.( Pilegaard et al 2003).
32
PGC-1α در تولید NFR-1 و NFR-2 و Tfam مستقیما دخالت دارد .
در عکس العمل به فعالیت انقباض عضلانی مسیر های پیام رسانی وابسته به کلسیم آبشاری از رویدادهایی را که منجر به افزایش شکل گیری انواع فیبر های اکسیداتیو می شود را راه اندازی می کند و PGC-1α سبب آبشار میتوکندری در عضله می شود.
33
34
American Journal of Clinical Nutrition, doi:10.3945/ajcn.2008.26717D Vol. 89, No. 1, 467S-471S, January 2009
Ian R Lanza and K Sreekumaran Nair
1 From the Division of Endocrinology, Endocrinology Research Unit, Mayo Clinic College of Medicine, Rochester, MN.
Muscle mitochondrial changes with aging and exercise
35
مقدمه
اثرات موثر تمرین بر عملکرد میتو کندریایی به خوبی مشخص شده است آنچه دارای ابهام است این موضوع است که آیا تمرین می تواند از اختلال عملکرد ناشی از افزایش سن پیشگیری کرده یا آن را به تاخیر انداخته یا روند آن را معکوس نماید؟
36
اختلالات ناشی از افزایش سن بر میتوکندری
اختلال ظرفیت اکسیداتیوی
کاهش فعالیت آنزیمی
کاهش حجم میتوکندری
کاهش روند نسخه برداری ژنی برای پروتئین های پلاسمایی
کاهشDNAمیتوکندری
افزایش آسیب اکسیداتیوDNA
37
اثر فعالیتهای استقامتی بر عملکرد میتوکندری
افزایش بیوژنز میتوکندری
افزایش ظرفیت اکسیداتیوی
اثر 4هفته تمرین استقامتی با80% O2peak ,5روز در هفته بر افراد 78 – 21 سبب بروز تغییرات ذیل شد:
38
تغییرات رخ داده
افزایش فعالیت آنزیمی
افزایش ATPسازی در میتوکندریهای ایزوله شده
افزایش V02max
افزایش سطح نسخه برداری از ژنهای هسته و افزایش فراوانی DNAmtو افزایش بیان گیرنده ی گاما ی فعال کننده تکثیر پراکسی زومی
افزایش عامل کپی برداری Aمیتوکندری (mRNA,TFAM)
39
کاهش در CS,COX,
کاهش بیان mRNAاز 4 زیر واحد NADHدهیدروژناز(ND4)
کاهش عوامل کپی برداری PGC1آلفا و NRF1,TFAM
4 ماه تمرین کلیه موارد فوق را افزایش داد.
شاخص های عملکرد میتوکندری ناشی از سالمندی
40
روش شناسی
نمونه ها : موش های FVB پیر
برنامه تمرینی : 8هفته ,5روز در هفته, هر جلسه 45 دقیقه با شدت 80% O2 peak ,
هر جلسه 10 دقیقه گرم کردن وسپس با شیب 25درجه وسرعت 8متر در دقیقه که هر 10 دقیقه, 2متر در دقیقه به سرعت افزوده می شد .
هدف تمرین رسیدن به زمان 2ساعت در هر روز بود.
در هرجلسه اینتروال های 8دقیقه ای با استراحت های 2دقیقه ای (باسرعت 5متر در دقیقه ) انجام می شد.
41
Copyright ©2009 The American Society for Nutrition
Lanza, I. R et al. Am J Clin Nutr 2009;89:467S-471S
FIGURE 1 A: Training effects on mitochondrial function, Figure 1>O2 peak, and spontaneous activity
42
FIGURE 1. A: Training effects on mitochondrial function, O2 peak, and spontaneous activity. Citrate synthase, L-3-hydroxyacyl coenzyme A dehydrogenase (BHAD), and cytochrome c oxidase activities increased with 8 wk of endurance exercise in Friend virus B-type (FVB) mice (n = 8 per group). B: Exercise also increased mitochondrial ATP production rates with the use of substrate combinations glutamate + malate (GM), palmitoyl-L-carnitine + malate (PCM), and succinate + rotenone (SR) (n = 8 per group). Maximal oxygen uptake expressed per unit of fat-free mass (FFM) (n = 8 per group) (C) and spontaneous physical activity (D) increased with exercise training (n = 12 untrained, 8 trained). Data are presented as means ± SEMs. Reprinted with permission from reference 20.
43
Copyright ©2009 The American Society for Nutrition
FIGURE 2. mRNA expression of mitochondrial proteins with age and exercise. mRNA transcripts of cytochrome c oxidase 4 (COX4) and NADH dehydrogenase 4 (ND4) declined significantly with age in men (open circles) and women (solid circles) combined (left panels). Exercise increased mRNA expression of COX4 and ND4, with no age differences in the absolute differences between pre- and posttraining measurements (right panels). Data are normalized to 28S rRNA; n = 78. AU, arbitrary units. Reprinted with permission from reference 23.
44
اثر تمرین بر عملکرد میتوکندری: L3-هیدروکسی آسیل کوآنزیمA , ظرفیت تولید ATP , استفاده از مالات +گلوتامات, پالمیتول L کارنیتین وسوکسینات+روتنون به عنوان سوبسترا افزایش یافته است.
45
نتایج نهایی
8هفته تمرین هوازی سبب افزایش 02 PEAK , کاهش درصد چربی شکمی وچربی بدن , افزایش تحمل گلوکز, افزایش فعالیت DNAmt ,افزایش فعالیت آنزیم میتوکندری افزایش فعالیت گیرنده گامای فعال کننده تکثیر پروگزیزومی,
افزایش سطوح mRNA فاکتور A کپی برداری میتوکندری وافزایش تولید انرژی که این همه نسخه برداری میتوکندری عضلانی را افزایش داده وسبب افزایش عملکرد میتو کندری می شود واین توسعه عملکرد منجر به افزایش فعالیت بدنی مختارانه (خود برانگیختگی فعالیت بدنی) می شود.
46
نکته کلیدی
آنچه در این یافته ها بسیار با اهمیت می باشد نتایج ناشی ازاستفاده از حساسگرهای فوتو سلولی ماوراءبنفش بود که ارتباط مهمی را مابین ظرفیت تولید ATPمیتوکندری وفعالیت خودانگیخته بدنی را نشان داد.
پدیده فوق بر اثر انجام دوره تمرینی ایجاد شده بود.
47
انجام فعالیت هوازی طولانی بدون اثر گذاری عامل افزایش سن, سبب بهبود عملکرد میتو کندری می شود
نتیجه
48
Impact of endurance training on murine spontaneous activity, muscle mitochondrial DNA abundance, gene transcripts, and function
Lisa S. Chow, Laura J. Greenlund, Yan W. Asmann, Kevin R. Short, Shelly K. McCrady, James A. Levine, and K. Sreekumaran Nair
Division of Endocrinology, Nutrition and Metabolism, Mayo Clinic College of Medicine, Rochester, Minnesota
Submitted 17 July 2006 ; accepted in final form 9 November 2006
49
مقدمه
افزایش سن سبب کاهش DNA میتوکندریایی می شود.(Michikawa Y .ET AL . Science 286: 774–779, 1999 )
اختلال عملکرد عضلانی سبب مقاومت انسولینی می شود.(Short KR ET AL Diabetes 52: 1888– 1896, 2003 )
عضلات محل عمده مصرف گلوکز است و کاهش عملکرد میتوکندری عضلانی ممکن است مقاومت انسولینی را به دنبال داشته باشد.
افزایش سن سبب کاهش فعالیت های بدنی مختارانه میشود .(Nair KS. Aging muscle. Am J Clin Nutr 81: 953–963, 2005 )
این موضوع که آیا دوره های تمرینی سبب افزایش فعالیت های اختیاری می شود هنوز در پرده ابهام است…؟!
50
Demirel HA, Powers SK, Naito H, Hughes M, : Coombes JS. Exercise-induced alterations in skeletal muscle myosin heavy chain phenotype dose-response relationship. J Appl Physiol 86: 1002–1008, 1999.
در موش های 17.5 هفته ای تمرین بر روی تردمیل با 75% حداکثر اکسیژن مصرفی به مدت 10 هفته ( 30 تا 90 دقیقه در روز _5روز در هفته) سبب :
افزایش فعالیت سیترات سنتتاز شد .(CS)
فیبر زنجیره سنگین میوزین را(MHC) به یک فنوتیپ با خاصیت اکسیداسیون بالاتری تغییر داد.
51
Short KR, Vittone JL, Bigelow ML, Proctor DN, Nair KS. Age and aerobic exercise training effects on whole body and muscle protein metabolism. Am J Physiol Endocrinol Metab 286: E92–E101, 2004.
در انسان یک برنامه دوچرخه سواری با شدت 80% حداکثر ضربان قلب , 4روزدر هفته , 40دقیقه در هر جلسه به مدت 4ماه سبب:
توسعه حساسیت انسولینی شد.
افزایش فعالیت آنزیم های میتوکندری و
افزایش ساخت پروتئین های ترکیبی شد.
افراد جوان در مقایسه با سالمندان افزایش بیشتری را در حساسیت انسولینی نشان دادندکه نشان دهنده ارتباط مابین عملکرد عضلانی وحساسیت انسولینی است..
52
Frosig C, Jorgensen SB, Hardie DG, Richter EA, Wojtaszewski JFP. 5'-AMP-activated protein kinase activity and protein expression are regulated by endurance training in human skeletal muscle. Am J Physiol Endocrinol Metab 286: E411–E417, 2004
تمرین سبب ساخت میتوکندری از طریق مسیر سیگنالی تنظیم کننده کلسیمی می شود.
تمرین شدید سبب تحریک فعالیت پروتئین کیناز فعال کننده `5 –AMP(AMPK) ومتعاقب آن افزایش اکسیداسیون اسید های چرب و افزایش دریافت گلوکز عضلات اسکلتی می شود.
AMPK سبب افزایش فعالیت آنزیم های میتوکندری شده واز این طریق باعث افزایش بیوژنز میتوکندری نیز می شود.
Wu H, Kanatous SB, Thumond FA, Gallardo T, Isotani E, Bassel-Duby R, Williams RS. Regulation of mitochondrial biogenesis in skeletal muscle by CaMK. Science 296: 349–352, 2002
53
نتایج
Fig. 1. Training increased peak oxygen consumption [ O2 peak: ml·kg fat-free mass (FFM)–1·min–1]. The O2 peak was significantly higher in trained (+18.9%; P < 0.01; two-sided t-test) than in untrained mice. Results are reported as means ± SE. Number of mice: untrained (n = 12) and trained (n = 8).
54
تغییرات ترکیب بدنی در گروه تمرین کرده
Fig. 2. Training effects on dual X-ray absorption (DXA) determined body composition. Training reduced the percentage of abdominal fat (–25.4%; P < 0.02, two-sided t-test) and total fat (–19.5%; P < 0.01, two-sided t-test) but did not alter total body weight (P < 0.13, two-sided t-test) and FFM (P < 0.96, two-sided t-test). The percentage of abdominal fat and total fat was measured as fat content relative to the quantity of abdominal tissue and total body tissue, respectively. Results are reported as means ± SE. Number of mice: untrained (n = 12), trained (n = 9).
55
Fig. 3. Training effects on resting energy expenditure and activity. Left: training increased resting energy consumption (+12.4%, P < 0.02, one-sided t-test). Right: training increased activity (P = 0.056, two-sided t-test). Results are reported as means ± SE. Number of mice: untrained (n = 8), trained (n = 8).
56
با تشکر از توجه شما