Ćwiczenia a mitochondria: jak wysiłek może chronić przed cukrzycą i chorobami metabolicznymi

Nie lubisz siłowni? Ryan Montalvo, naukowiec zajmujący się fizjologią wysiłku, też nie. A jednak regularnie tam chodzi.

Choć każdy trening może wydawać się wymagający, stres fizyczny związany z ćwiczeniami przynosi długoterminowe korzyści. Jedną z nich jest wywołanie odpowiedzi fizjologicznej, która pozwala komórkom dostosować się do przyszłego zapotrzebowania energetycznego. Jest to tzw. odpowiedź hormetyczna. Dzięki grantowi badawczemu od American College of Sports Medicine Research Endowment, Montalvo bada, w jaki sposób ta odpowiedź na stres wywołany wysiłkiem może pomóc w walce z chorobami niezakaźnymi.

Pracując w laboratorium prof. Zhena Yana w Fralin Biomedical Research Institute w VTC, Montalvo analizuje adaptacje organizmu do stresu wysiłkowego. Jego badania mogą ujawnić, jak zmiany na poziomie komórkowym wywołane ćwiczeniami wpływają na choroby metaboliczne, takie jak cukrzyca.

– Za każdym razem, gdy ćwiczysz, zwiększasz zapotrzebowanie na pracę mitochondriów, a ekspozycja na ten stres sprawia, że lepiej się do niego adaptujesz przy kolejnym wysiłku – mówi Montalvo. – Jeśli mitochondria dostosują się do stresorów fizjologicznych dzięki ćwiczeniom, będą skuteczniej ograniczać lub zapobiegać chorobom.

Mitochondria to wyspecjalizowane struktury w komórkach, odpowiedzialne za przekształcanie składników odżywczych w adenozynotrifosforan (ATP). Cząsteczka ta napędza procesy biologiczne – od skurczu mięśni w trakcie wysiłku po reakcje biochemiczne utrzymujące podstawowe funkcje życiowe.

– Mitochondria produkują ATP nieustannie, ale same nie wiedzą, ile mają go wytwarzać – tłumaczy badacz. – Polegają na cząsteczce sygnalizującej energię, która integruje różne sygnały i reguluje produkcję ATP, dostosowując ją do potrzeb komórki i całego organizmu.

Laboratorium Yana bada enzym kluczowy dla tego procesu – kinazę białkową aktywowaną przez AMP (AMPK). Enzym ten wykorzystuje modulację genomu i szlaki sygnałowe do komunikacji z mitochondriami, które następnie kalibrują produkcję ATP.

W okresie spoczynku zapotrzebowanie energetyczne jest stosunkowo niskie, ale podczas ćwiczeń lub innych stresorów patologicznych rośnie gwałtownie. W zdrowej fizjologii aktywacja AMPK zwiększa produkcję ATP. W wielu chorobach przewlekłych proces ten jest zaburzony.

Na przykład w cukrzycy typu 2 komórki stają się oporne na insulinę, co prowadzi do zaburzeń mechanizmów regulujących energię. – Przy nadmiernej podaży składników odżywczych mięśnie szkieletowe są nadmiernie eksponowane na glukozę i stają się mniej wrażliwe na jej działanie anaboliczne – wyjaśnia Montalvo. – Jeśli mechanizmy czujnikowe energii są uszkodzone, mitochondria mięśniowe nie dostają wyraźnego sygnału, jak reagować na stres fizjologiczny czy patologiczny.

W 2021 roku zespół Yana opublikował w Proceedings of the National Academy of Sciences wyniki badań wskazujące, że AMPK znajduje się nie tylko w całej komórce, lecz także w mitochondriach. Ta specyficzna pula enzymu, nazwana mitoAMPK, może przekazywać mitochondriom precyzyjniejsze sygnały.

– Byliśmy pierwsi, którzy scharakteryzowali mitochondrialną AMPK w mięśniach szkieletowych, ale wciąż nie wiemy, dlaczego lokalizuje się ona w mitochondriach – przyznaje Montalvo. To odkrycie stało się fundamentem nowego pytania badawczego: – Czy zwiększenie aktywności mitochondrialnej AMPK może ograniczać cukrzycę w mięśniach szkieletowych?

Projekt Montalvo to pierwszy krok w kierunku sprawdzenia, czy wzmocnienie mitochondrialnego czujnika energii poprzez aktywację mitoAMPK może stać się nową ścieżką terapeutyczną w leczeniu cukrzycy.

Źródło: Virginia Tech