Митохондриальный биогенез и окислительная способность

Митохондриальный биогенез — это процесс, посредством которого клетки увеличивают содержание митохондрий, а окислительная способность — это результирующая способность ткани генерировать энергию аэробно. В скелетных мышцах повторяющиеся упражнения на выносливость стимулируют синтез новых митохондриальных белков и рост митохондриальной сети, увеличивая способность мышц окислять топливо и поддерживать длительную работу.

Definition

Митохондриальный биогенез — это скоординированное увеличение числа митохондрий и содержания белков посредством интегрированной экспрессии ядерного и митохондриального геномов, а окислительная способность — это последующая способность ткани к аэробному производству АТФ посредством окислительного фосфорилирования.

Scope

Тема охватывает транскрипционный контроль митохондриального биогенеза, сигнальные пути, чувствительные к энергии, которые запускают его во время физических упражнений, роль коактиватора PGC-1 альфа как главного регулятора, а также то, как результирующее повышение окислительной способности поддерживает выносливость. Она рассматривается как физиологическая справочная тема, а не как руководство по упражнениям.

Core questions

• Как тренировка сигнализирует клетке о необходимости производить больше митохондрий?
• Почему PGC-1 альфа описывается как главный регулятор митохондриального биогенеза?
• Как увеличение содержания митохондрий приводит к повышению выносливости?

Key concepts

• Митохондриальный биогенез
• Окислительное фосфорилирование
• Коактиватор PGC-1 альфа
• AMPK и сенсинг энергии
• Кальций-кальмодулиновая сигнализация
• Ядерно-митохондриальная координация
• Активность окислительных ферментов

Key theories

PGC-1 альфа как главный регулятор биогенеза

Индуцированная физическими упражнениями передача сигналов энергии и кальция сходится на транскрипционном коактиваторе PGC-1 альфа, который координирует ядерные и митохондриальные программы экспрессии генов, необходимые для построения новых митохондрий, что делает его центральным узлом, связывающим стимул упражнений с расширенной окислительной способностью.

Mechanisms

Во время физических упражнений растущая потребность в АТФ и сопутствующие изменения клеточного энергетического заряда, концентрации кальция и окислительно-восстановительного состояния активируют сигнальные пути, в частности AMPK и кальций-кальмодулин-зависимую передачу сигналов, которые увеличивают активность и экспрессию транскрипционного коактиватора PGC-1 альфа. PGC-1 альфа коактивирует факторы транскрипции, которые управляют экспрессией ядерно-кодируемых митохондриальных белков и координирует это с митохондриальным геномом, так что два генома действуют вместе для сборки новых митохондрий. Каждая тренировка вызывает временное увеличение соответствующей передачи сигналов и экспрессии генов, и повторение этих тренировок приводит к устойчивому увеличению содержания митохондрий и активности окислительных ферментов — периферической адаптации, впервые биохимически продемонстрированной Холлоши. Величина сигнального ответа чувствительна к интенсивности упражнений, что помогает объяснить, почему различные форматы тренировок на выносливость и интервальные тренировки могут различаться по своему влиянию на биогенез.

Clinical relevance

Окислительная способность скелетных мышц тесно связана с выносливостью, метаболической гибкостью и аспектами метаболического здоровья, поэтому митохондриальная адаптация является предметом изучения физиологии упражнений. Эта статья объясняет основные механизмы в качестве справочного материала и не содержит предписаний по упражнениям или индивидуальных медицинских советов.

Evidence & guidelines

Механистическое понимание основано на исследованиях клеточной и человеческой физиологии, включая фундаментальные работы, идентифицирующие PGC-1 альфа как регулятор митохондриального биогенеза, и демонстрации того, что физические упражнения быстро увеличивают его количество, а также обзоры, синтезирующие, как митохондрии мышц адаптируются к тренировкам. Они описывают физиологические данные, а не клинические рекомендации.

History

Признание того, что тренировки на выносливость увеличивают содержание митохондрий в мышцах и активность дыхательных ферментов, установленное в 1960-х годах, открыло изучение биогенеза, вызванного физическими упражнениями. Более поздняя идентификация семейства транскрипционных коактиваторов PGC-1 обеспечила молекулярный главный переключатель, координирующий экспрессию митохондриальных генов, а демонстрации того, что одна тренировка быстро повышает PGC-1 альфа, связали острый сигнал упражнений с долгосрочным увеличением окислительной способности.

Debates

Увеличивает ли тренировка количество митохондрий, их внутреннее качество или и то, и другое?

Является ли улучшенная окислительная способность мышц в основном результатом увеличения количества митохондрий, изменений функции на единицу митохондрий или их комбинации, остается активным вопросом, имеющим значение для того, как измеряются и интерпретируются окислительные адаптации.

Key figures

• John Holloszy
• Bruce Spiegelman
• Keith Baar
• Carsten Lundby
• Brendan Egan

Seminal works

• holloszy-1967
• baar-esser-2002
• lin-2005

Frequently asked questions

Что такое митохондриальный биогенез?

Это процесс, посредством которого клетка увеличивает содержание митохондрий, создавая новые митохондриальные белки и развивая митохондриальную сеть, координируя при этом ядерный и митохондриальный геномы.

Почему упражнения на выносливость увеличивают окислительную способность мышц?

Повторяющиеся тренировки на выносливость активируют сигнальные пути, чувствительные к энергии и кальцию, которые задействуют коактиватор PGC-1 альфа, стимулируя синтез новых митохондрий и окислительных ферментов, чтобы мышцы могли производить больше энергии аэробно.