การสร้างไมโทคอนเดรียและการเพิ่มความสามารถในการใช้ออกซิเจน

การสร้างไมโทคอนเดรีย (mitochondrial biogenesis) คือกระบวนการที่เซลล์เพิ่มปริมาณไมโทคอนเดรีย และความสามารถในการใช้ออกซิเจน (oxidative capacity) คือความสามารถของเนื้อเยื่อในการสร้างพลังงานแบบใช้ออกซิเจน ในกล้ามเนื้อโครงร่าง การออกกำลังกายแบบความทนทานซ้ำๆ จะกระตุ้นการสังเคราะห์โปรตีนไมโทคอนเดรียใหม่และการเติบโตของเครือข่ายไมโทคอนเดรีย ซึ่งจะเพิ่มความสามารถของกล้ามเนื้อในการออกซิไดซ์เชื้อเพลิงและคงการทำงานที่ยาวนานได้

Definition

การสร้างไมโทคอนเดรีย (mitochondrial biogenesis) คือการเพิ่มจำนวนไมโทคอนเดรียและปริมาณโปรตีนอย่างเป็นระบบผ่านการแสดงออกร่วมกันของจีโนมนิวเคลียร์และไมโทคอนเดรีย และความสามารถในการใช้ออกซิเจน (oxidative capacity) คือความสามารถของเนื้อเยื่อในการผลิต ATP แบบใช้ออกซิเจนผ่านกระบวนการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน (oxidative phosphorylation)

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการควบคุมการถอดรหัสของการสร้างไมโทคอนเดรีย, การส่งสัญญาณรับรู้พลังงานที่กระตุ้นกระบวนการนี้ระหว่างการออกกำลังกาย, บทบาทของโคแอคติเวเตอร์ PGC-1 alpha ในฐานะตัวควบคุมหลัก, และวิธีที่ความสามารถในการใช้ออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นช่วยสนับสนุนความทนทาน โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงทางสรีรวิทยามากกว่าคำแนะนำในการออกกำลังกาย

Core questions

• การออกกำลังกายกระตุ้นเซลล์ให้สร้างไมโทคอนเดรียเพิ่มขึ้นได้อย่างไร?
• เหตุใด PGC-1 alpha จึงถูกอธิบายว่าเป็นตัวควบคุมหลักของการสร้างไมโทคอนเดรีย?
• ปริมาณไมโทคอนเดรียที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้ความสามารถในการทนทานเพิ่มขึ้นได้อย่างไร?

Key concepts

• การสร้างไมโทคอนเดรีย
• ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน
• โคแอคติเวเตอร์ PGC-1 alpha
• AMPK และการรับรู้พลังงาน
• การส่งสัญญาณแคลเซียม-คาลโมดูลิน
• การประสานงานระหว่างนิวเคลียสและไมโทคอนเดรีย
• กิจกรรมของเอนไซม์ออกซิเดทีฟ

Key theories

PGC-1 alpha ในฐานะตัวควบคุมหลักของการสร้างไมโทคอนเดรีย

การส่งสัญญาณพลังงานและแคลเซียมที่เกิดจากการออกกำลังกายจะมาบรรจบกันที่โคแอคติเวเตอร์การถอดรหัส PGC-1 alpha ซึ่งประสานงานโปรแกรมการแสดงออกของยีนในนิวเคลียสและไมโทคอนเดรียที่จำเป็นสำหรับการสร้างไมโทคอนเดรียใหม่ ทำให้เป็นจุดศูนย์กลางที่เชื่อมโยงสิ่งกระตุ้นจากการออกกำลังกายเข้ากับความสามารถในการใช้ออกซิเจนที่เพิ่มขึ้น

Mechanisms

ในระหว่างการออกกำลังกาย ความต้องการ ATP ที่เพิ่มขึ้นและการเปลี่ยนแปลงของประจุพลังงานในเซลล์ ความเข้มข้นของแคลเซียม และสถานะรีดอกซ์ (redox state) จะกระตุ้นวิถีการส่งสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง AMPK และการส่งสัญญาณที่ขึ้นกับแคลเซียม-คาลโมดูลิน (calcium-calmodulin-dependent signalling) ซึ่งจะเพิ่มกิจกรรมและการแสดงออกของโคแอคติเวเตอร์การถอดรหัส PGC-1 alpha PGC-1 alpha จะร่วมกระตุ้นปัจจัยการถอดรหัสที่ขับเคลื่อนการแสดงออกของโปรตีนไมโทคอนเดรียที่เข้ารหัสโดยนิวเคลียส และประสานงานกับจีโนมไมโทคอนเดรีย เพื่อให้จีโนมทั้งสองทำงานร่วมกันในการสร้างไมโทคอนเดรียใหม่ การออกกำลังกายแต่ละครั้งจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นชั่วคราวของการส่งสัญญาณและการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้อง และการทำซ้ำของการออกกำลังกายเหล่านี้จะสะสมเป็นการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของปริมาณไมโทคอนเดรียและกิจกรรมของเอนไซม์ออกซิเดทีฟ ซึ่งเป็นการปรับตัวส่วนปลายที่ Holloszy ได้แสดงให้เห็นทางชีวเคมีเป็นครั้งแรก ขนาดของการตอบสนองของสัญญาณมีความไวต่อความเข้มข้นของการออกกำลังกาย ซึ่งช่วยอธิบายว่าเหตุใดรูปแบบการออกกำลังกายแบบความทนทานและแบบช่วง (interval) ที่แตกต่างกันจึงอาจมีผลต่อการสร้างไมโทคอนเดรียที่แตกต่างกัน

Clinical relevance

ความสามารถในการใช้ออกซิเจนของกล้ามเนื้อโครงร่างมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความทนทาน ความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม และแง่มุมต่างๆ ของสุขภาพเมแทบอลิซึม ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการปรับตัวของไมโทคอนเดรียจึงเป็นจุดสนใจของสรีรวิทยาการออกกำลังกาย ข้อมูลนี้อธิบายกลไกพื้นฐานเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงและไม่ได้ให้คำแนะนำในการออกกำลังกายหรือคำแนะนำทางการแพทย์เฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

ความเข้าใจเชิงกลไกนี้อาศัยการศึกษาทางสรีรวิทยาของเซลล์และมนุษย์ รวมถึงงานพื้นฐานที่ระบุ PGC-1 alpha ว่าเป็นตัวควบคุมการสร้างไมโทคอนเดรีย และการแสดงให้เห็นว่าการออกกำลังกายเพิ่มปริมาณของมันอย่างรวดเร็ว พร้อมกับการทบทวนที่สังเคราะห์ว่าไมโทคอนเดรียของกล้ามเนื้อปรับตัวต่อการฝึกอย่างไร สิ่งเหล่านี้อธิบายหลักฐานทางสรีรวิทยามากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

การรับรู้ว่าการฝึกความทนทานเพิ่มปริมาณไมโทคอนเดรียในกล้ามเนื้อและกิจกรรมของเอนไซม์ระบบทางเดินหายใจ ซึ่งได้รับการยืนยันในช่วงทศวรรษ 1960 ได้เปิดการศึกษาเกี่ยวกับการสร้างไมโทคอนเดรียที่เกิดจากการออกกำลังกาย การระบุตระกูลโคแอคติเวเตอร์การถอดรหัส PGC-1 ในภายหลังได้ให้สวิตช์ควบคุมระดับโมเลกุลที่ประสานการแสดงออกของยีนไมโทคอนเดรีย และการแสดงให้เห็นว่าการออกกำลังกายเพียงครั้งเดียวเพิ่ม PGC-1 alpha อย่างรวดเร็ว ได้เชื่อมโยงสัญญาณการออกกำลังกายเฉียบพลันกับการเพิ่มขึ้นของความสามารถในการใช้ออกซิเจนในระยะยาว

Debates

การฝึกเพิ่มปริมาณไมโทคอนเดรีย คุณภาพภายใน หรือทั้งสองอย่าง?

ว่าความสามารถในการใช้ออกซิเจนของกล้ามเนื้อที่ดีขึ้นสะท้อนถึงไมโทคอนเดรียที่มากขึ้นเป็นหลัก การเปลี่ยนแปลงในการทำงานต่อหน่วยของไมโทคอนเดรีย หรือทั้งสองอย่าง ยังคงเป็นคำถามที่ยังคงมีการถกเถียงกันอยู่ ซึ่งมีนัยยะต่อวิธีการวัดและตีความการปรับตัวของการใช้ออกซิเจน

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

การสร้างไมโทคอนเดรียคืออะไร?

เป็นกระบวนการที่เซลล์เพิ่มปริมาณไมโทคอนเดรียโดยการสร้างโปรตีนไมโทคอนเดรียใหม่และขยายเครือข่ายไมโทคอนเดรีย โดยประสานงานจีโนมนิวเคลียสและไมโทคอนเดรียเพื่อดำเนินการดังกล่าว

เหตุใดการออกกำลังกายแบบความทนทานจึงเพิ่มความสามารถในการใช้ออกซิเจนของกล้ามเนื้อ?

การออกกำลังกายแบบความทนทานซ้ำๆ จะกระตุ้นการส่งสัญญาณที่รับรู้พลังงานและแคลเซียม ซึ่งจะไปกระตุ้นโคแอคติเวเตอร์ PGC-1 alpha ซึ่งขับเคลื่อนการสังเคราะห์ไมโทคอนเดรียและเอนไซม์ออกซิเดทีฟใหม่ เพื่อให้กล้ามเนื้อสามารถผลิตพลังงานแบบใช้ออกซิเจนได้มากขึ้น