Efectos del Ejercicio Físico sobre señales intracelulares
Por
Dalina García Pan (Bioq.), Carlos Saavedra MSc.
Efectos
del Ejercicio Físico
No
son muchos los años en que las explicaciones a un sin numero de fenómenos
fisiológicos encuentran su sitio en la biología molecular.
Desafortunadamente el incremento desmesurado de las enfermedades crónicas
modernas a provocado por fortuna un desarrollo importante en esta área del
conocimiento. Por muchos años el tejido adiposo nunca fue considerado y hoy
se saben aspectos impensados sobre el, llegándolo a considerar como un
importante órgano endocrino. El tejido muscular por muchos años ha
sufrido, por parte de la medicina un abandono casi total, sin embargo hoy en
el se encuentra el origen directo o indirecto de múltiples alteraciones
cardiovasculares y metabólicas. No olvidemos que un infarto al miocardio es
producto de alteraciones en los lípidos y el gran responsable de su
regulación es el tejido muscular, no olvidemos que frecuencia cardiaca y
presión arterial se alteran mucho mas en sujetos con mala capacidad
funcional del tejido muscular que en aquellos que tienen una buena capacidad
de contracción y de trabajo de este tejido.
El presente articulo desea
introducir al lector a un dominio que con seguridad será el mas citado por
la literatura científica y pretende comenzar a explicar cuales son los
mecanismos intracelulares e intramusculares que hacen que el ejercicio físico
produzca acciones especificas en las propias células musculares y células
anexas, ya que estas parecen ser la clave en la prevención y tratamiento de
múltiples enfermedades. Un solo estimulo de ejercicio físico gatilla señales
tan trascendentales que tienen que ver en pocos segundos con la acción de
la insulina, con la utilización de substratos, con la generación de oxido
nítrico, con la desregulación del calcio, con el transporte de glucosa y
de grasa, con cambios en el pH, en la temperatura intracelular, etc., etc.,
que con la sistematización de u plan de ejercicio estos fenómenos ofrecen
un resguardo y un respaldo a parámetros importantes de salud y también de
rendimiento físico.
Estas adaptaciones metabólicas
que ocurren en el músculo esquelético a través del ejercicio físico
involucran cambios en la expresión de proteínas que guardan relación con
el transporte de glucosa y su respectivo metabolismo. Aproximadamente después
de 16 horas de haber efectuado el esfuerzo la expresión de una proteína,
como por ejemplo GLUT4 se incrementa en dos veces, permitiendo de esta forma
una restitución de los depósitos de glucógeno utilizados y permitiendo un
transpaso de la glucosa plasmatica al músculo.
Este simple fenómeno implica
la fosforilacion de muchas proteínas quinasa que directa o indirectamente
provoca modificaciones en la sensibilidad a la insulina, proceso que da
origen a múltiples síndromes metabólicos que aquejan a la sociedad
actual. De esta forma el ejercicio físico que permite una alta expresión
de adaptación o plástica de este tejido estaría contribuyendo a la
prevención y al tratamiento de enfermedades graves como la diabetes tipo
II, no insulino dependiente.
Finalmente estos procesos se
asocian a una hipertrofia compensatoria del tejido muscular que incluye
mecanismos de regulación celular, como la transcripción, acumulación y
translación de RNAm permitiendo así la síntesis de proteínas funcionales
y estructurales que en definitiva hacen al tejido muscular mas capaz, mas
eficiente y muy efectivo en la regulación del equilibrio entre los
substratos que se encuentran en compartimientos intra y extra musculares. Al
parecer en este fenómeno se sientan las bases del rol del ejercicio físico
en la prevención y elevación de los niveles de salud.
Nota: Este trabajo ha sido
producto de una revision efectuada por Dalina Garcia Pan quien es titulada
en Bioquimica de la Universidad de Buenos Aires, especializada en Nutricion
Clinica y que orienta sus estudios hacia las ciencias de la actividad fisica
bajo la tutoria de Carlos Saavedra MSc.
El ejercicio físico es un
importante estimulo para la regulación de múltiples procesos metabólicos
y transcripcionales en el músculo esquelético. Por ejemplo, el
ejercicio incrementa la captación de glucosa, la perfusion capilar, la
velocidad de síntesis de glucógeno, la sensibilidad a la insulina, lleva a
una remodelacion estructural de las células y a una hipertrofia
compensatoria.
Las proteínas señales son
proteínas que se encuentran en el citosol de la célula y se encargan de
llevar la información desde la superficie de la célula hasta el núcleo.
Este mecanismo es gatillado cuando algún ligando (ej. insulina) se une a su
receptor presente en la membrana plasmatica de la célula (ej. el receptor
de insulina) produciéndose la activación del receptor que es transmitida a
modo de cascada a través de las proteínas señal, una proteína señal
activa a otra y así sucesivamente hasta llegar a activar proteínas
reguladoras de genes en el núcleo (llamadas factores de transcripción) y
así provocar la transcripción del ADN a ARNm, con la consiguiente síntesis
de proteínas. La activación de estas proteínas señal es mediante
fosforilacion en distintos aminoácidos, generalmente tirosina, serina o
treonina..
Las proteínas señal mas
destacables relacionadas con este tema, son algunas MAP Kinasas: ERK1/2, p38
y JNK, (Las MAP kinasas son “proteínas kinasa activadas por mitogenos”,
un mitogeno es un inductor de proliferación y diferenciación celular, por
ejemplo insulina, factores de crecimiento como IGF-1.) y otras proteínas señal
como AMP kinasa, Akt, GSK3 y p70S6K.
Estas regulan en parte, la
captación de glucosa, síntesis de glucógeno, transcripción y regulación
genica, síntesis de proteínas e hipertrofia muscular.
En cuanto a los mecanismos
intracelulares, el aumento en la sensibilidad a la insulina post ejercicio,
parece deberse a la disminución en el contenido de glucógeno en la célula
muscular y al aumento en la perfusion capilar, asociados al ejercicio y no a
un incremento en la cascada de señalización de la insulina.
El ejercicio físico es un importante estimulo para la regulación de múltiples procesos metabólicos y transcripcionales en el músculo esquelético. Por ejemplo, el ejercicio incrementa la captación de glucosa, la perfusion capilar, la velocidad de síntesis de glucógeno, la sensibilidad a la insulina, lleva a una remodelacion estructural de las células y a una hipertrofia compensatoria.
Todos estos procesos ocurren
en respuesta a modificaciones producidas por el ejercicio en diversos fenómenos
tanto autocrinos, paracrinos y sistemicos, como cambios en la concentración
de substratos responsables de la producción de energía de la célula
muscular. Estos fenómenos a su vez juegan el rol de mensajeros en la
respuesta al ejercicio, y van a intervenir y regular múltiples sistemas de
transduccion de señales intracelulares en la célula muscular, responsables
de regular los diversos procesos metabólicos y transcripcionales
(transcripción del DNA a RNA y consecuente síntesis de proteínas) en
respuesta al ejercicio.
Algunos mensajeros en
la respuesta al ejercicio:
pH, ATP/ADP, Ca
Durante la contracción, las fibras musculares generan estímulos mecánicos, lo que a su vez produce la liberación de numerosos metabolitos. Esto se acompaña de cambios en la temperatura, el pH intracelular , cambio en la relación ATP/ ADP, cambios en la concentración intracelular del Ca y otros metabolitos que podrían actuar como mensajeros en la regulación del funcionamiento celular con el ejercicio.
El Ca, regula numerosas proteínas
intracelulares, incluyendo calmodulina kinasa, proteína kinasa C (PKC) y
calcineurina que son importantes intermediarios en las señales de
transduccion intracelular. En la matriz extracelular que interacciona con
las células musculares mediante integrinas citoesqueletales también
experimenta cambios.
Respuestas autocrinas, paracrinas y sistemicas,
Los efectos del ejercicio físico en la regulación de los fenómenos anabolicos y el metabolismo del músculo esquelético, están mediados también a través de vías de señalización receptor-ligando. El ejercicio causa potentes respuestas sistemicas, las que incluyen la liberación, entre otras de catecolaminas y otras hormonas. Estas activan receptores de la superficie celular específicos. Un buen ejemplo de este tipo de mecanismo es el incremento en la liberación de adrenalina que mediante la estimulación de receptores B adrenergicos, lleva a la activación de Adenilato Ciclasa, con el consiguiente incremento de AMPc y activación de PKA.
Los neurotransmisores relacionados con la calcitonina, el factor neurotrofico ciliar y la neurogulina son ejemplos de mensajeros extracelulares liberados por el nervio motor , los cuales pueden también estimular cascadas de señales intracelulares.
La contracción muscular puede
también activar receptores a través de mecanismos autocrinos y paracrinos.
La elongacion muscular activa vías de señalización intracelular por
liberación de factores de crecimiento en forma autocrina, por ej. en el
miocito cardiaco mediante angiotensina II. Uno de estos factores es
IGF-1 (factor de crecimiento semejante a la insulina) y FGF (factor de
crecimiento de fibroblastos), ambos se incrementan en la contracción
muscular, activando vías de señales por mecanismos autocrinos. Además en
la contracción muscular, también se libera NO (oxido nítrico) que regula
mecanismos, entre ellos el mas importante el de vasodilatacion que esta
mediados por GMPc.(un mensajero químico).
Como podemos ver, el ejercicio
es un complejo estimulo que por medio de diversos mensajeros, Ca, pH,
temperatura, hormonas, neurotransmisores, oxido nítrico, factores de
crecimiento, modificación en substratos energéticos, etc… los cuales van
a regular múltiples sistemas de transduccion de señales intracelulares los
que a su vez pueden actuar sobre numerosos procesos transcripcionales y
metabólicos dentro de la célula muscular.
Proteínas señal
intracelulares
MAP Kinasas
Las MAP Kinasas son proteínas
quinasas activadas por mitogenos, (un mitogeno es un inductor de
proliferación y diferenciación celular, por ejemplo insulina, factores de
crecimiento como IGF-1) que también son denominadas ERK o quinasas
reguladas por señales extracelulares. Estas MAP kinasas, son activadas por
una gran variedad de señales (insulina, factores de crecimiento, factores
de stress ambiental) y transmiten estas señales fosforilando numerosos
substratos, obteniéndose como resultante varios efectos biológicos.
Algunos de ellos son inducción de proliferación, diferenciación celular,
hipertrofia, inflamación, apoptosis, metabolismo de carbohidratos y
transcripción de genes. La activación de estas proteínas, es mediada por
receptores del tipo tirosina quinasa, como el receptor de insulina o los
receptores B adrenergicos, que activan proteína G o proteína Ras, estas
forman parte de la cascada de señalización, previas a MAP kinasas.
MAP kinasas activadas por el
ejercicio
El ejercicio físico activa
MAP kinasas: ERK ½, JNK y p38, las mismas son proteínas señal de
distintas cascadas de la familia MAP kinasas, que son activadas por
mecanismos aun no del todo claros, pero independientes de la via tradicional
receptor-ligando.
ERK ½, (kinasas activadas por
señales extracelulares uno y dos)
ERK ½ son MAP Kinasas (ERK 1 y ERK 2), activadas por MAP Kinasa Kinasa ½ (MEK 1 y MEK 2), que a su vez es activada por Raf1 que es una MAP Kinasa Kinasa Kinasa (MAPKKK).
El ejercicio y la contracción incrementan la actividad de MEK ½ y Raf1, ambas están upstream (por encima, previo a) de ERK ½ . La activación resultante de ERK ½ es de manera rápida y transitoria. Downstream (por debajo, posterior a) de ERK ½ activadas por el ejercicio han sido identificadas RSK2 (90-kDa ribosomal S6 kinase 2)y MSK ½ (mitogen and stress- activated protein kinase).
Se ha estudiado el incremento
de activación de ERK ½ en sujetos ejercitados en bicicleta con una
pierna sola, comparando con la pierna contralateral como control, y se
observo que la activación de ERK ½ en respuesta al ejercicio es de manera
local, es decir es un fenómeno “tejido especifico”, mas que un efecto
sistemico. Las moléculas involucradas en esta estimulación tejido
especifica permanecen aun sin delucidar. Se sabe que la vía clásica
mediante Receptor tirosina kinasa, involucrando Shc, Grb2, IRS-1 puede
descartarse como señal upstream de esta regulación, ya que no se ha
observado fosforilacion ni incremento de estas proteínas cuando se
incrementa la actividad de ERK ½.
JNK, (c-Jun NH2-terminal
kinase)
Es una MAP Kinasa, activada por las MAP Kinasa Kinasa 4 y 7, a su vez activada por una MAP Kinasa Kinasa Kinasa.
Se ha observado la activación de la cascada de señales JNK en humanos en respuesta al ejercicio efectuado en bicicleta ergometrica, en extensión de rodillas mediante contracción excéntrica y concéntrica de cuadriceps y en pruebas de maratón.
La activación de JNK por el ejercicio es sostenida, se mantiene durante el ejercicio y esta asociada con la rápida inducción de genes tempranos, como c-Fos y c-Jun, por interacción directa con estos factores transcripcionales, regulando así la transcripción genica, generándose posiblemente de esta forma, proteínas del tipo estructural o funcional.p38,
Es una MAP Kinasa, activada por MAK Kinasa Kinasa 3 y 6, a su vez activada por otra MAP Kinasa Kinasa Kinasa.
Hay 3 isoformas a, b y d (alfa, beta y gamma). a y b se encuentran en cualquier tejido, mientras que d es exclusiva del músculo esquelético y es la isoforma mayormente regulada por el ejercicio físico.
Se ha observado un incremento
en la activación de la cascada de señales p38 en ejercicio ergometrico y
en pruebas de maratón. Evidenciadose que p38 esta involucrada en la
regulación de la captación de glucosa debida a la contracción del músculo
esquelético, pero aun no están claros los mecanismos por los que se activa
p38 con el ejercicio.
La activación de estas MAP
Kinasas con el ejercicio podría estar comandada por mecanismos sistemicos,
autocrinos o paracrinos, así como cambios en el nivel de substratos
responsables de la producción de energía en la célula muscular.
Los posibles substratos de
estas MAP Kinasas en el músculo esquelético, pueden encontrarse
tanto en el citosol como en el núcleo. A nivel citosolico se han
identificado: RSK (90-kDa ribosomal S6 kinase), MSK (mitogen and stress-
activated protien kinase), MNK (MAP kinase- interacting kinase), todas ellas
proteínas con actividad enzimática kinasa. A nivel nuclear: ATF-2
(activating transcription factor 2), CHOP (CCAAT/enhancer-binding homologous
protein), CREB (AMPc-dependent response element-binding protein), MEF2
(myocite enhancer-binding factor 2), c-Fos, c-Jun, Elk-1, entre otros, todos
ellos “factores transcripcionales”.
De este modo, vemos que la
activación de estas MAP Kinasas, puede llevar, por interacción directa con
factores transcripcionales o debido a la fosforilacion y consiguiente
activación de distintos substratos citosolicos, que por translocacion al núcleo
y fosforilacion de factores transcripcionales, a la transcripción de genes
como respuesta aguda del músculo esquelético al ejercicio, y a largo plazo
a adaptaciones crónicas debidas a una regulación genica.
AMP kinasa
Es una proteína señal básica en la regulación de múltiples procesos metabólicos y anabolicos en el músculo esquelético.
AMP kinasa detecta los niveles
de substratos energéticos en la célula. AMP kinasa es sensible a la
disminución de los depósitos de energía de la célula y provoca un switch
hacia vías de generación de ATP. La AMP kinasa es activada por el
incremento en la relación AMP / ATP y creatina fosfato.
Los substratos que son
sensibles a la acción de AMP kinasa en diversos tejidos incluyen:
Acetil-CoA Carboxilasa (ACC), 3-hidroxi-3metil glutaril CoA reductasa,
Glicerofosfato aciltransferasa, Oxido nitrico sintetasa endotelial (eNOS),
6-fosfo fructo 2-quinasa, lipasa hormono sensible y IRS-1.
La actividad contractil
modifica los niveles energéticos en el músculo esquelético y dependiendo
de la intensidad de la contracción puede haber una significativa disminución
en la concentración de ATP y de fosfo creatina. De este modo, es decir, con
las variaciones de nivel de estos substratos, el ejercicio actúa como un
estimulo fisiológico de AMP kinasa.
También, AMP kinasa
interviene como mediador del transporte de glucosa cuando este es estimulado
por la contracción. Esto se ha evidenciado en estudios realizados con AICAR
(5 amino imidazol 4 carboxamida ribonucleosido) que es metabolizado por
adenosina kinasa generando ZMP, un derivado monofosforilado con efectos
similares al AMP sobre la AMP kinasa. AICAR puede estimular el transporte de
glucosa en ausencia de insulina, de manera similar al efecto de la contracción.
este transporte de glucosa es mediado por translocacion de GLUT 4 a la
membrana plasmatica desde el citosol.
Las moléculas downstream de
AMP kinasa que llevan a la regulación del transporte de glucosa estimulado
por contracción no se conocen aun, sin embargo hay evidencias de que p38 es
una de las proteínas señal downstream de AMP kinasa involucrada en la
regulación del transporte de glucosa.
Esta bien establecido que la
sensibilidad a la insulina para el transporte de glucosa se incrementa luego
del ejercicio en el músculo esquelético. Uno de los posibles mecanismos
moleculares involucrados responsables de este incremento estaría
relacionado con la variación en el contenido de glucógeno en la célula
muscular luego del ejercicio, este mecanismo se detallara en párrafos
subsiguientes. Mientras que relacionado con la actividad de AMP kinasa, se
ha visto que la contracción, el tratamiento con AICAR y la hipoxia,
incrementan el transporte de glucosa estimulado por insulina, esto sugiere
que AMP kinasa podría ser una proteína clave en los procesos de señalización
que llevan al incremento en la sensibilidad a la insulina post ejercicio.
AMP kinasa también interviene
en la oxidación de ácidos grasos estimulada por contracción. Tiene un rol
importante en la regulación de la oxidación de los ácidos grasos durante
el ejercicio. Esto ocurre a través de la fosforilacion de Acetil-CoA
Carboxilasa (ACC) por AMP kinasa, resultando en la inactivacion de ACC, que
lleva a una caída en los niveles de Malonil-CoA, deshinibiendo Carnitina
Palmitol Transferasa con el consecuente aumento del transporte de ácidos
grasos al interior de la mitocondria y favoreciendo así la oxidación de ácidos
grasos.
AMP kinasa también esta involucrada en la regulación genica, esto se ha evidenciado por tratamiento con AICAR, con el que se observa un incremento en la expresión de GLUT 4 y Hexoquinasa en fibras rojas y blancas de múltiples músculos, por activación en la transcripción de los genes correspondientes. Los mecanismos por los que AMP kinasa modula la transcripción genica aun no están claros.
Proteínas Señal mediadas por
PI3-kinasa (fosfatidil inositol 3 kinasa)
La PI3-kinasa es una proteina
señal del inicio de la cascada de la insulina.
La contracción y la insulina
tienen efectos biológicos similares en el músculo esquelético, ambos
incrementan la captación de glucosa, de aminoácidos y la síntesis de glucógeno.
Una hipótesis es que la
insulina y el ejercicio utilicen las mismas proteínas señal en la regulación
de esos eventos metabólicos. Sin embargo, el ejercicio o la contracción
muscular no incrementan la fosforilacion de tirosina ni en el receptor de
insulina ni en IRS-1, primeros eslabones en la señalización de insulina.
Downstream de IRS en la vía
de señalización de insulina esta la enzima PI3-kinasa, que tampoco se
incrementan su activación con el ejercicio. La falta de activación de
estas moléculas es consistente con el hallazgo de que la insulina y la
contracción utilizan diferentes proteínas señal para producir un
incremento en la captación de glucosa y en la síntesis de glucógeno en el
músculo esquelético. Este incremento estaría producido en la contracción
a través de mecanismos independientes de PI3-kinasa, y si involucra a Akt,
GSK3 y p70S6K, todas ellas downstream de PI3-kinasa.
Akt
Akt, proteína kinasa B. Akt es una serina/treonina kinasa que es activada por una gran variedad de factores de crecimiento de manera dependiente e independiente de PI3-kinasa.
Akt en el músculo esquelético
media muchos de los efectos celulares de la insulina, regulando el
crecimiento del músculo esquelético y su metabolismo.
En experiencias realizadas con
ratones, se ha observado un deterioro en el crecimiento con la deficiencia
de Akt1 y con la deficiencia de Akt2 en la reducción de la captación
de glucosa. Por otro lado, con técnicas de sobreexpresion de Akt, mediante
inyección de DNA, se manifiesta el rol hipertrofico y de prevención de la
atrofia muscular de Akt.
No esta claro si el ejercicio
activa Akt y la utiliza como proteína señal y genera controversia, hay
estudios que así lo afirman, y la encuentran relacionada con el metabolismo
de carbohidratos (interviniendo en la síntesis y repleción del glucógeno),
con el incremento en la sensibilidad a la insulina por el ejercicio, en la
regulación de la transcripción de genes, y en la síntesis de proteínas e
hipertrofia.
GSK3
GSK3, glucógeno sintetasa
kinasa 3. Es una serina treonina kinasa, primer upstream de la enzima glucógeno
sintetasa (GS), GSK3 fosforila e inactiva a GS, por lo tanto tiene un rol
importante en la regulación del metabolismo energético, como así también
en la regulación de la transcripción de genes.El ejercicio inactiva a GSK3
de manera distinta a la insulina. La insulina lo hace vía receptor de
insulina (IR), IRS (Substrato del receptor de insulina), PI3-kinasa
(fosfatidil inositol 3 kinasa), Akt, que fosforila a GSK3 en Serina 9 y 21
desactivándola, con lo que GSK3 al ser inactivada no fosforila a GS,
y como la GS es activa cuando esta desfosforilada, la resultante será
la estimulación en la síntesis de glucógeno en respuesta a la insulina.
El ejercicio, también
desactiva a GSK3 en un grado similar al producido por la insulina, pero con
la diferencia de que no se observa fosforilacion en Serina 21. Esto
sugiere que el ejercicio regula la actividad de GSK3 en el músculo esquelético
de un modo alternativo. Algunos estudios realizados en ciclistas muestran
que luego de 60 minutos de actividad se incrementa la fosforilacion en Ser
473 de Akt, esto podría explicar la desactivacion de GSK3 por el ejercicio.
Las consecuencias fisiológicas
de la desactivacion de GSK3 con el ejercicio no se conocen exactamente, una
de las funciones es el incremento de actividad de GS, esta seria una parte
del mecanismo de regulación de GS. Es probable que GSK3 tenga una función
en la regulación de procesos metabólicos y transcripcionales. Se ha
observado que GSK3 fosforila factores de transcripción, muchos de los
cuales están regulados por el ejercicio.
Tiene un rol critico en la
regulación de la translación del RNA mensajero transcripto, es decir,
desde el núcleo hasta el citosol lugar donde se traduce a proteínas.
Bloqueando p70S6K se observa una significante inhibición de la síntesis de
proteínas en respuesta a la insulina.
Un set de ejercicio de
sobrecarga provoca un incremento en la síntesis de proteínas, mientras que
con el entrenamiento, a manera de adaptación crónica, aparece la
hipertrofia muscular. Como hipótesis esta regulación en la síntesis de
proteínas debida al ejercicio, podría estar mediada a través de la
activación de p70S6K en el músculo esquelético. Se ha observado el
incremento en la actividad de p70S6K luego de 6 hs. de contracciones excéntricas
máximas y este incremento en la actividad de p70S6K también estaría
estrechamente correlacionado con el cambio en la masa muscular luego de 6
semanas de entrenamiento.
Como hemos visto el ejercicio
físico por medio de modificaciones en distintos parámetros, algunos ya
bien establecidos, regula múltiples señales intracelulares en el músculo
esquelético, estas, regulan distintas funciones celulares, que se
manifiestan como respuestas agudas frente a un único set de ejercicio y
como adaptación crónica frente al entrenamiento.
A continuación podemos ver un
cuadro esquemático de las señales intracelulares y sus efectos
sobre diversos fenómenos o mecanismos biológicos
A= efectos agudos y C= efectos crónicos
Señales intracelulares e Insulino Resistencia
En la diabetes tipo II, la
insulino resistencia es causada por defectos en el receptor y en las señales
de transduccion de la insulina, en IRS-1, y en la cascada de PI3K, esto se
manifiesta en una reducida estimulación del transporte de glucosa a través
de la translocacion de GLUT4 desde el citosol hacia la membrana plasmatica
en las células del músculo esquelético.
Como se detallo anteriormente
la insulina y la contracción muscular, estimulan la captación de glucosa a
través de GLUT4 por intermedio de proteínas señales diferentes, y es
posible que esta sea una de las razones por las cuales el ejercicio fisico
esta asociado a un mejoramiento en la homeostasis de la glucosa y en la
sensibilidad a la insulina. Esto seria debido a que el entrenamiento físico
lleva a modificaciones en la expresión y actividad de proteínas clave
involucradas en la cascada de señalización de la insulina, manifestándose
un incremento en el transporte de glucosa en el músculo esquelético. Estos
cambios estarían relacionados con un incremento en la actividad de diversas
proteínas señal, como MAP kinasas, AMPK, Akt, que están asociadas en
parte con un incremento en la actividad transcripcional, con consiguientes
cambios en la síntesis de proteínas incluyendo GLUT4 .
La insulina tiene efectos en
el transporte de glucosa muscular y en la actividad de la glucógeno
sintetasa (GS). Facilita la síntesis de glucógeno a través de su acción
sobre ambos, en el transporte de glucosa, estimulando la traslocacion de
GLUT4 a la membrana y en la GS, estimulando su actividad.
La translocacion de GLUT4
involucra al receptor de insulina (IR) y su correspondiente cascada de señales,
IRS-1, PI3K, Akt y PKC, como primeros eslabones en la cascada de señales de
la insulina y a la fosofolipasa D como lejano eslabón adicional.
La actividad de GS es regulada
alotericamente por glucosa-6P y covalentemente mediante múltiples
fosforilaciones. La insulina incrementa la actividad de la enzima GS por
disminución en la fosforilacion de si misma. La cascada en que PI3K esta
involucrada en la regulación de GS a través de la desactivacion de GSK3 y
activación de PP1 (proteína fosfatasa 1) permite la desfosforilacion de GS
por consiguiente su activación.
Efectos del ejercicio en el
transporte de glucosa y la actividad de glucógeno sintetasa. (GS)
Se ha observado
experimentalmente mediante espectroscopia de RMN que la velocidad de síntesis
de glucógeno después de la deplecion de glucógeno postejercicio de baja
intensidad es realmente mas elevada que en el reposo. Eso es probablemente
porque la actividad de GS es también incrementada en el ejercicio dinámico,
el cual disminuye el contenido de glucógeno en el músculo. Así vemos que
la actividad de GS es mas elevada en la deplecion de glucógeno comparada a
cuando los depósitos están completos en la célula muscular.
En estudios realizados con
roedores, se han observado modificaciones covalentes en GS y cambios en su
localización subcelular, aparentemente debidas a la presencia de glucógeno.
Con lo que la redistribución celular de GS inducida por la deplecion de
glucógeno, podría hacer que GS sea más susceptible a la desfosforilacion
por PP1 incrementándose así su actividad.
En cuanto a la dependencia de
insulina para la captación de glucosa, en estudios in vitro, se observo que
durante la contracción muscular existiría una no dependencia, resultando
un efecto aditivo o potenciador del ejercicio sobre insulina en la captación
de glucosa. Mientras que in vivo para lograr un efecto total del ejercicio
sobre la captación de glucosa, se hace necesario un nivel basal plasmatico
de insulina. De modo que con la deficiencia de insulina, la captación de
glucosa inducida por el ejercicio es menor que con niveles basales normales
de insulina.
La concentración plasmatica
de insulina disminuye hasta un 50 % durante el ejercicio, sin embargo como
la perfusion muscular se incrementa notablemente durante el ejercicio
comparado con el reposo, la concentración de insulina en el músculo en
ejercicio, se incrementa notablemente durante el ejercicio. Esta podría ser
la razón del aparente incremento de los efectos de la insulina durante el
ejercicio siendo esta la mitad del valor que corresponde a
concentraciones plasmaticas basales.
Insulina, postejercicio.
La sensibilidad a la insulina
postejercicio se ve incrementada, de modo que la velocidad de síntesis de
glucógeno es mayor, con lo se posibilita una rápida repleción de los depósitos
de glucógeno depletados por el ejercicio.
Este fenómeno primariamente
involucra un incremento en la acción metabólica de la insulina
post-ejercicio. También se ha observado que el ejercicio no siempre
incrementa la acción de la insulina, por ejemplo, inmediatamente después
del ejercicio, la acción de la insulina es disminuida por el incremento en
la concentración de catecolaminas y ácidos grasos libres, así mismo, la
contracción excéntrica disminuye prolongadamente la acción de la
insulina. Este fenómeno podría ser por alteración en la expresión
y función de determinadas proteínas.
Durante las primeras horas
post-ejercicio (3-4 hs), no se hallaron incrementos en la expresión de
GLUT4, en señales intracelulares ni en la actividad de GS en el músculo
humano. Pasado este tiempo, si se observa un incremento en la expresión de
GLUT4 por lo menos en roedores, aunque aun no ha sido reportado en humanos.
El hecho de que no se observen modificaciones en las proteínas señal, podría
deberse primeramente a que no exista relación entre el incremento de estas
señales y el incremento de acción de la insulina, o a que las
modificaciones sean en la localización subcelular y los métodos utilizados
en estos estudios son en músculo lisado, (mezclado) con lo que se pierde de
investigar este tipo de modificación, o simplemente que la sensibilidad de
los métodos utilizados no sea la suficiente.
El incremento en la perfusion
capilar que ocurre durante el ejercicio, incrementa el delivery de insulina
y de glucosa, con lo que se incrementa la acción de la insulina en el músculo
y la captación de glucosa. Se ha observado que si no se ingieren cantidades
suficientes de carbohidratos luego del ejercicio, los depósitos de
glocogeno son reconstituidos ligeramente y de manera incompleta. Esto es
debido a que luego del ejercicio se normaliza rápidamente la perfusion
muscular, con lo que vuelve el delivery de glucosa y insulina a niveles
basales.
El nivel de los depósitos de
glucógeno en la célula muscular parece estar directamente relacionado con
la capacidad de la insulina de activar tanto el transporte de glucosa, como
la glucógeno sintetasa (GS).
En el músculo esquelético en
reposo, la insulina activa la síntesis de glucógeno por incremento en la
actividad de la GS y en la translocacion de GLUT4 hacia la membrana, esto
ocurre por medio de proteínas señal activadas o desactivadas a partir de
la unión de la insulina a su receptor. Por mecanismos aun desconocidos el
volumen de glucógeno produce una regulación negativa sobre la acción de
la insulina en ambos, activación de GS y translucacion de GLUT4.
Con el ejercicio se depletan
los depósitos de glucógeno, por lo que la acción inhibitoria sobre
la acción de la insulina desaparece.
En cuanto a los mecanismos
moleculares involucrados, se observan cambios en algunas proteínas de la vía
de señalización de insulina, con la disminución de los niveles de glucógeno
hay activación de Akt y de AMPK. Hay evidencias que muestran que no es
necesaria la deplecion de glucógeno para que haya un incremento en la acción
de la insulina en el músculo, además de que el incremento en la acción de
insulina persiste aun cuando los depósitos de glucógeno ya se hayan
repletado.
Por lo tanto, las evidencias
sugieren que la deplecion de glucógeno postejercicio y el incremento en la
perfusion capilar son los factores que mas contribuyen en el incremento en
la sensibilidad a la insulina que se manifiesta con el ejercicio.
Proteínas señal, respuestas moleculares
y celulares al ejercicio de sobrecarga
El entrenamiento con
ejercicios de sobrecarga induce respuestas moleculares y celulares
necesarias para producir una hipertrofia compensatoria.
Para su mejor comprensión se
detalla a continuación un estudio realizado por Haddad y Adams
en el Departamento de Fisiología y Biofísica de la Universidad de
California publicado en febrero del 2002 en el Journal of Apply Physiology.
El estudio se realizo en
ratas, para el que fueron elegidos ejercicios isometricos de sobrecarga, ya
que la injuria en el músculo de la rata es mínima y en el humano trae como
consecuencia una hipertrofia muscular. La estimulación fue eléctrica,
consistió en 3 contracciones isometricas máximas por minuto durante 30
minutos.
Se compararon las respuestas
celulares y moleculares obtenidas con dos protocolos distintos:
*Modelo un solo set de
ejercicio:
Seis grupos de ratas (n=6 por
grupo).
30 minutos de ejercicio.
Fueron sacrificadas un grupo
por vez a distinto tiempo: 0, 2, 6, 12 y 24 hs. post-ejercicio.
Se recolecto el tejido y se
realizaron los ensayos que se detallaran mas adelante.
*Modelo dos sets de ejercicio:
Las ratas asignadas realizaron
dos sets consecutivos con distintos tiempos de intervalo de 8, 24 y 48
hs. entre los dos sets (3 grupos, n=18 cada grupo).
De cada grupo, 6 ratas fueran
sacrificadas a las 16hs., otras 6 ratas a las 24 hs. y otras 6 a las 40 hs.
luego de finalizado el segundo set de ejercicio. Se recolecto el tejido.
Análisis bioquímicos y
moleculares realizados:
Detección y cuantificion del
RNAm de distintas proteínas (IGF-1, su receptor IGFR-1, Ciclina D1 y
Miogenina entre otras) por medio de Transcripción Reversa, PCR (reacción
en cadena de la polimerasa) y Densitometria Laser.
Detección y cuantificacion de
la fosforilacion de proteínas señal intracelulares (p70-s6K y Erk-2) por
medio de inmunoblotting con anticuerpos específicos, SDS-page y Western
Blot.
Resultados obtenidos,
Efectos sobre proteínas señal
intracelulares
En el caso de p70-S6K
(downstream de PI3K) y ERK-2 (una MAP Kinasa), no se observan efectos sobre
el contenido total de proteína, con lo que no hay aumento en la expresión
de las mismas. Si se observa un incremento en la activación de estas proteínas
por fosforilacion, este incremento en la fosforilacion podría ser resultado
de un incremento en la unión receptores a receptores de factores de
crecimiento, incluyendo IGFR-1.
Como vimos anteriormente
p70-S6K, esta relacionada con una respuesta aguda frente a un único set de
ejercicio, como el del incremento en la síntesis de glucógeno y de proteínas,
y una adaptación crónica frente al entrenamiento, de hipertrofia muscular.
En el caso de ERK-2, vimos que
estaría involucrada en la transcripción y regulación genica.
En p70-S6K, el incremento en
la fosforilacion es significativamente mayor a las 40 hs, luego de dos sets
de ejercicio espaciados en 24 o 48 hs.
En ERK-2, el nivel de
fosforilacion es mayor a las 10 hs. luego de un set de ejercicio, retornando
casi a niveles basales luego de 40 hs. Y en el caso de dos sets de ejercicio
se prolonga durante mas tiempo la activación, en particular con 48 hs. de
reposo entre ambos sets.
La expresión de IGF-1, la
transcripción de su RNAm y la traducción a peptido (IGF-1), se incrementan
en la respuesta de hipertrofia compensatoria del músculo al ejercicio de
sobrecarga. Las acciones de IGF-1 reportadas incluyen la estimulación de la
proliferación y diferenciación de células satélite, así como efectos
anabolicos similares a los producidos por la insulina.
El incremento en los nives de RNAm de IGF-1 es mayor tanto en magnitud como en duración luego de dos sets de ejercicio con respecto a un solo set, y mas significativamente si el intervalo entre los sets es de 24 o 48 hs.
Los niveles de RNAm de IGFR-1 también se incrementan significativamente y
de un modo similar a IGF-1.
Efectos sobre marcadores de proliferación
y diferenciación celular
En el músculo esquelético,
como es sabido, además de células musculares hay células satélite,
tejido conectivo y otras estructuras. Cuando ocurre la hipertrofia muscular,
es necesario un incremento en estas células anexas para soportar el
incremento de tamaño y la mayor capacidad de generar fuerza de la célula
muscular hipertrofiada.
Para que este fenómeno ocurra
es necesario que estas células entren en mitosis, y esto depende de la
etapa del ciclo celular en que se encuentren. El ciclo celular es regulado
en parte por kinasas dependientes de ciclinas (cdk), unas de ellas son, la
ciclina D1 y la miogenina que estimulan a las cdk, llevando a las células a
prepararse para entrar en el ciclo, volviéndose mitoticamente activas.
Estas células anexas así se diferencian como tales y proliferan durante la
hipertrofia muscular.
En este estudio se observo un
incremento en la transcripción de RNAm de ciclina D1 y miogenina, como así
también un incremento paralelo de p21, un inhibidor de cdk.
En resumen, el ejercicio de
sobrecarga provoca un incremento en la fosforilacion, con la consiguiente
activación de diversas proteínas señal intracelulares, como son p70-S6k y
ERK-2. Como así también un incremento en la transcripción del RNAm de
IGF-1, su receptor y marcadores de diferenciación y proliferación celular,
como son ciclina D1 y miogenina.
Este incremento es mayor tanto
en magnitud como en duración luego de 2 sets de ejercicio que luego de un
único set. En cuanto al tiempo de reposo entre los dos sets, en la mayoría
de las respuestas el incremento fue mas significativo con 48 hs de intervalo
entre los sets, 24 hs. de reposo también fueron claramente efectivas,
mientras que con 8 hs. el incremento en la fosforilacion o en RNAm fue
inferior. Estos resultados nos sugieren que los mecanismos que producen
estas respuestas (fosforilacion, transcripción a RNAm) tienen un periodo
refractario, dentro del cual por mas ejercicio que se realice no van a haber
incrementos en ellas.
Con esto vemos la importancia que tiene la frecuencia
(intervalo carga-reposo) en la dosificación del ejercicio de sobrecarga, ya
que varios de los procesos celulares y moleculares que aparecen como
respuesta al ejercicio, son susceptibles a la manipulación de los parámetros
tales como los intervalos carga-reposo, por este camino y con
investigaciones futuras podremos algún día dosificar el ejercicio de modo
tal de optimizar sus resultados.
Conclusión
Esta claro que múltiples
mensajeros y sistemas de señales son activados y desactivados durante el
ejercicio físico y que el grado de activación de cada proteína su vez es
dependiente de múltiples factores en los que se incluye la intensidad del
ejercicio, la duración de este y el tipo de fibras involucradas en el
esfuerzo dejando en claro que otro rol importante es el lapso de reposo que
debería existir entre cada set de ejercicio. El ejercicio físico sistemático
otorga como resultado múltiples y favorables procesos de adaptación
incluyendo proteínas señales especificas.
En relación a la insulino
resistencia, podemos señalar que en algunos casos se debe a alteraciones
tanto en el receptor mismo de insulina o en las primeras proteínas señal
(IRS-1, PI3K) de su cascada de transduccion y podríamos aventurarnos a
afirmar que es causa del desencadenamiento de la posterior diabetes tipo II
que también puede estar causada por defectos en la transduccion de señales
correspondientes al transporte de glucosa en el músculo esquelético.
El ejercicio físico ha sido
identificado como un activador fisiológico del transporte de glucosa
independientemente de insulina, incrementando la expresión de genes y
activando el transporte de glucosa por una vía independiente apoyada básicamente
en la translocacion de GLUT4 lo que tiene un implicancia terapéutica muy
importante en el control de la homeostasis de la glucosa en pacientes diabéticos
insulino resistentes.
Finalmente a todo lo señalado
anteriormente no debemos dejar de mencionar que fenómenos que podríamos
denominar “gatilladores de base” serian el inductor de la optimización
de las señales, nos referimos a la deplecion de los depósitos de glucógeno
y al incremento en la perfusion capilar como a si mismo la movilización y
metabolizacion de los triglicéridos intramusculares.
Lecturas recomendadas
Kei Sakamoto, Laurie J.
Goodyear.: Intracellular signaling in contracting skeletal muscle. J. Appl.
Physiol. 2002; 93: 369-83.(con 160 referencias)
Jorgen F. P. Wojtaszewski,
Jakob N. Nielsen, Erik A. Richter.: Effect of acute exercise on insulin
signaling and action in humans. J. Appl. Physiol. 2002; 93: 384-92.(con 90
referencias)
Fadia Haddad, Gregory R. Adams
Acute cellular and molecular responses to resistance exercise. J. Appl.
Physiol. 2002; 93: 394-402.(con 62 referencias)
J.W. Ryder, A.V. Chibalin,
J.R. Zierath. Intracellular mechanisms underlying increases in glucose
uptake in response to insulin or exercise in skeletal muscle. Acta Physiol.
Scand. 2001; 171: 249-57.
Kennedy J.W., Hirshman
M.F.,Gervino E.V.,Ocel J.V., Forse R.A., Hoenig S.J., Aronson D., Goodyear.
Acute Exercise Induces GLUT4 Translocation in Skeletal Muscle of Normal
Human Subjects and Subjects With Type 2 Diabetes. Diabetes.
J.R. Daugaard, E.A. Richter.
Relationship between muscle fibre composition, glucose transporter protein 4
and exercise training: possible consequences in non-insulin-dependent
diabetes mellitus. Acta Physiol. Scand. 2001; 171: 267-76.(con 136
referencias)