Welche Signalwege führen zur muskulären Adaption durch Krafttraining?
Krafttraining steigert kombiniert mit der Aufnahme von Nahrungsprotein mittels verschiedener Signalwege die Muskelproteinsynthese und verbessert so den Muskelaufbau. Auch wenn noch nicht sämtliche Einflussfaktoren und Signalwege der Adaption durch Krafttraining erforscht wurden, kann die Massezunahme des Skelettmuskels zu einem grossen Teil beschrieben werden. Drei Signalwege werden mit der Informationsübertragung im Muskelaufbau in Verbindung gebracht.
1. mTor Signalkaskade
mTor steht für mammalian/mechanistic target of rapamycin, was mit der Proteinsynthese nichts zu tun hat, sondern den Einfluss vom Immunsuppressivum Rapamycin auf das Enzym beschreibt. Es ist eine Serin/Threonin Kinase, was bedeutet, dass es an den Aminosäuren Serin und Threonin kleine Modifikationen (Phosphorylierungen) begünstigt, welche für die Informationsübertragung mittels Signalkaskade sehr wichtig sind. Die Aktivierung von mTor ist höchst Komplex und wird in diesem Rahmen nicht genauer besprochen. Es soll jedoch gesagt sein, dass die mechanische Belastung der Muskelfasern einen indirekt positiven Einfluss auf das mTor hat, während Ausdauertraining über die Aktivierung von AMPK einen negativen Effekt hervorrufen kann. Wie die mechanische Belastung von der Muskelzelle registriert wird und welche Mechanosensoren dafür verantwortlich sind bleibt Gegenstand der aktuellen Forschung und womöglich eine der wichtigsten unbeantworteten Fragen in diesem Wissenschaftsbereich.
mTor reguliert die Proteinsynthese an drei verschiedenen Stellen und daher eine wichtigen Stellenwert in der Adaption an Krafttraining. Einerseits verbessert es die mRNA Translation am Ribosom und beschleunigt so den Syntheseprozess. (erhöhte Geschwindigkeit). Andererseits erhöht es die Kapazität der einzelnen Zelle für die Synthese, in dem es die Ribosom Biogenese erhöht. (erhöhte Kapazität). Ausserdem hat mTor in einigen Zellen einen inhibierenden Einfluss auf den Proteinabbauprozess namens Autophagie (weniger Abbau). Nebst dem direkten Einfluss auf die Synthesegeschwindigkeit und –kapazität hat das Enzym auch einen indirekten Effekt mittels Modifikation der Zellteilung und Gentranskription gewisser Gene (mehr Zellteilung und vermehrte Gentranskription)
2. Myostatin-Smad Signalkaskade
Nach diversen intra- und extrazellulären Modifikationen führt Myostatin zu einer Aktivierung von Smad und resultiert in einer Wachstumsinhibition. Im Gegensatz zum mTor verlangsamt also der Myostatin-Smad Signalweg das Skelettmuskelwachstum. In Tiermodellen wurde die Myostatinaktivität modifiziert oder sogar gestoppt, was zu einer Skelettmuskulatur in doppelter Ausprägung im Vergleich zum wildtyp geführt hat. Eine wichtige Frage wäre nun, ob die zusätzliche Muskelmasse auch zu einem adäquaten Gewinn an zusätzlicher Kraft führt. Diese Frage konnte mittels zufälliger Genmutanten beantwortet werden. Die zusätzliche Muskelmasse resultiert zwar in einem Kraftzuwachs, die reduzierte muskuläre Effizienz führte jedoch zu einer kleineren relativen Kraft im Vergleich mit der Gesamtmasse des Individuums. Dies zeigt, dass ein unlimitiertes Skelettmuskelwachstum auch zu einem Nachteil für die individuelle Fitness führen kann und erklärt die Relevanz des Myostatins für die menschlichen Regulationsprozesse.
Es konnte gezeigt werden, dass Krafttraining das mRNA Level von Myostatin senkt und somit der Einfluss auf das Muskelwachstum erklärt werden kann. In welcher Form und in welchem Ausmass dieser Effekt einen Einfluss auf die Anpassungsreaktionen nach dem Krafttraining hat, konnte noch nicht vollständig geklärt werden.
3. Regulation des Satellitenzellverhaltens
Ausdifferenzierte Skelettmuskelzellen haben ihre Teilungsfähigkeit bereits verloren und können somit die Reparatur und den Ersatz von verletzten Muskelzellen nicht gewährleisten. Diese Aufgabe wurde auf die Satellitenzellen übertragen, welche eine Art Stammzellen des Muskels darstellen. Diese Zellen befinden sich im Muskel in der Peripherie zwischen Plasmamembran und Basallamina.
Es konnte gezeigt werden, dass trotz nahezu kompletter Entfernung der Satellitenzellen (über 90%) noch eine normale Muskuläre Anpassung mittels Hypertrophie möglich ist. Dies beweist, dass die Satellitenzellen auf die kurzfristige Muskelhypertrophie keinen Effekt haben. 8 Wochen später war die Hypertrophie jedoch stark reduziert, was bedeutet, dass für den langfristigen Erhalt der gewonnenen Muskulatur die Satellitenzellen unabdingbar sind. Ausserdem sind sie essentiell für das muskuläre Wachstum nach der Geburt und die Regeneration nach Verletzungen.
Adaption durch Krafttraining – Interpretation der wissenschaftlichen Erkenntnisse
Viele weitere, ungenannte wissenschaftliche Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis in der Muskelplastizität bei. Mittels verschiedener Methoden wurden von Muskelbiologen weitere, für das Muskelwachstum relevante Informationen, wie die optimale Belastungs- und Erholungsdauer oder Bewegungsgeschwindigkeit gesucht. Zusammenfassend gibt es jedoch nicht viele Regeln, welche es zu befolgen gilt, um einen maximalen Output bei minimalem Aufwand zu erreichen. Einer der zentralsten Faktoren beim Krafttraining ist die Muskelermüdung und die damit einhergehende Rekrutierung von sämtlichen, für die motorische Bewegungsaufgabe spezifischen, motorischen Einheiten. Mit zunehmender Ermüdung nimmt nämlich die Anzahl rekrutierter motorischer Einheiten und somit die Anzahl aktivierter Muskelfasern zu. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die Steigerung der Muskelproteinsynthesegeschwindigkeit dar.
Ein weiterer zentraler Faktor ist die langsame Bewegungsausführung. Sie steigert den Muskelproteinaufbau mehr als bei schneller Bewegungsausführung. Die Übungen sollen daher innerhalb der vorgegebenen Spannungsdauer jeweils bis zur Erschöpfung resp. Ermüdung, d.h. bis keine vollständige, anatomisch korrekte Wiederholung über das individuell mögliche Bewegungsausmass mehr möglich ist, ausgeführt werden. Die dafür benötigte Spannungsdauer (von Beginn bis Ende der Übung) sollte in einem sinnvollen Bereich, zwischen 30 und 180 Sekunden, liegen.
Neben dem Training ist die optimale Proteinzufuhr entscheidend für die Adaptation durch Kraftraining. Optimal wäre die Einnahme von ca. 20 g hochwertigem Protein pro Portion ca. alle 3 – 4 Stunden.
Go for it!
Quellen
Wackerhage H. Molecular Exercise Physiology. Abingdon: Routledge; 2014. 24-30, 52-65, 133-151 p.
McCarthy JJ, Mula J, Miyazaki M, Erfani R, Garrison K, Farooqui AB, et al. Effective fiber hyperthrophy in satellite cell-depleted skeletal muscle. Development [Internet]. 2011 [cited 2017 Nov 15];138:3657–66. Available from: http://dev.biologists.org/content/develop/138/17/3657.full.pdf
