Bild på löpare

Ny upptäckt visar hur muskelceller anpassar sig till hårt arbete

​Muskelceller kan anpassa sin ämnesomsättning för att prestera maximalt vid intensivt arbete. Det sker genom att växla mellan att förbränna sockermolekyler till koldioxid − och att omvandla dem till mjölksyra. Nu har forskare vid Chalmers upptäckt att en tidigare okänd mekanism, en förbikoppling av enzymet Komplex I, också bidrar till att öka cellernas kapacitet. 
ATP är molekyler med hög energi som celler får från nedbrytning av glukos. ATP används av enzymer för att bygga biomassa och utföra andra energikrävande uppgifter i cellen, så som att skapa rörelse i muskelceller, pumpa signalsubstanser i hjärnceller, förstärka ljussignaler i näthinna och bryta ner skadade celldelar. Utan tillräckliga mängder ATP kan cellerna inte fungera som de ska.  

Muskelceller kan inte lagra stora mängder ATP, utan måste producera dessa molekyler i samma takt som de förbrukas. Det finns dock en avvägning mellan maximal verkningsgrad (mängd ATP-molekyler/glukosmolekyl) och maximal kapacitet (antal ATP-molekyler/tidsenhet/gram biomassa) i cellerna. Vid träning med hög intensitet omvandlar musklerna glukos till laktat, mjölksyra, vilket är mindre näringseffektivt − men leder till en snabbare ATP-produktion.

Modell för hur enzymkapacitet påverkar ATP-produktion

Avlant NilssonMen det finns även andra faktorer som kan påverka utfallet av en cells kapacitet. I den aktuella studien, som nyligen publicerats i Nature Communications, h​ar Avlant Nilsson, tidigare doktorand på institutionen för biologi och bioteknik och numera postdok på Massachusetts Institute of Technology i U​SA, tillsammans med dåvarande gästforskaren Elias Björnson, utvecklat en datormodell av en muskelcell i syfte att studera hur begränsad katalytisk kapacitet hos enzymerna påverkar ATP-syntesen. I modellen sammanställdes information om alla enzymer som ingår i syntesen 

​Förbikoppling ​ökar ATP-produktion

− Våra datorsimuleringar av ämnesomsättningen tar hänsyn till uppmätta enzymnivåer och deras katalytiska förmåga. De visar på fler flaskhalsar i ATP-produktionen och en av dem är enzymet Komplex I. I simuleringarna förbikopplas enzymet när det når sin maxkapacitet, vilket ökar takten på ATP-produktionen − på bekostnad av verkningsgraden. Förbrukningen av både glukos och syre per ATP-molekyl ökar efter förbikoppling, säger Avlant Nilsson, som är förstaförfattare till studien.

​Tester på människor bekräftade resultat

För att testa om förbikopplingen som påvisades i datorsimuleringarna inträffar även in vivo, i detta fall mänskliga muskler, kontaktade man forskare vid Gymnastik- och idrottshögskolan i Stockholm. De genomförde tester under flera olika träningsförhållanden med fem försökspersoner. 

Hypotesen var att förbikopplingen sker vid högintensiv träning. Om den stämde skulle forskarna observera en lägre verkningsgrad, det vill säga att i en graf där syreförbrukningen mäts under ökad träningsintensitet borde lutningen vara större vid högre intensiteter. Detta stämde väl med mätningarna som gjordes på testpersonerna. 

​Resultat kan vara intressant för cancer- och hjärnforskning

Förbikoppling av Komplex I ökar alltså cellernas förbrukningstakt av syre och glukos. Det kan vara bra att känna till för elitidrottare som måste hushålla med kroppens reserver under uthållighetssporter som maraton. Det innebär också att man riskerar att överskatta mängden ATP som produceras om man enbart utgår från mätningar av syreförbrukningen. 

 Sådana mätningar görs rutinmässigt i både cancer- och hjärnforskningen, så skulle det visa sig att fenomenet inträffar även i andra celltyper kan det vara av intresse för många forskningsgrupper, säger Avlant Nilsson.  

Han menar att det intressanta med Komplex I är att det bidrar till att få ut mer ATP av varje glukosmolekyl, vilket är bra ur effektivitetssynpunkt. Samtidigt är det ett väldigt stort och långsamt enzym, vilket är opraktiskt om ATP ska produceras snabbt. 

Vissa snabbväxande organismer, till exempel bagerijäst, har helt förlorat förmågan att uttrycka enzymet. Avlant Nilssons modell visar på att en kompromiss kan nås genom att förbikoppla enzymet när ATP-behovet är stort − flödena i ämnesomsättningen omdirigeras alltså under högintensiv träning. 

​Bidrar till ökad förståelse för kroppens ämnesomsättning

 Den här typen av datorsimuleringar hjälper oss att bättre förstå orsak-verkan-samband i celler. En detaljerad förståelse för kroppens ämnesomsättning kan hjälpa om man vill mäta effekterna av ett träningsprogram, säger Avlant Nilsson och fortsätter:  
 Men simuleringar av den här sorten är också användbara i många andra sammanhang, exempelvis för att bättre förstå tillväxt hos cancerceller. I likhet med högaktiva muskelceller producerar många cancerceller mjölksyra, det är möjligt att framtida forskning kommer att visa att några av dessa också förbikopplar Komplex I.

Text: Susanne Nilsson Lindh
Foto: Carin Andreasson och Martina Butorac

Läs hela den vetenskapliga publikationen i Nature Communications: Complex 1 is bypassed during high intensity exercise 

Fakta: Avlant Nilsson
  • Civilingenjör i bioteknik och PhD i Systembiologi från Chalmers tekniska högskola. 
  • Hans avhandling handlade om datorsimuleringar av mekanismer för ATP syntesen hos olika biologiska system inklusive jästsvampar, spädbarn, cancerceller och muskler.
  • För närvarande arbetar Avlant som postdok på Massachusetts Institute of Technology (MIT )− finansierad av Vetenskapsrådets anslag för en internationell postdoktjänst. 
  • Avlants nuvarande forskningsprojekt handlar om att simulera signalsystemet i immunceller med hjälp av ett artificiellt neuralt nätverk. Immunceller reagerar på många olika signaler från omgivningen och han vill förutsäga vilka beslut de kommer fatta och hur man kan påverka det.

Publicerad: on 04 mar 2020.