Onderzoekers hebben een wiskundig model ontwikkeld dat het optimale trainingsregime kan voorspellen voor het opbouwen van spieren.
De onderzoekers, afkomstig van de Universiteit van Cambridge, gebruikten methoden uit de theoretische biophysica om het model te construeren. Dit model kan berekenen hoeveel inspanning nodig is om een spier te laten groeien en hoe lang dit zal duren. Het model zou de basis kunnen vormen voor een softwareproduct waar gebruikers hun trainingsregimes kunnen optimaliseren door enkele gegevens over hun individuele fysiologie in te voeren.
Het model is gebaseerd op eerder werk van hetzelfde team, waarin werd ontdekt dat een component van spieren, genaamd titine, verantwoordelijk is voor het genereren van de chemische signalen die de spiergroei beïnvloeden.
De resultaten, gerapporteerd in het tijdschrift Biophysical Journal, suggereren dat er een optimaal gewicht is om weerstandstraining te doen voor elke persoon en elk gewenst doel voor spiergroei. Spieren kunnen slechts gedurende zeer korte tijd dichtbij hun maximale belasting zijn, en het is de belasting geïntegreerd over de tijd die het celsignaalpad activeert dat leidt tot de synthese van nieuwe spiereiwitten. Maar onder een bepaalde waarde is de belasting onvoldoende om veel signalen te veroorzaken, en zou de trainingsduur exponentieel moeten toenemen om dit te compenseren. De waarde van deze kritieke belasting hangt waarschijnlijk af van de specifieke fysiologie van het individu.
We weten allemaal dat lichaamsbeweging spieren opbouwt. Of toch? “Verrassend genoeg is er niet veel bekend over waarom of hoe lichaamsbeweging spieren opbouwt: er is veel anekdotische kennis en verworven wijsheid, maar heel weinig harde of bewezen gegevens,” aldus professor Eugene Terentjev van het Cavendish Laboratorium van Cambridge, een van de auteurs van het artikel.
Bij het sporten geldt: hoe groter de belasting, hoe meer herhalingen of hoe groter de frequentie, hoe groter de toename in spieromvang. Maar zelfs als we naar de hele spier kijken, is niet bekend waarom dit gebeurt en hoeveel dit gebeurt. De antwoorden op beide vragen worden nog ingewikkelder als we ons richten op een enkele spier of de individuele vezels ervan.
Spieren bestaan uit individuele filamenten, die slechts 2 micrometers lang en minder dan een micrometer breed zijn, kleiner dan de omvang van de spiercel. “Hierdoor moet een deel van de verklaring voor spiergroei op moleculaire schaal liggen,” aldus medeauteur Neil Ibata. “De interacties tussen de belangrijkste structurele moleculen in spieren werden pas ongeveer 50 jaar geleden in kaart gebracht. Hoe de kleinere, accessoire eiwitten in dit plaatje passen, is nog steeds niet volledig duidelijk.”
Dit komt doordat de gegevens erg moeilijk te verkrijgen zijn: mensen verschillen sterk in hun fysiologie en gedrag, waardoor het bijna onmogelijk is om een gecontroleerd experiment uit te voeren over veranderingen in spieromvang bij een echt persoon. “Je kunt spiercellen isoleren en die individueel bekijken, maar dan negeer je andere problemen zoals zuurstof- en glucoselevels tijdens de training,” zei Terentjev. “Het is erg moeilijk om alles samen te bekijken.”
Terentjev en zijn collega’s begonnen enkele jaren geleden te kijken naar de mechanismen van mechanosensing – het vermogen van cellen om mechanische signalen in hun omgeving te detecteren. Het onderzoek werd opgemerkt door het English Institute of Sport, dat geïnteresseerd was in de vraag of dit verband hield met hun waarnemingen bij spierrevalidatie. Samen ontdekten ze dat spierhypertrofie/-atrofie direct verband hield met het werk van Cambridge.
In 2018 startten de onderzoekers van Cambridge een project over hoe de eiwitten in spierfilamenten veranderen onder invloed van kracht. Ze ontdekten dat de belangrijkste spierbestanddelen, actine en myosine, geen bindingsplaatsen hebben voor signaalmoleculen, dus moest het derde meest voorkomende spiercomponent – titine – verantwoordelijk zijn voor het signaleren van veranderingen in aangebrachte kracht.
Wanneer een deel van een molecuul lang genoeg onder spanning staat, schakelt het over naar een andere toestand, waarbij een eerder verborgen regio wordt blootgesteld. Als deze regio vervolgens kan binden aan een klein molecuul dat betrokken is bij celcommunicatie, activeert het dat molecuul en genereert het een chemische signaalketen. Titine is een enorm eiwit, waarvan een groot deel wordt uitgerekt wanneer een spier wordt uitgerekt, maar een klein deel van het molecuul staat ook onder spanning tijdens de spiercontractie. Dit deel van titine bevat het zogenaamde titine kinase domein, dat verantwoordelijk is voor het genereren van het chemische signaal dat de spiergroei beïnvloedt.
Het molecuul zal eerder openen als het meer kracht ondervindt, of wanneer het onder dezelfde kracht blijft. Beide omstandigheden zullen het aantal geactiveerde signaalmoleculen vergroten. Deze moleculen leiden vervolgens tot de synthese van meer messenger-RNA, wat leidt tot de productie van nieuwe spiereiwitten en de doorsnede van de spiercel vergroot.
Deze ontdekking leidde tot het huidige werk, gestart door Ibata, zelf een fervent atleet. “Ik was enthousiast om een beter begrip te krijgen van zowel het waarom als het hoe van spiergroei,” zei hij. “Zoveel tijd en middelen kunnen worden bespaard door ineffectieve trainings