Exerkiny (I.): Sval není jen motor. Jak během tréninku komunikuje s celým tělem?

Když přemýšlíme o svalech, většinu z nás napadne síla, výkon nebo pohyb. Svaly nám umožňují běhat, zvedat činky, sprintovat nebo vyjít schody. Jejich význam ale sahá mnohem dál.

Úvod

Během posledních dvou desetiletí se ukázalo, že kosterní sval je dnes považován za jednu z nejvýznamnějších endokrinně aktivních tkání lidského organismu.1 Při každé svalové kontrakci totiž neuvolňuje pouze mechanickou sílu, ale také velké množství aktivních molekul, které prostřednictvím krevního oběhu komunikují s ostatními orgány. Ovlivňují činnost mozku, jater, tukové tkáně, kostí, cév, imunitního systému i samotného srdce.^1,2

Právě tato komunikace pomáhá vysvětlit, proč pravidelná pohybová aktivita prospívá prakticky celému organismu. Přínosy cvičení totiž zdaleka nekončí u vyššího energetického výdeje nebo růstu svalové hmoty. Pohyb spouští rozsáhlou biologickou odpověď, která ovlivňuje metabolismus, regeneraci, funkci mozku i dlouhodobé zdraví.^2,3

Molekuly, které tuto komunikaci zprostředkovávají, označujeme souhrnným názvem exerkiny. Jejich objev změnil způsob, jakým dnes fyziologové přemýšlejí o pohybu. Sval už není vnímán pouze jako orgán zajišťující mechanickou práci, ale jako aktivní centrum meziorgánové komunikace. A právě tomu se budeme věnovat v první části tohoto článku.

Sval: největší komunikační centrum lidského těla?

Ještě na konci minulého století byl kosterní sval považován především za tkáň zajišťující pohyb a spotřebu (spalování) energie. Hormonální regulace byla připisována klasickým endokrinním orgánům, jako jsou štítná žláza, slinivka břišní nebo nadledviny.

Zásadní změna přišla na přelomu tisíciletí. Výzkum ukázal, že aktivně se stahující svalová vlákna produkují látky schopné ovlivňovat vzdálené orgány. Jedním z prvních dobře popsaných příkladů byl interleukin-6 (IL-6).⁴ Přestože byl dlouho považován hlavně za prozánětlivý cytokin, během cvičení se ukázal v úplně jiném světle. Ve svalech pomáhá regulovat energetický metabolismus a podílí se na koordinaci adaptační odpovědi organismu.^4,5

Tento objev změnil pohled na kosterní sval. Ukázalo se, že kromě vytváření síly plní svaly také hormonální funkci a aktivně komunikují se zbytkem těla. Postupně navíc vyšlo najevo, že podobně se při pohybu chovají i další orgány. Tuková tkáň, játra, kosti nebo srdce rovněž uvolňují vlastní signální molekuly, jejichž produkce se během fyzické aktivity mění. Místo jednoduché komunikace mezi svalem a jedním orgánem dnes mluvíme o rozsáhlé síti, která propojuje prakticky celý organismus.

Exerkiny: poslové pohybu

Původně se používal téměř výhradně pojem myokiny, tedy molekuly produkované kosterním svalem. Postupně se však ukázalo, že pohyb aktivuje mnohem více tkání než jen svalovou. Na fyzickou zátěž reagují také játra, tuková tkáň, kost, srdce nebo cévní endotel. Každý z těchto orgánů mění produkci vlastních signálních molekul a podílí se na adaptační odpovědi organismu.

Proto dnes odborníci stále častěji používají označení exerkiny (exercise-induced signaling factors), které zahrnuje všechny biologicky aktivní molekuly, jejichž tvorba nebo uvolňování se mění v souvislosti s pohybovou aktivitou.^2,6

Exerkiny netvoří jednu konkrétní látku ani jednu skupinu hormonů. Patří mezi ně cytokiny, peptidy, metabolity, lipidy, mikroRNA nebo extracelulární vezikuly přenášející biologicky aktivní obsah mezi buňkami.⁶ Právě tato rozmanitost vysvětluje, proč je jejich výzkum jednou z nejdynamičtěji se rozvíjejících oblastí moderní fyziologie.

Každý trénink má svůj molekulární podpis

Když se postavíte ze židle, vyběhnete schody nebo uchopíte činku, uvnitř svalových vláken se během několika milisekund odehraje doslova biochemická bouře. Na první pohled vidíme pouze stahující se sval. Ve skutečnosti však svalová buňka okamžitě začne vyhodnocovat desítky různých signálů. Zaznamenává mechanické napětí, rychlost spotřeby energie, změny koncentrace vápenatých iontů, dostupnost kyslíku i množství živin. Tyto informace následně využije k tomu, aby rozhodla, jak bude na zátěž reagovat.

Právě zde začíná vznikat jedinečný "molekulární podpis" každého tréninku. Jinou odpověď vyvolá krátký maximální sprint, jinou hodinový běh a odlišně bude organismus reagovat také na silový trénink. Každý typ fyzické zátěže aktivuje odlišný profil signálních drah a může vést k odlišnému profilu uvolňovaných exerkinů.⁷

To je jeden z důvodů, proč různé formy pohybu přinášejí rozdílné adaptační změny. Silový trénink podporuje především růst svalové hmoty a zvýšení síly, zatímco vytrvalostní zatížení vede k rozvoji mitochondrií, lepšímu využívání kyslíku a vyšší aerobní výkonnosti. Ani jeden typ cvičení však neovlivňuje pouze svaly. Oba vysílají prostřednictvím exerkinů informace do celého organismu.

Studie navíc ukazují, že molekulární odpověď neovlivňuje jen samotný typ tréninku. Významnou roli hraje také věk, pohlaví, trénovanost, energetická dostupnost, kvalita spánku, složení stravy nebo celkový zdravotní stav.^3,7 Dva lidé proto mohou absolvovat naprosto stejný trénink, ale jejich organismus na něj nebude reagovat zcela stejně. Právě tato individualita je jedním z důvodů, proč dnes vědci stále častěji hovoří o personalizované fyziologii pohybu.

Jak sval pozná, že jste se začali hýbat?

Svalová buňka nečeká, až jí dojde energie. První změny registruje prakticky okamžitě. Během kontrakce prudce roste spotřeba ATP - molekuly, která představuje bezprostřední zdroj energie pro svalovou práci. Její zásoby jsou však velmi malé a vystačí jen na několik sekund intenzivního výkonu.

Jakmile začne ATP ubývat, mění se poměr jeho rozkladných produktů ADP a AMP. Právě tato změna je jedním z prvních signálů, že energetické nároky organismu prudce vzrostly. Současně se zvyšuje koncentrace vápenatých iontů, mění se mechanické napětí svalových vláken a mitochondrie začínají pracovat mnohem intenzivněji než v klidovém stavu. Pro svalovou buňku je to jasná zpráva - je čas přizpůsobit se nové situaci.⁸

AMPK: energetický senzor svalové buňky

Jednou z nejdůležitějších molekul, která na tyto změny reaguje, je enzym AMP-aktivovaná proteinkináza (AMPK). Často bývá označován jako energetický senzor buňky, i když jeho role je ještě širší.^8,9

AMPK funguje jako hlavní energetický senzor buňky. Aktivuje se při změnách poměru AMP/ATP a koordinuje metabolickou odpověď na zvýšené energetické nároky. Jakmile zaznamená zvýšenou spotřebu energie, začne okamžitě upravovat buněčný metabolismus. Podporuje příjem glukózy do svalových buněk, zvyšuje využívání mastných kyselin jako zdroje energie a současně omezuje procesy, které by v danou chvíli energii zbytečně spotřebovávaly.

Jeho úkolem ale není pouze řešit okamžitý nedostatek energie. AMPK zároveň spouští adaptační mechanismy, díky nimž bude sval při dalším tréninku lépe připraven zvládnout podobnou zátěž. Právě zde se krátkodobá reakce postupně mění v dlouhodobou adaptaci.

PGC-1α: dirigent vytrvalostních adaptací

Pokud bychom měli vybrat jedinou molekulu, která propojuje jednotlivé tréninky s dlouhodobým zlepšováním výkonnosti, velmi pravděpodobně bychom zvolili PGC-1α. Nejde o hormon ani enzym. Jeho hlavním úkolem je koordinovat aktivitu desítek genů, které ovlivňují tvorbu nových mitochondrií, rozvoj kapilární sítě, aerobní metabolismus i produkci některých exerkinů.¹⁰

Můžete si ho představit jako dirigenta orchestru. Dirigent sám žádný tón nevydává. Přesto rozhoduje o tom, kdy a jak budou hrát jednotlivé nástroje. Podobně PGC-1α nekoordinuje jediný biologický proces, ale celou řadu adaptačních mechanismů, které společně vedou ke zlepšení vytrvalosti i metabolického zdraví. Právě díky těmto změnám se organismus po týdnech a měsících pravidelného tréninku nestává jen výkonnějším. Stává se také odolnějším vůči metabolickému stresu.

Jak se z pohybu stává komunikace

V okamžiku, kdy jsou tyto signální dráhy aktivovány, začne sval měnit i svou sekreční aktivitu. Do krevního oběhu se postupně uvolňují exerkiny, které přenášejí informaci o probíhající pohybové aktivitě do dalších orgánů. Nejde o vedlejší výsledek svalové práce. Jde o přesně řízený biologický proces, jehož cílem je sladit činnost celého organismu. Exerkiny pomáhají zajistit dostatek energie pro pracující svaly, ovlivňují metabolismus glukózy a tuků, podporují adaptační změny v mozku, kostech i cévním systému a přispívají k regeneraci po skončení zátěže.

Z dnešního pohledu tak každá svalová kontrakce představuje mnohem víc než vytvoření mechanické síly. Je začátkem biologické konverzace, která propojuje jednotlivé orgány do jednoho funkčního celku.

Když sval mluví, poslouchá celé tělo

Ještě donedávna jsme se na lidské tělo dívali jako na soubor orgánů, z nichž každý plní svou vlastní funkci. Sval vytváří pohyb, játra zpracovávají živiny, mozek řídí nervový systém a kostra poskytuje oporu. Dnes víme, že tak jednoduché to není.

Při pohybu mezi těmito orgány probíhá nepřetržitá výměna informací. Kosterní sval se během kontrakce stává aktivním "vysílačem", který prostřednictvím exerkinů informuje ostatní tkáně o tom, že se změnily energetické nároky organismu. Díky tomu mohou jednotlivé orgány upravit svou činnost ještě během samotného cvičení a následně také v období regenerace.

Mozek: proč se po tréninku lépe přemýšlí

Jen málokterý orgán reaguje na pohyb tak výrazně jako mozek. Většina lidí zná pocit, kdy se po běhu nebo silovém tréninku cítí psychicky lépe, snadněji se soustředí nebo se jim jednoduše "vyčistí hlava". Dlouhou dobu byly tyto změny připisovány téměř výhradně endorfinům. Současný výzkum však ukazuje, že skutečnost je mnohem složitější.

Fyzická aktivita zvyšuje dostupnost a signalizaci BDNF (brain-derived neurotrophic factor) - růstového faktoru nezbytného pro přežívání neuronů, vznik nových synaptických spojení i schopnost mozku učit se a přizpůsobovat novým podnětům.¹¹

Právě díky těmto změnám pravidelný pohyb podporuje nejen motorické učení, ale také paměť, koncentraci a dlouhodobě může přispívat ke zdravému stárnutí mozku. To je jeden z důvodů, proč dnes neurologové doporučují pravidelnou pohybovou aktivitu jako součást prevence kognitivního úpadku.

Játra: strážce energetické rovnováhy

Ve chvíli, kdy se svaly rozběhnou naplno, vzroste jejich spotřeba energie. Aby mohly pokračovat v práci, musí někdo zajistit stálý přísun glukózy. Tuto úlohu přebírají játra. Na základě nervových, hormonálních i molekulárních signálů začnou upravovat svůj metabolismus. Uvolňují glukózu ze zásobního glykogenu, podle potřeby ji nově vytvářejí a společně s dalšími orgány koordinují hospodaření s energetickými substráty. Schopnost této koordinace patří mezi důvody, proč pravidelná fyzická aktivita významně zlepšuje citlivost tkání na inzulín a snižuje riziko vzniku diabetu 2. typu.^3,12

Tuková tkáň: nejde jen o zásobárnu energie

Ve fitness komunitě bývá tělesný tuk často vnímán pouze jako něco, čeho bychom se měli zbavit. Z fyziologického hlediska je však tuková tkáň plnohodnotným endokrinním orgánem. Produkuje desítky biologicky aktivních látek ovlivňujících metabolismus, chuť k jídlu, citlivost na inzulín i zánětlivé procesy.

Pohyb tuto komunikaci významně mění. Exerkiny uvolněné během cvičení podporují využívání mastných kyselin jako zdroje energie, přispívají ke zlepšení metabolické flexibility a ovlivňují také samotné vlastnosti tukové tkáně.¹³

Významnou pozornost vzbudil zejména proces označovaný jako browning, při němž některé buňky bílé tukové tkáně získávají vlastnosti metabolicky aktivnějšího hnědého tuku. Přestože jeho význam u člověka zůstává předmětem intenzivního výzkumu, dobře ilustruje, že vztah mezi svalem a tukovou tkání je mnohem složitější než prosté spalování uložené energie.

Kosti: jde o víc než jen mechanické zatížení

Většina lidí si myslí, že pohyb prospívá kostem jednoduše proto, že je mechanicky zatěžuje. To je jen část pravdy. Kostní tkáň reaguje nejen na působící síly, ale také na chemické signály přicházející ze svalů. Osteocyty a další kostní buňky aktivně "komunikují" prostřednictvím vlastních signálních molekul a společně se svalem koordinují proces přestavby kostní tkáně. Pravidelný pohyb proto podporuje zdraví kostí dvěma způsoby - mechanicky i biochemicky.¹⁴

Proč pohyb tlumí chronický zánět

Jedním z nejzajímavějších objevů posledních let je vztah mezi pohybem a imunitním systémem. Na první pohled se může zdát paradoxní. Intenzivní trénink představuje pro organismus zátěž, přesto pravidelná pohybová aktivita dlouhodobě snižuje chronický nízkostupňový zánět, který je spojován s rozvojem obezity, aterosklerózy, diabetu 2. typu i řady dalších civilizačních onemocnění.

Významnou roli zde hraje právě komunikace prostřednictvím exerkinů. Typickým příkladem je interleukin-6. Stejná molekula, která je při chronickém zánětu spojována s nepříznivými účinky, se během cvičení podílí na mobilizaci energetických zásob a podporuje tvorbu dalších látek s protizánětlivým působením. Ukazuje se tak, že biologický účinek molekuly neurčuje pouze její název, ale především okolnosti, za kterých vzniká.

Jedna zpráva, mnoho příjemců

Při prvním pohledu by se mohlo zdát, že jednotlivé orgány reagují na pohyb samostatně. Ve skutečnosti jde o dokonale sladěný systém. Sval informuje mozek o zvýšené zátěži. Mozek upravuje nervovou regulaci. Játra mění hospodaření s glukózou. Tuková tkáň upravuje uvolňování energetických zásob. Kosti zahajují adaptační přestavbu. Imunitní systém mění charakter své odpovědi. Každý orgán reaguje trochu jinak, ale všechny však sledují stejný cíl - umožnit organismu zvládnout aktuální zátěž a připravit ho na tu příští. Právě proto dnes považujeme pohyb za jednu z nejkomplexnějších biologických intervencí, které máme k dispozici.

Závěr

Ještě před několika desetiletími jsme si mysleli, že hlavním úkolem kosterního svalu je vytvářet pohyb. Dnes víme, že při každé svalové kontrakci vzniká mnohem víc než mechanická síla. Aktivuje se rozsáhlá komunikační síť, která propojuje mozek, játra, tukovou tkáň, kosti, imunitní systém i srdce a koordinuje jejich společnou odpověď na fyzickou zátěž. Objev exerkinů tak změnil způsob, jakým se díváme na účinky pravidelného pohybu. Cvičení už nevnímáme pouze jako prostředek ke spalování kalorií nebo budování svalové hmoty, ale jako biologický podnět, který ovlivňuje fungování téměř celého organismu.

V příštím dílu se podíváme blíže na molekuly, které tuto komunikaci zprostředkovávají. Seznámíme se s interleukinem-6, irisinem, BDNF, myostatinem i dalšími exerkiny a ukážeme si, proč jsou považovány za jednu z nejperspektivnějších oblastí současné sportovní medicíny a fyziologie.

Použité zdroje:
1. Pedersen, B. K., & Febbraio, M. A. (2012). Muscles, exercise and obesity: Skeletal muscle as a secretory organ. Nature Reviews Endocrinology, 8(8), 457-465. https://doi.org/10.1038/nrendo.2012.49
2. Safdar, A., Saleem, A., & Tarnopolsky, M. A. (2016). The potential of endurance exercise-derived exosomes to treat metabolic diseases. Nature Reviews Endocrinology, 12, 504-517.
3. Michael Gleeson, Bishop, N. C., Oliveira, M., et al. (2011). The anti-inflammatory effects of exercise: Mechanisms and implications for disease prevention. Nature Reviews Immunology.
4. Pedersen, B. K., Steensberg, A., Fischer, C., et al. (2003). Searching for the exercise factor: Is IL-6 a candidate? Journal of Muscle Research and Cell Motility, 24, 113-119.
5. Pedersen, B. K., & Febbraio, M. A. (2008). Muscle as an endocrine organ: Focus on muscle-derived interleukin-6. Physiological Reviews, 88, 1379-1406.
6. Whitham, M., & Febbraio, M. A. (2016). The ever-expanding myokinome: Discovery challenges and therapeutic implications. Nature Reviews Drug Discovery, 15, 719-729.
7. Hawley, J. A., Hargreaves, M., Joyner, M. J., & Zierath, J. R. (2014). Integrative biology of exercise. Cell, 159, 738-749.
8. Hardie, D. G. (2015). AMP-activated protein kinase: Maintaining energy homeostasis at the cellular and whole-body levels. Annual Review of Nutrition, 34, 31-55.
9. Hardie, D. G., Ross, F. A., & Hawley, S. A. (2012). AMPK: A nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 13, 251-262.
10. Bruce M. Spiegelman (2006). PGC-1α: Transcriptional coactivator and metabolic regulator. Cell Metabolism, 4, 261-271.
11. Henriette van Praag (2009). Exercise and the brain: Something to chew on. Trends in Neurosciences, 32, 283-290.
12. Booth, F. W., Roberts, C. K., & Laye, M. J. (2012). Lack of exercise is a major cause of chronic diseases. Comprehensive Physiology, 2, 1143-1211.
13. Stanford, K. I., & Goodyear, L. J. (2018). Exercise regulation of adipose tissue. Adipocyte, 7, 153-162.
14. Mark A. Tarnopolsky (2011). Exercise, bone and muscle crosstalk. Journal of Musculoskeletal & Neuronal Interactions.