Regulação do metabolismo de glicose e ácido graxo no músculo esquelético durante exercício físico / Regulation of glucose and fatty acid metabolism in skeletal muscle during contraction

O ciclo glicose-ácido graxo explica a preferência do tecido muscular pelos ácidos graxos durante atividade moderada de longa duração. Em contraste, durante o exercício de alta intensidade, há aumento na disponibilidade e na taxa de oxidação de glicose. A produção de espécies reativas de oxigênio (EROs) durante a atividade muscular sugere que o balanço redox intracelular é importante na regulação do metabolismo de lipídios/carboidratos. As EROs diminuem a atividade do ciclo de Krebs e aumentam a atividade da proteína desacopladora mitocondrial. O efeito oposto é esperado durante a atividade moderada. Assim, as questões levantadas nesta revisão são: Por que o músculo esquelético utiliza preferencialmente os lipídios no estado basal e de atividade moderada? Por que o ciclo glicose-ácido graxo falha em exercer seus efeitos durante o exercício intenso? Como o músculo esquelético regula o metabolismo de lipídios e carboidratos em regime envolvendo o ciclo contração-relaxamento.

The glucose-fatty acid cycle explains the preference for fatty acid during moderate and long duration physical exercise. In contrast, there is a high glucose availability and oxidation rate in response to intense physical exercise. The reactive oxygen species (ROS) production during physical exercise suggests that the redox balance is important to regulate of lipids/carbohydrate metabolism. ROS reduces the activity of the Krebs cycle, and increases the activity of mitochondrial uncoupling proteins. The opposite effects happen during moderate physical activity. Thus, some issues is highlighted in the present review: Why does skeletal muscle prefer lipids in the basal and during moderate physical activity? Why does glucose-fatty acid fail to carry out their effects during intense physical exercise? How skeletal muscles regulate the lipids and carbohydrate metabolism during the contraction-relaxation cycle?.

La inactividad física en etapas tempranas del desarrollo disminuye la expresión de Akt en el músculo sóleo de ratas / Akt expression is diminished by physical inactivity in early stages of development in soleus muscle of rats

El Síndrome Metabólico corresponde a una serie de trastornos relacionados con obesidad e inactividad física. Poco se conoce respecto de la falta de ejercicio, en estadios tempranos del desarrollo, en la susceptibilidad a un fenotipo insulinoresistente inducido por una dieta alta en grasas. Akt juega un rol clave en la síntesis de proteínas y el transporte de glucosa en el músculo esquelético y ha mostrado ser regulada por la actividad muscular. El objetivo del presente estudio fue determinar el efecto de la inactividad física temprana sobre el crecimiento muscular y la susceptibilidad de adquirir un fenotipo diabético y evaluar su relación con la expresión de Akt. Cuarenta ratas Wistar fueron distribuidas en 2 grupos (Grupos Control, Std) y Restricción de movimiento (RM). Entre los días postnatal 23 y 70 los animales del grupo RM fueron alojados en pequeñas jaulas que no permitían una actividad motora relevante. A partir del día postnatal 71 y hasta el día 102, 10 ratas de cada grupo fueron alimentadas con una Dieta Alta en Grasas (RM-DAG y Std-DAG). No se observaron diferencias en el peso corporal total pero DAG generó un significativo incremento en la grasa epididimal. RM generó una disminución significativa en el peso de los músculos sóleo. La captación de glucosa estimulada por insulina fue menor en el grupo RM-DAG. Los niveles de proteína Akt fueron menores en los grupos RM. El análisis de PCR a tiempo real mostró que la restricción de movimiento disminuyó los niveles de ARNm de AKT1 en el músculo sóleo, independiente de la dieta administrada. Estos hallazgos sugieren que la inactividad física temprana limita el crecimiento muscular y contribuye en la instauración un fenotipo insulino resistente, lo cual puede ser en parte explicado por una desregulación en la expresión de Akt.

Metabolic Syndrome is a group of conditions related to obesity and physical inactivity. Little is known about the role of physical inactivity, in early stages of development, in the susceptibility to insulin resistant phenotype induced by high fat diet. Akt plays a key role in protein synthesis and glucose transport in skeletal muscle and has been regulated by muscle activity. The objective of present study was to determine the effect of early physical inactivity on muscle growth and susceptibility to acquire a diabetic phenotype and to assess its relationship with Akt expression. Forty Wistar male rats were distributed in two groups (standard group, Std) and movement restriction (RM). Between days 23 and 70 after birth, RM group was kept in small cages that did not allow them to perform relevant motor activity. From day 71 to 102 after birth, 10 rats of each group were fed with hyperlipidic diet (groups Std-DAG and RM-DAG). No differences were observed in total body weight although DAG increased epididymal fat pad weight. RM decreased significantly the soleus weight. Insulin-mediated glucose uptake was lower in RM-DAG group. Akt protein levels were lower in RM groups. Real time RT-PCR analysis showed that movement restriction decreased mRNA levels of AKT1 in soleus muscle, regardless of supplied diet. These findings suggest that early physical inactivity limits muscle's growth and contributes to instauration of insulin resistant phenotype, which can be partly explained by dysregulation of Akt expression.

Regulação metabólica e produção de espécies reativas de oxigênio durante a contração muscular: efeito do glicogênio na manutenção do estado redox intracelular / Metabolic regulation and production of oxygen reactive species during muscule contraction: effect of glycogen on intracellular redox state

O exercício físico prolongado reduz os estoques de glicogênio muscular. Nessas condições, os processos de fadiga muscular são estimulados coincidindo com um aumento na produção de espécies reativas de oxigênio. A suplementação de carboidratos ou de antioxidantes isoladamente contribui para a melhora da performance muscular, sugerindo um efeito importante da depleção de substrato (glicose) e do aumento da produção de EROs no desenvolvimento da fadiga muscular durante a atividade física. Embora o mecanismo seja desconhecido, estamos propondo neste estudo que uma maior disponibilidade de glicogênio poderia favorecer uma maior atividade da via das pentoses fosfato, aumentando a disponibilidade de NADPH e GSH no tecido muscular esquelético. Uma maior capacidade antioxidante aumentaria a capacidade do tecido muscular em atividade, mantendo o equilíbrio redox durante atividade física prolongada e melhorando o desempenho. Neste processo, o ciclo glicose-ácido graxo pode ser importante aumentando a oxidação de lipídio e reduzindo o consumo de glicogênio durante a atividade prolongada. Além disso, um aumento na produção de EROs pode reduzir a atividade de enzimas importantes do metabolismo celular incluindo a aconitase e a a-cetoglutarato desidrogenase, comprometendo a produção de energia oxidativa, via predominante na produção de ATP durante a atividade muscular prolongada.

Fatigue is closely related to the depletion of glycogen in the skeletal muscle during prolonged exercise. Under this condition, the production of oxygen reactive species (ROS) is substantially increased. It has been shown that dietary supplementation of carbohydrate or antioxidant attenuates muscle fatigue during contraction. This suggests that glycogen availability and/or elevated ROS production plays an important role on muscle fatigue development during prolonged muscle activity. Although the mechanism is still unknown, we propose that elevated muscle glycogen availability may lead to a high activity of hexose monophosphate pathway, increasing the NADPH and glutathione concentration in the skeletal muscle tissue. Elevated antioxidant capacity would increase the muscle redox balance during muscle contraction, improving performance. In this process, the glucose-fatty acid cycle may be important to increase lipid oxidation and consequently decrease glycogen utilization during prolonged activity. In addition, an elevated ROS production could reduce the activity of key metabolic enzymes including aconitase and a-ketoglutarate dehydrogenase, decreasing the oxidative energy production in the skeletal muscle during prolonged activity.

Efeito dos ácidos graxos no desacoplamento mitocondrial e na produção de óxido nítrico durante a contração muscular – uma hipótese / Effect of fatty acids on mitochondrial uncoupling and nitric oxide production during muscle contraction – a hypothesis

Em exercícios físicos de intensidade moderada, a transição do metabolismo de predominantemente anaeróbio para predominantemente aeróbio nos músculos em atividade é um passo chave para melhorar o desempenho. O aumento no aporte de oxigênio e nutrientes, tais como ácidos graxos livres (AGL) e glicose, que acompanha o maior fluxo sangüíneo, é requerido para que esta transição ocorra. Os mecanismos envolvidos na dilatação dos vasos nos músculos esqueléticos durante o exercício físico não são completamente conhecidos. Propomos, neste artigo, a participação dos AGL neste processo. A presença das proteínas desacopladoras-2 e -3 (UCP-2 e -3) no músculo esquelético, cuja função é regulada por AGL, abre a possibilidade de que esses metabólitos podem atuar como desacopladores mitocondriais neste tecido. O aumento na atividade lipolítica no tecido adiposo durante o exercício físico resulta em aumento na concentração plasmática de AGL. Estes poderiam, então, atuar nas proteínas desacopladoras mitocondriais nos músculos em atividade, aumentando a produção de calor local. Propomos que este efeito calorigênico é importante para a ativação da óxido nítrico sintase, resultando em aumento na produção de óxido nítrico que é um vasodilatador potente. Desta forma, os AGL seriam mediadores importantes para a adaptação do metabolismo muscular durante o exercício físico prolongado, garantindo o aporte de oxigênio e nutrientes por aumento do fluxo sangüíneo para os músculos em contração.

In moderate physical exercise, the transition from predominantly anaerobic toward predominantly aerobic metabolism is a key step to improve performance. Increase in the supply of oxygen and nutrients, such as free fatty acids (FFA) and glucose, which accompanies high blood flow, is required for this transition. The mechanisms involved in the vasodilation in skeletal muscle during physical exercise are not completely known yet. In this article, we postulate that FFA participate in this process. The presence of uncoupling protein-2 and -3 (UCP- 2 and -3) in skeletal muscle, whose function is regulated by FFA, suggests that these metabolites may act as mitochondrial uncouplers in this tissue. The increase in the lipolytic activity in adipose tissue during physical exercise leads to increased plasma FFA levels. The FFA can then act on the UCPs in contracting muscles, increasing the local heat production. We propose that this calorigenic effect of FFA is important for nitric oxide synthase activation, resulting in nitric oxide production that is a potent vasodilator. Therefore, FFA would be important mediators for adaptation of muscle metabolism during prolonged physical exercise, ensuring the appropriate supply of oxygen and nutrients by increasing blood flow in contracting skeletal muscle.