Molecular mechanisms of glucose uptake in skeletal muscle at rest and in response to exercise

Abstract Glucose uptake is an important phenomenon for cell homeostasis and for organism health. Under resting conditions, skeletal muscle is dependent on insulin to promote glucose uptake.Insulin, after binding to its membrane receptor, triggers a cascade of intracellular reactions culminating in activation of the glucose transporter 4, GLUT4, among other outcomes.This transporter migrates to the plasma membrane and assists in glucose internalization.However, under special conditions such as physical exercise, alterations in the levels of intracellular molecules such as ATP and calcium actto regulate GLUT4 translocation and glucose uptake in skeletal muscle, regardless of insulinlevels.Regular physical exercise, due to stimulating pathways related to glucose uptake, is an important non-pharmacological intervention for improving glycemic control in obese and diabetic patients. In this mini-review the main mechanisms involved in glucose uptake in skeletal muscle in response to muscle contraction will be investigated.(AU)

Influência de dfferentes protocolos de treinameto físico sobre a fosforilação da proteína akt em músculo esquelético e sensibilidade à insulina de ratos obesos / Influences of dffferent protocols of physical training on the posphorylation oof akt protein in skeletal muscle and insulin sensitivity of obese rats

RESUMOO Objetivo deste estudo foi investigar os efeitos de diferentes protocolos de treinamento físico (TF) sobre a sensibilidade à insulina (SI) e a fosforilação da Akt (p-Akt) no músculo de ratos obesos. Os animais foram distribuídos em quatro grupos: Controle: recebeu dieta padrão (C); Obeso sedentário: recebeu dieta hiperlipídica (DHL) por 12 semanas (OS); Obeso treinado-1: recebeu DHL por 12 semanas e TF sem sobrecarga por 6 semanas (OT-1); Obeso treinado-2: recebeu DHL por 12 semanas e TF por 6 semanas com sobrecarga de 5% da massa corporal (OT -2). O teste de tolerância à insulina foi realizado para estimar a SI. A p-Akt e Akt total no músculo gastrocnêmio foram determinadas por Western Blot. Os resultados apontam que o TF com sobrecarga induziu maior p-Akt, porém não houve diferença na SI se comparado ao TF sem sobrecarga. Como conclusão as diferenças na p-Akt não induziram respostas mais significativas de SI em ratos obesos induzidos por DHL.

ABSTRACTInvestigate the effects of different protocols of physical training (PT) on insulin sensibility (IS) and Akt phosphorylation (p-Akt) in skeletal muscle of obese rats. Animals were distributed in four groups according to the diet and physical training: Control: received standard chow (C); Sedentary obese: received high fat diet (HFD) for 12 weeks (OS); Obese Trained 1: received HFD for 12 weeks and PT without overload for 6 weeks (OT-1); Obese Trained 2: received HFD for 12 weeks and PT with overload of 5% body weight (OT-2). Insulin tolerance test was used to evaluate the IS. Western blotting was performed to evaluate p-Akt and total Akt in gastrocnemius muscle. Results: The PT with overload induced greater p-Akt, however there isn't difference in SI when compared with the training without overload. Conclusion: Differences in p-Akt not induced better responses of IS in obese rats induced by HFD.

Effects of different intensities of physical exercise on insulin sensitivity and protein kinase B/Akt activity in skeletal muscle of obese mice / Efeitos de diferentes intensidades de exercício físico sobre a sensibilidade à insulina e atividade da proteína quinase B/Akt no músculo esquelético de camundongos obesos

Objective : To investigate the effects of different intensities of acute exercise on insulin sensitivity and protein kinase B/Akt activity in skeletal muscle of obese mice. Methods : Swiss mice were randomly divided into four groups, and fed either a standard diet (control group) or high fat diet (obese sedentary group and obese exercise group 1 and 2) for 12 weeks. Two different exercise protocols were used: swimming for 1 hour with or without an overload of 5% body weight. The insulin tolerance test was performed to estimate whole-body sensitivity. Western blot technique was used to determine protein levels of protein kinase B/Akt and phosphorylation by protein Kinase B/Akt in mice skeletal muscle. Results : A single bout of exercise inhibited the high fat diet-induced insulin resistance. There was increase in phosphorylation by protein kinase B/Akt serine, improve in insulin signaling and reduce of fasting glucose in mice that swam for 1 hour without overload and mice that swan for 1 hour with overload of 5%. However, no significant differences were seen between exercised groups. Conclusion : Regardless of intensity, aerobic exercise was able to improve insulin sensitivity and phosphorylation by protein kinase B/Ak, and proved to be a good form of treatment and prevention of type 2 diabetes. .

Objetivo : Investigar os efeitos do exercício físico agudo com diferentes intensidades sobre a sensibilidade à insulina e a atividade da proteína quinase B/Akt no músculo esquelético de camundongos obesos. Métodos : Foram utilizados camundongos Swiss, divididos aleatoriamente em quatro grupos, que receberam dieta padrão (grupo controle) ou dieta hiperlipídica (grupos obeso sedentário e grupos obesos exercitados 1 e 2), por período de 12 semanas. Dois diferentes protocolos de exercício foram utilizados: natação durante 1 hora com ou sem sobrecarga de 5% da massa corporal. O teste de tolerância à insulina foi realizado para estimar a sensibilidade à insulina. E os níveis protéicos da proteína quinase B/Akt e de sua fosforilação foram determinados no músculo esquelético dos camundongos, através da técnica de Western blot. Resultados : Uma sessão de exercício físico foi capaz de inibir a resistência à insulina em decorrência de uma dieta hiperlipídica. Foi possível demonstrar um aumento na fosforilação da proteína quinase B/Akt, melhora da sinalização da insulina e redução da glicemia de jejum nos camundongos que realizaram 1 hora de natação sem sobrecarga adicional e nos camundongos que realizaram 1 hora de natação com sobrecarga adicional de 5% de sua massa corporal. Entretanto, não houve diferença significativa entre os grupos que realizaram o exercício em diferentes intensidades. Conclusão : Independente da intensidade, o exercício físico aeróbio conseguiu aumentar a sensibilidade à insulina e a fosforilação da proteína quinase B/Akt, revelando ser uma boa forma de tratamento e prevenção do diabetes tipo 2. .

Analysis of the physical activity effects and measurement of pro-inflammatory cytokines in irradiated lungs in rats / Análise dos efeitos da atividade física e mensuração de citocinas pró-inflamatórias em pulmões irradiados em ratos

PURPOSE: To study if the pre-radiotherapy physical activity has radio-protective elements, by measuring the radio-induced activation of pro-inflammatory cytokines as interleukin-6 (il-6), transforming growth factor -β (tgf -β), tumor necrosis factor -α (tnf-α) and protein beta kinase β (ikkβ), through western blotting analysis. METHODS: A randomized study with 28 Wistar hannover rats, males, with a mean age of 90 days and weighing about 200 grams. The animals were divided into three groups: (GI, GII and GIII). GIII group were submitted to swimming for eight weeks (zero load, three times a week, about 30 minutes). Then, the groups (except the control group) were submitted to irradiation by cobalt therapy, single dose of 3.5 gray in the whole body. All animals were sacrificed by overdose of pentobarbital, according to the time for analysis of cytokines, and then a fragment of the lower lobe of the right lung went to western blotting analysis. RESULTS: The cytokines IKK β, TNF-α and IL-6 induced by radiation in the lung were lower in the exercised animals. However, exercise did not alter the radiation-induced increase in tgf-β. CONCLUSION: The results show a lower response in relation to inflammatory cytokines in the group that practiced the exercise pre-radiotherapy, showing that exercise can protect tissues from tissue damage due to irradiation.

OBJETIVO: Verificar se a radioterapia pré-atividade física tem elementos de rádio-proteção, medindo-se a ativação de citocinas pró-inflamatórias como a interleucina-6 (IL-6), fator transformador de crescimento - β (TGF - β), fator de necrose tumoral - α (TNF-α) e quinase de proteína beta β (IKK β), por meio da análise blotting ocidental. MÉTODOS: Um estudo randomizado empregando 28 ratos Wistar Hannover, machos, com idade média de 90 dias e pesando cerca de 200 gramas. Os animais foram divididos em três grupos: (GI, GII e GIII). Os animais do grupo GIII foram submetidos à natação durante oito semanas (carga zero, três vezes por semana, cerca de 30 minutos). Então, os grupos (exceto o grupo controle) foram submetidos à irradiação por cobalto terapia, dose única de 3,5 cinza em todo o corpo. Todos os animais foram sacrificados por overdose de pentobarbital, de acordo com o tempo de análise de citocinas, em seguida, um fragmento do lobo inferior do pulmão direito foi a análise de mata-borrão ocidental. RESULTADOS: As citocinas IKK β, TNF-α e IL-6 induzidas por radiação no pulmão foram menores nos animais que se exercitaram. No entanto, o exercício não alterou o aumento induzido pela radiação na TGF-β. CONCLUSÃO: Os resultados mostraram uma menor resposta em relação às citocinas inflamatórias no grupo que praticou o exercício físico pré-radioterapia, evidenciando que o exercício pode proteger os tecidos das lesões teciduais decorrentes da irradiação.

Efeitos do exercício físico na expressão e atividade da AMPKα em ratos obesos induzidos por dieta rica em gordura / Effects of physical exercise in the Ampkα expression and activity in high-fat diet induced obese rats

INTRODUÇÃO: A ingestão de dieta hiperlipídica é um fator de risco singular no desenvolvimento de resistência à insulina e diabetes do tipo 2. OBJETIVO: O estudo investigou os efeitos do exercício físico na expressão e atividade da AMPKα em ratos obesos. MÉTODOS: Foram utilizados ratos Wistar, aleatoriamente divididos em quatro grupos, que receberam dieta padrão de manutenção (grupo controle) ou dieta hiperlipídica (DHL) (grupos sedentários e exercitados), por período de quatro meses. Dois diferentes protocolos de exercícios foram utilizados: exercício agudo ou crônico de natação. O teste de tolerância à insulina foi realizado para estimar a sensibilidade à insulina. Os níveis protéicos da AMPKα e do GLUT4 e também de p-AMPKα e pACC no músculo esquelético dos ratos foram determinados através da técnica de Western blot. RESULTADOS: O teste de tolerância à insulina revelou significativo prejuízo na ação da insulina após a alimentação com a DHL, indicando insulino-resistência quando comparado com grupo controle (p < 0,05). O tratamento por quatro meses com a DHL resultou em significativa redução no conteúdo protéico de AMPKα (2,2 vezes) e do GLUT4 (2,5 vezes) e nos níveis de p-AMPKα (2,4 vezes) e p-ACC (2,5 vezes) no músculo esquelético dos ratos sedentários quando comparado aos ratos controles. Ambos os protocolos de exercícios resultaram em aumento na fosforilação da AMPKα e ACC e aumento da sensibilidade à insulina, enquanto apenas o programa de exercício crônico promoveu o aumento da expressão dessas proteínas (p < 0,05). CONCLUSÃO: A alimentação com uma DHL causa redução na expressão e na atividade da AMPKα, enquanto a ativação da AMPKα pelo exercício físico melhora a sensibilidade à insulina, indicando que ratos obesos mantêm preservada a funcionalidade da via AMPKα.

INTRODUCTION: High-fat diet is a special risk factor in the development of insulin resistance and type 2 diabetes. OBJECTIVE: To investigate the effects of physical exercise on the AMPK expression and activity in high-fat diet induced obese rats. METHODS: Wistar rats were randomly divided into four groups and received either a rat maintenance diet (control group) or an isocaloric high-fat diet (HFD) (sedentary groups and exercised groups) for four months. Two different exercise protocols were utilized: acute or chronic swimming exercise. Insulin tolerance test was performed to estimate whole-body insulin sensitivity. AMPKα and GLUT4 as well as p-AMPKα and pACC of rats' skeletal muscle levels were determined using Western blot. RESULTS: Insulin tolerance test revealed a significantly impaired insulin action after HFDt feeding, indicating high-fat induced insulin resistance when compared to control group. Four months of HFD treatment induced to significant decrease of AMPKα (2.2-fold) and GLUT4 (2.5-fold) protein contents and also of p-AMPKα (2.4-fold) and p-ACC (2.5-fold) in sedentary rats' skeletal muscle when compared with the control group. Both exercise protocols resulted in increase of AMPKα and ACC phosphorylation and increase in insulin sensitivity, while chronic physical exercise alone provoked increase in these proteins expression (p < 0.05). CONCLUSION: High-fat feeding impairs AMPKα activity, while AMPKα activation by physical exercise improves insulin resistance, thus indicating that obese rats normally have the AMPK pathway preserved.

Mecanismos moleculares de indução de obesidade e resistência à insulina em animais destreinados submetidos a uma dieta rica em lipídes / Molecular mechanisms on induction obesity and insulin resistance in detrained animals submitted a high-fat diet

A cessação do treinamento físico (destreinamento) resulta em rápido acréscimo da massa adiposa, ganho depeso e resistência à insulina tanto em humanos quanto em animais. No entanto, os mecanismos moleculares envolvidos nesse processo permanecem desconhecidos. Diferentes proteínas intracelulares podem estar envolvidas no processo de aquisição de ganho de peso e diminuição na ação da insulina nesse modelo animal. Este estudo teve como objetivo investigar as vias PI 3-quinase/Akt e CAP/Cbl, ambas importantes na captação ou utilização de glicose estimulada por insulina no tecido muscular adiposo branco. Utilizou-se, ratos Wistar que foram submetidos a um protocolo de exercício de natação por 8 semanas. Posteriormente os animais foram destreinados e nesse mesmo período de cessamento do programa de exercício foi oferecida aos ratos uma dieta rica em lipídes. Para análise das proteínas de interesse, foi realizado o método de imunoblot e imunoprecipitação. Verifica-se, através dos resultados obtidos, que animais destreinados tem um ganho de peso e de gordura epididimal mais acentuado comparado a animais sedentários. Esse fato foi associado a uma maior responsividade à insulina no tecido adiposo através da via IRS/PI 3-quinase/Aktdos animais destreinados submetidos à dieta rica em lipídes. Além disso, verifica-se, que a via CAP/Cbl encontra-semais responsiva à insulina no tecido adiposo de animais destreinados em relação aos outros grupos experimentais. Conclui-se, que o destreinamento físico é acompanhado por um rápido período de ganho de peso e de massa adiposa e essas adaptações deve-se no mínimo em parte pela maior responsividade à insulina da via CAP/Cbl em tecido adiposo branco.

The termination of exercise training (detraining) results in rapid fat accretion, weight gain and insulin resistance in both humans and rats. There is evident relationship between physical inactivity and insulin resistance. Different mechanisms may be involved in insulin resistance in this animal model. The aim of this study was to investigate the PI3-kinase/Akt and CAP/Cbl signaling pathways both involved with insulin-stimulated glucose uptake in white adipose tissue in detrained and sedentary animals submitted a high-fat diet. Wistar rats were submitted to swimming training during 8 weeks. Next this period the animals stop the training and received a rich-fat diet. The proteins from the insulin signaling pathway were analyzed by immunoprecipitation and immunoblotting. The results demonstrated that detraining result in an increased body mass and rapid body fat accretion. This fact was associated with increases insulin responsiveness in adipose tissue through IRS/PI3-Kinase/Akt pathway in detrained rats fed with a rich-fat diet. In addition, the CAP/Cbl pathway in adipose tissue was more insulin responsives in the detrained animals feeding with a rich-fat diet than S-DHL animals. In conclusion, the cessation of exercise is accompanied by increased body mass and rapid fat accretion and this aspect to have relation at least in part to increased insulin responsiveness in adipose tissue through CAP/Cbl pathway.