Muskelermüdung: Milchsäure oder anorganisches Phosphat die Hauptursache?

Der Energieverbrauch der Skelettmuskelzellen kann bis zum 100-fachen ansteigen, wenn man von Ruhe zu hochintensiver Belastung übergeht. Dieser hohe Energiebedarf übersteigt die aerobe Kapazität der Muskelzellen, und ein großer Teil des benötigten ATP wird aus dem anaeroben Stoffwechsel gewonnen. Hochintensives Training führt außerdem zu einer schnellen Abnahme der kontraktilen Funktion, die als Skelettmuskelermüdung bekannt ist. Es scheint daher logisch, dass es eine kausale Beziehung zwischen dem anaeroben Stoffwechsel und der Muskelermüdung gibt, d. h., irgendeine Folge des anaeroben Stoffwechsels verursacht die Abnahme der kontraktilen Funktion.

Der anaerobe Abbau von Glykogen führt zu einer intrazellulären Anhäufung von anorganischen Säuren, von denen Milchsäure quantitativ die wichtigste ist. Da Milchsäure eine starke Säure ist, dissoziiert sie in Laktat und H+. Laktat-Ionen hätten nur einen geringen Einfluss auf die Muskelkontraktion (16); der Anstieg von H+ (d. h. reduzierter pH-Wert oder Azidose) ist jedoch die klassische Ursache für die Ermüdung der Skelettmuskulatur. Die Rolle eines reduzierten pH-Wertes als wichtige Ursache für Ermüdung wird jedoch jetzt in Frage gestellt, und mehrere neuere Studien (5,14,19,20) zeigen, dass ein reduzierter pH-Wert bei physiologischen Temperaturen nur geringe Auswirkungen auf die Kontraktion im Säugetiermuskel hat.

Neben der Azidose beinhaltet der anaerobe Stoffwechsel im Skelettmuskel auch die Hydrolyse von Kreatinphosphat (CrP) zu Kreatin und anorganischem Phosphat (Pi). Kreatin hat wenig Einfluss auf die kontraktile Funktion, während es mehrere Mechanismen gibt, durch die erhöhtes Pi die kontraktile Funktion beeinträchtigen kann. Daher scheint nach neueren Erkenntnissen (6-8, 10-12) eher ein erhöhtes Pi als eine Azidose die wichtigste Ursache für die Ermüdung bei hochintensiver Belastung zu sein. In diesem kurzen Überblick werden die Ergebnisse umrissen, die die Grundlage für den Wechsel von Azidose zu erhöhtem Pi als wichtigstem Ermüdungsfaktor im Säugetiermuskel bilden. Wir werden uns auf Studien konzentrieren, bei denen sich die Ermüdung auf der Zeitskala von Minuten entwickelt, bei denen die Folgen des anaeroben Stoffwechsels von größter Bedeutung wären. Bei noch intensiverer Aktivierung (z. B. einer kontinuierlichen maximalen Kontraktion) können andere Faktoren, wie z. B. das Versagen der Ausbreitung von Aktionspotentialen, zunehmend an Bedeutung gewinnen. Umgekehrt werden bei länger andauernden Trainingsarten (z.B. Marathonlauf) Faktoren wie Erschöpfung der Kohlenhydratspeicher und Dehydrierung immer wichtiger.

Um die der Ermüdung zugrundeliegenden Mechanismen zu untersuchen, verwenden wir häufig isolierte Muskelzellen (Fasern), die durch wiederholte Tetani von kurzer Dauer ermüdet werden. Die vorliegende Übersicht konzentriert sich auf die Ergebnisse solcher Studien sowie auf Studien an gehäuteten Muskelfasern (d. h. Muskelzellen, bei denen die Oberflächenmembran chemisch oder physikalisch entfernt wurde). Dies liegt daran, dass Studien an einzelnen Muskelfasern die direkteste Möglichkeit bieten, zelluläre Mechanismen der Ermüdung zu untersuchen. Es kann argumentiert werden, dass die Schlussfolgerungen aus Studien an einzelnen Fasern nicht relevant für die Ermüdung sind, die der Mensch bei verschiedenen Arten von Training erfährt. Die verfügbaren Daten deuten jedoch darauf hin, dass die Mechanismen der Ermüdung in verschiedenen experimentellen Modellen qualitativ ähnlich sind, vom trainierenden Menschen bis hin zu einzelnen Fasern (2). Die Unterschiede, die zwangsläufig bestehen müssen, scheinen hauptsächlich quantitativer Natur zu sein.

Während intensiver Muskelaktivität kann der intrazelluläre pH-Wert um ~0,5 pH-Einheiten fallen. Es gibt zwei Hauptlinien von Beweisen, die verwendet wurden, um diesen Abfall des pH-Wertes mit der kontraktilen Dysfunktion bei Ermüdung zu verbinden. Erstens haben Studien zur menschlichen Muskelermüdung oft eine gute zeitliche Korrelation zwischen dem Absinken des Muskel-pH-Wertes und der Verringerung der Kraft- oder Leistungsproduktion gezeigt. Zweitens haben Studien an gehäuteten Skelettmuskelfasern gezeigt, dass eine Übersäuerung sowohl die isometrische Kraft als auch die Verkürzungsgeschwindigkeit reduzieren kann.

Beim Menschen ist die zeitliche Korrelation zwischen beeinträchtigter kontraktiler Funktion bei Ermüdung und reduziertem pH-Wert jedoch nicht immer gegeben. Zum Beispiel erholt sich die Kraft manchmal schneller als der pH-Wert nach dem Ende von ermüdenden Kontraktionen (18). Das bedeutet, dass, wenn ein reduzierter pH-Wert einen direkten kraftmindernden Effekt in menschlichen Muskeln hat, diesem Effekt ein anderer Faktor entgegengewirkt haben muss, der die Kraft im gleichen Ausmaß erhöht. Ein solcher kraftsteigernder Faktor wurde nicht identifiziert, und daher ist die offensichtliche Schlussfolgerung, dass es keine kausale Beziehung zwischen Azidose und verminderter Kraftproduktion gibt.

Wichtige Beweise zugunsten einer Azidose, die eine verminderte Kraftproduktion verursacht, stammen aus Studien an gehäuteten Muskelfasern, die bei ≤15°C durchgeführt wurden (14). Neuere Studien haben sich auf die Temperaturabhängigkeit der pH-Effekte auf die Kraft konzentriert, und die Ergebnisse dieser Studien stellen die Rolle von H+ bei der Muskelermüdung von Säugetieren weiter in Frage. Einige frühe Studien, die vor mehr als 10 Jahren durchgeführt wurden, zeigten, dass eine Ansäuerung, wenn überhaupt, zu einer erhöhten tetanischen Kraft bei physiologischen Temperaturen führte (17). In jüngerer Zeit untersuchten Pate und Kollegen (14) gehäutete Psoasfasern von Kaninchen und beobachteten den erwarteten großen depressiven Effekt eines gesenkten pH-Wertes bei 10°C, aber der Effekt der Ansäuerung auf die Kraftproduktion war bei 30°C gering. Ähnliche Ergebnisse wurden anschließend in isolierten einzelnen Mausmuskelfasern (19) und ganzen Mausmuskeln (20) erzielt (Abb. 1A).

Versäuerung wurde als ein wichtiger Faktor hinter der reduzierten Verkürzungsgeschwindigkeit bei Ermüdung angesehen. Mit gehäuteten Kaninchenmuskelfasern zeigten Pate und Kollegen (14) jedoch, dass die Ansäuerung bei 30°C nur einen geringen Einfluss auf die Verkürzungsgeschwindigkeit hat. In ähnlicher Weise wurde in intakten Mausmuskelfasern die maximale Verkürzungsgeschwindigkeit bei 12°C um ~20% reduziert, während es bei 32°C keine signifikante Reduzierung gab (19). In Säugetiermuskeln, die bei physiologischen Temperaturen untersucht wurden, wird die Kreuzbrückenfunktion (d.h. die zyklische Anlagerung und Ablösung von Myosinköpfen an Aktin, die zur Muskelkontraktion führt) durch die Übersäuerung nur wenig beeinflusst (Abb. 1B).

Ein weiterer Mechanismus, durch den intrazelluläre Azidose Ermüdung hervorrufen kann, ist die Hemmung des Energiestoffwechsels. Schlüsselenzyme der Glykogenolyse und der Glykolyse sind die Phosphorylase bzw. die Phosphofructokinase. Beide Enzyme werden bei niedrigem pH-Wert in vitro gehemmt, so dass die ATP-Zufuhr zu den energieaufwendigen Prozessen in Muskeln, die während der Ermüdung sauer werden, vermindert sein könnte. In einer kürzlich durchgeführten Humanstudie konnte jedoch keine Verringerung der Glykogenolyse/Glykolyse-Rate in angesäuerten Muskeln festgestellt werden (4). Außerdem hatte eine Ansäuerung um 0,4-pH-Einheiten keinen Einfluss auf die Ausdauer von isolierten Mausmuskelfasern, die durch wiederholte kurze Tetani bei 28°C ermüdet wurden (5). Somit scheint die durch Azidose in vitro induzierte Hemmung der Phosphorylase und Phosphofructokinase in vivo durch andere Faktoren ausgeglichen zu werden, und die Ermüdungsentwicklung scheint durch Azidose bei nahezu physiologischen Temperaturen nicht beschleunigt zu werden. Es wurde auch vermutet, dass Azidose die Muskelleistung während der Ermüdung durch Hemmung der Ca2+-Freisetzung aus dem SR verringert. Eine solche Hemmung verringert den Grad der Aktivierung der kontraktilen Maschinerie und führt somit zu einer verminderten Kraftproduktion. Obwohl wiederholt gezeigt wurde, dass es während Kontraktionen bei Ermüdung zu einer Abnahme der freien myoplasmatischen Ca2+ -Konzentration (i) kommt (siehe Abb. 2A), ist es fraglich, ob dies mit der Azidose zusammenhängt. Ein Befund, der eine Rolle des verminderten pH-Wertes in diesem Aspekt unterstützen könnte, ist, dass Azidose die Öffnungswahrscheinlichkeit von isolierten SR-Ca2+-Freisetzungskanälen (d.h. den Ryanodin-Rezeptoren) reduziert. Allerdings hat die Ansäuerung keinen offensichtlichen depressiven Effekt auf die depolarisationsinduzierte SR Ca2+-Freisetzung in gehäuteten Fasern mit einem intakten transversal-tubulären SR-System (13).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Azidose wenig direkten Einfluss auf die isometrische Kraftproduktion, die maximale Verkürzungsgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit des Glykogenabbaus in Säugetiermuskeln hat, die bei physiologischen Temperaturen untersucht wurden. Wenn die Azidose also an der Ermüdung der Skelettmuskulatur beteiligt ist, könnte der Effekt indirekt sein. Zum Beispiel kann extrazelluläre Azidose sehr wohl Nervenafferenzen der Gruppe III-IV im Muskel aktivieren und somit an der Empfindung von Unbehagen bei Ermüdung beteiligt sein. Dies würde aus der Sicht eines Sportlers durchaus Sinn machen. Trainingspläne für Spitzenathleten in Ausdauersportarten betonen oft das „Milchsäuretraining“, d. h. Trainingsprotokolle, die hohe Plasmamilchsäurespiegel induzieren. Ein Effekt dieser Art von Training kann dann sein, dass man lernt, mit den säurebedingten Beschwerden umzugehen, ohne Tempo und Technik zu verlieren, und auf diese Weise den maximalen Effekt aus den Muskeln herauszuholen, die an sich nicht direkt durch die Azidose gehemmt werden. Ein anderer Mechanismus, durch den die Milchsäurebildung die Leistung einschränken kann, ist bei lang andauernden Trainingsarten, bei denen der Glykogenabbau ein Schlüsselfaktor ist. Bei extensiver Milchsäureproduktion ist die Gesamtmenge an ATP, die aus dem gespeicherten Glykogen produziert wird, geringer als bei vollständigem aeroben Abbau, da jede Glykosyleinheit 3 ATP liefert, wenn Milchsäure produziert wird, und 39 ATP, wenn sie in den Mitochondrien vollständig zu CO2 und H2O metabolisiert wird. Daher ist der Glykogenspeicher schneller erschöpft, wenn große Mengen an Milchsäure produziert werden, und die Muskelleistung ist bei niedrigen Glykogenspiegeln stark beeinträchtigt. Schließlich könnte die häufig beobachtete zeitliche Korrelation zwischen sinkendem pH-Wert und verminderter Muskelfunktion eher zufällig als kausal sein. Das heißt, eine ausgeprägte Übersäuerung impliziert, dass der Energiebedarf die Kapazität des aeroben Stoffwechsels übersteigt und dass anaerobe Wege zur Erzeugung von ATP genutzt werden. Es könnte dann sein, dass nicht die Übersäuerung, sondern eine andere Folge des anaeroben Stoffwechsels die eigentliche Ursache für die beeinträchtigte Muskelfunktion ist, und erhöhtes Pi ist in dieser Hinsicht ein starker Kandidat.

Der Anstieg und die Zunahme der Pi-Akkumulation als Hauptursache für die Ermüdung der Skelettmuskulatur

Die Konzentration von Pi steigt während intensiver Skelettmuskelaktivität hauptsächlich durch den Abbau von CrP. Die meisten Modelle der Cross-Bridge-Wirkung schlagen vor, dass Pi beim Übergang von schwach befestigten Zuständen mit geringer Kraft zu stark befestigten Zuständen mit hoher Kraft freigesetzt wird. Dies impliziert, dass der Übergang zu den High-Force-Zuständen durch erhöhtes Pi behindert wird. Daher würden sich weniger Querbrücken in Zuständen mit hoher Kraft befinden und die Kraftproduktion würde mit steigendem Pi während der Ermüdungsentwicklung abnehmen. In Übereinstimmung damit zeigen Experimente an gehäuteten Fasern durchgängig eine reduzierte maximale Ca2+-aktivierte Kraft in Gegenwart von erhöhtem Pi.

Die Hypothese, dass erhöhtes Pi die maximale Querbrückenkraft reduziert, war in intakten Muskelzellen schwer zu testen, da es sich als schwierig erwiesen hat, das myoplasmatische Pi zu erhöhen, ohne auch andere metabolische Veränderungen zu erzwingen. Wir haben kürzlich gezeigt (6,7), dass genetisch veränderte Mäuse, denen die Kreatinkinase (CK) in ihren Skelettmuskeln vollständig fehlt (CK-/- Mäuse), ein geeignetes Modell zur Untersuchung der Auswirkungen von erhöhtem Pi darstellen. CK katalysiert den Transfer von energiereichen Phosphatgruppen zwischen CrP und ATP. In Zeiten hohen Energiebedarfs ist das Nettoergebnis der CK-Reaktion, dass CrP zu Cr und Pi abgebaut wird, die ATP-Konzentration aber nahezu konstant bleibt. Schnell zuckende Skelettmuskelfasern von CK-/- Mäusen zeigen in Ruhe eine erhöhte myoplasmatische Pi-Konzentration; außerdem findet während der Ermüdung keine signifikante Pi-Akkumulation statt. Die maximale Ca2+-aktivierte Kraft von nicht ermüdeten CK-/- schnell zuckenden Fasern ist deutlich niedriger als die von Wildtyp-Fasern, was eine kraftmindernde Rolle von erhöhtem Pi unterstützt (6). Darüber hinaus zeigen schnell zuckende Fasern mit intakter CK während der durch wiederholte kurze Tetani induzierten Ermüdung eine 10-20%ige Reduktion der maximalen Ca2+-aktivierten Kraft schnell, nach ~10 Tetani. Dieser Kraftabfall, der auf erhöhtes Pi zurückgeführt wurde, tritt in CK-/- Fasern nicht auf (7). Selbst nach 100 ermüdenden Tetani war die Kraft in CK-/–Fasern nicht signifikant beeinträchtigt, während sie in Wildtyp-Fasern zu diesem Zeitpunkt auf <30% der ursprünglichen Kraft reduziert war (Abb. 2). Zusätzliche Unterstützung für eine Kopplung zwischen der myoplasmatischen Pi-Konzentration und der Kraftproduktion in intakten Muskelzellen kommt aus Experimenten, in denen reduziertes myoplasmatisches Pi mit erhöhter Kraftproduktion einhergeht (15). Somit kann erhöhtes myoplasmatisches Pi die Kraftproduktion während der Ermüdung durch direkte Wirkung auf die Querbrückenfunktion verringern. Eine veränderte Querbrückenfunktion kann auch die Kraft-i-Beziehung über die komplexe Interaktion zwischen Querbrückenanbindung und Aktivierung des dünnen (Aktin-)Filaments beeinflussen. Auf diese Weise kann erhöhtes Pi auch die Kraftproduktion reduzieren, indem es eine reduzierte myofibrilläre Ca2+-Sensitivität verursacht, was ein häufig beobachtetes Merkmal bei Skelettmuskelermüdung ist.

In den letzten Jahren wurde immer deutlicher, dass erhöhtes Pi auch die Ermüdungsentwicklung beeinflusst, indem es auf das SR-Ca2+-Handling wirkt. In dieser Hinsicht gibt es mehrere Mechanismen, durch die erhöhtes Pi seine Wirkung ausüben kann, und das Ergebnis kann sowohl eine erhöhte als auch eine reduzierte tetanische i sein. Zu den wichtigen Mechanismen gehören die folgenden:

Direkte Wirkung. Pi kann direkt auf die SR-Ca2+-Freisetzungskanäle wirken, ihre Öffnungswahrscheinlichkeit erhöhen und die Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung erleichtern (3). Diese Wirkung von Pi würde zu einer erhöhten tetanischen i führen und könnte an dem Anstieg der tetanischen i beteiligt sein, der normalerweise bei früher Ermüdung beobachtet wird. Zur Unterstützung dieser Vorstellung zeigen CK-/- Fasern diesen frühen Anstieg der tetanischen i nicht (7).

Hemmung der Ca2+-Aufnahme. Erhöhtes Pi kann die ATP-getriebene SR-Ca2+-Aufnahme hemmen (9). Kurzfristig führt die Hemmung der SR-Ca2+-Aufnahme zu einem erhöhten tetanischen i (unter der Annahme, dass die Menge des freigesetzten Ca2+ konstant bleibt). Langfristig hingegen könnte sich Ca2+ in anderen Organellen (z. B. Mitochondrien) anreichern oder möglicherweise die Zelle verlassen. Auf diese Weise kann das für die Freisetzung verfügbare Ca2+ deutlich abnehmen, was zu einer reduzierten tetanischen i führt. Obwohl es theoretisch möglich ist, dass der Verlust von Ca2+ aus der Zelle zum Rückgang der tetanischen i bei Ermüdung beiträgt, sind uns keine experimentellen Befunde bekannt, die dies unterstützen.

Ca2+-Fällung. Pi kann in den SR eindringen, was zu einer Ca2+-Pi-Präzipitation führen kann und somit das zur Freisetzung verfügbare Ca2+ verringert. Dieser Mechanismus wurde in letzter Zeit durch Studien mit vielen verschiedenen experimentellen Ansätzen unterstützt. In ersten Experimenten an gehäuteten Fasern mit intakten transversal-tubulären SR-Systemen zeigten Fryer und Kollegen (10), dass erhöhtes Pi die SR-Ca2+-Freisetzung vermindern kann. Diese Autoren lieferten auch den indirekten Beweis, dass Pi im SR eine Konzentration erreichen kann, die hoch genug ist, um in dieser Hoch-Ca2+-Umgebung den Schwellenwert für die Ca2+-Pi-Präzipitation zu überschreiten. Seit dieser Pionierarbeit wurde gezeigt, dass das für die Freisetzung verfügbare Ca2+ in ermüdeten Einzelfasern aus Krötenmuskeln tatsächlich reduziert ist (11). Messungen der SR-Ca2+-Konzentration zeigen ebenfalls eine Abnahme in ermüdeten Schilfkrötenfasern (12). Außerdem wird der Abfall der tetanischen i während der Ermüdung verzögert, wenn die Pi-Akkumulation durch Hemmung der CK-Reaktion verhindert wird, entweder pharmakologisch (8) oder durch Gendeletion (CK-/-) (7).

Eine Schwäche der Hypothese, dass erhöhtes Pi eine Ca2+-Pi-Ausfällung im SR verursacht, ist, dass Pi während der Ermüdungsstimulation recht früh ansteigt, der Abfall der tetanischen i aber im Allgemeinen recht spät erfolgt. Darüber hinaus korreliert in schnell zuckenden Fasern der Maus der Rückgang von tetanischem i zeitlich mit einem Anstieg von Mg2+, der vermutlich auf einen Nettoabbau von ATP zurückzuführen ist (2), und die Kopplung zwischen Ca2+-Pi-Ausfällung im SR und erhöhtem Mg2+/reduziertem ATP ist nicht offensichtlich. Eine aktuelle Studie liefert jedoch eine vernünftige Erklärung für diese scheinbaren Schwierigkeiten: Pi gelangt wahrscheinlich über einen Anionenkanal in den SR, der seine Öffnungswahrscheinlichkeit bei abnehmendem ATP erhöht (1). Dies kann sowohl erklären, warum Pi verzögert in den SR eintritt, als auch, warum es eine zeitliche Korrelation zwischen steigendem Mg2+ und abnehmender tetanischer i gibt. Interessanterweise wird in Fasern, in denen die CK-Reaktion pharmakologisch gehemmt wird und eine Ermüdung ohne größere Pi-Akkumulation auftritt, ein Anstieg von Mg2+ nicht von einer reduzierten tetanischen i begleitet (8). Zusammengenommen deuten die mit verschiedenen experimentellen Ansätzen gewonnenen Ergebnisse darauf hin, dass die Ca2+-Pi-Präzipitation im SR die Hauptursache für die reduzierte tetanische i bei Ermüdung ist, die durch wiederholte, kurze Tetani induziert wird.

Abbildung 3 illustriert die verschiedenen Mechanismen, durch die Pi die Muskelfunktion während der Ermüdung beeinflussen kann. Sie zeigt, dass erhöhtes Pi die Kraftproduktion dämpfen kann, indem es direkt auf die Myofibrillen oder auf Stellen im Erregungs-Kontraktions-Weg innerhalb der Muskelzellen wirkt. Der depressive Effekt von erhöhtem Pi kann, wie der oben beschriebene Effekt der Versauerung, abnehmen, wenn die Temperatur auf die in Säugetiermuskeln in situ herrschende Temperatur erhöht wird. Es sind nur wenige Informationen über die Temperaturabhängigkeit der Pi-Effekte auf die Muskelkontraktion verfügbar, und die meisten Studien an gehäuteten Fasern, die sich mit Pi-Effekten befassten, wurden bei niedrigen Temperaturen durchgeführt. Studien, die in unserem Labor an intakten Mäusefasern durchgeführt wurden, zeigen deutliche depressive Effekte auf die Kraftproduktion, die auf erhöhtes Pi zurückgeführt werden können. Diese Studien wurden im Allgemeinen bei ~25°C durchgeführt, was nahe an der In-situ-Temperatur in Ruhe (31°C) der verwendeten oberflächlich gelegenen Zehenmuskeln liegt (5). Dennoch sind Studien an Säugetiermuskeln, die bei normaler Körpertemperatur (~37°C) durchgeführt wurden, erforderlich, um sicherzustellen, dass die Auswirkungen von erhöhtem Pi bei erhöhter Temperatur bestehen bleiben.

Schlussfolgerung

Die oben vorgestellten Daten liefern eine wesentliche Unterstützung dafür, dass erhöhtes Pi eine Schlüsselrolle bei der Skelettmuskelermüdung spielt. Für die Azidose hingegen deuten die neuesten Daten darauf hin, dass ihre depressive Wirkung auf die Muskelkontraktion begrenzt ist.