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Dissertation: Nana Chung


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Dissertation: Nana Chung

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin / Abteilung für molekulare und zelluläre Sportmedizin
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Chung, Nana (2012): Einfluss von körperlicher Aktivität auf antioxidative Enzyme und mitochondriale Signalproteine in der Skelettmuskulatur von TypII-Diabetikern

Zusammenfassung:
Zusammenfassung

TypII-Diabetes geht mit einer systemisch erhöhten Bildung von ROS bei gleichzeitig verminderten antioxidativen Enzymen und mitochondrialen Signalproteinen einher. Der Fokus dieser Arbeit lag daher auf muskulären Veränderungen oder molekularen zellulären Adaptationsmechanismen durch 12-wöchige körperliche Aktivität in Form von Ausdauer- oder Krafttraining bei TypII-Diabetikern. Zu Beginn und am Ende des dreimonatigen Ausdauer- und Krafttrainings wurde den Studienteilnehmern eine Biopsie aus dem M. vastus lateralis entnommen. An Gewebeschnitten wurden morphologische und histochemische Untersuchungen durchgeführt. Es wurden der Isoformshift der Skelettmuskelfasern, die Muskelfaserquerschnitte, der Leistungszuwachs und die Herzfrequenz bei Laktat 2 und 4 mmol/l als Parameter der Leistungsverbesserung untersucht. Weitere entscheidende Untersuchungen dieser Arbeit waren die molekulare zelluläre Anpassung des oxidativen Stresses (8-Isoprostan als Marker für oxidativen Stress), der antioxidativen Enzymen (MnSOD, GPx und Prx 1-6) und der mitochondrialen Signalproteine (PGC1α, NRF1 und TFAM) durch körperliche Aktivität in Form von Ausdauer- und Krafttraining. Weiterhin wurden die Basalexpression der antioxidativen Enzyme und mitochondrialen Signalproteine bei nicht-insulinpflichtigen TypII-Diabetikern (NIDDM) und adipösen nicht-diabetischen Männern (NDM) verglichen.

Die körperliche Leistungsfähigkeit verbesserte sich in beiden Trainingsgruppen. Die anderen erfassten morphologischen Parameter wie Muskelfasershift und Faserquerschnitt erreichten über beide Gruppen hinweg keine signifikanten Veränderungen. Das 8-Isoprostan als Marker für oxidativen Stress war vor dem Training bei den TypII-Diabetikern signifikant gegenüber der Kontrollgruppe vermindert und blieb jedoch nach dem Training unverändert. Bei der MnSOD zeigte sich im basalen Vegleich kein Unterschied, aber eine signifikant geringere GPx bei TypII-Diabetikern. Und die Expression von SOD und GPx erhöhten sich signifikant in beiden Trainingsformen. Die Expression von Prx 2 und 6 war bei den TypII-Diabetikern signifikant zur Kontrolle erhöht. Ausdauertraining bewirkte bei den TypII-Diabetikern einen signifikanten Anstieg von Prx 1 und eine tendenzielle Zunahme der Prx 4-6, wobei sich in der Kraftgruppe nur bei Prx 5 eine tendenzielle Zunahme der Expression zeigte. PGC1α und TFAM verringerten sich vor dem Training bei den TypII-Diabetikern signifikant gegenüber der Kontrollgruppe und blieb nach dem Training unverändert. NRF1 war vor Beginn des Trainings in allen Gruppen gleich, verminderte sich signifikant in beiden Gruppen durch Training.
Im Vergleich der beiden Interventionsgruppen ergab sich kein gruppenspezifischer Effekt hinsichtlich der Isoformshift der Skelettmuskelfasern, der Muskelfaserquerschnitte, der Verbesserung der körperlichen Leistung, Erhöhung der Expression von antioxidativen Enzymen (SOD, GPx) und mitochondrialen Signalproteine (PGC1α, NRF1 und TFAM). Einzige Unterschiede in den Trainingsgruppen waren die Expression von Peroxiredixin-Isoformen, trotz der meist nur tendenziellen Ergebnisse scheint das Ausdauertraining eine effiziente Belastungsform zu sein. Außerdem lässt eine signifikante oder teilweise tendenzielle Herauf- bzw. Herunterregulierung von mitochondrialen Signalproteinen vermuten, dass körperliche Aktivität im Muskel eine Regulierung der mitochondrialen Signalproteine beeinflussen kann. Daher ist empfehlenswert, bei künftigen Unter-suchungen mehrere Protokolle (von unterschiedlicher Intensität und Dauer) mit mehreren Samples post-Training (über verschiedene Zeitpunkte) in einen Versuch zu nehmen, um gültige und aussagekräftige Ergebnisse zu Anpassungsmechanismen als Reaktion auf Training zu erhalten. In weiteren Studien müsste auch nachgewiesen werden, ob die Prx, TFAM in den TypI-Fasern generell eine höhere Expression zeigt und ob die NRF1 und TFAM durch einen weiteren alternativen Transkriptionsfaktor mitreguliert werden.

Zusammenfassend lässt sich schließen: Systematisch geplante Trainingsinterventionen mit TypII-Diabetikern, die über 12 Wochen (2- bis 3-mal die Woche) mit submaximalen Intensitäten durchgeführt werden, verbessern die beim Diabetiker oftmals verminderte Leitungsfähigkeit und ungünstige oxidative Stress-Situation durch Hochregulierung von antioxidativen Enzymen wie der Superoxiddismutase, Glutathionperoxidase sowie auch der antioxidativ wirkenden Peroxiredoxine, vor allem auch in den Mitochondrien. Körperliche Aktivität kann somit einen protektiven Beitrag im Hinblick auf die Entstehung der Krankheit und die Progression diabetischer Sekundärkomplikationen leisten.


Abstract

Type-II diabetes mellitus is associated with systemically increased formation of ROS with simultaneously decreased antioxidative enzymes and mitochondrial signal proteins. Consequently, the focus of this study was on muscular changes or molecular cellular adaptation mechanisms as a result of 12 weeks of physical activity in the form of endurance or strength training by type-II diabetics. At the beginning and end of the three-month endurance and strength training a biopsy was taken from the m. Vastus lateralis of the study participants. Morphological and histochemical examinations were carried out on the tissue sections. The isoform shift of the skeletal muscle fibers, muscle fiber cross-sections, performance increase and heart frequency at lactate 2 and 4 mmol/l as parameters of performance improvement were examined. Additional decisive investigations of this study were the molecular cellular adaptation of oxidative stress (8-isoprostane as marker for oxidative stress), of the antioxidative enzymes (MnSOD, GPx and Prx 1-6) and the mitochondrial signal proteins (PGC1α, NRF1 and TFAM) as a result of physical activity in the form of endurance and strength training. Furthermore, the basal expression of antioxidative enzymes and mitochondrial signal proteins in non-insulin dependent type-II diabetics (NIDDM) and adipose non-diabetic men (NDM) were compared.

Physical performance improved in both training groups. The other morphological parameters recorded, like muscle fiber shift and fiber cross-section, did not achieve any significant changes across both groups. 8-isoprostane as a marker for oxidative stress was significantly reduced among the type-II diabetics compared to the control group and yet remained unchanged after the training. There was no difference in the basal comparison in the case of MnSOD, but GPx was significantly lower among type-II diabetics. The expression of SOD and GPx increased significantly in both training forms. Expression of Prx 2 and 6 was significantly increased among type-II diabetics when controlled. Among type-II diabetics, endurance training produced a significant increase in Prx 1 and a trend towards higher Prx 4-6; among the strength group there was only a trend to higher Prx 5 expression. PGC1α and TFAM decreased significantly before training among the type-II diabetics compared to the control group and remained unchanged after training. NRF1 was the same in all groups before training; it was reduced significantly in both groups through training.
There was no specific group effect when comparing both intervention groups regarding the isoform shift of the skeletal muscle fibers, the muscle fiber cross-sections, improvement in physical performance, increase in expression of antioxidative enzymes (SOD, GPx) and mitochondrial signal proteins (PGC1α, NRF1 and TFAM). The only differences in the training groups were the expression of peroxiredixin isoforms; despite the results being expressed mostly as trends, the endurance training appears to be an efficient form of exertion. Moreover, down- or up-regulation of mitochondrial signal proteins was in some cases significant or in part evident as a trend, which may indicate that physical activity in muscles can influence regulation of mitochondrial signal proteins. Consequently, it would be advisable to include several protocols (of different intensity and duration) in future studies with several post-training samples (at various times) in an experiment to obtain valid and meaningful results on adaptation mechanisms as reactions to training. It would also be necessary to demonstrate in further studies whether Prx and TFAM generally show higher expression in type-I fibers and whether NRF1 and TFAM are co-regulated through another alternative transcription factor.

In summary, one may conclude that systematically planned training interventions with type-II diabetics carried out over 12 weeks (two to three times a week) with sub-maximum intensity, improve the frequently reduced performance and unfavorable oxidative stress situation among diabetics through up-regulation of antioxidative enzymes, such as superoxide dismutase, glutathione peroxidase as well as the antioxidative peroxiredoxins, above all also in the mitochondria. Hence physical activity can make a protective contribution with regard to the origins of the illness and the progression of diabetic secondary complications.



29.04.2017 - 03:18