Revista Brasileira de Nutrição Funcional - ano 14, nº58, 2014 Abstract
Skeletal muscle is considered an extreme adaptability tissue to different environmental stimuli, with such a feature called "plasticity". The mechanical stimulation and physical activity are exogenous stimuli capable of inducing changes in structure and function of muscle tissue . Thus, there is an increasing number of studies evaluating the impact and potential of different dietary interventions and exercise protocols in order to optimize skeletal muscle responsiveness. The main acute measurement of muscle tissue adaptability is protein synthesis, since this is a dynamic measurement of protein metabolism and suggests potential changes in muscle structure. Measurements considered "static" are usually assessed through the expression of proteins and genes involved in the stimulation and control of muscle protein synthesis and necessarily reflect protein metabolism. Chronically, muscle cross-sectional area and/or fiber diameter are usually considered the main measurements of muscle adaptation. However, even though protein synthesis may be evaluated by means of static and dynamic markers, several factors make it difficult to extrapolate data to acute chronic scope. Such factors and validity of each measure are discussed in this narrative review;
Keywords: cross-sectional, skeletal muscle, protein metabolism. Resumo
O músculo esquelético é considerado um tecido de extrema capacidade de adaptação a diferentes estímulos ambientais, sendo tal característica denominada “plasticidade”. O estímulo mecânico e a atividade física são estímulos exógenos capazes de induzir alterações em termos de estrutura e função do tecido muscular. Dessa forma, é crescente o número de estudos avaliando o impacto e o potencial de diferentes intervenções dietéticas e protocolos de exercício de modo a otimizar a responsividade do músculo esquelético. A principal forma de mensuração aguda da capacidade de adaptação do tecido muscular é a síntese proteica, uma vez que esta representa uma medida dinâmica do metabolismo proteico muscular, e sugere potenciais alterações em termos de estrutura. Medidas consideradas “estáticas” são usualmente avaliadas por meio da expressão de proteínas e genes envolvidos no estímulo e controle da síntese proteica muscular e não necessariamente refletem o metabolismo proteico. De modo crônico, a avaliação da estrutura muscular é usualmente representada pela área de secção transversa muscular e/ou pelo diâmetro das fibras musculares. Entretanto, embora a síntese proteica possa ser avaliada por meio de marcadores estáticos e dinâmicos, diversos fatores dificultam a extrapolação de dados agudos para o âmbito crônico. Tais fatores e a validade de cada medida são discutidos na presente revisão narrativa.
Palavras-chave: área de secção transversa, músculo esquelético, metabolismo proteico.
Skeletal muscle protein synthesis: internal and external
validity in humans
Síntese proteica:
validade interna
Revista Brasileira de Nutrição Funcional - ano 14, nº58, 2014
Introdução
O músculo esquelético pode ser caracterizado como um tecido dinâmico e de alta plasticidade, extremamente adaptável a diferentes situações e estímulos (nutricionais, hormonais e mecânicos)1.
Em linhas gerais, observa-se que o músculo esquelético é composto por miofibras heterogêneas com alto grau de especificidade que conferem a diferentes grupos musculares a possibilidade de atender a uma ampla gama de funções. Dentre estas, destacam-se funções mecânicas como a sustentação corporal, manutenção da postura, locomoção e execução de tarefas e movimentos diários, e metabólicas como a captação de glicose via insulina, modulação do metabolismo proteico e da taxa metabólica basal2. De modo
quantitativo, pode-se dizer que o músculo esquelético compreende aproximadamente 75% da massa corporal magra3 e, mais especificamente,
cerca de 40% da massa periférica de um indivíduo saudável4.
Dada tal significância, é notável a importância dos estudos envolvendo o metabolismo deste tecido. Por exemplo, em indivíduos adultos saudáveis, a função muscular e sua capacidade de gerar força têm sido utilizadas como preditoras da expectativa de vida5.
Além disso, situações de estresse caracterizadas por modulação no processo de remodelamento muscular resultam em adaptações quantitativas e qualitativas no conteúdo proteico muscular que são fenotipicamente refletidas no diâmetro das fibras, desenvolvimento de força, resistência a fadiga e transição das isoformas de miosina6. Assim, a
capacidade contrátil e a adaptabilidade a estímulos de diferentes ordens proporcionam não só significantes resultados em termos de desempenho esportivo e composição corporal a atletas e esportistas7 como
também benefícios à própria população ativa por meio de intervenções visando à melhoria na qualidade de vida.
Neste contexto, diversos estudos envolvendo principalmente nutrição e exercício têm avaliado a responsividade aguda e crônica do tecido muscular esquelético frente às suas intervenções. De modo agudo, a infusão de radioisótopos tem sido considerada a técnica “padrão-ouro” para avaliação da síntese proteica miofibrilar em humanos pois representa uma medida dinâmica do metabolismo proteico. A avaliação da expressão de genes e proteínas que participam do processo de sinalização celular da síntese proteica são referidos como marcadores “estáticos” e sugerem
uma potencial resposta anabólica no metabolismo proteico. Já de modo crônico, os exames de imagem (tomografia, ressonância magnética) são usualmente utilizados para avaliação da área de secção transversa muscular. Além disso, a técnica de biópsia muscular por agulha de sucção também apresenta validade uma vez que, a partir desta, é possível avaliar os tipos de fibras e seus respectivos diâmetros.
Contudo, as mensurações agudas não podem ser extrapoladas para o âmbito crônico por conta de diversos fatores. Dentre estes, o principal é o estado nutricional. Os estudos agudos padronizam o estado nutricional dos sujeitos como pós-absortivo (jejum) e aplicam intervenções como exercício de força e suplementação de proteínas e aminoácidos e observam a resposta dinâmica do metabolismo proteico no período médio de 3-5 horas. Tal condição nutricional não ocorre em estudos crônicos onde os voluntários são orientados a alterarem minimamente sua rotina e apenas introduzirem a intervenção em questão. Portanto, estudos agudos apresentam boa validade interna e não necessariamente refletem a resposta crônica. Já estudos crônicos, são de alta validade externa. No contexto agudo, outro fator de extrema importância é o momento de avaliação. Uma vez que os estudos que avaliam padrão de sinalização celular se fundamentam na técnica de biópsia, o momento de coleta do tecido muscular tem implicação direta uma vez que cada proteína apresenta um pico distinto de fosforilação. Desse modo, a presente revisão narrativa tem por objetivo discutir a validade de medidas agudas do metabolismo proteico muscular. Para tanto, serão utilizados estudos com intervenção nutricional e, quando necessário, combinada ou não ao exercício de força em seres humanos.
Marcadores estáticos de síntese proteica
Estímulos exógenos como o exercício físico e a ingestão de proteínas e aminoácidos essenciais podem gerar um distúrbio de homeostase celular que ativa proteínas quinases e fosfatases envolvidas no processo de tradução proteica. Tal via de sinalização também é responsável pela captação de glicose, síntese de glicogênio muscular, controle do processo de atrofia muscular, dentre outras. As principais proteínas envolvidas nesta via de regulação são a proteína quinase B (Akt, também conhecida como PKB), mammalian target of
rapamycin (mTOR), e seus efetores (p70S6k,
4E-Revista Brasileira de Nutrição Funcional - ano 14, nº58, 2014
BP1, fator 4E de ligação eucariótica de ligação proteica), proteína quinase ativada por adenosina monofosfato (AMPK) e proteína quinase ativada por mitógeno (MAPK)8. A avaliação da expressão
de tais proteínas se dá por meio da técnica de eletroforese que as separa de acordo com o peso molecular e marca pela ligação de anticorpos específicos.
Embora essa via não seja linear em termos de ativação e não seja objetivo desta revisão descrever todo processo de sinalização, é possível estabelecer um “padrão” de sinalização que facilite a compreensão do papel e posição das proteínas quinases envolvidas. Por exemplo, o fator de crescimento símile à insulina tipo 1 (IGF-1), secretado pelo fígado em resposta ao hormônio de crescimento, ao ligar-se ao seu receptor, ativa a proteína PI3k (fosfoinositol 3 kinase), que por sua vez, leva à ativação da Akt9. A ativação da Akt,
tanto por estímulos mecânicos e/ou por fatores de crescimento, modula a ativação da mTOR, e atua também no controle da degradação proteica muscular, por inibir o fator de transcrição FoxO (forked head o box). Indivíduos cronicamente exercitados apresentam aumento na fosforilação da proteína quinase Akt, mas também uma marcante diminuição na expressão proteica do fator de transcrição FoxO. A mTOR é uma enzima com atividade quinase, formada por dois diferentes complexos multiproteicos: mTOR complexo 1 (mTORC1) e complexo 2 (mTORC2). O mTORC1 regula a síntese proteica, induzindo a expressão de proteínas que participam da tradução do RNA mensageiro. Este complexo, controla a fosforilação de duas proteínas importantes no controle da síntese proteica, a 4E-BP1 e p70s6k10.
A fosforilação da p70s6K e sua consequente ativação leva à hiperfosforilação da proteína ribossomal S6, que está associada ao aumento da tradução de RNA mensageiros de proteínas ribossomais e fatores de alongamento, favorecendo o processo de síntese proteica. A fosforilação da 4E-BP faz com que proteína se desligue do fator de iniciação eIF4B, permitindo o início da tradução10,11. Os elementos que participam da
síntese proteica podem responder de modo não linear. Assim, a sinalização da mTOR pode ocorrer de forma independente das proteínas P13k/AKT, dependendo do estímulo12.
Mensuração dinâmica de síntese proteica
Em seres humanos, a metodologia mais utilizada para mensuração dinâmica da síntese proteica muscular é o método da infusão de radioisótopos. Neste, ocorre a infusão constante de
aminoácidos marcados com isótopos radioativos no carbono para verificação da incorporação destes à proteína muscular ao longo do tempo. Os aminoácidos mais usualmente utilizados são a leucina e a fenilalanina. A incorporação destes aminoácidos marcados – avaliada através de biópsia do tecido – permite o cálculo da chamada taxa de síntese fracionada da proteína muscular, que se traduz pela porção de proteínas que é sintetizada por unidade de tempo. Este cálculo, quando multiplicado pela quantidade total de proteína muscular, permite a mensuração da taxa de síntese proteica absoluta. Assim, diferenças nas taxas de síntese fracionada da proteína muscular geralmente traduzem diferenças na taxa de síntese proteica absoluta13.
Na literatura, podem ser encontrados muitos estudos em humanos que utilizam o método de infusão de radioisótopos para mensuração da síntese proteica com sucesso14-17, inclusive em
idosos18. Todavia, apesar de muito utilizado, este
método apresenta limitações, como a curta duração das medições (dependendo do radioisótopo utilizado), a punção venosa/arterial e coleta de biópsia em ambiente controlado de laboratório e o estado nutricional pós-absortivo dos voluntários, o que pode dificultar a extrapolação de dados para o âmbito clínico17.
Outro método muito utilizado para medida de síntese proteica muscular é o modelo de 3 e de 4 compartimentos. Através da coleta de amostras de sangue venoso e arterial, e de biópsias musculares, o modelo de 3 compartimentos quantifica não somente as taxas de síntese e degradação de proteínas musculares, mas também o transporte de aminoácidos para dentro e fora do músculo. Desta forma, esta metodologia permite a estimativa da utilização de aminoácidos para a síntese muscular através de cálculos da taxa de aminoácidos transportados para dentro e fora do tecido muscular19-21. Já no modelo de 4 compartimentos,
além da coleta do sangue venoso e arterial e de biópsias musculares, são realizadas medidas de fluxo sanguíneo da perna buscando a avaliação, além da taxa de síntese e degradação proteica e o transporte de aminoácidos pelo músculo, a determinação da influência do espaço intersticial e do fluxo sanguíneo. Assim, enquanto o modelo de 3 compartimentos não avalia a influência do espaço do fluido intersticial sobre a cinética da proteína muscular, o modelo de 4 compartimentos avalia a taxa de síntese e degradação proteica com a determinação da influência do espaço intersticial e do fluxo sanguíneo21.
Brevemente, uma das fórmulas de cálculo para a síntese proteica muscular pode ser descrita como:
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FSR (%/h) = δEm/Ep×(1/t)×100 FSR – síntese proteica fracionada δEm – mudança no enriquecimento do isótopo
t – tempo
Ep – enriquecimento médio no mesmo período do precursor para síntese proteica
Síntese proteica vs. adaptações neuro-musculares
No tocante ao contexto nutricional, a literatura dispõe apenas de um estudo de cinética de sinalização celular em resposta a ingestão de nutrientes e sua relação com a resposta dinâmica do metabolismo proteico muscular. Atherton et al.22 conduziram um estudo de extrema relevância
que avaliou o padrão de sinalização celular em humanos saudáveis com média de idade de 21 anos em resposta a ingestão de 48 gramas de whey
protein no estado pós-absortivo. Para avaliação da
resposta do metabolismo proteico muscular, os autores utilizaram a técnica de eletroforese para expressão de proteínas e a infusão contínua por 8,5 horas do radioisótopo leucina [1,2-13C
2]. O objetivo
dos autores foi verificar se o padrão de expressão proteica era congruente a síntese proteica dinâmica. Foi avaliada a expressão das proteínas Akt, p70S6k e 4E-BP1 durante o período de 400 minutos e não foi observada linearidade com a resposta dinâmica de síntese proteica muscular.
Dessa forma, os resultados mostram que o padrão de sinalização celular não reflete a resposta de síntese proteica dinâmica. Ou seja, não é possível afirmar que o aumento da fosforilação de determinadas proteínas está causando simultaneamente incrementos na síntese proteica muscular. Assim, é indispensável que, ao avaliar marcadores de expressão gênica e proteica relacionados com o metabolismo proteico muscular, seja também avaliada a medida dinâmica de síntese proteica. O aumento da fosforilação de determinadas proteínas pode ser significativo do ponto de vista estatístico, porém, pode não ser significante do ponto de vista biológico. É indiscutível a importância dos mecanismos celulares na compreensão do controle celular e as formas de otimizar determinadas intervenções. Entretanto, o desfecho primário de qualquer intervenção nutricional deve ser a resposta clínica e, se esta apresentar resultados, mecanismos celulares sejam posteriormente avaliados para compreensão.
Embora tais conclusões sejam estabelecidas a partir de um único estudo, a relevância do mesmo é indiscutível uma vez que o desenho experimental
foi extremamente bem controlado e as ferramentas metodológicas utilizadas são amplamente aceitas pela comunidade científica como padrão-ouro.
Conclusões
A síntese proteica muscular é uma medida que só pode ser realizada atualmente de modo confiável por meio da infusão de radioisótopos em associação com a coleta de tecido muscular por meio de biópsia por agulha de sucção. Entretanto, vale ressaltar que há limitações que podem comprometer a extrapolação dos dados para o âmbito crônico, principalmente, o estado nutricional pós-absortivo. Assim, não podemos dizer que se determinada intervenção nutricional foi efetiva de modo agudo, também será de modo crônico. Cautela deve ser tomada nestes casos pois o estado nutricional e demais condições ambientais ampliam a validade interna dos resultados e comprometem sua aplicação no mundo real.
Embora haja poucos dados de cinética de sinalização e síntese proteica em humanos em resposta a ingestão alimentar, os poucos estudos disponíveis sugerem que não há linearidade entre tais medidas. Portanto, a sinalização celular não deve ser interpretada como resposta dinâmica e sim como uma possível sugestão de alteração na síntese proteica. Os mecanismos celulares, portanto, são de extrema importância na compreensão da homeostase celular. Porém, só devem ser considerados quando houver resposta clínica favorável.
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