Ara

Kas İnşa Etmenin Matematiksel Modeli



Araştırmacılar, kas inşa etmek için optimum egzersiz rejimini tahmin edebilen matematiksel bir model geliştirdiler. Cambridge Üniversitesi'nden araştırmacılar, belirli bir miktardaki eforun bir kasın büyümesine ne kadar neden olacağını ve ne kadar süreceğini söyleyebilen modeli oluşturmak için teorik biyofizik yöntemlerini kullandılar. Model, kullanıcıların bireysel fizyolojilerinin birkaç ayrıntısını girerek egzersiz rejimlerini optimize edebilecekleri bir yazılım ürününün temelini oluşturabilir.


Model; aynı ekibin, kas büyümesini etkileyen kimyasal sinyallerin üretilmesinden titin adı verilen bir kas bileşeninin sorumlu olduğunu bulan daha önceki çalışmalarına dayanmaktadır.


Biophysical Journal'da bildirilen sonuçlar, her bir kişi ve her bir kas büyüme hedefi için optimal bir ağırlık olduğunu öne sürüyor. Kaslar sadece çok kısa bir süre için maksimum yüklerine yakın olabilirler. Yeni kas proteinlerinin sentezine yol açan hücre sinyal yolunu aktive eden ise zamanla entegre edilen yüktür. Ancak belirli bir değerin altında, yük çok fazla sinyale neden olmak için yetersizdir ve telafi etmek için egzersiz süresinin katlanarak artması gerekir. Bu kritik yükün değeri bireyin özel fizyolojisine bağlıdır.


Hepimiz egzersizin kas oluşturduğunu biliyoruz. Ya da biliyor muyuz? Makalenin yazarlarından biri olan Cambridge'in Cavendish Laboratuvarı'ndan Profesör Eugene Terentjev, "Şaşırtıcı bir şekilde, egzersizin neden veya nasıl kas oluşturduğu hakkında pek bir şey bilinmiyor; Çok fazla anekdot bilgisi ve edinilmiş bilgelik var, ancak kanıtlanmış veriler konusunda çok az. " diyor.


Egzersiz yaparken, yük ne kadar yüksekse, tekrar sayısı o kadar fazla veya frekans ne kadar yüksekse, kas boyutundaki artış da o kadar büyük olur. Ancak kasın tamamına bakıldığında bile bunun neden veya ne kadar olduğu bilinmemektedir. Odak, tek bir kasa veya tek tek liflerine indikçe, her iki sorunun da yanıtları daha da zorlaşmaktadır.


Kaslar, sadece 2 mikrometre uzunluğunda ve bir mikrometreden daha kısa olan, kas hücresinin boyutundan daha küçük olan tek tek filamentlerden oluşur. Ortak yazar Neil Ibata, "Bu nedenle, kas büyümesinin açıklamasının bir kısmı moleküler ölçekte olmalıdır. Kastaki ana yapısal moleküller arasındaki etkileşimler ancak yaklaşık 50 yıl önce bir araya getirildi. Daha küçük, yardımcı proteinlerin resme nasıl uyduğu hala tam olarak açık değil." dedi.


Bunun nedeni, verilerin elde edilmesinin çok zor olmasıdır. İnsanlar fizyoloji ve davranışlarında büyük farklılıklar gösterir ve bu da gerçek bir insanda kas boyutu değişiklikleri üzerinde kontrollü bir deney yürütmeyi neredeyse imkansız hale getirir. Terentjev, "Kas hücrelerini çıkarabilir ve bunlara tek tek bakabilirsiniz ancak bu, egzersiz sırasında oksijen ve glikoz seviyeleri gibi diğer sorunları görmezden gelir. Hepsine bir arada bakmak çok zor." diye ekledi.


Terentjev ve meslektaşları birkaç yıl önce "mekanosensing" mekanizmalarına (hücrelerin çevrelerindeki mekanik ipuçlarını algılama yeteneği) bakmaya başladılar. Araştırma, kas rehabilitasyonu konusundaki gözlemleriyle ilgili olup olmadığıyla ilgilenen İngiliz Spor Enstitüsü tarafından fark edildi. Birlikte, kas hiper/atrofisinin doğrudan Cambridge çalışmasıyla bağlantılı olduğunu buldular.


2018'de Cambridge araştırmacıları, kas liflerindeki proteinlerin kuvvet altında nasıl değiştiğine dair bir proje başlattı. Ana kas bileşenlerinin, aktin ve miyozinin, sinyal molekülleri için bağlanma bölgelerinden yoksun olduğunu buldular. Bu nedenle, uygulanan kuvvetteki değişiklikleri bildirmekten sorumlu olan üçüncü en bol kas bileşeni (titin) olması gerekiyordu.


Titin, bir kas gerildiğinde büyük bir kısmı uzayan, ancak kas kasılması sırasında molekülün küçük bir kısmı da gerilim altında olan dev bir proteindir. Titinin bu kısmı, kas büyümesini etkileyen kimyasal sinyali üreten titin kinaz alanını içerir. Molekül, daha fazla kuvvet altındaysa veya aynı kuvvet altında daha uzun süre tutulduğunda açılma olasılığı daha yüksek olacaktır. Her iki koşul da aktive edilmiş sinyal moleküllerinin sayısını artıracaktır. Bu moleküller daha sonra daha fazla mRNA sentezini indükleyerek yeni kas proteinlerinin üretilmesine yol açar ve kas hücresinin enine kesiti artar.


Bu durum, kendisi hevesli bir sporcu olan Ibata tarafından başlatılan mevcut çalışmaya yol açtı. Ibata, "Kas büyümesinin hem nedenini hem de nasıl olduğunu daha iyi anlamaktan heyecan duydum. Sporcunun başarabileceği belirli bir hacim göz önüne alındığında, düşük verimli egzersiz rejimlerinden kaçınmak ve sporcuların potansiyelini düzenli olarak daha yüksek değerli seanslarla en üst düzeye çıkarmak için çok fazla zaman ve kaynak tasarrufu sağlanabilir." dedi.


Terentjev ve Ibata, kas büyümesi hakkında nicel tahminler verebilecek bir matematiksel modeli daraltmak için yola çıktılar. Kuvvet altında açılan ve sinyal zincirini başlatan titin moleküllerinin izini süren basit bir modelle başladılar. Bir titin kinaz ünitesinin kuvvet altında açılıp kapanmasının ve bir sinyal molekülünü aktive etmesinin kuvvete bağlı olasılığını belirlemek için mikroskopi verilerini kullandılar.


Daha sonra, metabolik enerji değişiminin yanı sıra tekrar uzunluğu ve geri kazanım gibi ek bilgiler ekleyerek modeli daha karmaşık hale getirdiler.


Terentjev, "Modelimiz, kas büyümesinin esas olarak maksimum yükün %70'inde meydana geldiği fikri için fizyolojik bir temel sunuyor, bu da direnç antrenmanının arkasındaki fikirdir" dedi. "Bunun altında, titin kinazın açılma hızı hızla düşer ve mekanik duyarlı sinyalleşmenin gerçekleşmesini engeller. Bunun üzerinde, hızlı tükenme, modelimizin nicel olarak öngördüğü iyi bir sonucu engeller."


İngiliz Spor Enstitüsü Kıdemli Güç ve Kondisyon Antrenörü Fionn MacPartlin, çalışma hakkında "Elit sporcuları hazırlamanın zorluklarından biri, enerji maliyetleri gibi ilgili ödünleri dengelerken adaptasyonları en üst düzeye çıkarmak için ortak gereksinimdir. Bu çalışma bize kasların yükü nasıl algıladığı ve tepki verdiğine dair potansiyel mekanizmalar hakkında daha fazla fikir veriyor ve bu da bu hedeflere ulaşmak için müdahaleleri daha özel olarak tasarlamamıza yardımcı olabilir." diye belirtti.


Model ayrıca, uzun süreli yatak istirahati sırasında veya mikro yerçekimindeki astronotlar için ortaya çıkan kas atrofisi sorununu da ele alarak, bir kasın bozulmaya başlamadan önce ne kadar süre hareketsiz kalabileceğini ve optimal iyileşme rejiminin ne olabileceğini gösteriyor.

Sonunda araştırmacılar, belirli hedefler için kişiselleştirilmiş egzersiz rejimleri sağlayabilecek kullanıcı dostu yazılım tabanlı bir uygulama üretmeyi umuyorlar.



Kaynaklar ve İleri Okuma


  1. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210823125730.htm

  2. Neil Ibata, Eugene M. Terentjev. Why exercise builds muscles: titin mechanosensing controls skeletal muscle growth under load. Biophysical Journal, 2021; DOI: 10.1016/j.bpj.2021.07.023