Muskulaturens egenskaper vad händer vid arbete, träning och med ålder? BIRGITTA ESSÉN-GUSTAVSSON Med hjälp av muskelbiopsier har man kunnat studera hur hästens muskler ser ut och fungerar. Studierna visar att det finns stora individuella variationer i muskulaturens egenskaper hos hästar. Förändringar i muskelfibrernas egenskaper under det första levnadsåret beror till stor del på tillväxt. Därefter är det framförallt träning som har störst inverkan. Om hästen arbetas för lugnt sker ingen anpassning i muskulaturen och om arbetet sker vid för hög intensitet kan det leda till stress i muskelfibrerna och en alltför uttröttad muskulatur. Den kunskap som framkommit av dessa studier belyser hur viktigt det är med individanpassad träning. Muskulaturens uppbyggnad För att musklerna i kroppen skall kunna utföra olika arbeten är de sammansatta av ett antal muskelfibrer med sinsemellan olika egenskaper. Via nervimpulser stimuleras muskelfibrerna att kontrahera (sammandra sig) och för att detta skall kunna ske behövs det energi som utvinns genom att olika substrat förbränns i fibern. De långsamt kontraherande fibrerna som också kallas typ I fibrer är uthålliga och aktiveras vid lättare arbetsformer som pågår under längre tid. De får energi till sitt arbete framförallt genom att förbränna glykogen och fett som lagras i fibrerna eller genom att förbränna glukos och fettsyror som liksom syre tillförs med blodet via kapillärerna som omger fibrerna. Förbränningen i fibrerna sker således huvudsakligen med aerob (i närvaro av syre) ämnesomsättning. De snabbt kontraherande fibrerna som också kallas typ II fibrer aktiveras vid mer intensiva arbetsformer under kortare tid och de har en sämre förmåga att använda syre när de arbetar och tröttas därför fort. Typ II fibrerna får istället snabb tillgång till energi med anaerob (utan tillgång till syre) ämnesomsättning genom nedbrytning av fosfatföreningar och genom att glykogen spjälkas till mjölksyra. Typ II fibrer kan ytterligare indelas i typ IIA och typ IIB fibrer där typ IIA fibrer har större förmåga till aerob ämnesomsättning än typ IIB fibrer som är de snabbast kontraherande fibrerna. Fiberkompositionen i muskulaturen och en fibers förmåga till aerob eller anaerob ämnesomsättning varierar beroende på ålder och träningsgrad.
Muskelbiopsier I slutet av 60-talet började svenska forskare att studera muskulaturens egenskaper hos människa med hjälp av muskelbiopsier. Detta innebär att en liten nål förs in i den muskel som man vill studera och med denna nål snittas en liten bit muskelvävnad ut. Med hjälp av muskelbiopsier och biokemiska och histokemiska analyser visades att de kontraktila och metaboliska egenskaperna i lårmuskulaturen kunde variera mycket mellan individer. Långdistanslöpare hade t ex en större procentandel långsamt kontraherande typ I fibrer jämfört med sprinters som hade många snabbt kontraherande typ II fibrer. Studier visade också att uthållighetstränade individer hade en högre förmåga till aerob ämnesomsättning i sina fibrer jämfört med otränade individer och att de därför bildade mindre mjölksyra vid samma arbetsbelastning. Med biopsitekniken visades också att det skedde en nedbrytning av glykogen i samband med uthållighetsarbete och att den kost som intogs dagarna före ett långtidsarbete hade avgörande betydelse för prestationsförmågan. Tack vare dessa studier vet vi idag hur viktigt det är med kolhydratuppladdning inför ett uthållighetsarbete, t ex Vasaloppet. Humanstudierna under 60- och 70-talet ledde till att muskelbiopsier kom att användas även i studier på trav- och galopphästar för att öka kunskapen om muskulaturens egenskaper och belysa vilka förändringar som sker i samband med arbete, träning och ålder. Birgitta Essén-Gustavsson, Arne Lindholm, Sune Persson och flera doktorander har deltagit i de projekt som under 80- och 90-talet fått stöd från ATG. Nedan redovisas en del resultat från dessa projekt. I övrigt hänvisas till de artiklar, avhandlingar och faktablad som finns redovisade i anslutning till denna artikel. Muskulaturens egenskaper hos häst Den muskel som vi framförallt har studerat med hjälp av muskelbiopsier är m. gluteus (stora ländmuskeln) eftersom den är aktiv och arbetar vid trav och galopp. Vi har tagit muskelbiopsier på trav- och galopphästar från m. gluteus i olika åldersgrupper och också tagit upprepade biopsier på travhästar från det de var 7 8 månader gamla upp till 4 5 års ålder. Våra studier visar att det hos dessa hästar finns stora individuella variationer i muskulaturens fiberkomposition och i fibrernas förmåga till aerob och anaerob energiomsättning. Vi har använt histokemisk teknik och färgning för enzymet myosin-atpase för att identifiera långsamma typ I fibrer och snabba typ IIA och typ IIB fibrer (Bild 1). Från dessa snitt har vi också bestämt fiberarean och visat att typ I fibrer har den minsta tvärsnittsytan av fibrerna och typ IIB fibrer den största ytan (Bild 1). Vi har också visat att alla fibrer innehåller glykogen och att typ I fibrer innehåller mycket mer fett jämfört med typ IIA fibrer och typ IIB fibrer som knappt innehåller något fett alls. Med en annan färgning (NADH-färgning) har vi kartlagt en fibers oxidativa kapacitet (förmåga att utnyttja syre) och visat att den kan variera beroende på träningsgrad (Bild 1). De färgningar vi har använt kan inte visa exakt hur mycket av ett visst ämne som finns i de olika fibrerna. Därför har vi också analyserat aktiviteten hos olika enzymer för att studera muskulaturens oxidativa kapacitet och förmåga till bildning av mjölksyra. Vi har då visat att typ I fibrerna har den högsta oxidativa kapaciteten och den lägsta förmågan att bilda mjölksyra. Det omvända förhållandet ses hos typ II fibrerna men typ IIA fibrerna har oftast högre oxidativ kapacitet och lägre förmåga till att bilda mjölksyra jämfört med typ IIB fibrerna. Typ I och IIA fibrer som har en hög oxidativ kapacitet är de fibrer som i förhållande till sin fiberstorlek har kontakt med många kapillärer jämfört med typ IIB fibrer som oftast har få kapillärer i förhållande till sin fiberstorlek. Fibrer som har få kapillärer och då framförallt typ IIB fibrer har således en sämre tillgång på syre och blodburna substrat och en sämre förmåga till borttransport av mjölksyra och andra nedbrytningsprodukter. Våra studier visar att både fibertyper, fiberytor, antal kapillärer och
den oxidativa kapaciteten i muskulaturen varierar beroende på ålder och träningsgrad. Muskulaturens fibertyper och förändring med ålder och träning Trav- och galopphästar kan springa snabbt och har i sin muskulatur en stor procentandel typ IIA och typ IIB fibrer (70 90 %) jämfört med typ I fibrer (10 30 %). Galopphästar som springer fortare än travhästar har en något större andel snabba fibrer och fler typ IIB fibrer jämfört med vad som ses hos travhästar. Hos båda raserna har hingstar en något högre andel typ IIA fibrer och lägre andel typ IIB fibrer jämfört med ston. Hos både trav- och galopphästar sker en liten ökning av typ I fibrer, en ökning av typ IIA fibrer och en minskning av typ IIB fibrer med ålder och träning. Vi har visat att 3 4-åriga hästar som tränats regelbundet från 16 månaders ålder har en högre oxidativ kapacitet och lägre andel typ IIB fibrer jämfört med 3 4- åriga helt otränade hästar. Föl och äldre otränade hästar har typ IIB fibrer som uppvisar en låg oxidativ kapacitet i sin muskulatur (Bild 1). Däremot har vältränade hästar och hästar som tävlar typ IIB fibrer med en hög oxidativ kapacitet (Bild 1). Hos dessa hästar är också tvärsnittsytan av typ IIB fibrer mindre jämfört med otränade hästar och mer jämnstor med typ I och typ IIA fibrer (Bild 1). Tränade hästar har också fler kapillärer runt fibrerna jämfört med otränade hästar. Under det första levnadsåret är det framförallt tillväxten som ger förändringar i muskulaturen. Muskelbiopsier togs i en studie på 10 unghästar vid 3 tillfällen, när de var 7 8, 11 12 och 17 18 månader gamla. Fem av hästarna fick daglig gemensam utevistelse i rasthage och de övriga fem hästarna fick utöver detta en ökad fysisk aktivitet 3 4 dagar i veckan (se unghästprojektet i denna skrift). Hos dessa hästar noterades inga större förändringar i muskulaturen av den ökade fysiska aktiviteten upp till 18 månaders ålder. Däremot observerades likartade förändringar i enzymaktiviteter och i fiberkomposition hos alla hästar. De olika fibrernas tvärsnittsyta ökade, andelen typ IIA Bild 1 Otränad travhäst A Vältränad travhäst B Häst med nedsatt prestation C Tvärsnitt av muskelvävnad (m. gluteus) som färgats för myosin-atpas (A, B, C) och NADH-dehydrogenas (D, E, F). På snitt A, B och C är svarta fibrer = typ I vita fibrer = typ IIA bruna fibrer = typ IIB På snitt D, E, F har blåfärgade fibrer en högre oxidativ kapacitet jämfört med ofärgade fibrer. Notera att vältränade hästar har fler typ IIB fiber med hög oxidativ kapacitet och att hästen med nedsatt prestation har centrala förändringar i sina fiber. D E F
fibrer ökade och andelen typ IIB fibrer minskade. Fiberrekrytering och ämnesomsättning under arbete Vi har tagit muskelbiopsier före och efter submaximala och maximala arbeten på en rullmatta och också efter långdistansritter och travlopp. I samband med de flesta arbetsformer har vi visat att det sker en nedbrytning av glykogen i muskulaturen. Ju högre arbetsintensiteten är ju snabbare sker nedbrytningen av glykogen. I en studie fick 6 hästar i 5-veckorsperioder olika dieter (normal, fettrik, kolhydratrik). Den kolhydratrika dieten ökade glykogennivåerna i vila i muskulaturen med 12 %. Detta hade emellertid ingen prestationshöjande effekt när hästarna fick springa så länge de orkade (ca 1 timme) på en rullmatta. Med hjälp av histokemisk färgning för glykogen kan man kartlägga hur fibrerna används vid olika arbetsformer. Efter ett arbete kan vissa fibrer vara helt tomma på glykogen (Bild 2). Tomma fibrer eller fibrer som har lågt innehåll av glykogen tyder på att dessa fibrer varit aktiva i samband med ett arbete och utnyttjat glykogen för sin energiförsörjning. Under submaximala arbeten på rullmattan och under långdistansritter är det framförallt uthålliga typ I och typ IIA fibrer med aerob ämnesomsättning som aktiveras. Koncentrationerna av mjölksyra i muskel och blod är därför låga. När hästar springer på rullmattan vid låga arbetsintensiteter men med successivt ökat dragmotstånd (drar vikter som är monterade på en talja bakom rullmattan) så rekryteras även typ IIB fibrer. Det sker då också en anaerob ämnesomsättning i muskulaturen med nedbrytning av glykogen och mjölksyrabildning samt en nedbrytning av fosfatföreningar. Vid högre arbetsintensiteter aktiveras inte bara typ I och IIA fibrer utan även typ IIB fibrer och anaerob ämnesomsättning bidrar till det stora energikravet. Vi har också visat att det efter tävlingslopp (1 600 2 140 m) och efter standardiserade maximala arbetstester till trötthet på rullmatta sker en kraftig nedbrytning av glykogen och fosfatföreningar samtidigt som det sker en ansamling av mjölksyra i muskulaturen. Vid en hårdare ansträngning när muskelarbetet kräver mer energi än vad som kan frigöras uppkommer en metabolisk stress (energibrist) vilket återspeglas inte bara av höga mjölksyranivåer utan också av höga ammoniaknivåer i muskulaturen och i blodet av ökade mjölksyra-, ammoniak- och urinsyranivåer. På biopsier tagna efter lopp har vi visat att den största metaboliska stressen sker i typ II fibrer och framförallt i typ IIB fibrer. När den metaboliska stressen blir alltför kraftig hämmas fiberns funktion och muskeln blir trött. Detta är sannolikt en bidragande orsak till att arbetsintensiteten måste sänkas och att många tävlingshästar tappar fart på upploppet. Kreatin finns i musklerna där det behövs för bildning av en fosfatförening som ger energi vid intensivt arbete. Vi har visat att upptaget av kreatin till blodet är begränsat och att kreatinhalten i musklerna inte ökar hos travhästar efter kreatintillskott i fodret. Hästarna utförde också arbetstester och ingen prestationshöjande effekt observerades av kreatintillskott. (Se även avsnittet om doping i denna skrift.) Muskulaturens egenskaper och relation till prestation I en studie togs muskelbiopsier från 36 fullvuxna travhästar där 12 var helt otränade, 12 hästar sprang på km-tider mellan 1:19 och 1:24 och 12 hästar sprang på km-tider mellan 1:14 och 1:18. Resultaten visade att den grupp av hästar som hade snabbast tider hade en högre IIA/IIB-kvot och mindre fiberstorlek på typ II fibrerna och den högsta oxidativa kapaciteten i muskulaturen jämfört med de andra grupperna. Muskelbiopsier har också tagits kontinuerligt från 8 travhästar från 8 9 månaders ålder och sedan 3 4 gånger under de följande 4 åren. Fiberegenskaperna hos dessa hästar har relaterats till hästens prestationsindex mätt i form av BLUP-värde (Best Linear Unbiased Prediction). Resultaten från den studien visade att de hästar som hade högsta prestationsindex också är de som har
flest oxidativa typ IIB fibrer. I en studie på fullvuxna tävlingshästar som redan hade ett högt prestationsindex mätt som IPI-värde (Individual Performance Index) observerades inga samband mellan fiberkompositionen eller enzymaktiviteter och IPI-värdet (100 116). Alla hästar hade en hög oxidativ kapacitet och en hög typ IIA/IIB-kvot. I en studie fick 28 travhästar som var mellan 2 och 9 år utföra ett standardiserat arbete på en rullmatta. I samband med arbetstestet analyserades olika prestationsmarkörer såsom totala blodvolymen, hastigheten då mängden mjölksyra i blodet var 4 mmol/l (V La4 ) samt hastigheten då hjärtfrekvensen var 200 slag/min (V 200 ). På muskelbiopsier som togs från dessa hästar analyserades enzymaktiviteter, fiberkompositionen och kapillärantalet kring fibrerna. Resultaten visade att kapillärtätheten i muskulaturen och framförallt kapillärantalet kring typ IIB fibrerna är av betydelse för den oxidativa kapaciteten och hästens prestationsförmåga. Våra studier visar således att om en häst skall uppnå en bra prestationsförmåga så bör en anpassning i muskulaturen ske som ger en hög typ IIA/IIB-kvot, många kapillärer och en hög oxidativ kapacitet. Bild 2 Vila A D Efter submaximalt arbete B E Efter submaximalt arbete med viktbelastning Överträning I några studier har muskelbiopsier tagits från övertränade travhästar. Detta är hästar som enligt ägare och tränare fått nedsatt prestationsförmåga och som i flera fall visat sig ha fler röda blodkroppar i blodet än vad som är normalt. Dessa hästar har en likartad fiberkomposition men en större andel typ IIB fibrer med hög oxidativ kapacitet och en lägre kapillärtäthet jämfört med muskelbiopsier tagna på hästar av samma kön och ålder med normal mängd röda blodkroppar i blodet. I några studier har övertränade hästar och hästar med normal prestation fått utföra ett standardiserat submaximalt arbetsprov på rullmatta. Inga skillnader observerades i V 200 eller V La4 men det fanns indikationer på att de övertränade hästarna utnyttjade aminosyror i högre grad för sin energifrisättning. C Tvärsnitt av muskelvävnad (m. gluteus) som färgats för myosin-atpas (A, B, C) och PAS (D, E, F). På snitt A, B och C är svarta fibrer = typ I vita fibrer = typ IIA bruna fibrer = typ IIB På snitt D, E, F har rödfärgade fibrer högre glykogeninnehåll jämfört med ofärgade fibrer. Notera att det på snitt E framförallt är typ I och IIA fibrer som har lågt glykogeninnehåll, men på snitt F har även några typ IIB fibrer lågt glykogeninnehåll. F
Om det finns skillnader i det metaboliska svaret vid maximala arbeten har ännu inte studerats hos övertränade hästar. En viktig fråga är om de oxidativa typ IIB fibrerna hos dessa hästar har kvar sin förmåga till anaerob ämnesomsättning. Hos några övertränade hästar och hos flera andra hästar där ingen uppenbar förklaring finns till deras nedsatta prestationsförmåga har vi observerat en stor andel centrala förändringar i fibrerna. Dessa förändringar förekommer till allra största delen i de minst oxidativa typ IIB fibrerna (Bild 1). I en studie följde vi upp prestationerna hos hästar som haft centrala förändringar i fibrerna och som fortsatt att tävla efter detta. Resultaten visade att dessa hästar fortfarande vann en del lopp men inte hade förbättrat sina prestationer. Eftersom centrala förändringar framförallt ses i typ IIB fibrer kan det vara en bidragande orsak till nedsatt prestation t ex när hästen tappar fart på upploppet eftersom dessa fibrer då måste användas. Varför dessa centrala förändringar uppstår vet vi inte idag och en studie pågår för närvarande där vi undersöker om förändringarna kvarstår eller kan försvinna med tiden. Arbetstest och muskelbiopsi för studier av träningseffekter Vi har tagit muskelbiopsier på 7 unghästar när de var 24 och 29 månader gamla. Alla hästar var födda, uppfödda samt tränade på samma stuteri och träningsanläggning. Dessa unghästar fick också när de var 24 och 29 månader gamla utföra ett arbetsprov i fält (4x1000 m) med successivt ökad hastighet i varje 1000 m-intervall. Blodprov togs efter varje 1000 m-intervall och stora variationer observerades i koncentrationen av mjölksyra hos dessa unghästar när de utförde samma arbete. Från 24 till 29 månaders ålder hade den oxidativa kapaciteten i muskulaturen ökat och andelen typ IIB fibrer minskat. När hästarna hade tränats ytterligare och var 40 månader gamla utfördes ett nytt arbetstest i fält. Hos alla hästar var bildningen av mjölksyra i blodet betydligt lägre än då de utförde testet vid 29 månaders ålder. Detta visar att en effekt av träning är att bildningen av mjölksyra i samband med arbete minskas. Hästen kan då springa fortare innan bildning av mjölksyra måste ske i muskulaturen. De hästar som bildade minst mjölksyra i blodet vid fälttestet var också de som vid ett maximalt test över 1600 m kunde trava snabbast. I en annan träningsstudie fick fem äldre hästar utföra arbete på rullmatta varje dag i 5 veckor varefter de stallades upp i 5 veckor. Förutom submaximalt arbete i 20 50 min fick de 2 dagar i veckan utföra korta intervallarbeten där hastigheten successivt ökades och minskades. Såväl före som efter träningsperioden liksom 5 veckor efter avslutad träning fick hästarna utföra ett standardiserat arbetsprov på rullmattan. Muskelbiopsier som samtidigt togs på dessa hästar visade att den oxidativa kapaciteten och kapillärtätheten hade ökat efter träningsperioden men inga förändringar noterades i fiberkompositionen. Den positiva effekten av en ökad oxidativ kapacitet var även i denna studie en lägre bildning av mjölksyra. Hästarna fick därför ett högre V La4 (kunde springa fortare innan de nådde mjölksyratröskeln) när de genomförde det standardiserade arbetsprovet. Ett högre V La4 uppmättes också vid det arbetsprov som utfördes 5 veckor efter avslutad träning fastän hästarna endast hade varit uppstallade. Detta visar att effekten av muskulaturens anpassning till intensiv träning kan kvarstå under en period utan träning. I en annan studie tränades en grupp hästar i 12 veckor på rullmattan (7 m/s) med dragbelastning (34 kp) i 2-minuters intervaller, 3 5 gånger/vecka. Redan efter 2 veckor ökade den oxidativa kapaciteten i muskulaturen liksom IIA/IIB-kvoten och även i denna studie sågs en sänkt mjölksyrabildning i det standardiserade arbetstestet efter träningsperioden. Våra studier visar således att muskelbiopsier kan vara till hjälp för att belysa hur hästens muskulatur anpassas till olika träningsmodeller. Sammanfattning De projekt vi utfört visar att det finns stora individuella variationer i mus-
kulaturens egenskaper hos hästar vad avser fibertyper, fiberytor, kapillärtäthet samt oxidativ kapacitet och förmåga till bildning av mjölksyra. Fibrerna rekryteras olika beroende på arbetsform och stora variationer finns i fibrernas förmåga till aerob/anaerob ämnesomsättning beroende på ålder och träningsgrad. De förändringar som ses i muskulaturen under det första levnadsåret beror till stor del på tillväxt men därefter är det framförallt träning som har störst inverkan på muskelfibrernas egenskaper. Våra studier indikerar att om ett arbete sker vid för låg intensitet kommer ingen anpassning att ske i muskulaturen och om arbetet sker vid för hög intensitet kan det leda till en metabolisk stress i fibrerna och en alltför uttröttad muskulatur. Den kunskap vi fått från våra studier belyser hur oerhört viktigt det är med individanpassad träning. Analyser av biokemiska blodvariabler, t ex mjölksyra, urinsyra och ammoniak i samband med standardiserade arbetstester antingen i fält eller på rullmatta samt studier av muskulaturens egenskaper med hjälp av muskelbiopsi kan vara till hjälp för att belysa hur hästens muskulatur anpassas till olika arbetsformer och träningsmodeller. LÄSA MER Faktablad Essén-Gustavsson B. Kreatintillskott till häst. Fakta, veterinärmedicin, 13. Uppsala, SLU, 1996. Roneus M. Hästens muskulatur. Fakta, veterinärmedicin, 10. Uppsala, SLU, 1993. Gottlieb-Vedi M. Drögträning en alternativ träningsmetod för travhästar. Fakta, veterinärmedicin, 9. Uppsala, SLU, 1990. Avhandlingar Funkquist P. Physiological responses to exercise in standardbred trotters with special reference to total blood volume. Acta Universitatis Agriculturae Sueciae. Veterinaria, 68. 1999. Gottlieb-Vedi M. Circulatory and muscle metabolic responses to draught work of varying intensity and duration in standardbred horses. SLU, 1988. Karlström K. Capillary supply, fibre type composition and enzymatic profile of equine, bovine and porcine locomotor and nonlocomotor muscles. SLU, 1995. Roneus M. Muscle characteristics in horses: in relation to age, sex and training. SLU, 1992. Roneus N. Muscle metabolic response to track exercise in Standardbred trotters. Acta Universitatis Agriculturae Sueciae. Veterinaria, 6. 1997. Schuback K. Muscle metabolic responses to maximal exercise in standardbred trotters and effects of creatine and bicarbonate administration. Acta Universitatis Agriculturae Sueciae. Veterinaria, 83. 2000. Valberg S. Skeletal muscle metabolic responses to exercise in the horse: effects of muscle fibre properties, recruitment and fibre composition. SLU, 1986. Artiklar Essén-Gustavsson B, Karlström K & Lindholm A. Fibre types, enzyme activities and substrate utilization in skeletal muscles of horses competing in endurance rides. Equine vet J 1984, 16(3), 197 202. Essén-Gustavsson B & Lindholm A. Muscle fibre characteristics of active and inactive Standardbred horses. Equine vet J 1985, 17(6), 434 438. Essén-Gustavsson B, McMiken D, Karlström K, Lindholm A, Persson S & Thornton J. Muscular adaption of horses during intensive training and detraining. Equine vet J 1989, 21(1), 27 33. Pösö A R, Essén-Gustavsson B & Persson S G B. Metabolic response to standardised exercise test in Standardbred trotters with red cell hypervolemia. Equine vet J 1993, 25(6), 527 531.