Prevention of muscle mass loss during severe energy deficit by exercise and protein ingestion : molecular mechanisms

Abstract

Es sabido que el ejercicio y/o la ingestión de proteínas permiten atenuar la pérdida de masa muscular durante déficits energéticos moderados diseñados para perder peso. Sin embargo, se desconoce si este efecto preservador se encuentra también presente cuando el déficit energético es severo. El objetivo principal de esta tesis es el de determinar si el ejercicio realizado durante una restricción calórica severa disminuye la pérdida de masa muscular simultáneamente inducida a la pérdida de peso y estudiar los principales mecanismos moleculares que regulan esa respuesta. El protocolo experimental utilizado consistió en el reclutamiento de 15 hombres sanos con sobrepeso u obesidad, los cuales fueron sometidos a una fase de cuatro días de restricción calórica severa (320 kcal/día) combinada con ejercicio de larga duración (8 h caminando) y duración moderada (45 min de pedaleo) de un brazo, tras la cual tuvieron lugar tres días de vuelta a la ingesta de alimentos y ejercicio habituales previos a la intervención. Se establecieron dos grupos, cada uno limitando su ingesta a proteína de suero o sacarosa durante la intervención de cuatro días. Se realizaron extracciones sanguíneas y biopsias musculares del brazo entrenado, el brazo no entrenado y una pierna para el ánalisis de la expresión génica y proteica al final de cada fase. El déficit energético fue de 5500 kcal/día y la pérdida de masa muscular fue inversamente proporcional al volumen de ejercicio empleado por el músculo. Los resultados mostraron que el ejercicio ejerce un efecto preservador de la masa muscular durante el déficit energético severo de manera dosis-dependiente, donde la reducción en los niveles plasmáticos de testosterona, leptina e insulina mitigan la síntesis de proteínas y la iniciación de la traducción, primariamente a través de la reducción de la fosforilación de GSK3β en Ser9, lo cual constituye un nuevo mecanismo en músculo esquelético humano bajo estas condiciones. La activación génica de las dos principales vías proteolíticas en el músculo esquelético, la vía de la ubiquitina-proteosoma y de la autofagia-lisosoma, sugieren un estado de catabolismo principalmente provocado por el excepcional volumen de actividad contráctil presente en las piernas. Asimismo, los cambios en la regulación de genes autofágico-lisosómicos podrían indicar un bloqueo del flujo autofágico como mecanismo de ahorro de proteínas en el músculo ante situaciones de déficit energético extremo. Los resultados muestran que no hay un efecto adicional de la ingesta aislada de proteína de suero ni de carbohidratos en la activación de la síntesis de proteínas ni en la activación de las vías proteolíticas en músculo esquelético humano bajo condiciones de déficit energético severo, pese a la inclusión de diferentes volúmenes de actividad contráctil.

It is known that performing exercise and/or augmenting the ratio of protein in the diet attenuates the loss of muscle mass during moderate energy deficits designed to induce a body weight loss. However, it remains unknown whether this muscle-sparing effect is still present when the energy deficit elicited is severe. The aim of this thesis is to determine whether including exercise during a severe caloric restriction attenuates the muscle mass loss occurring during weight loss and to study the main molecular mechanisms underlying this response. The experimental protocol used consisted in recruiting 15 overweight or obese healthy male, who were subjected to a four-day phase with severe caloric restriction (320 kcal/day) combined with prolonged exercise (8 h walking) and moderate-duration exercise (45 min of cranking) with a single arm, followed by a three-day phase of controlled food intake and exercise at pre-intervention levels. Two groups were stablished, each of them consuming solely whey protein or sucrose during the four-day intervention. Blood samples and muscles biopsies from exercise arm, non-exercised arm and one leg were taken following each experimental phase for determination of gene and protein expression. The daily energy deficit was 5500 kcal/day and the muscle mass loss was inversely proportional to the exercise volume performed by the muscles. The results showed that exercie exerts a muscle-sparing effect during a severe energy deficit in an exercise-dose dependent manner, where the reduction in plasma levels of testosterone, leptin and insuling blunt protein synthesis and translation initiation, primarily by a reduction in phosphorylation of GSK3β at Ser9, which constitutes a novel mechanism in human skeletal muscle under these conditions. The genetic activation of the two principal proteolytic pathways in skeletal muscle, the ubiquitin-proteasome and the autophagy-lysosomal systems, suggests a state catabolism mainly evoked by an exceptional volume of contractile activity present in the legs. Additionally, the changes in the expression of autophagy-lysosomal-related genes may indicate a blockage in autophagic flux as protein-sparing mechanism in muscle under situations of extreme energy deficiency. Our results illustrate that there is no additional effect of the ingestion of protein or carbohydrates on the activation of protein synthesis nor the activation of the principal proteolytic systems in human skeletal muscle under conditions of severe energy deficiency, regardless of the present of various amounts of contractile activity.