Aula 2 - (Bioquímica do movimento)Revisão Contração Muscular e Genética

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REVISÃO DO PROCESSO DE 
CONTRAÇÃO MUSCULAR; 
 
HIPETROFIA; 
 
GENÉTICA E EXERCÍCIO 
Profa. Edilamar Menezes de Oliveira 
Lab de Bioquímica e Biologia Molecular do Exercício 
 
edilamar@usp.br 
 
 
 Estrutura e função das fibras musculares; 
 
 Metodologias utilizadas para determinação 
do tipo fibra; 
 
 Efeito do treinamento físico; 
 
 Efeitos da Genética do indivíduo. 
 
Fibras Musculares Esqueléticas 
 
• 1873, anatomista francês Louis Antoine Ranvier 
 
Classificações das Fibras Musculares 
(Needham 1926) 
 
A mioglobina (Mb) contendo ferro é uma das proteínas que 
transporta oxigênio molecular (O2), sendo o principal 
transportador intracelular de oxigênio nos tecidos musculares, 
além de estocar oxigênio nos músculos. 
Coloração Branca 
VS. 
Coloração Vermelha 
Bergström e Hultman (1966)- Biópsia do ME 
 
análises estruturais, bioquímicas e moleculares foram identificadas. 
 
Biópsia Muscular 
Anestesia 
Sucção da Amostra 
Coleta da amostra 
 Sóleo de rato 
Diferentes métodos histoquímicos têm sido proposto para diferenciar os 
subtipos de fibras musculares, mas o método mais usado para todos os 
propósitos é a histoquímica para miosina ATPase. 
 
 
 
Velocidade de contração 
Características Contráteis das Fibras Musculares 
Engle, 1962. 
Miosina ATPase Muscular 
Enzima 
miosina ATPase 
 
Substrato 
 ATP 
 
Produto 
 
 ADP + Pi 
pH 10.3 
pH 4.6 
Brook e Kaiser, 1974. 
 
 
 
Características Contráteis das Fibras Musculares 
Fibra Tipo I lenta 
Fibra Tipo IIA (intermediária) rápida 
Fibra Tipo IIB rápida 
pH 10.3 pH 4.3 
IIB 
IIA 
I 
II 
I 
Velocidade de Hidrólise do ATP 
Bottinelli RM et al. 1994 
Características Contráteis das Fibras Musculares 
 
 
 
36 humanos 
Variação na proporção dos tipos de fibras em diferentes músculos. 
Perfil das Fibras Musculares Esqueléticas 
pH 10.3 
IIB 
IIA 
I 
Estrutura 
MOSAICO 
Johnson, 1973 
Proporção de Tipos de Fibras em Músculos 
Johnson, 1973 
 
 
 
Fibra Tipo I lenta vermelha oxidativa SO 
Fibra Tipo IIA (intermediária) rápida branca oxida/glico FOG 
Fibra Tipo IIB rápida branca glicolítica FG 
Atividade Oxidativa 
SDH (succinato dehidrogenase) 
Características Bioquímicas das Fibras Musculares 
Atividade Glicolítica 
α-GPDH (Alfa glicerol fosfato dehidrogenase) 
 
 
 
Características Moleculares das Fibras Musculares 
1990, Staron & Pette 
MHCIβ 
MHCIIa 
MHCIIb 
MHCIId/x 
Miosina 
ATPase 
MHCIIx 
MHCIIa 
MHCIIb 
MHCIβ 
MHCIβ Fibra Tipo I 
MHCIIa Fibra Tipo IIA 
MHCIId/x Fibra Tipo IID/X 
MHCIIb Fibra Tipo IIB 
Classificação 
das MHC 
Fibra Branca Fibra vermelha 
Características Estruturais das Fibras Musculares 
Mitocôndrias cardíacas: após 60 min de natação em ratos 
Wistar 
1. Mitocôndrias irregulares e com 
invaginações. 
2. Invaginação. 
3. Duas invaginações e presença de 
ribossomos 
1 
2 3 
 Características Estruturais das Fibras Musculares 
Controle 60 min exercício 
90 min exercício 120 min exercício 
Mitocôndrias cardíacas: após TF de natação em ratos Wistar 
Fibra Branca 
Fibra vermelha 
Características Estruturais das Fibras Musculares 
Capilarização 
Capilarização: efeito do TF aeróbio 
Controle Aeróbio 
Características Estruturais das Fibras Musculares 
 Características Estruturais das Fibras Musculares 
O que confere as fibras musculares diferentes 
características? 
? 
? 
? 
? ? 
? 
? ? 
? 
? 
? 
? 
? 
? 
? 
? 
Características Funcionais das Unidades Motoras 
Unidades motoras 
 Tipo I Tipo IIa Tipo IIb 
Fibras por neurônio 300-800 200-400 10-180 
Diam. nervo motor Pequena Grande Grande 
Veloc. cond. nerv. Lenta Rápida Rápida 
Tempo contração 110 50 50 
 
 
Características Funcionais das Unidades Motoras 
Fibras musculares apresentam características 
bioquímicas, estruturais, moleculares e neurais 
diferenciadas. 
Como acontece o recrutamento destas fibras durante 
o exercício físico ? 
Fibras I 
Fibras IIa 
Fibras IIb 
Intensidade do Exercício 
Nº de fibras 
Recrutamento de unidades motoras durante o EF 
Recrutamento ordenado das UM 
Exercício Intensidade crescente 
0 
10 
20 
30 
40 
50 
60 
70 
80 
90 
100 
5 10 15 20 25 30 35 40 45 
Tipo I 
Tipo II a 
Tipo II b 
Tempo (min) 
% fibras 
Recrutamento ordenado das UM 
Exercício Intensidade decrescente 
-20 
0 
20 
40 
60 
80 
100 
120 
1 2 3 4 5 6 7 8 
Tipo I 
Tipo II a 
Tipo II b 
Tempo (min) 
% fibras 
Resumindo... 
Características Lentas Rápidas Rápidas 
 Tipo I Tipo IIA Tipo IIB 
 SO FOG FG 
 
Diâmetro Menor Maior Maior 
Diâm. nervo motor Menor Maior Maior 
Capilarização Maior Menor Muito menor 
Força contração Menor Maior Muito maior 
Veloc. contração Menor Maior Maior 
Resistência fadiga Maior Menor Muito menor 
 
 
Características Lentas Rápidas Rápidas 
 Tipo I Tipo IIA Tipo IIB 
 SO FOG FG 
 
Metab. oxidativo Maior Menor Muito menor 
Metab. glicolítico Menor Maior Muito maior 
Glicogênio Menor Maior Maior 
Triglicerídeos Maior Menor Menor 
ATPase miosínica Menor Maior Muito maior 
Limiar de excitab. Menor Maior Maior 
I IIa IIb 
Cor vermelha branca branca 
Dens. mitocôndrias 
Capilarização 
Bioquímicas oxidativa glicolítica/ 
oxid. 
glicolítica 
Funcionais 
Tempo de 
contração/relaxam. 
lenta rápida rápida 
Força de contração 
Rendimento não fatigável fatigável fatigável 
Limiar de excitabilidade 
Características das fibras musculares 
1. Histoquímica 
2. Eletroforese 
3. Imunohistoquímica 
Metodologias utilizadas para a determinação 
do Tipo de Fibra: 
 
• Histoquímica 
- Diferentes pigmentações 
- Área da fibra 
Miosina ATPase, SDH, α-GPDH, PAS 
MHCIIx 
MHCIIa 
MHCIIb 
MHCIβ 
- Composição molecular das MHC 
• Eletroforese 
MHC1β 
- Anticorpos 
- Área da fibra 
- Alto custo 
• Imunohistoquímica 
1. Histoquímica 
2. Eletroforese 
3. Imunohistoquímica 
Metodologias utilizadas para a determinação 
do Tipo de Fibra: 
 
I - Biópsia ou Extração do tecido 
Humanos 
I - Biópsia ou Extração do tecido 
Animais de experimentação 
II - Montagem do tecido: 
III - Congelamento do tecido: 
III - Congelamento do tecido: 
Tecido congelado em -20oC Nitrogênio líquido -196o C 
IV - Cortes: 
 
Criostato -25º C 
Cortes seriados 
10 m 
V - Histoquímica ATPase: 
Enzima 
miosina ATPase 
 
Substrato 
 ATP 
 
Produto 
 
 ADP + Pi 
pH 10.3 
pH 4.3 
 
 
pH 4.3 
 
pH 4.6 
 
pH 10.3 
 
Tipo I 
 
 
 
 
 
 
 
Tipo IIA 
 
 
 
 
 
 
 
Tipo IIBColoração da Miosina ATPase com pré-incubação a pH=10.3 (A) e 4.3 (B) 
 B 
I I 
II
B 
II
B 
A 
II
A 
II
A 
1. Histoquímica 
2. Eletroforese 
3. Imunohistoquímica 
Metodologias utilizadas para a determinação 
do Tipo de Fibra: 
 
Determinação do Tipo de Fibra 
• Gel de eletroforese: Isoformas de miosinas 
– Proteinas com diferentes pesos deslocam-se diferente. 
+ 
_ 
Tipo I 
Tipo IIA 
Tipo IIx 
1 
1 – Marker 
 
2 
 
2 – Soleus 
3 
 
 
3 – Gastroc 
4 
 
 
 
4 – Quads 
5 
 
 
 
 
5 - Biceps 
Staron, 1992 
10,4 4,3 4,6 
Staron, 1992 
10,4 4,3 4,6 
Staron, 1992 
10,4 4,6 
Staron, 1992 
10,4 4,3 4,6 
10,4 4,3 4,6 
Identifique uma fibra intermediária: tipo 2A 
1. Histoquímica 
2. Eletroforese 
3. Imunohistoquímica 
Metodologias utilizadas para a determinação 
do Tipo de Fibra: 
 
Imunohistoquímica 
 
O método imuhistoquímico reconhece o antígeno por um 
anticorpo específico (Junqueira e Carneiro, 2000). 
 
 
 
MHC IIa 
É possível alterar o tipo de fibra? 
? 
? 
? 
? ? 
? 
? ? 
? 
? 
? 
? 
? 
? 
? 
? 
> % Fibras rápidas 
> % Fibras lentas 
 o Tipo de Fibra é 
um dos fatores que 
 afetam a 
performance 
• Fig. 3. SDS-PAGE gels ilustrando as 
alterações nas isoformas de MHC 
Iβ  I & IIa*  IIa  IIa & IIx*  IIx  IIx & IIb*  IIb 
 
Soleus 
Plantaris 
Extensor digitorum longus 
Ratos treinados 75% VO2 max. em sessões com 
30, 60 ou 90 min de duração, por 10 semanas. 
Mudança de Tipos de Fibra com TF aeróbio: 
Princípio da Proximidade 
Como dissociar o componente 
genético do ambiental no efeito do 
treinamento físico? 
Estudos Transversais 
Estudos com gêmeos 
pH 4,3 
Estudos escandinavos 
Década de 70 
Hipertrofia muscular 
Treino da força - 6 meses 
4000 
4500 
5000 
5500 
6000 
6500 
7000 
7500 
Tipo I Tipo II a Tipo II b 
Antes Depois 
m2 
Áreas dos diferentes tipos de fibras 
de acordo com a modalidade praticada 
-20 
-10 
0 
10 
20 
30 
40 
%
 d
e 
v
a
ri
a
çã
o
 
(r
el
a
ti
v
a
 a
o
s 
se
d
en
tá
ri
o
s)
 
Velocistas Fundistas 
Fibras I 
Fibras II 
Brooks e Fahey, 1985 
Variações na % de distribuição de fibras 
 
de acordo com o tipo de modalidade praticada 
(Vastus lateralis) 
0 
10 
20 
30 
40 
50 
60 
70 
80 (%) 
Sedentários Sprinters 
100m 
Sprinters 
 800m 
Corredores 
5000m 
Maratonistas 
Fibras I 
Fibras II 
Taylor et al., 1985 
0 
10 
20 
30 
40 
50 
60 
70 
80 
90 
(%) 
Sedentários Halterofilistas Hóquistas Fundistas Remadores 
Fibras I 
Fibras II 
Variações na % de distribuição de fibras 
 
de acordo com o tipo de modalidade praticada 
Como dissociar o componente 
genético do ambiental no efeito do 
treinamento físico? 
Estudos Transversais 
Pré disposição genética 
GENÉTICA 
PERFORMANCE ESPORTIVA 
MEIO AMBIENTE 
TREINAMENTO 
Embora o potencial genético não possa ser modificado, é possível 
maximizar a performance através de um treinamento adequado 
 Gêmeos monozigóticos 
 Gêmeos dizigóticos 
%
 F
ib
ra
s 
le
n
ta
s 
(g
êm
eo
 B
) 
 20 40 60 80 
20 
40 
60 
80 
% Fibras lentas (gêmeo A) 
Predisposição genética 
 Genética X Performance 
 
The human gene map for performance 
and health-related fitness phenotypes 
 
2001 
 
2002 
 
2003 
 
2004 
 
2005 
 
29 genes 
 
71 genes 
 
90 genes 
 
109 genes 
 
? 
 
We conclude from this first installment that exercise scientists need to prioritize high-
quality research designs and that replication studies with large sample sizes are 
urgently needed 
GENES CANDIDATOS 
• ECA 
• Angiotensinogênio 
• Enzima AMP desaminase 
• Creatina quinase 
• SERCA 
Polimorfismo 
Mutação 
Expressão gênica 
• ECA 
• Angiotensinogênio 
• Enzima AMP desaminase 
• Creatina quinase 
• SERCA 
Genes que parecem influenciar fenótipos 
relacionados a PA e exercício 
Gene da ECA 
287pb 
Sistema Renina Angiotensina 
- Regula volume plasmático 
- PA 
- Hipertrofia músculo cardíaco e esque 
Polimorfismo da enzima 
conversora de angiotensina - ECA 
Montgomery et al. Nature 393: 221, 1998 
ACE gene and muscle performance 
Association of ACE alleles 
with performance 
Williams et al. Nature 403: 614, 2000 
Montgomery et al. Nature 393: 221, 1998 
-4 
-2 
0 
2 
4 
6 
8 
10 
12 
C
h
a
n
g
e
s
 i
n
 d
e
lt
a
 e
ff
ic
ie
n
c
y
 d
u
ri
n
g
 
tr
a
in
in
g
 (
%
) 
 
490 pb: II 190 pb: DD ambos: ID 
Nakai et al. Circulation 90: 2199-2202, 1994. 
Nakai et al. Circulation 90: 2199-2202, 1994. 
Mean Serum ACE Levels Among the Three Groups 
Defining the ACE Gene Polymorphism 
ACE Genotype 
Number 26 44 41 
 
Serum ACE conc 11.4 ± 2.7 14.5 ± 3.4 16.6 ± 4.6 
IU/ml 
P<0.01 
P<0.01 
NS 
ACE indicates angiotensin I-converting enzyme. 
II ID DD 
Polimorfismo da ECA 
 
Capacidade Aeróbia 
x 
Capacidade Anaeróbia (força) 
Polimorfismo da ECA 
 
Capacidade Aeróbia 
x 
Capacidade Anaeróbia (força) 
POLIMORFISMO ECA E 
CAPACIDADE AERÓBIA 
• remadores olímpicos da seleção australiana apresentaram predomínio 
do alelo I. (Gayagay et al., 1998) 
 
• corredores de elite apresentaram uma relação direta entre o aumento 
da presença do alelo I e o aumento das distâncias corridas em suas 
respectivas provas. (Myerson et al., 1999) 
 
• atletas de provas de média duração (nadadores) tinham predisposição 
para o alelo I, considerando provas de média duração aquelas que 
variam entre 12 e 15 minutos. (Nazarov et al., 2001) 
 
• indivíduos sedentários que realizavam treinamento físico aeróbio não 
apresentaram uma relação direta entre o polimorfismo da ECA e o 
rendimento físico. (Rankinen et al., 2000) 
- Débito cardíaco 
- Densidade capilar 
- Oferta de substrato 
- Oferta de oxigênio 
- Capilarização 
- Estoque de ácido graxo 
intramuscular 
- Eficiência da utilização dos 
substratos pela fibra muscular 
- Número, volume e densidade 
mitocôndrial 
Montgomery et al. (1998) 
Melhora do VO2 
pico 
Relação direta 
Polimorfismo II 
POLIMORFISMO ECA E CAPACIDADE 
AERÓBIA 
Mudança do tipo de fibra 
muscular 
Zhang et al., 2003 
? 
Hipertrofia cardíaca 
 II x DD 
POLIMORFISMO ECA CAPACIDADE 
AERÓBIA 
Zhang et al., 2003 
Polimorfismo da ECA 
 
Capacidade Aeróbia 
x 
Capacidade Anaeróbia (força) 
9%
15%
0%
5%
10%
15%
20%
II DD
genótipo ECA
au
m
en
to
 n
a 
fo
rç
a 
is
om
ét
ric
a 
(%
)
Folland et al., 2000 
POLIMORFISMO ECA E FORÇA MUSCULAR 
Adaptações neurais 
Adaptações musculares 
Pesquisas com exercício X Genes : 
Hoje 
- Investigações de genes que podem ser 
influenciados diretamente pelo exercício 
Ex.: massa muscular; densidade óssea, etc 
- Investigações sobre doenças que são 
influenciadas por efeitos genéticos ou exercício 
Ex.: hipertensão (indivíduos sedentários e 
exercício) 
Outros Genes Estudados 
Genes que codificam: Intermediários na sinalização da Insulina 
 
 Intermediários do metabolismo energético 
 
 Enzimas envolvidas no metabolismo da glicose e 
lipídios 
 
 Enzimas que processam colágeno e pró-colágeno 
USO DE ANIMAIS MODIFICADOS GENETICAMENTE 
PARA ESTUDOS FISIOLÓGICOS OU DE FUNÇÃO 
 Animais transgênicos 
 
 Knockout 
 
 Knockin 
 
 Animais Congênicos 
Microarrays 
Miostatina 
Miostatina 
Miostatina 
Compreendermos as bases 
Celulares Bioquímicas Moleculares 
Interação gene-exercício 
Essencial para melhorar a 
saúde humana e 
a performance através do 
exercício 
Obrigada pela atenção