透過高強度運動、節奏跑30分鐘活化粒線體

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聽標題好像蠻玄的,很深宮怨婦。實際上也是如此,畢竟多數而言,我們比較容易從運動生理學課本上得知「耐力訓練是培養身體發展粒線體細胞最佳方法」。然而,一週需要做多少量,強度需達到多高,持續幾個月,甚至是男生與女生之間有沒有操作上的差異性,仍沒有一套定案。總不能每次課表都是「今天大家的目標都跑兩小時LSD,粒線體就會如滔滔江水、連綿不絕,又如黃河氾濫,一發不可收拾?!」

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根據一篇回顧的研究,重新開啟了我對於粒線體轉換機制的興趣。在開始認真寫之前,簡單地談論「粒線體」!粒線體就像是身體核電廠,脂肪,碳水化合物與蛋白質是身體的核燃料,我們先透過轉化核燃料為小分子,這些小分子在間接進入到粒線體細胞轉換成肌肉細胞與身體各器官所需要的電力,讓身體像是勁量電池般有活力不間斷。如果想知道更多(備註1) 。粒線體也被科學家視為耐力運動中除了最大攝氧量,時間測驗與乳酸閾值外,最重要的關鍵因素(備註2)。因此,想要在耐力項目中奪到好成績,勢必得知道如何訓練才是最有成效的。

在進入兩人正式交往此之前,喂,不是啦!應該說正式進入主題之前,了解粒線體的研究架構本身到底需要考量什麼,才能幫助自己了解照單全收的訓練,不一定對耐力訓練所需的粒線體有足夠的功用,首先,

第一:粒線體的研究限制超多!首先粒線體研究是探測受試者本身在訓練前後的粒線體蛋白質合成酶的比例是否有變化,多數研究都希望可以建立量化與質化的粒線體改變因素,例如前述所云,運動強度的高要到什麼程度,訓練單元必須經過多久時間,頻率需要多久,這都需要不斷的透過數據建立。本篇研究者提到一個重點『粒線體的變化並不是單純就粒線體在細胞存量的多寡,還必須觀察粒線體的重塑與破壞的過程,這樣才可以得知身體究竟產生了什麼變化』。此外,粒線體在身體的效用需要考量到粒線體呼吸功能,粒線體皺褶(備註3)與蛋白質複合體,這些才是研究背後更需要被關注的生物基因。粒線體研究採集的生物基因資訊包含Peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1 alpha(簡稱PGC-1α,過氧化小體增生活化受體γ共同活化子,看來還是唸英文簡稱好一點,備註4),TFEB(transcription factor EB),NFAT(nuclear respiratory factor),NRF-1(nuclear factor of activatedT cells),Tfam(mitochondrial transcription factor A )等, 儘管近期研究都紛紛指出高強度對粒線體發展的好處,卻需要更多研究去佐證這些基因轉換物質與粒線體之間的關係是否也連帶發展,這是研究者提出的建議。

第二:肌肉使用的比例原則,當肌肉運動過程中會因為徵招順序影響到粒線體的發展,然而,關於徵招順序與比例一直是運動科學中仍有爭議的地方,因為科學家無法有共識什麼樣的呼吸強度,攝氧量,運動模式,運動項目選擇一定對某種肌肉纖維有特定刺激程度,只能用個大概標準去斷定肌肉使用比例。舉個例而言,如果以30-90分鐘的運動利用的強度是60-65%的最大功率,跟八循環的20秒運動利用170%最大功率,10秒休息,研究者是沒有辦法斷定兩者之間是有顯著差異的,且在運動過程中,也會因為碳水化合物在身體消耗的程度,使得粒線體活化程度受影響,亦就是說碳水化合物作為能量使用高低,會使得“肌肉使用比例”偵測到運動強度的改變,這是目前科學家需要去斷定這機轉何在。

第三:研究者本身認為在多數研究中,男女比例大不同,女性受試者在總體研究中小於40%,因此,如果按照這說法,很難斷定所有運動強度運用在女性身上,可以真確幫助粒線體發展的狀態。然而,女性本身就富含許多耐力型肌肉纖維,所以跟男性比起來,睪固酮與雌二醇對於粒線體則有不同的刺激,甚至有一篇研究指出月經週期對於PGC-1α 的基因轉換是有幫助的,這也是為什麼有越來越多研究指出女性的耐力運動表現比男性好,甚至有機會超越男性(這裡指的是普通體質的男性與女性,不是異於常人體質,所以男人們不要以為文章瞧不起你)。

第四:該用功率還是乳酸閾值作為研究粒線體成為主要參考依據。研究者指出同樣是70%最大功率運動,從未訓練過的受試者與經驗豐富的受試者,兩者在代謝能力上呈現極大不同程度,卻可以在95%乳酸閾值呈現相同代謝狀態,此外,研究者也指出碳水化合物的使用程度,在同樣是經驗豐富的受試者中,碳水化合物與功率輸出之間比例是類似的,如果碳水化合物與乳酸閾值之間比例卻可以因為個人體質狀態有所差異。因此,研究者認為多數研究仍喜歡以功率討論粒線體轉換,乳酸閾值相對更有參考價值。

第五:招募的受試者本身天生對於運動強度的偏好,假設受試者本身對於規律運動是有習慣的,甚至接受高強度運動,即便是職業運動員,也有可能因為先天對於運動模式與強度的恢復能力差異,使得在經過長期研究過程中(畢竟粒線體基因研究都是長期偵測),就會出現些許的變異,有可能有些人在不同時間點就已經出現粒線體基因轉換,但研究者可能是在前後測做比較,而忽略真正時程的變化。另外一層的考量是,在同一週間的研究過程中,先天對於運動強度適應力好的受試者,就可以看見第一運動過後的肌肉損傷與破壞,接續的48小時便有明顯基因轉換,但卻也可能有不同的時間序列與適應狀態,這就有待研究者持續的深入討論。

看了這五大項關於粒線體研究可能會出現的限制後,大概會眼花撩亂。接下來的重點是運動強度的選擇,我們可以在網路上找到各種類似的文章,以下做本篇研究的統整:

  • 75%最大功率的45分鐘腳踏訓練單元在未經訓練與經驗豐富的受試者中在四小時後,各自達到2.5倍的粒線體蛋白酶的活性。
  • 86%最大功率的10次1分鐘腳踏車訓練單元對比於59%最大功率30分鐘持續踩踏,達到1.5倍粒線體蛋白酶的活性。
  • 時間點不同,30分鐘60%最大功率輸出與60分鐘30%最大功率輸出,則會有2.5倍粒線體蛋白酶的活性。
  • 運動內容的選擇也是強度控制不錯的標的,例如:速度衝刺間歇與中等強度持續跑,研究並沒有指出兩者一定會帶來粒線體活性的顯著差異,基本上卻是帶著活性類似的結果(這裡的蛋白酶是用檸檬酸合成酶,同樣跟粒線體改變有關的蛋白酶)。

上述談的仍屬於運動強度的部分,另外,粒線體究竟需要『多少時間』才有機會產生改變呢?

『頻率選擇』,研究者認為是刺激檸檬酸合成酶重要的關鍵,當然運動強度是選擇重點之一,然而每天練兩餐或者每隔一天練兩餐也是刺激粒線體活性蛋白酶的重要因素,我們必須考量到不同的運動對於身體刺激的模組可能會有所差異。

『週期安排』,第二個重要時間序,研究者認為『小於十週高強度運動』是最容易造成粒線體的呼吸功能產生變化的時間,即便運動量跟中等強度是一致,高強度仍建議在十週內。然而,多數研究仍停留在4-6週的研究,研究者指出兩週的訓練可以讓位曾訓練過的受試者提升體內原來的粒線體達到22%之多,針對訓練經驗豐富者,的確需要更多時間,只是研究往往無法完全證實時間多長最有效,是需要驗證的。

『肌肉特殊性』,研究者指出5次4分鐘100%最大功率輸出的腳踏車運動,搭配2分鐘休息,維持7-8週,增加快速收縮肌肉裡頭的SDH(Succinate dehydrogenase,琥珀酸去氫酶,屬於粒線體細胞內的蛋白酶)活性,然而,27分鐘80%最大功率輸出的腳踏車運動,增加慢速收縮肌肉的SDH,同樣維持7-8週,此外有研究指出30分鐘72%最大功率輸出則可以在6週達到增加慢速收縮肌肉SDH活性的效果。然而,在中到高等強度運動中,仍屬於較少研究討論高強度與肌肉屬性不同造成粒線體蛋白酶活性的關係,這倒是比較令人好奇的部分。因此,並無法完全斷定『多少時間』的高強度運動可以讓肌肉特殊性的粒線體達到增量效果。

『粒線體記憶』我們都熟知肌肉記憶,然而,曾經有研究指出粒線體也有同樣的基因記憶,如果曾經在七週前操作重量訓練菜單,在健康男性在每週三次阻力訓練中,維持七週並操作同樣課表,可以顯著增加下肢的淨質量。當然,粒線體記憶也會有出現反效果的,有研究指出單一次訓練單元的有氧運動與持續規律的有氧運動訓練會降低DNA去基化(備註5),去基化降低是因為粒線體生物基因正在改變的關係,而這樣的強化也會跟本身是否長期從事有氧運動有關。

JRS結語:

粒線體是耐力運動項目重點,可以得知的是『高強度訓練的確有機會造成粒線體改變』,但需要更多證據與研究佐證,畢竟『頻率』,『性別』,『肌肉特殊性』,『肌肉記憶』都是科學家們必須不斷驗證的,可以相信的是『6-8週持續運動』可以改變正常人的耐力生物基因特性,女性則可以推斷效果更加顯著,因本身肌肉多屬耐力慢速收縮肌肉為主,運動強度選擇則建議未長達三年以上規律訓練年齡者可以用最大功率在80-100%尤佳,或者長達三年以上規律訓練年齡者建議以乳酸閾值75-92%可以確實達成效果,這樣的考量才可以適才適性。讓我們體內的粒線體與高強度訓練繼續發光發亮。

結語讀起來還是很複雜,要怎麼使用?

一天兩餐練法有機會增加粒線體合成蛋白酶改變,持續規律運動有機會增加粒線體合成蛋白酶改變,不同運動項目對肌肉碳水化合物的使用比例有所不同,透過轉換運動,本來習慣跑步四天,用一天長時間耐力腳踏車運動,有機會讓肌肉使用狀態不同,刺激碳水化合使用,粒線體合成蛋白酶活化。

乳酸閾值對於粒線體合成蛋白酶活化是有用的,不管初學者或經驗豐富者,但如何使用呢?其實有強度的節奏跑30分鐘(90%最大攝氧量Vo2max, 85-88%乳酸閾值LT),就是逼迫身體適應乳酸了,促進粒線體蛋白酶活化。

高強度運動有用,但記得研究樣本仍少,所以保守一點的練法,就是穿插著練,一個禮拜十二個運動單元,一次高強度,兩次節奏跑,使用在非賽季,到了賽季,可以試試看兩次高強度,一次節奏跑,甚至根據項目不同,例如馬拉松跑者,可以三次節奏跑。以上只是建議,僅供參考。

第一次參考這麼維基百科,真的是頗難寫,畢竟不是生理學專家又希望看看這種文章,吃力但甘之如飴。

共勉之!
參考資料:

備註3 https://zh.wikipedia.org/wiki/线粒体嵴 皺褶可以分成「片狀皺褶」(lamellar cristae)、「管狀皺褶」(tubular cristae)和「泡狀皺褶」(vesicular cristae),這些皺褶讓粒線體的功能有些不同,目前科學家尚無法完全認清這些功能的差異。
備註4PGC-1α 重要的粒線體轉換基因,科學家以為這基因可能是我們與猿類最大不同的基因加速器。參考維基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/PPARGC1A

文獻來源:
High-Intensity Exercise and Mitochondrial Biogenesis: Current Controversies and Future Research Directions. 作者:David J. Bishop, Javier Botella, Amanda J. Genders, Matthew J-C. Lee, Nicholas J. Saner, Jujiao Kuang, Xu Yan, and Cesare Granata

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室

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