Humanidades

O modelo matemático prevê a melhor maneira de construir músculos
Os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático que pode prever o regime de exercícios ideal para construir músculos.
Por Sarah Collins - 25/08/2021


Mulher levantando peso - Crédito: John Arano em Unsplash

"Surpreendentemente, não se sabe muito sobre por que ou como o exercício fortalece os músculos: há muito conhecimento anedótico e sabedoria adquirida, mas muito pouco em termos de dados concretos ou comprovados"

Eugene Terentjev

Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, usaram métodos da biofísica teórica para construir o modelo, que pode dizer quanto uma quantidade específica de esforço fará com que um músculo cresça e quanto tempo levará. O modelo pode formar a base de um produto de software, onde os usuários podem otimizar seus regimes de exercícios inserindo alguns detalhes de sua fisiologia individual.

O modelo é baseado em um trabalho anterior da mesma equipe, que descobriu que um componente do músculo chamado titina é responsável por gerar os sinais químicos que afetam o crescimento muscular.

Os resultados , relatados no Biophysical Journal , sugerem que existe um peso ideal para fazer o treinamento de resistência para cada pessoa e cada alvo de crescimento muscular. Os músculos só podem ficar próximos de sua carga máxima por um período muito curto, e é a carga integrada ao longo do tempo que ativa a via de sinalização celular que leva à síntese de novas proteínas musculares. Mas abaixo de um certo valor, a carga é insuficiente para causar muita sinalização, e o tempo de exercício teria que aumentar exponencialmente para compensar. O valor dessa carga crítica provavelmente depende da fisiologia particular do indivíduo.

Todos nós sabemos que o exercício constrói músculos. Ou não? “Surpreendentemente, não se sabe muito sobre por que ou como o exercício constrói músculos: há muito conhecimento anedótico e sabedoria adquirida, mas muito pouco em termos de dados concretos ou comprovados”, disse o professor Eugene Terentjev, do Laboratório Cavendish de Cambridge , um dos os autores do artigo.

Durante o exercício, quanto maior a carga, mais repetições ou maior a frequência, maior será o aumento no tamanho do músculo. No entanto, mesmo olhando para todo o músculo, não se sabe por que ou quanto isso acontece. As respostas a ambas as perguntas ficam ainda mais complicadas à medida que o foco desce para um único músculo ou suas fibras individuais.

Os músculos são compostos de filamentos individuais, que têm apenas 2 micrômetros de comprimento e menos de um micrômetro de diâmetro, menores que o tamanho da célula muscular. “Por isso, parte da explicação para o crescimento muscular deve estar na escala molecular”, disse o co-autor Neil Ibata. “As interações entre as principais moléculas estruturais do músculo só foram reunidas há cerca de 50 anos. Como as proteínas menores e acessórias se encaixam na imagem ainda não está totalmente claro. ”

Isso ocorre porque os dados são muito difíceis de obter: as pessoas diferem muito em sua fisiologia e comportamento, tornando quase impossível conduzir um experimento controlado sobre as mudanças no tamanho dos músculos em uma pessoa real. “Você pode extrair células musculares e examiná-las individualmente, mas isso ignora outros problemas como os níveis de oxigênio e glicose durante o exercício”, disse Terentjev. “É muito difícil olhar para tudo junto.”

Terentjev e seus colegas começaram a examinar os mecanismos de mecanossensibilização - a capacidade das células de detectar sinais mecânicos em seu ambiente - há vários anos. A pesquisa foi notada pelo English Institute of Sport , que se interessou em saber se ela poderia estar relacionada às suas observações na reabilitação muscular. Juntos, eles descobriram que a hiper / atrofia muscular estava diretamente ligada ao trabalho de Cambridge.

Em 2018, os pesquisadores de Cambridge iniciaram um projeto sobre como as proteínas nos filamentos musculares mudam com a força. Eles descobriram que os principais constituintes musculares, actina e miosina, não têm locais de ligação para moléculas de sinalização, então deve ser o terceiro componente muscular mais abundante - a titina - responsável por sinalizar as mudanças na força aplicada.

Sempre que parte de uma molécula fica sob tensão por um tempo suficientemente longo, ela muda para um estado diferente, expondo uma região anteriormente oculta. Se essa região puder se ligar a uma pequena molécula envolvida na sinalização celular, ela ativa essa molécula, gerando uma cadeia de sinalização química. A titina é uma proteína gigante, grande parte da qual se estende quando um músculo é alongado, mas uma pequena parte da molécula também fica sob tensão durante a contração muscular. Essa parte da titina contém o chamado domínio da titina quinase, que gera o sinal químico que afeta o crescimento muscular.

A molécula terá maior probabilidade de se abrir se estiver sob mais força, ou quando mantida sob a mesma força por mais tempo. Ambas as condições aumentarão o número de moléculas de sinalização ativadas. Essas moléculas então induzem a síntese de mais RNA mensageiro, levando à produção de novas proteínas musculares, e o corte transversal da célula muscular aumenta.

Essa constatação deu origem ao trabalho atual, iniciado pelo Ibata, ele próprio um grande atleta. “Fiquei animado para entender melhor o porquê e o como do crescimento muscular”, disse ele. “Muito tempo e recursos poderiam ser economizados evitando regimes de exercícios de baixa produtividade e maximizando o potencial dos atletas com sessões regulares de alto valor, dado um volume específico que o atleta é capaz de atingir”.

Terentjev e Ibata se propuseram a restringir um modelo matemático que pudesse fornecer previsões quantitativas sobre o crescimento muscular. Eles começaram com um modelo simples que monitorava as moléculas de titina se abrindo sob força e iniciando a cascata de sinalização. Eles usaram dados de microscopia para determinar a probabilidade dependente da força de que uma unidade de titina quinase se abrisse ou fechasse sob força e ativasse uma molécula de sinalização.

Eles então tornaram o modelo mais complexo incluindo informações adicionais, como troca de energia metabólica, bem como duração da repetição e recuperação. O modelo foi validado usando estudos anteriores de longo prazo sobre hipertrofia muscular.

“Embora existam dados experimentais mostrando crescimento muscular semelhante com cargas de até 30% da carga máxima, nosso modelo sugere que cargas de 70% são um método mais eficiente de estimular o crescimento”, disse Terentjev, que é membro do Queens 'College . “Abaixo disso, a taxa de abertura da titina quinase cai vertiginosamente e impede que a sinalização sensível à mecânica ocorra. Acima disso, o esgotamento rápido impede um bom resultado, que nosso modelo previu quantitativamente. ”

“Um dos desafios na preparação de atletas de elite é o requisito comum para maximizar as adaptações enquanto equilibra as compensações associadas, como custos de energia,” disse Fionn MacPartlin, Treinador Sênior de Força e Condicionamento do Instituto Inglês de Esporte. “Este trabalho nos dá mais informações sobre os mecanismos potenciais de como os músculos sentem e respondem à carga, o que pode nos ajudar a projetar intervenções mais especificamente para atender a esses objetivos.”

O modelo também aborda o problema da atrofia muscular, que ocorre durante longos períodos de repouso na cama ou para astronautas em microgravidade, mostrando quanto tempo um músculo pode se permitir permanecer inativo antes de começar a se deteriorar e qual poderia ser o regime de recuperação ideal.

Eventualmente, os pesquisadores esperam produzir um aplicativo baseado em software amigável que possa fornecer regimes de exercícios individualizados para objetivos específicos. Os pesquisadores também esperam melhorar seu modelo estendendo sua análise com dados detalhados para homens e mulheres, já que muitos estudos de exercícios são fortemente voltados para atletas do sexo masculino.

 

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