Miksi ja miten lihakset tottelevat rautaa? Perusteet lihaskasvun mekanismeihin – Hulmi ja Silvennoinen

Lihaksista on kirjoitettu blogissa useasti, mutta oikeastaan Lihastohtorin kaikkein rakkaimmasta aiheesta eli lihaskasvun mekanismeista ei vielä kertaakaan yksittäisessä jutussa. Tässä kirjoituksessa tutkaparina minulla on väitöskirjaansa viimeistelevä treenikaverini ja kollegani Mika Silvennoinen. Kerromme mm. lihaksien muovautuvuudesta, millä mekanismeilla lihakset kasvavat, mikä estää lihastemme kasvua ja miksi ja millainen harjoittelu täyttää nämä vaatimukset. Tämä erittäin kattava kirjoitus sisältää paljon sekä teoriaa että myös käytäntöä kansanomaisesti selitettynä. Lue ja opi sekä käytä hyväksi treenissäsi!

Kuva 1. Lihaskasvun solutason mekanismeista asiaa Juha Hulmin dosentuurin näyteluennolta 2013 Helsingin yliopistosta biolääketieteen laitokselta. Ihan näin syvälle emme mene tässä kirjoituksessa!

 

Kaikki meistä ovat joskus kokeneet miltä tuntuisi elää ilman kunnolla toimivia lihaksia. Esimerkiksi elämämme ensimmäisen vuoden aikana tuli lasti niin monta kertaa housuun, että kyseisen ympyrän muotoisen lihaksen merkitys tuli kaikille varmasti tutuksi. Ilman lihaksia olisi todella vaikea elää, kuten blogissa on aiemmin kerrottu. Konkreettisimmin asian tuntevat lihassairauksista kärsivät ihmiset, joille ongelmat kehon ja tavaroiden liikuttamisessa ovat jokapäiväinen haaste. Tämän lisäksi ongelmia voivat tuottaa niinkin tavalliset toiminnot kuin pään kannattelu, kasvojen ilmeiden tuottaminen, syöminen, puhuminen ja hengittäminen. Edellä mainittujen perustoimintojen lisäksi lihakset ovat merkittävässä roolissa myös energia- ja sokeritasapainon ylläpidossa.

Lihakset ovat erittäin muovautuvia

Lihastemme rakenne ja ominaisuudet määräytyivät pitkälti jo sillä hetkellä, kun isäpapan paras siimahäntä löi kromosominsa äidin munasolun kanssa yhteen. Perimällä on siis suuri merkitys. Jos jostakin syystä et ole tyytyväinen synnyinlahjanasi saamien lihaksiesi kokoon tai voimaan, ei se mitään, sillä onneksemme lihassolumme ovat käsittämättömän kyvykkäitä adaptoitumaan eli mukautumaan kulloisiinkin olosuhteisiin. Jos osaamme puhua lihasten kieltä, voimme siis muokata niitä haluamaamme suuntaan. Jos olet aina unelmoinut mahdollisimman pienistä reisi- tai pakaralihaksista, muokkaus on varsin helppoa. Makaat vain sängyssä etkä käytä kyseisiä lihaksia lainkaan ja syöt huonosti. Alaraajojen useat lihaksesi pienenevät ensimmäisen parin viikon aikana noin 20% (Helliwell et al.1998). Jos taas haluat kasvattaa lihaksiasi, niin joudut kovalla työllä vakuuttamaan lihaksesi kasvamisen tarpeellisuudesta. Valitettavasti lihakset eivät kasva läheskään yhtä nopeasti kuin ne pahimmillaan surkastuvat eli n. 2 % kuukaudessa on hyvä lihaskasvuvahti aloittelijoille (ks. aiemmat blogijutut 1, 2). Lihakset eivät missään nimessä halua kasvaa turhaan, koska lihassolut kuluttavat solun elämän ylläpitoon vaadittaviin biokemiallisiin reaktioihin runsaasti energiaa (perusaineenvaihdunta), vaikka niitä ei käytettäisikään. Ja toisaalta liikkuessa isompi massa kuluttaa myös enemmän energiaa. Tämän takia turhan suurten lihasten ylläpito ei ole energiataloudellisesti järkevää. Lihasten kasvattajien harmiksi kehossa onkin monia mekanismeja estämään lihasten suurta ja nopeaa kasvua. Tällaisia ovat esim. myostatiini: McPherron ym. 1997) ja monet muut molekylääriset jarrut (Hamilton ym. 2014). Ole siis kärsivällinen. Jos haluat vaikkapa pakaralihaksiisi pari senttiä (eli yleensä ainakin 50 %) lisää paksuutta, niin se vaatii vuosien harjoittelua.

 

Kuva 2. Myostatiinimutaation aiheuttamaa lihaksien tuplakokoisuutta on raportoitu monilta eläimiltä, myös yksi selkeä tapausseloste ihmisiltä (Schuelke ym. 2004).

Lihaskasvussa voimailun merkitys on tiedetty jo kauan

Jo antiikin kreikassa osattiin kasvattaa lihaksia ja voimia progressiivisesti harjoittelemalla. Legendan mukaan painija Milo Croton harjoitteli kantamalla vasta syntynyttä vasikkaa kunnes siitä tuli täysikasvuinen lehmä. Tämä on ensimmäinen kuvaus progressiivisesta eli nousujohteisesta harjoittelusta. On siis jo pitkään tiedetty, että lihaksia voidaan harjoittelulla muokata haluttuun suuntaan, mutta harva kuitenkaan tietää mihin lihassolujen elämä perustuu ja miten ne osaavat adaptoitua eli mukautua ympäristön vaatimusten mukaisiksi.

Lihaksien ydin: DNA ja proteiinit

Lihasten viisaus kätkeytyy sen sisällä olevaan DNA:han joka sisältää ohjeet (geenit) kymmenien tuhansien eri proteiinien valmistamiseen. Niitä tarvitaan mm. solun rakenteiden muodostamiseen, biokemiallisten reaktioiden vauhdittamiseen (entsyymit), reaktioiden säätelyyn, aineiden siirtelyyn ja geenien aktiivisuuden säätelyyn. Proteiinit ovat merkittävässä osassa lähes kaikessa mitä soluissa tapahtuu ja tätä kautta perimä vaikuttaa lihassolujemme kaikkiin ominaisuuksiin. Lihaksen suorituskyvyn kannalta olennaisimpia ominaisuuksia ovat lihaksen tuottama maksimivoima, voimantuottonopeus sekä kestävyys. Maksimivoima perustuu lihaksen poikkipinta-alaan (solujen kokoon), lihaksen laadullisiin ominaisuuksiin (mm. supistuvien ja jänteisten proteiinien koostumus ja muut sisäiset rakenteet) sekä lihassolujen tehokkaaseen hermojen välityksellä tapahtuvaan käskytykseen (ks. aiempi blogijuttu). Voimantuottonopeus riippuu maksimivoiman lisäksi erityisesti lihaksen voimaa tuottavan supistumiskoneiston proteiinien (myosiini ja aktiini) nopeusominaisuuksista. Kestävyys taas on riippuvainen enemmän lihaksen energiantuottokoneiston proteiinipitoisten rakenteiden tehokkuudesta.

Lihaksilla on aistit

Lihasten adaptaatiokyvylle on olennaista lihassolujen kyky havainnoida omaa tilaansa erilaisten solunsisäisten signaalireittien avulla. Nämä aktivoituvat lihasaktiivisuuden yhteydessä ilmenevien fysiologisten tapahtumien vaikutuksesta. Havainnoitavia tapahtumia ovat mm. lihassupistuksiin liittyvä lihasten aktivointi ja sitä seuraava kalsium-ionien pitoisuuden kasvu ja mekaaninen kuormitus. Lisäksi olennaisia muutoksia ovat aineenvaihdunnalliseen eli metaboliseen kuormitukseen liittyvät muutokset, mm. energiankulutukseen ja -tuottoon liittyvä paikallinen hapenpuute ja verenkierron muutokset, energiatilanne (mm. ATP:AMP-suhde, kreatiinifosfaatin ja glykogeenin lasku), hapetus-pelkistys-tasapaino (NAD⁺:NADH) sekä vapaiden radikaalien ja monien muiden lihaksen aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuden muutokset. Kyseisten fysiologisten vasteiden suuruus riippuu pitkälti kuormitettujen lihasten ominaisuuksista, kuormitustavasta, kuormituksen intensiteetistä ja kestosta. Edellä mainittuja fysiologisia vasteita mittaamalla lihassolut kykenevät luomaan kokonaiskuvan siitä millä osa-alueilla lihassolu on kyennyt vastaamaan kuormituksen aiheuttamaan haasteeseen ja millä osa-alueilla tarvittaisiin vielä erityisesti adaptaatiota, jotta haasteeseen pystyttäisiin vastaamaan jatkossa paremmin. Kyseisistä mekanismeista seuraa harjoittelun spesifisyysperiaate: harjoitukset kehittävät käytännössä vain niitä ominaisuuksia, joita tarvitaan harjoittelussa käytetyssä kuormituksessa.

Kuva 3. Muutamia tekijöitä, joiden tiedetään vaikuttavan lihasmassan ja kestävyyden kehittymiseen (Hawley ym. 2014).

 

Mihin lihaskasvu perustuu?

Olennaisinta on, että lihassolujen proteiineja rakennetaan säännöllisesti nopeammin kuin niitä hajotetaan (ks. kuva 4). Siten lihassolujen sisällä ja ympärillä proteiinien määrä kasvaa, mikä vaatii lisää tilaa. Lihassolujen kasvaessa veden määrä lisääntyy samassa suhteessa proteiinien määrän kanssa ja samalla lihassolua ympäröivää solukalvoa laajennetaan lisäämällä sinne sen rakennusaineita kuten rasvoja eli lipidejä sekä proteiineja. Näin lihas kasvaa lihassyiden paksuuden ja ns. poikkipinta-alan kasvun kautta paksuutta eli hypertrofioituu. Ihmisen lihassolujen lukumäärä ei näyttäisi kasvavan harjoittelulla kovin paljon (hyperplasia) (MacDougall ym. 1984), vaan se on voimakkaasti geneettisesti säädelty. Eläinkokeissa hyperplasiaa on havaittu usein, tosin lähinnä epäluonnollisissa venytys- ym. kokeissa (Antonio ja Gonya 1993). Voi olla, että ihmisilläkin hyperplasiaa tapahtuu hieman, mutta silloin se lienee seurausta erittäin suuresta lihassyiden hypertrofiasta (D’Antona ym. 2006). Kun lihassolut kasvavat, lihaksen tukikudoksen määrä näyttää kasvavan yleensä suurin piirtein samassa suhteessa lihaksen voimantuottokoneiston proteiinien kasvun kanssa (MacDougall ym. 1984). Nyt menee hifistelyksi, mutta koko lihaksen tasolla tapahtuvassa kasvussa voi olla vaikuttamassa myös ns. pennatoituneiden lihasten (sisältää lihassyitä, joiden suunta eri kuin koko lihaksen voimantuottosuunta) lihassyiden pituuden kasvu ja niiden kulma muutos suhteessa koko lihakseen. Esim. katso mihin kireällä bodarilla ulomman reisilihaksen säikeet (lihasfasikkelit) sojottavat).

 

Kuva 4. Lihasproteiinisynteesin ollessa hajotusta suurempi lihas kasvaa. Voimaharjoituksen aikana proteiinisynteesi on melko vähäistä, mutta se kiihtyy heti harjoituksen jälkeen ja on vilkasta n. 24–48 tuntia kovan harjoituksen jälkeen harjoitelluissa lihaksissa. Voidaankin sanoa, että lihas kasvaa levossa. Proteiinipitoisella ravinnolla harjoituksen yhteydessä on suuri vaikutus proteiinisynteesin aktiivisuuteen.

 

Lihasproteiinisynteesin säätelyn osuutta on tutkittu enemmän ja sitä pidetään lihaskasvun kannalta terveillä ihmisillä merkittävämpänä kuin lihasten proteiinin hajotuksen säätelyä. Proteiinien hajotusta ei missään nimessä pidä pelätä. Se on ehdottoman tärkeää kehoa uusittaessa ja itseasiassa on yksi tärkeä laukaisija treenin jälkeiselle lihasproteiinien synteesille (MacKenzie 2009). Lisäksi esimerkiksi ”katabolisen” hormonin kortisolin treenivastetta usein pelätään. Mutta todellisuudessa sen lyhytaikainen nousu, jota usein tutkimuksissa raportoidaan, on vain merkki onnistuneesta sopivasti hajottavasta treenistä ja kertoo siitä, että lihakset saavat kasvustimuluksen (West ja Phillips 2012). Jos pelkäät proteiinien hajotusta ja kataboliaa, niin jää sohvalle. Mutta takaamme, että et myöskään kehity, päinvastoin (Brower 2009). Toki krooniseksi ärtynyt proteiinien hajotuksen kohoaminen on huono juttu esim. monissa sairauksissa, mutta se ei käytännössä koskaan ole terveiden aktiivisten ihmisten ongelma.

mTOR. Proteiinisynteesin tärkein säätelijä lihaskasvun yhteydessä on tämän hetken tietämyksen mukaan mTOR (mechanistic target of rapamycin)-signalointireitti, joka aktivoituessaan johtaa proteiinisynteesin aloitukseen (translaation initiaatio) tarvittavan kompleksin syntymiseen, mikä käynnistää lihaskasvuun tarvittavan proteiinisynteesin (Laplante ja Sabatini 2012, Philp ym. 2011) (ks. kuva 3). Nykyisen tietämyksen valossa näyttää sille, että tämä translaation säätely on tärkeämpää treenin aiheuttamassa lihaskasvussa kuin geenien aktiivisuuden säätely (Wong ja Booth 1990, Welle ym. 1999). Tiedetään, että proteiinisynteesin aloitusta stimuloiva reitti aktivoituu voimakkaita lihassupistuksia sisältävien liikesarjojen seurauksena ja tämä tapahtuu mTOR-signaloinnista riippuvilla mekanismeilla (Kubica ym. 2005, Drummond ym. 2009). Tämän jälkeen proteiinisynteesi etenee siten, että geenien ohjaamana rakennetaan aminohappoja ketjuttamalla uusia proteiineja, joita lihas tarvitsee adaptoituakseen harjoituksen aiheuttamaan haasteeseen.

Mekaanisen kuormituksen aistiminen. Voimaharjoitus saa aikaan hetkittäisiä muutoksia lihassolukalvossa ja sen ympärillä olevissa proteiineissa ja muissa molekyyleissä, mikä johtaa monien erilaisten reaktioreittien käynnistymiseen, joita ei tässä kaikkia käsitellä tarkemmin (Kuvissa 1 ja 3 on esitetty muutamat tärkeimmät tunnetut reitit). Käytännössä lihaksissa on useita voimanvälitysproteiineja ja muita molekyylejä, jotka välittävät viestin mm. mTOR-signalointireitille. Lihassupistukset vaikuttavat näiden reittien avainentsyymien aktiivisuuteen muuttamalla niiden kolmiulotteista rakennetta, mikä johtaa koko reitin aktivoitumiseen sekä proteiinisynteesin lisääntymiseen mTOR-reitistä riippuvalla ja riippumattomalla tavalla. Säätely on erittäin monimutkaista, kuten alla olevasta kuvasta voidaan nähdä. Myös ravinto, lähinnä tietyt aminohapot kuten leusiini ja monet anaboliset aineet lisäävät lihasten proteiinisynteesiä mTOR-signaalireitin välityksellä (Atherton ym. 2010). Erona voimaharjoitteluun on vain se, että reitin käynnistymisen laukaisumekanismit ovat erilaiset (Efeyan ym. 2012). Ravinnon roolia on käsitelty tarkemmin jo aiemmissa jutuissa.

 

Kuva 5. mTOR-signalointi on laaja. (Caron ym. 2010). Lihaskasvu ei ole yhden molekyylin biologiaa!

 

Aineenvaihdunnallinen kuormitus. Yllä kuvattu mekaanisen stressin aiheuttama lihaskasvua edistävä mekanismi on merkittävä lihaskasvun kannalta, mutta lihaskasvu vaatii myös lukuisten muiden signaalireittien saumatonta yhteistyötä. Lihaksen kasvuun ei riitä siis pelkkä mekaaninen kuormitus, vaan lihaskasvukäskyn tulee sisältää myös muita fysiologisia tapahtumia ennen kuin sana menee kunnolla perille. Optimaalinen lihaskasvu vaatii mekaanisen kuormituksen lisäksi positiiviset signaalit aineenvaihdunnallisesta kuormituksesta (esim. hapenpuute ja vetyionien ja vapaiden radikaalien sekä muiden aineenvaihduntatuotteiden kertyminen ja lihasten energiavarastojen vähentyminen sekä lievä turvotus), lihasaktivaatiosta (kalsium-pitoisuuden nousu) sekä aminohappo- ja energia-tilanteesta. Näiden lisäksi lihaskasvu hyötyy joskus, mutta ei vaadi lihasvaurion korjaukseen liittyvistä tulehdusprosesseista sekä riittävistä hormoni- ja kasvutekijä-pitoisuuksista.

Lihassolujen kasvu vaatii pitkällä aikavälillä lopulta myös proteiinisynteesikoneiston kasvatusta ja tehostamista eli mm. tumien, ribosomien sekä proteiinisynteesiin vaadittavien entsyymien määrän lisääntymistä. Kyseiset muutokset liittyvät niin sanottuun lihasmuisti-ilmiöön, joka ansaitsee myöhemmin oman artikkelinsa.

 

Millaisella treenillä lihakset kasvavat tehokkaimmin?

Maksimaalisen lihaskasvun nyrkkisäännöistä on blogissa erittäin suosituksi muodostunut artikkeli, joka käsitteli jo tätä aihetta melko perusteellisesti. Korostamme, että vaikka on olemassa tiettyjä nyrkkisääntöjä, niin vastaus otsikon kysymykseen riippuu mm. harjoitettavan yksilön perimästä, harjoitustaustasta sekä harjoitettavasta lihaksesta. Tässä kuitenkin kerromme joitakin yleispäteviä sääntöjä. Koska mekaanisen kuormituksen pitää olla riittävä, liikkeet tulee tehdä yleensä kuormalla, joka on vähintään 65 % siitä kuormasta, jonka kanssa pystytään tekemään yksi toisto. Poikkeuksiakin kuitenkin on ja ainakin ajoittain harjoittelussa on todennäköisesti hyvä olla myös alemman kuorman sarjoja, mutta ne pitää tehdä uupumukseen asti, jotta kaikki lihassolut saadaan peliin (Mitchell ym. 2012).  Sopivimmaksi sarjapituudeksi eli peräkkäin suoritettavien toistojen määräksi suositellaan nyrkkisääntönä 6-12. Tämä siitä syystä, että tällöin saavutetaan lyhyempiä sarjoja suuremmat aineenvaihdunnalliset muutokset lihaksissa ja verenkierrossa, lihasturvotus, mikrovaurioiden määrä ja väsymys. Kaikki kyseiset vasteet lisäävät omalta osaltaan lihaskasvua edistävien signaalireittien aktiivisuutta ja tätä kautta lihaskasvua. Vastaavasti pidemmillä sarjapituuksilla em. tekijät kyllä aktivoituvat, mutta lihasten mekaaninen kuormitus jää usein optimaalista vähäisemmäksi. Älä siis takerru johonkin yksittäiseen jompaa kumpaa (mekaaninen tai aineenvaihdunnallinen kuormitus) korostavaan treenitapaan, vaan muista, että kokonaisuus ratkaisee! Optimaalinen sarjojen välinen palautusaika on 1-3 minuuttia, joka on yleensä hyvä kompromissi, jotta saavutetaan riittävä aineenvaihdunnallinen ja mekaaninen kuormitus lihaksille.

Edellä mainittujen harjoitusmuuttujien lisäksi harjoituksen volyymilla on suuri merkitys lihaskasvulle. Volyymilla tarkoitetaan tietylle lihasryhmälle tehtyjen kuormitusten kokonaismäärää (sarjat x toistot x kuormat). Melko suurilla volyymeilla harjoiteltaessa saadaan yleensä aikaan paras lihasproteiinien synteesi (Kumar ym. 2012). Ehkäpä volyymiakin tärkeämpi käsite on harjoituksen sisältämien lihassupistusten kokonaisaika (time under tension) (Burd ym. 2012). Onkin järkevää miettiä lihasta kasvateltaessa, että treenaatko lihasta vai liikettä (ks. aiemmat artikkelit: 1, 2)? Volyymiä samoin kuin kuormia (tai yleisesti ottaen lihasten kuormitusta) tulee myös nostaa progressiivisesti, jotta kehitys on optimaalista. Samalla tulee kuitenkin pitää huolta siitä, että harjoituksista palaudutaan kunnolla, jotta lihakset ja keho eivät ajaudu ylikuormitustilaan, mikä heikentäisi merkittävästi suorituskykyä ja harjoituksen tehoa. Ylikuormituksen ja siihen liittyvien riskien välttämisessä auttaa säännölliset kevennetyt harjoitusviikot tai totaaliset lepoviikot, joiden aikana lihakset ja elimistö annetaan rauhassa viedä adaptaatioprosessit loppuun. Lukaise aiempi kirjoitus fyysisen harjoittelun perusperiaatteista, jos et ole sitä vielä tehnyt.

Jotta harjoitettavan lihasryhmän kaikki lihassolut tulee harjoiteltua, yhdelle lihasryhmälle kannattaa yleensä tehdä samalla harjoituskerralla (tai ainakin viikon sisällä) ainakin 2-3 eri liikkeitä, jotka kuormittavat hieman erilailla. Harjoitusohjelman sisältämiä liikkeitä on myös tärkeä vaihdella aika ajoin (esim. apuliikkeitä 6 viikon välein), jotta lihakset saavat uusia ärsykkeitä ja adaptaatiohaasteita.

Yhteenveto

Lihakset ovat erittäin muovautuvaisia ja reagoivat ympäristöön muuttamalla kokoaan ja rakennettaan. Lihaksien koon pienentyminen on erittäin nopeaa, kasvu sen sijaan hitaampaa. Lihaksen kasvussa olennaista on lihasproteiinisynteesin lisääntyminen ja sitä seuraava lihassyiden paksuuden kasvu. Lihaksilla on monia mekanismeja estää niiden kasvua, koska monissa tilanteissa liian suuret lihakset eivät ole mm. energiataloudellisesti järkevä ratkaisu. Jotta haluat kasvattaa lihaksesi suuriksi, niin sinun pitääkin huijata näitä molekyläärisiä jarruja treenaamalla vuosia ja syömällä ja lepäämällä hyvin. Lyhytjänteisellä ajattelulla ei rakenneta isoja ja toimivia lihaksia ilman selvästi suurentunutta vammariskiä. Jos ja kun haluat ainakin tiettyjä lihaksiasi kasvattaa, niin tähtää myös siihen, että lihaksesi saavat treenatessa hyvän ja riittäväkestoisen mekaanisen ja aineenvaihdunnallisen kuormituksen. Tämä vaatii tehokasta oikeiden lihaksien aktivointia. Treenaa siis pääosin lihasta ja vähemmän liikettä. Muista myös levätä ja syödä hyvin.

 

Juha Hulmi ja Mika Silvennoinen

 

Muutamat olennaiset lähteet satojen lukemiemme tutkimusten lisäksi, joita ei erikseen mainittu tekstissä:

Brendan Egan and Juleen R. Zierath. Exercise Metabolism and the Molecular Regulation of Skeletal Muscle Adaptation. Cell Metabolism 17, February 5, 2013

Brad J. Schoenfeld. The Mechanisms of Muscle Hypertrophy and Their Application to Resistance Training. Journal of Strenght and Conditioning Research. Vol. 24, No.10, October 2010.

Martin Flueck. Tuning of Mitochondrial Pathways by Muscle Work: From Triggers to Sensors and Expression Signatures. Appl. Physiol. Nutr. Metabolism. Vol. 34: 447-453. 2009.

Rennie MJ, Wackerhage H, Spangenburg EE, Booth FW. Control of the size of the human muscle mass. Annu Rev Physiol. 2004;66:799-828. Review.

 Hulmi J. Molecular and hormonal responses and adaptation to resistance and protein nutrition in young and older men. Väitöskirja 2009.

 

Juha Hulmi on tutkimuksissaan erikoistunut lihaskasvuun ja sen mekanismeihin. Mika Silvennoinen on Lihastohtorin kollega, joka viimeistelee väitöskirjaansa liikuntabiologian laitoksella lihasadaptaatioista.