GLUT4 steht für Glukosetransporter 4. Es handelt sich hierbei um den Haupttransporter von Glucose in die Muskelzelle. Diese Isoform kommt vor allem im Bereich der Skelettmuskulatur, der Herzmuskulatur und im Fettgewebe vor. Der Glucosetransport in die Zellmembran verläuft nach den Gesetzen der Diffusion und ist energieunabhängig.
GLUT4 erhöht die Permeabilität der Plasmamembran für Glucose. Bei körperlicher Arbeit steigt der Sauerstoffbedarf im Skelettmuskel an, dadurch steigt auch die Rate des Transports von Muskelglucose. Dieser Prozess wird durch die schnelle Rekrutierung von intrazellulärem GLUT4 zur Plasmamembran vermittelt. Durch regelmäßiges Training kann die Expression von GLUT4 Proteinen im Muskel erhöht werden. Die Folgen sind:
- Erhöhung der Speicherung von Muskelglykogen
- Verbesserung der Glucosetoleranz
Das Ausmaß der GLUT4 Protein-Expression korreliert mit dem maximalen Insulin-stimulierten Glukosetransport in den Skelettmuskeln (7,8,12).
GLUT4 unter Ruhebedingungen
Während körperlicher Ruhe befinden sich die GLUT4 Proteine in intrazellulären Speichern. Bei körperlicher Arbeit wandert GLUT4 zum Sarkolemm und zu den T-Tubuli.
GLUT4 Verteilung nach Muskelfasertypen
Die Expression von GLUT4 ist zwischen den verschiedenen Muskelfasertypen unterschiedlich. Generell findet man in Typ I Muskelfasern eine um 20-30% höhere GLUT4 Expression (1,2,5). Diese unterschiedlichen Verteilungen können jedoch nicht in allen Muskeln nachgewiesen werden. Zum Beispiel konnte im M. soleus und M. triceps brachii kein signifikanter Unterschied festgestellt werden (3).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass GLUT4 in einigen, wenn auch nicht in allen Muskeln, eine fasertypspezifische Verteilung aufweist. Findet sich ein Unterschied, so ist der GLUT4 Gehalt in langsamzuckenden Typ I Fasern höher.
GLUT4 und Ausdauertraining
Die Erhöhung von GLUT4 Levels in der Skelettmuskulatur kann als eine fundamentale Anpassung des Körpers an Training verstanden werden (1,4,9). Häufig wird eine akute Erhöhung der GLUT4 Levels an Training festgestellt (6,10). Gleichzeitig lässt sich ein Rückgang von GLUT4 Levels nach Beendigung des Trainings bzw. durch Inaktivität feststellen (14).
Nach einem 2-wöchigen niederintensiven Ausdauertraining mit hohem Volumen konnte ein signifikanter Anstieg des GLUT4 Gehalts in Typ I-Muskelfasern nachgewiesen werden (1). In Typ IIA und Typ IIX Muskelfasern zeigte sich keine Änderung. Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass der GLUT4 Gehalt nur in den Muskelfasern steigt, die für die jeweilige Anforderung rekrutiert werden. Da es sich um ein niederintensives Ausdauertraining handelt und hierbei allen voran Typ I Muskelfasern rekrutiert werden, zeigen sich auch nur in diesen Muskelfasern Anpassungen.
McCoy et al. (1994) verglichen die GLUT4 Levels von trainierten und untrainierten Männern. Zudem wurde nach 10 Tagen körperlicher Inaktivität die GLUT4 Levels der trainierten Männer noch einmal erfasst. Die Ergebnisse: Es wurden signifikant höhere GLUT4 Levels bei den Trainierten gefunden (siehe Abbildung 1). Bereits nach 10 Tagen ohne Training nahm der GLUT4 Gehalt ab, wenn auch nicht statistisch signifikant.
Abbildung 1: Unterschiedliche GLUT4 Levels bei trainierten und untrainierten Männern ach McCoy et al. (1994).
GLUT4 und exzentrisches Training
Durch exzentrisches Training welches mit Muskelverletzungen einhergeht, lässt sich ein vorübergehender Rückgang der GLUT4 Levels beobachten (11).
Zusammenfassung GLUT4 und Training
In einigen Studien konnte ein akuter Anstieg von GLUT4 mRNA direkt nach dem Training festgestellt werden. Diese Erhöhung ist für einige Stunden gegeben, der Gehalt fällt aber nach ca. 24 Stunden wieder auf Ausgangsniveaus ab (9). Diese Erscheinung ist jedoch interindividuell sehr unterschiedlich, bei einigen Personen zeigen sich keine akuten Anpassungen. Langfristig konnte durch Training in allen Studien eine erhöhte GLUT4 Expression festgestellt werden, aber auch hier gibt es im Ausmaß der Erhöhung interindividuelle Unterschiede.
Quellen
1 Daugaard, J. R., Nielsen, J. N., Kristiansen, S., Andersen, J. L., Hargreaves, M., & Richter, E. A. (2000). Fiber type-specific expression of GLUT4 in human skeletal muscle: influence of exercise training. Diabetes, 49(7), 1092-1095.
2 Daugaard, J. R., & Richter, E. A. (2001). Relationship between muscle fibre composition, glucose transporter protein 4 and exercise training: possible consequences in non‐insulin‐dependent diabetes mellitus. Acta physiologica Scandinavica, 171(3), 267-276.
3 Daugaard, J. R., & Richter, E. A. (2004). Muscle-and fibre type-specific expression of glucose transporter 4, glycogen synthase and glycogen phosphorylase proteins in human skeletal muscle. Pflügers Archiv, 447(4), 452-456.
4 Frøsig, C., Rose, A. J., Treebak, J. T., Kiens, B., Richter, E. A., & Wojtaszewski, J. F. (2007). Effects of endurance exercise training on insulin signaling in human skeletal muscle. Diabetes, 56(8), 2093-2102.
5 Gaster, M., Poulsen, P., Handberg, A., Schrøder, H. D., & Beck-Nielsen, H. (2000). Direct evidence of fiber type-dependent GLUT-4 expression in human skeletal muscle. American Journal of Physiology-Endocrinology And Metabolism, 278(5), E910-E916.
6 Green, H. J., Bombardier, E., Duhamel, T. A., Stewart, R. D., Tupling, A. R., & Ouyang, J. (2008). Metabolic, enzymatic, and transporter responses in human muscle during three consecutive days of exercise and recovery. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 295(4), R1238-R1250.
7 Ivy, J. L., Zderic, T. W., & Fogt, D. L. (1999). 1 Prevention and Treatment of Non-Insulin-Dependent Diabetes Mellitus. Exercise and sport sciences reviews, 27(1), 1-36.
8 Kern, M., Wells, J. A., Stephens, J. M., Elton, C. W., Friedman, J. E., Tapscott, E. B., … & Dohm, G. L. (1990). Insulin responsiveness in skeletal muscle is determined by glucose transporter (Glut4) protein level. Biochemical Journal, 270(2), 397-400.
9 Kraniou, G. N., Cameron‐Smith, D., & Hargreaves, M. (2004). Effect of short‐term training on GLUT‐4 mRNA and protein expression in human skeletal muscle. Experimental physiology, 89(5), 559-563.
10 Kraniou, G. N., Cameron-Smith, D., & Hargreaves, M. (2006). Acute exercise and GLUT4 expression in human skeletal muscle: influence of exercise intensity. Journal of applied physiology, 101(3), 934-937.
11 Kristiansen, S., Jones, J., Handberg, A., Dohm, G. L., & Richter, E. A. (1997). Eccentric contractions decrease glucose transporter transcription rate, mRNA, and protein in skeletal muscle. American Journal of Physiology-Cell Physiology, 272(5), C1734-C1738.
12 MacLean, P. S., Zheng, D., & Dohm, L. G. (2000). Muscle glucose transporter (GLUT 4) gene expression during exercise. Exercise and sport sciences reviews, 28(4), 148-152.
13 McCoy, M. I. C. H. A. E. L., Proietto, J. O. S. E. P. H., & Hargreves, M. (1994). Effect of detraining on GLUT-4 protein in human skeletal muscle. Journal of Applied Physiology, 77(3), 1532-1536.
14 Vukovich, M. D., Arciero, P. J., Kohrt, W. M., Racette, S. B., Hansen, P. A., & Holloszy, J. O. (1996). Changes in insulin action and GLUT-4 with 6 days of inactivity in endurance runners. Journal of Applied Physiology, 80(1), 240-244.
15 Richter, E. A., & Hargreaves, M. (2013). Exercise, GLUT4, and skeletal muscle glucose uptake. Physiological reviews, 93(3), 993-1017.