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8.12: Zusammensetzen - Stoffwechselwege - Biologie

8.12: Zusammensetzen - Stoffwechselwege - Biologie



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Ob der Organismus ein Bakterium, eine Pflanze oder ein Tier ist, alle Lebewesen greifen auf Energie zu, indem sie Kohlenhydratmoleküle abbauen. Aber wenn Pflanzen Kohlenhydratmoleküle herstellen, warum sollten sie diese dann abbauen, insbesondere wenn nachgewiesen wurde, dass die Gasorganismen als „Abfallprodukt“ (CO2) als Substrat für die Bildung von mehr Nahrung bei der Photosynthese fungiert? Denken Sie daran, dass Lebewesen Energie brauchen, um Lebensfunktionen zu erfüllen. Schließlich setzen Organismen bei diesem Umwandlungsprozess, der Zellatmung genannt wird, die benötigte Energie frei und produzieren „Abfall“ in Form von CO .2 Gas.

In der Natur gibt es keine Verschwendung. Jedes einzelne Atom von Materie und Energie wird konserviert und unendlich oft recycelt. Substanzen ändern ihre Form oder wandern von einem Molekültyp zu einem anderen, aber ihre Atombestandteile verschwinden nie (Abbildung 1).

Während Sie versucht sein könnten, CO . anzurufen2 ein Abfallprodukt, sollten Sie bedenken, dass Sauerstoff ein „Abfallprodukt“ der Photosynthese ist: CO2 und Sauerstoff sind Nebenprodukte von Reaktionen, die zu anderen Reaktionen übergehen. Die Photosynthese absorbiert Lichtenergie, um Kohlenhydrate in Chloroplasten aufzubauen, und die aerobe Zellatmung setzt Energie frei, indem sie Sauerstoff verwendet, um Kohlenhydrate im Zytoplasma und in den Mitochondrien zu metabolisieren. Beide Prozesse verwenden Elektronentransportketten, um die Energie einzufangen, die für andere Reaktionen erforderlich ist. Diese beiden Kraftwerksprozesse, Photosynthese und Zellatmung, funktionieren in biologischer, zyklischer Harmonie, um den Organismen den Zugang zu lebenserhaltender Energie zu ermöglichen, die Millionen von Kilometern entfernt in einem brennenden Stern, den Menschen Sonne nennen, ihren Ursprung hat.

Biokraftstoffe

Offensichtlich ist es wichtig, um lebende Organismen mit Energie zu versorgen, um sich selbst anzutreiben. Aber ist das die einzige Kraft, die die Photosynthese liefert? Was ist mit Biokraftstoffen? Sehen Sie sich dieses 14-minütige Video an, um eine erstaunliche Diskussion über eine vorgeschlagene Biokraftstoffquelle zu sehen, die kein Ackerland nutzt, keine Nahrungspflanzen wegnimmt und Abwasser aus Städten nutzt.

Ein YouTube-Element wurde aus dieser Textversion ausgeschlossen. Sie können es hier online ansehen: pb.libretexts.org/biom1/?p=276


Der beste Wiederholungsbereich zum Muskelaufbau

Letzte Woche hat mir einer unserer Kunden folgende Frage gestellt:

Wenn du von Natur aus mit durchschnittlicher Genetik bist, dein Ziel der Muskelaufbau ist und du für den Rest deines Lebens nur einen Wiederholungsbereich machen könntest, was wäre das?

Ich bewerbe mich gerne auf 80/20 bei allem im Leben, und das Training ist nicht anders. Genauso wie Sie 80 % Ihrer Zeit mit den großen Compound-Lifts verbringen sollten, Ich glaube, dass Sie 80 % Ihrer Ergebnisse erzielen, wenn Sie im Bereich von 5 bis 8 Wiederholungen progressiv sind.

Für den Naturmenschen mit durchschnittlicher Genetik ist dies wirklich der Sweet Spot für das Muskelwachstum.

Wenn Sie sich die wissenschaftliche Forschung und jahrelange anekdotische Beweise ansehen, ist der Hauptfaktor, der das Muskelwachstum antreibt, eine progressive Überlastung (d. (d.h. die Pumpe)

Um die Kraftzuwächse zu ermöglichen, die für die Überlastung des Muskels erforderlich sind, benötigen wir eine maximale Rekrutierung von Muskelfasern. Dies tritt typischerweise auf, wenn wir die Kraftproduktion auf bis zu 80-85% der maximalen Kraftausgabe erhöhen. Nach dieser Stufe verlässt sich der Körper auf neurologische Bahnen, um mehr Kraftabgabe zu erzeugen.

Für die meisten Menschen sind diese 80-85% der maximalen Kraftausgabe ungefähr 5 bis 8 Wiederholungen.

Dies variiert zwischen einzelnen Personen und Muskelgruppen, abhängig von Ihrem schnell / langsam zuckenden Faser-Make-up. Zum Beispiel werden manche Menschen bei bestimmten Beinübungen 15 Wiederholungen mit 85 % des Maximums schaffen, während andere nur 5 Wiederholungen beim Bankdrücken mit 80 % schaffen.

In der Regel funktioniert es aber gut.

Abgesehen von der wissenschaftlichen Grundlage für 5-8 Wiederholungen würde ich argumentieren, dass es sicherer sein kann, Zeit im Bereich von 5-8 Wiederholungen zu verbringen, da Sie jederzeit maximale Spannung und Enge aufrechterhalten können.

Dies gilt insbesondere für Anfänger, und wenn Sie zusammengesetzte Übungen wie Kniebeugen und Kreuzheben ausführen.

Der Versuch, eine perfekte Technik beizubehalten, während man 12 Wiederholungen straff hält, ist viel schwieriger, als einen sauberen Satz mit 6 Wiederholungen auszuführen. Und so würde ich Bewegungen mit hohen Wiederholungszahlen und freien Gewichten nur für fortgeschrittene Personen aufheben.

Was ist mit niedrigen Wiederholungszahlen?

Wenn Sie in niedrigen Wiederholungsbereichen trainieren, d. h. 1-4 Wiederholungen, erhalten Sie möglicherweise die Rekrutierung, aber Sie werden nicht die Ermüdung, das Volumen oder die Gesamtarbeitsbelastung erreichen, die für das Wachstum erforderlich sind. Was zum Teil erklärt, warum Bodybuilder größer sind als Powerlifter.

Ein weiterer Grund, warum ich kein großer Fan davon bin, zu viel Zeit unter 5 Wiederholungen zu verbringen, ist, dass die Technik oft ins Stocken gerät, die Gelenke beeinträchtigt werden und ein Burnout wahrscheinlicher ist.

Ich trainierte nur regelmäßig mit niedrigeren Wiederholungsbereichen, um zusätzliche Kraft zu entwickeln, um in höheren Wiederholungsbereichen mehr heben zu können. Ich würde dies jedoch selten in den Mittelpunkt stellen, wenn Muskelwachstum Ihr Ziel ist.

Was ist mit hohen Wiederholungszahlen?

Wenn Sie nur in hohen Wiederholungsbereichen (12+) trainieren, müssen Sie es bis zum Muskelversagen bringen, um alle Muskelfasern zu rekrutieren. Das zweite Problem hierbei ist, dass die hochschwelligen, schnell kontrahierenden Muskelfasern – diejenigen mit dem größten Wachstumspotenzial – erst ganz zum Schluss rekrutiert werden. Das bedeutet, dass sie nicht lange Überlastung oder metabolischem Stress ausgesetzt sind.

Nun, ich diskontiere hier nicht den Wert von Arbeit mit niedrigeren oder höheren Wiederholungszahlen. Ich habe immer gesagt, dass progressive Überlastung in einer Vielzahl von Wiederholungsbereichen entscheidend für den Aufbau von Muskelmasse ist.

Mein Punkt ist stattdessen, dass du dich auf das Wesentliche konzentrierst und dass die Grundlage deines Trainings im Bereich von 5-8 Wiederholungen liegen sollte. Dieser Wiederholungsbereich funktioniert so gut, weil er Ihnen die perfekte Mischung aus maximaler Muskelrekrutierung und metabolischem Stimulus bietet.

Was ist mit 8-12 Wiederholungen – dem Rest der „Hypertrophiezone“?

Nachdem Sie eine Grundlage im Bereich von 5-8 Wiederholungen aufgebaut haben, können etwas mehr Wiederholungen Vorteile bringen.

Wenn Sie dünn und schwach sind, führt übermäßiges Arbeiten im Bereich von 8 bis 12 Wiederholungen zu einer geringen Muskelrekrutierung und -spannung.

Aber wenn du erst einmal stärker und fortgeschrittener wirst, funktioniert das Hinzufügen von Tagen, an denen du Zeit in diesem Wiederholungsbereich verbringst, gut.

Hier kann die Verwendung von Split wie der Heavy/Light-Methode, bei der Sie die Wiederholungsbereiche im Laufe der Woche variieren, Ihre Muskelaufbauergebnisse wirklich beschleunigen.

Einer meiner liebsten 4-Tage-Splits für fortgeschrittene Muskelaufbau-Kunden ist zum Beispiel:

Tag 1: Brust/Rücken/Delta – 5-6 Übungen im 5-8 Wiederholungsbereich

Tag 2: Beine/Arme – 5-6 Übungen im 5-8 Wiederholungsbereich

Tag 3: Brust/Rücken/Delta – 5-6 Übungen im 8-12 Wiederholungsbereich

Tag 4: Beine/Arme – 5-6 Übungen im 8-20 Wiederholungsbereich (höhere Wiederholungen für die Beine)

Die andere Situation, in der ich einige Jungs mit 8-12 Wiederholungen beginnen kann, ist, wenn sie sich in der Anfänger- und frühen Mittelstufe befinden und eine vernünftige Grundlage für "Masse" haben. Sie sind nicht dünn oder „schwach“ und eher „dick gesetzt“.

Für diese Leute beginne ich normalerweise mit einem Ganzkörpertraining an drei Tagen in der Woche und arbeite im Bereich von 8-12 Wiederholungen.

Nach 4 bis 6 Wochen würde ich sie normalerweise zu einem Ansatz bewegen, der es ihnen ermöglicht, ihre Wiederholungsbereiche zu variieren.

Was ist, wenn Sie über 40 sind?

Der allgemeine Rat ist, dass Sie, wenn Sie über 40 sind, leichter heben sollten, um Ihre Gelenke zu schützen. Dem stimme ich zu, da es mit zunehmendem Alter normalerweise viel mehr Verschleiß gibt.

Es hängt jedoch ganz von Ihrem Trainingsalter, Ihrer Verletzungsgeschichte und Ihrem Kraftniveau ab.

Ein Mann, der seit 25 Jahren ernsthaft trainiert, braucht eine völlig andere Herangehensweise als jemand, der erst seit 3 ​​Jahren richtig trainiert.

Im ersten Fall würde ich den Großteil der Arbeit im Bereich von 8 bis 12 Wiederholungen belassen und auch einige Sätze mit höheren Wiederholungen einwerfen. Wenn Sie stark sind und eine großartige Verbindung mit den Gehirnmuskeln haben, ist dieser Ansatz sowohl sicherer als auch vorteilhaft, um Fortschritte zu erzielen.

Was ist mit Frauen?

Ich programmiere Frauen gerne in einem etwas höheren Wiederholungsbereich als Männer. Frauen werden immer in der Lage sein, mit einem bestimmten Gewicht mehr Wiederholungen auszuführen. Dies kommt von ihrer proportional größeren Größe und ihrem Anteil an Typ-1-Fasern, die von Natur aus ermüdungsbeständiger sind. Anstatt sich die meiste Zeit auf den Wiederholungsbereich von 5-8 zu konzentrieren, sollten Sie dies in vielen Fällen auf 8-10 erhöhen.

Wie wäre es mit Isolationsübungen?

Sobald Sie die Anfängerphase des Trainings bestanden haben, gibt es bestimmte Übungen und Körperteile, die für niedrigere Wiederholungsbereiche nicht gut geeignet sind. Es ist besser, Sätze mit höheren Wiederholungszahlen hinzuzufügen, um diese Muskelgruppen zu trainieren. Zum Beispiel:

  • Variationen des seitlichen Hebens (10-15 Wiederholungen)
  • Variationen des hinteren Deltafliegens (10-30 Wiederholungen)
  • Gesichtszüge (10-20 Wiederholungen)
  • Bizepscurls (8-15 Wiederholungen)
  • Trizeps-Extensions und Pushdowns (10-15 Wiederholungen)
  • Rückenstrecker (10-20 Wiederholungen)

Was ist mit sehr langsam zuckenden Muskelgruppen wie Quads?

Während der Großteil Ihrer Arbeit immer noch im Bereich von 6-12 Wiederholungen liegen sollte, ist es sinnvoll, einige Sätze mit sehr hohen Wiederholungszahlen für Quads hinzuzufügen.

Beinpressen mit 50 Wiederholungen und atmende Kniebeugen gibt es aus gutem Grund seit Jahrzehnten – sie funktionieren.

Aber Sie müssen sich das Recht verdienen, sie zu tun, und wenn Sie immer noch schwach sind und einen Teller pro Seite hocken, werden Ihnen diese noch keinen Nutzen bringen. Sie müssen zuerst stark werden, bevor Sie mit hohen Wiederholungszahlen trainieren.

Alles zusammenfügen

Um für den natürlichen Trainierenden mit durchschnittlicher Genetik am effektivsten Muskeln aufzubauen, sollten 80 % Ihrer Zeit und Ihres Fokus im Bereich von 5-8 Wiederholungen verbracht werden.

Sobald Sie stark werden, können Sie weitere Sätze im Bereich von 8-12 Wiederholungen hinzufügen. In dieser Phase wird Ihr Fokus auf die allgemein angepriesene „Hypertrophie“-Zone von 5-12 Wiederholungen verlagert.

Hier funktionieren schwere/leichte Splits hervorragend, wenn du dich an einem Tag auf 5-8 Wiederholungen und am anderen Tag auf 8-12 Wiederholungen konzentrierst.

Ein weiterer Favorit von mir ist es, sich auf 5-8 Wiederholungen an jedem Tag zu konzentrieren, aber nach diesen Hauptsätzen etwas höhere Wiederholungssätze hinzuzufügen. So erhalten Sie das Beste aus beiden Welten an einem Tag.

Abgesehen davon können Sie in den Wiederholungsbereichen darüber und darunter ein wenig zusätzliche Arbeit hinzufügen. Denken Sie daran, das Ziel immer das Ziel zu sein und sich auf das Wesentliche zu konzentrieren und echte Ergebnisse zu erzielen.


BU-Team enthüllt Nebraska Salt Marsh Mikrobiom

Sie wissen vielleicht nicht, dass Nebraska vor über 100 Millionen Jahren von einem großen Meer bedeckt war. Dies umfasste schätzungsweise 20.000 Hektar, aber jetzt sind nur noch Salzwiesen, die im ganzen Staat weit verbreitet sind.

Probenahmestellen in den östlichen NE-Salzmarschen.

Diese Salzwiesen sind Teil eines seltenen Feuchtgebietstyps, der in den Sandhills, dem North Platte Valley und dem Tal des Salt Creek und Little Salt Creek vorkommt. Diese salzhaltigen Feuchtgebiete sind vom Verschwinden bedroht und es werden derzeit mehrere Schutzbemühungen unternommen, um dieses einzigartige Ökosystem zu erhalten.

Restaurierungs- und Erhaltungsbemühungen einheimischer Ökosysteme konzentrieren sich größtenteils auf die Insekten- und Pflanzengemeinschaft, jedoch ist die zugrunde liegende mikrobielle Gemeinschaft für die Erhaltung der Sumpfvegetation von entscheidender Bedeutung. Über die Bakterien und den Nährstoffstoffwechsel in diesen Salzwiesen im Landesinneren, die Tausende von Kilometern von jeder Küste entfernt sind und seit Millionen von Jahren nicht Teil eines größeren Salzwasserkörpers sind, ist wenig bekannt.

Mikroben sind für den Kreislauf und den Ausgleich der Nährstoffe in jedem Umweltökosystem verantwortlich. Wenn wir also versuchen, diese einzigartigen Feuchtgebiete zu untersuchen und zu erhalten, sollten wir im Kern beginnen und uns ansehen, welche Mikroorganismen vorhanden sind und wie sie Nährstoffe verstoffwechseln“ sagt Dr. John Kyndt, der die aktuellen Forschungsarbeiten leitete.

Das BU-Team machte sich daran, die Algen- und Bakterienzusammensetzung (das sogenannte „Mikrobiom“) dieser Salzsümpfe zu untersuchen. Im vergangenen Herbst wurden Proben aus den Salt-Creek-Sümpfen in der Nähe von Lincoln entnommen und in den BU-Labors analysiert. Die Biologiestudentin Sierra Athen extrahierte DNA und verwendete die Illumina-Sequenzierung, um die bakteriellen Signaturen zu erzeugen. Gemeinsam mit BU-Mitarbeiter Shivanghi Dubey haben sie mithilfe bioinformatischer Analysen die Algen und Bakterien in diesen Proben identifiziert und verglichen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Life veröffentlicht:

„Diese Sümpfe sind einer der wenigen Orte in den Vereinigten Staaten, an denen das natürlich vorkommende Wasser salzhaltig ist. Die Erkenntnis, dass diese Studie zur Erhaltung dieser gefährdeten Salzmarschen beitragen könnte, war nicht nur motivierend, sondern auch sehr faszinierend.“, sagt Shivangi Dubey.

Das Team fand heraus, dass alle diese Bakterien gut an die hohen Salz- und alkalischen Bedingungen der Sümpfe angepasst sind, aber auch einige seltene Bakterien sind vorhanden. Zum Beispiel, Rubribacterium wurde zuvor nur aus einem ostsibirischen Sodasee isoliert, scheint aber eines der am häufigsten vorkommenden Bakterien in den Salzmarschproben von Nebraska zu sein.

Mikrobieller Schwefelstoffwechsel im NE-Salzmarsch-Ökosystem.

Das mikrobielle Ökosystem scheint in Bezug auf Schwefel und andere Nährstoffe ausgewogen zu sein, dennoch sind die Stadtentwicklung, der landwirtschaftliche Abfluss und das Wachstum invasiver Pflanzenarten einige der aktuellen Bedrohungen für den Erhalt dieser lebenswichtigen Ökosysteme. Diese aktuelle Studie schafft eine gute Grundlage für weitere Studien zur mikrobiologischen Vielfalt, dem Nährstoffkreislauf und den ökologischen Auswirkungen in diesem lokal wichtigen Einzugsgebiet.

Diese Binnensalzsümpfe sind ein Relikt alter Ozeane und das Studium dieser salzigen Mikroben, die dort leben, führt Sie in gewisser Weise in die letzten Zeitalter der Dinosaurier zurück, was ziemlich faszinierend sein kann“, sagt Dr. Kyndt.


Systematisierung der Generierung fehlenden Stoffwechselwissens

Metabolische Netzwerkrekonstruktionen auf Genomskala werden aus allen bekannten metabolischen Reaktionen und Genen in einem Zielorganismus aufgebaut. Da unser Wissen über jeden Organismus jedoch unvollständig ist, enthalten diese Netzwerkrekonstruktionen Lücken. Reaktionen können ausbleiben, was zu Sackgassen in Signalwegen führt, während unbekannte Genprodukte bekannte Reaktionen katalysieren können. Neue Computermethoden, die Daten wie Wachstumsphänotypen oder Genessentalität im Kontext von Stoffwechselnetzwerken auf Genomskala analysieren, wurden entwickelt, um diese fehlenden Reaktionen oder Gene vorherzusagen, die diese Wissenslücken wahrscheinlich schließen. Es gibt eine wachsende Zahl experimenteller Studien, die sich mit diesen computergestützten Vorhersagen befassen und zur Entdeckung neuer metabolischer Fähigkeiten im Zielorganismus führen. Mit Gap-Filling-Methoden können somit metabolische Netzwerkmodelle verbessert und gleichzeitig neue metabolische Genfunktionen entdeckt werden. Biotechn. Bioeng. 2010107: 403–412. © 2010 Wiley Periodicals, Inc.


Abstrakt:

Die Zahl der Menschen, die in Amerika an Fettleibigkeit leiden, steigt in die Höhe. Dieser Artikel untersucht ein mögliches Instrument zur Bekämpfung von Fettleibigkeit, einer nationalen Gesundheitskrise, die zu schwerwiegenden medizinischen Problemen wie Herzerkrankungen, Diabetes und Krebs beiträgt. Dieses Werkzeug ist ein radikal neuer Ansatz für Ernährung und Stoffwechsel, ein Ansatz, der sich auf epigenetische Faktoren konzentriert. Fettleibigkeit beeinflusst nicht nur die Gesundheit eines Menschen. Es beeinflusst auch die Genexpression, und Menschen, die an Fettleibigkeit leiden, sind veranlagt, mit Fettleibigkeit in Zusammenhang stehende Gene an ihre Nachkommen weiterzugeben. In Zukunft könnte dieses Phänomen zu einem exponentiellen Anstieg des Fettleibigkeitsrisikos für die Gesellschaft führen. Aber wenn Menschen ihre Ernährung umstellen, Nahrungsmittel und sogar Pillen konsumieren, die sich nachweislich positiv auf die Epigenetik auswirken, können wir dieses drohende Problem bekämpfen. Dazu benötigen wir umfangreiche Studien zu Nährstoffen, die unseren Stoffwechsel und unsere Epigenetik positiv beeinflussen, damit wir ein Ernährungsschema entwickeln und synthetische Medikamente entwickeln können, die Stoffwechselenzyme in Bezug auf Histone und Methylgruppen verbessern. Solche Medikamente könnten den Stoffwechsel und die epigenetische Expression des Menschen verstärkt verbessern und damit Adipositas wirksam bekämpfen.

Artikel:

Einführung

Nach Angaben der Centers for Disease Control (Kochanek et al., 2011) sterben in den Vereinigten Staaten jedes Jahr etwa 600.000 Menschen an Herzerkrankungen – das ist jeder vierte Todesfall. Die Ursachen von Herzerkrankungen hängen hauptsächlich mit ernährungsphysiologischen und genetischen Faktoren zusammen. Viele Menschen haben eine genetische Veranlagung für die Entwicklung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Daher denken sie, dass kleine Veränderungen ihres täglichen Lebensstils, insbesondere der Ernährung, nicht helfen werden. Die Epigenetik sagt uns jedoch etwas anderes. Wir geben nicht nur unsere DNA an unsere Kinder weiter, sondern beeinflussen auch, wie viel von dieser DNA exprimiert wird. Wir können in unserem täglichen Leben Veränderungen vornehmen, die sich auf die DNA auswirken, die wir an zukünftige Generationen weitergeben. Epigenetische Modifikationen sind vererbbar und können reversibel sein, aber sie verändern nicht die DNA-Sequenz selbst, sondern das Epigenom entscheidet aufgrund unserer Lebenserfahrungen, wie viel oder ob einige Gene exprimiert werden. Darüber hinaus gibt es einen noch nicht vollständig erforschten Zusammenhang zwischen Epigenetik und Stoffwechsel, der meiner Meinung nach tief in der Ernährung verwurzelt ist. In diesem Beitrag werde ich zunächst das Thema Epigenetik und das Problem der Fettleibigkeit in Amerika vorstellen und dann einen Plan zur Bekämpfung der Fettleibigkeit beschreiben, wobei frühere Forschungen als Beweis verwendet werden. Durch diese Forschung möchte ich, dass andere wissen, dass unsere Gene nicht die totale Kontrolle über unseren Körper haben.

Epigenetik umfasst eine Vielzahl von Themen, aber in diesem Artikel werde ich sie im Kontext des Stoffwechsels behandeln. Ich werde mögliche zukünftige Forschungen über den Zusammenhang diskutieren, der zwischen Epigenetik, Stoffwechsel und Ernährung besteht. Mit diesem Wissen könnten wir die Auswirkungen bestimmter Lebensmittel auf unseren Stoffwechsel ermitteln und möglicherweise Stoffwechselprozesse epigenetisch manipulieren. Wenn wir Medikamente entwickeln könnten, die die Stoffwechselrate erhöhen können, könnten sie als Ergänzung für Menschen dienen, die versucht haben, ihre Ernährung umzustellen, aber aufgegeben haben, nachdem keine Ergebnisse erzielt wurden, was manchmal aufgrund ihrer genetischen Veranlagung zu Fettleibigkeit und langsamem Stoffwechsel auftritt. Wenn die Menschen besser über die Auswirkungen aufgeklärt würden, die eine Ernährungsumstellung haben könnte, um das Risiko, an Krankheiten wie Krebs oder Diabetes zu erkranken, zu verringern und zukünftigen Generationen durch eine Steigerung ihres Stoffwechsels zu helfen, wären mehr Menschen bereit, ihren Lebensstil zu ändern. Obwohl Wissenschaftler derzeit an diesem Thema arbeiten, werde meine Forschung die in den letzten Veröffentlichungen veröffentlichten Informationen zusammenführen und den Zusammenhang zwischen Ernährung, Epigenetik und Stoffwechsel durch Vorschläge für originelle Laborforschung weiterentwickeln, die speziell darauf abzielen, diesen Zusammenhang zu finden auf molekularer Ebene. Würden wir auf Grundlage dieser Forschung konkrete Ernährungsumstellungen in unserem Alltag umsetzen und mit einem ergänzenden, stoffwechselstabilisierenden Medikament und regelmäßiger Bewegung kombinieren, könnten wir nachhaltig etwas bewirken, das nicht nur unser Leben, sondern auch das der Menschen verbessert zukünftigen Generationen, während gleichzeitig die Fettleibigkeit bekämpft wird.

Was ist Epigenetik?

Epigenetik ist die Untersuchung von Veränderungen der Genaktivität, die die DNA selbst nicht verändern, aber die Art und Weise beeinflussen können, wie sie gelesen wird und an mindestens eine nachfolgende Generation weitergegeben werden kann. Zum Beispiel führte Dr. Lars Olov Bygren in den 1980er Jahren Forschungen über die Auswirkungen von Hungersnöten und Festjahren auf Kinder durch, die im 19. Jahrhundert in Norrbotten, Schweden, aufwuchsen. Dieses Gebiet war isoliert, und folglich gab es Jahre ohne Ernteertrag, was zu einer Hungersnot führte. Auf der anderen Seite gab es einige Jahre, in denen die Ernte reichlich war, was zu einigen Jahreszeiten mit starkem Essen führte. Dr. Bygren untersuchte Menschen, die sowohl Hungersnot als auch Überfluss erlebten, sowie deren Kinder und Enkel. Er fand heraus, dass die Kinder, die diese seltenen, reichlichen Perioden erlebten, Kinder und Enkel hervorbrachten, die ein kürzeres Leben führten und durchschnittlich sechs Jahre früher starben als die Enkel derer, die nur Hungersnot erlebten (Bygren et al., 2014). Dieses Phänomen lässt sich epigenetisch erklären.

Epigenetik kann die Art und Weise beeinflussen, wie unsere DNA gelesen und an die nächste Generation weitergegeben werden kann. Alle unsere Zellen haben kodierende Informationen in Form von DNA, aber unsere Gene allein wissen nicht, was sie ohne Richtung tun sollen. Deshalb haben wir diese Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen, die Methylgruppen genannt werden, die an unsere DNA binden. Methylgruppen binden auf verschiedene Weise an verschiedene Zellen und sagen unseren Genen, ob sie sich selbst ausdrücken sollen oder nicht. Darüber hinaus gibt es Histone, um die sich die DNA wickelt. Diese Histone steuern den Grad, in dem unsere Gene exprimiert werden, je nachdem, wie fest oder locker die DNA sie umhüllt. Diese Methylgruppen und Histone sind die beiden wichtigsten Modifikatoren in der Epigenetik. Unser Genom bleibt unser ganzes Leben lang gleich, aber unsere epigenetischen Marker ändern sich aufgrund von Lebenserfahrungen und entscheiden folglich, welche Gene exprimiert werden oder nicht. Wir geben nicht nur unsere DNA an unsere Kinder weiter, sondern auch unsere epigenetischen Tags, die sich durch alltägliche Erfahrungen verändern. Ernährung, Stress und pränatale Ernährung können die Gene beeinflussen, die durch diese epigenetischen Marker an zukünftige Generationen weitergegeben werden.

Literaturische Rezension

Einführung

Die zugrundeliegende Idee, unsere Erfahrungen durch unsere epigenetischen Tags weiterzugeben, lässt sich auf Ernährung, Stoffwechsel und Fettleibigkeit zurückführen. Wissenschaftler haben kürzlich Beweise dafür gefunden, dass unsere Lebensstilentscheidungen, wie Rauchen oder zu viel Essen, unsere epigenetischen Markierungen verändern können, was dazu führt, dass sich die Gene für Fettleibigkeit zu stark ausdrücken (TIMES, 2010). Was und wie viel wir heute essen, kann uns also über Jahre hinweg beeinflussen. Die Erforschung des Zusammenhangs zwischen Epigenetik, Stoffwechsel und Ernährung ist heute in einer Welt, in der Fettleibigkeit zu einem prominenten Thema wird, besonders wichtig. Laut einer Gallop-Umfrage (2013) sind die Fettleibigkeitsraten in allen wichtigen demografischen und sozioökonomischen Gruppen mit Ausnahme der Altersgruppe der 18- bis 29-Jährigen gestiegen. Die Ursache für den jüngsten Anstieg kann insbesondere auf Umweltfaktoren, übermäßiges Essen und eine weitgehend sitzende Lebensweise, zurückgeführt werden. Untersuchungen zeigen jedoch, dass viele Menschen auch eine genetische Veranlagung für Fettleibigkeit haben (Kirchner, 2013). Dies bedeutet, dass nicht nur unsere Lebensstilentscheidungen zum jüngsten Anstieg der Fettleibigkeit beitragen, sondern auch ein zugrunde liegendes genetisches Problem besteht, das wir durch epigenetische Modifikationen weiter verstärken. Obwohl wir unsere Gene nicht ändern können, könnte eine Änderung unserer Ernährung unsere epigenetischen Tags positiv verändern, was uns und zukünftigen Generationen zugute kommen würde.

Verbindung zum Stoffwechsel

Eine Möglichkeit, den Stoffwechsel mit der Epigenetik zu verbinden, ist die Methylierung. Eine kürzlich erschienene Arbeit von Chiacchiera et al. (2013) diskutiert, wie verschiedene Stoffwechselwege epigenetische Reaktionen steuern. Derselbe Artikel stellt fest, dass methylierungsbasierte epigenetische Reaktionen ein Faktor bei der Bestimmung von Stoffwechselwegen sind, und kommt zu dem Schluss, dass die Qualität und Quantität unserer Ernährung und Kalorienaufnahme unsere Gene epigenetisch beeinflussen können. Mehr darüber zu wissen, welche Nährstoffe bestimmte methylierungsbasierte Reaktionen beeinflussen, könnte uns helfen, unsere Ernährung zu verbessern, um unser metabolisches Potenzial zu maximieren. Durch Laborarbeit können wir verschiedene menschliche Epigenome untersuchen und sehen, wie bestimmte Diäten und Lebensmittel die Methylierung auf molekularer Ebene beeinflussen. Dies könnte uns zeigen, wie bestimmte Lebensmittelgruppen bestimmte Methylgruppen positiv oder negativ beeinflussen. Laut dem National Institute for Health (2006) ist grünes Blattgemüse zum Beispiel reich an Folsäure, einer Nahrungsquelle für Methyl, die helfen kann, Stoffwechselprozesse zu steigern. Durch Laborforschung ist es möglich, weitere Nährstoffe zu finden, die diese metabolischen epigenetischen Marker positiv beeinflussen. Mit dieser Forschung könnte eine Ernährung entwickelt werden, die reich an stoffwechselanregenden Nährstoffen ist, die Menschen mit langsameren Stoffwechselraten als normal helfen würde, ihren Stoffwechsel zu stabilisieren. Nicht nur methylierungsbasierte Reaktionen wirken sich auf die Epigenetik aus, sondern auch Histonmuster.

Der Stoffwechsel kann auch über Histonmuster mit der Epigenetik in Verbindung gebracht werden. Katadaet al. (2012) diskutieren die epigenetischen Veränderungen von Histonen und wie Histone als metabolische Sensoren fungieren können, die metabolische Veränderungen in der Genexpression manifestieren. Indem sie ändern, wie fest oder locker die DNA um Histonproteine ​​gewunden ist, steuern Histone, wie viel oder wie wenig unserer Gene exprimiert werden. Dieser Artikel befasst sich mit den Details, wie genau diese Veränderungen in den Histonen auf die Genexpression übertragen werden, während er versucht zu bestimmen, wie viel Einfluss unsere Ernährung auf unsere Histonmuster haben kann. Diese Forschung unterstützt die Theorie, dass das, was wir heute essen, uns und zukünftige Generationen durch epigenetische Veränderungen metabolisch beeinflussen kann. Die Forscher müssen feststellen, welche Hauptnährstoffe einen Einfluss auf die Histonmodifikationen haben, indem sie ihre Reaktionen untersuchen. Abhängig von der Art der vorgenommenen Modifikation könnte die Forschung die vorteilhaften oder schädlichen Auswirkungen jedes Nährstoffs auf Histone bestimmen. Aufgrund der Komplexität der Reaktion könnten Pharmaunternehmen auch synthetische Medikamente entwickeln, die den Prozess nachahmen könnten, durch den Nährstoffe diese positive Wirkung bei Histonen bewirken. Dies hängt jedoch von der Komplexität des Prozesses ab, durch den Nährstoffe Histone modifizieren.

Pränatale Ernährung

Forscher haben auch herausgefunden, dass mütterliche Nahrungsfette, Folsäure und Proteine ​​die epigenetische Regulation bestimmter Gene bei den Nachkommen verändern. Insbesondere die Methylierung bestimmter fötaler Gewebe wurde mit dem Risiko der Entwicklung von Diabetes und Brustkrebs in Verbindung gebracht (Burge, 2012). Forscher müssen diese methylierungsbasierten epigenetischen Reaktionen noch auf molekularer Ebene untersuchen, aber sie sind für weitere Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Um herauszufinden, welche Moleküle und Prozesse daran beteiligt sind, muss auf molekularer Ebene geforscht werden. Eine kürzlich durchgeführte Studie arbeitete mit Mäusen, die ein einzigartiges Gen namens Agouti-Gen hatten, das Mäusen eine Neigung zu Fettleibigkeit und Diabetes verleiht (Dollinoy, 2008). Eine Gruppe von trächtigen Mäusen nahm eine an B-Vitaminen reiche Nahrung zu sich, und die andere Gruppe erhielt keine pränatale Ernährung. Die erste Gruppe produzierte Mäuse, die normalgewichtig und nicht anfällig für Diabetes waren, während die zweite Gruppe Mäuse produzierte, die sowohl für Fettleibigkeit als auch für Diabetes anfällig waren. In dieser Studie fungierten die B-Vitamine als Methyldonatoren, wodurch Methylgruppen häufiger an das Agouti-Gen angelagert wurden, wodurch dessen Expression verändert wurde. Basierend auf dieser Forschung sollten Forscher auch die pränatale Ernährung des Menschen untersuchen. Je nachdem, welche Nährstoffe epigenetisch einen positiven Einfluss haben, sollten Forscher eine Überarbeitung der pränatalen Ernährung in Betracht ziehen, um den Nutzen zu maximieren. Wenn wir feststellen, dass es andere Nährstoffe gibt, die den Stoffwechsel unterstützen, aber nicht bereits schwangeren Frauen verabreicht werden, sollten wir überdenken, welche pränatalen Vitamine derzeit verabreicht werden und ob es von Vorteil wäre, schwangeren Frauen eine größere Vielfalt an Nährstoffen zu geben.

Verbindung zu Krankheiten

Der Zusammenhang zwischen Epigenetik, Stoffwechsel und Ernährung hängt auch mit verschiedenen Krankheiten zusammen. Die Forschung zeigt, dass Ernährung und Stress einen bleibenden Eindruck auf die Gene hinterlassen können (Portha et al., 2013). Dieser bleibende Eindruck kann sich unter anderem in Stoffwechsel- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußern. Die wichtigste Botschaft, die uns diese Forschung vermitteln kann, ist, dass wir mit unseren aktuellen ernährungsbasierten Entscheidungen Einfluss auf unseren eigenen Körper und zukünftige Generationen haben. Die Auswirkungen der Mangelernährung beginnen von der Geburt an. Weitere Untersuchungen zeigen, dass ein niedriges Geburtsgewicht das Risiko für die Entwicklung von Krankheiten wie Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöht (Basel, 2007). Diese Forschung legt nahe, dass eine schlechte Ernährung schon vor der Geburt zu epigenetischen Veränderungen führen kann, die sich später im Leben in Krankheiten äußern können, aber sie sagt uns nicht, wie man diese Krankheiten durch eine gute Ernährung vermeiden kann. Weitere Forschungen müssen durchgeführt werden, um festzustellen, wie diese Veränderungen auf molekularer Ebene ablaufen, damit wir feststellen können, welche Lebensstiländerungen die größten Auswirkungen haben werden.

Die bisherige Forschung zum Zusammenhang von Epigenetik, Stoffwechsel und Ernährung umfasst eine Vielzahl von Informationen, ist aber auch sehr verstreut. Aus der Sichtung dieser Quellen wurde ein allgemeiner Zusammenhang zwischen Epigenetik, Stoffwechsel und Ernährung festgestellt, jedoch bedarf es weiterer Forschung, um einen genauen Zusammenhang auf molekularer Ebene zu finden. Durch diese zusätzliche Forschung können wir feststellen, wie wir diese Informationen nutzen können, um das Problem der Fettleibigkeit in Amerika zu bekämpfen.

Richtlinien zur Bekämpfung von Fettleibigkeit

Letztendlich ist der wichtigste Schritt bei der Bekämpfung von Fettleibigkeit die Aufklärung der Öffentlichkeit. Bevor auf genetische Aspekte eingegangen wird, sollte in erster Linie die Bedeutung von täglicher Bewegung und einer guten Ernährung hervorgehoben werden. Wie bereits erwähnt, sind die Hauptursachen für Fettleibigkeit in Amerika eine schlechte Ernährung und eine weitgehend sitzende Lebensweise. Mangelnde Motivation und ein hektischer Lebensstil hindern Menschen daran, sich richtig zu bewegen oder zu essen. Sie haben keine Zeit, sich täglich zu bewegen oder eine gesunde Mahlzeit zuzubereiten. Die Zahl der Fastfood-Restaurants in Amerika trägt zu diesem Problem bei. Es gibt auch Menschen, die das schwierige Ziel des Abnehmens erfolgreich erreichen, aber nicht in der Lage sind, ihr Gewicht zu halten. Es gibt viele Faktoren, die auf die explodierende Fettleibigkeit in Amerika zurückzuführen sind, darunter Genetik, Lebensstil, Inaktivität, ungesunde Ernährung, medizinische Probleme und sozioökonomische Faktoren. Die meisten Menschen haben Probleme, die von mehr als einem dieser Themen herrühren, weshalb es so schwierig ist, das Problem der Fettleibigkeit zu lösen. Es gibt Faktoren, die noch nicht einmal entdeckt werden müssen, die mit Fettleibigkeit zusammenhängen. Viele Amerikaner haben beispielsweise einen Vitamin-D-Mangel, merken es aber nicht. Jüngste Studien haben gezeigt, dass ein niedriger Vitamin-D-Spiegel die Winterreaktion auslösen kann, die eine Ansammlung von Fett und eine niedrigere Stoffwechselrate beinhaltet (Foss, 2009). Ein weiterer Aspekt, über den viele Menschen nicht nachdenken, ist, wie sich ihr Lebensstil auf andere auswirkt. Die Öffentlichkeit sollte über die epigenetischen Auswirkungen ihres Handelns aufgeklärt werden. Viele Menschen sind sich vielleicht nicht bewusst, dass ihre Handlungen jetzt ihre Kinder oder zukünftige Kinder durch die DNA, die sie weitergeben, beeinflussen können. Die Öffentlichkeit sollte auch über alle Krankheiten informiert werden, die sie oder zukünftige Generationen aufgrund ihrer Fettleibigkeit treffen könnten. Jeder kann über diese wichtigen Informationen durch Organisationen wie das Gesundheitsministerium erfahren. Wir können die Nachricht durch die Medien verbreiten: Zeitschriften, Zeitungen, Fernsehen, Radiowerbung, öffentliche Bekanntmachungen usw. Die Realität der Epigenetik könnte die Menschen dazu bringen, ihre Ernährung in einem neuen Licht zu sehen, weil sie erkennen würden, dass sie nicht nur sich selbst stellen in Gefahr, sondern auch zukünftige Generationen.

The second step would be to create a feasible dietary regimen that works to an individual’s advantage. As stated earlier, after determining which nutrients modify these epigenetic modifiers, it would be possible to isolate the nutrients that have a metabolic-related impact. Those nutrients with a beneficial metabolic-related effect would be the recommended nutrients and foods for a better diet. A program could be developed that would take the metabolic rate of a person, compare it to the normal rate for gender and age group, and come up with a dietary plan. For example, foods and nutrients that are known to naturally increase metabolism include: egg whites, iron, chili peppers, caffeinated coffee, green tea, milk, whole grains, and lentils (“9 Foods,” 2015). This is just a handful of the known foods that increase metabolic rates. Individuals have different needs based on their metabolic processes and should have individualized dietary plans. Based on their metabolic rates and nutrient deficiencies, the program would tell them which nutrients they need to increase to normalize their metabolic rate and the best way to get their recommended value. Although this sounds like another useless weight loss program, it would be different because the results can be backed up by precise laboratory research.

The last step would be to tackle the issue at an epigenetic level. The process by which nutrients help increase metabolic rates can be studied, isolated, and then manipulated through the use of pharmaceutical drugs. If the exact reaction that occurs on a molecular level when nutrients increase metabolism through epigenetic modifications is determined, synthetic drugs could be developed that would tweak certain metabolic enzymes related to histones and methyl groups. This would help us alter any genetic predispositions people have toward developing various types of diseases or speed up a slow metabolism. Looking at the impact on histones and methyl groups, research should be done on a molecular level to see how these nutrients brought about this beneficial change.

Using research found on how these nutrients increase metabolism, pharmaceutical companies could create a synthetic drug that would mimic these properties and bring about these same beneficial effects in an amplified manner. On a molecular level, there has to be a specific process by which these nutrients manipulate histones and methyl groups, and whether the process involves an enzyme or some other molecule still needs to be determined. The amplification method would depend on what type of process is uncovered, but if it is enzyme induced, a substrate could be added to make the reaction go faster. Ideally, we hope to find the nutrients that boost metabolism and mimic the process with the creation of a new synthetic drug to help normalize metabolism for those with slower than normal rates.

The biggest problem that needs to be tackled is researching the exact hormones, enzymes, or molecules that connect epigenetics, metabolism, and nutrition. With this research, drugs that could help people maximize their metabolism can be created, which would benefit many people who feel that they cannot lose weight no matter how much they control their diet and exercise. This research could potentially revolutionize the way people see nutrition. This could help reinforce the idea that a good diet and exercise is beneficial because people will see that a bad diet with no exercise not only affects them but it also affects their children and future generations through epigenetic principles.

Diseases caused by obesity, like type 2 diabetes, coronary heart disease, hypertension, arthritis, and cancer depend on where fat is deposited, but they are also affected by genetics (Kirchner, 2013). Based on this information, many people struggling with obesity might think that changing their lifestyle would do nothing. They might extrapolate that if obesity is written in their genes, they cannot change. Many people feel hopeless because they have tried everything, from a good diet to exercise, but nothing has worked. However, many times, slow metabolic reactions are the reason for weight gain and this research aims to solve that problem at the roots. Not only will epigenetics determine which nutrients will help boost metabolism in the long run, but it will also determine the process behind increasing metabolic rates. This information will help to make synthetic drugs that maximize metabolic rates in people who have less than satisfactory rates. People feel helpless in their bodies because of their genes, but with this research, the problem can be solved. If these steps are taken to educate the public and to start this special type of weight loss program based on epigenetic research, we can combat obesity. Overall, this would decrease the amount of obesity that currently exists in the United States, which in turn would also help decrease the likelihood of developing obesity-related diseases. Everyone can benefit from this research because epigenetic modifications happen at all stages in life. With epigenetics, it is never too late to make a change.

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The Deiodinase Type 2 (DIO2) Gene and Mental Retardation in Iodine Deficiency

Ting-Wei Guo , . Lin He , in Comprehensive Handbook of Iodine , 2009

DIO2 Gene and its Role in Iodine Metabolism

The deiodinases play a key role in the maintenance of circulating and tissue levels of thyroid hormones. There are three types of deiodinase – type 1, 2, and 3 ( DIO1, DIO2, und DIO3) iodothyronine – all are seleno-enzymes characterized by a selenocysteine in the catalytic domain of the enzyme encoded by a UGA codon in the presence of a characteristic 3′ untranslated region stem loop structure: the selenocysteine insertion sequence (SECIS).

DIO2 is particularly important in the brain. The pro-hormone T4 (3,3′,5,5′-triiodothyronine) is converted in the brain to its active form, T3, or its inactive metabolite, reverse T3, mainly by the action of DIO2. DIO2 is involved in an activation step for converting 3,5,3′5′-tetraiodothyronine (T4) to 3,5,3′-triiodothyronine (T3), and a degradation step for converting 3,3′5′-triiodothyronine (reverse T3) to 3,3′-diiodothyronine ( Bianco et al., 2002 ). DIO1 is also involved in an activation step it is the only selenodeiodinase that can function as either an outer 5′ or inner 5′ ring iodothyronine deiodinase, with DIO2 und DIO3 being (for all practical purposes) exclusively outer (DIO2) or inner ring (DIO3) deiodinases ( Figure 66.1 ). Jedoch, DIO1 enzyme activity is notably absent from the CNS, but is present in liver, kidney, thyroid, pituitary and mRNA in circulating mononuclear cells by RT-PCR ( Campos-Barros et al., 1996 Nishikawa et al., 1998). It supplies a significant fraction of the T3 in the plasma of euthyroid humans. Inactivation steps are mainly contributed by DIO3 for converting T4 to reverse T3 and T3 to 3,3′-diiodothyronine ( Salvatore et al., 1995 ). DIO2 appears to be a tissue-specific regulator of intracellular T3 concentrations in the brown fat, brain and pituitary ( Kohrle, 1999 ). The CNS is a major site of DIO3 enzyme activity, which is also present in rat skin, placenta and the pregnant rat uterus, as well as in human embryonic liver ( Richard et al., 1998). It is suggested that the balance between the enzyme activity of DIO2 und DIO3 may determine the local concentration of T3, which then plays an important role in development of the brain.

Figure 66.1 . Structures and relationships between the iodothyronines activated or inactivated by deiodinases.


It is also less expensive

Even though aggressively treated patients in this study were healthier longer, their medical care was less expensive. Usual care patients cost €10,091 per year while aggressively treated patients cost €8,725.

The overall cost for the two groups was the same. That was because half the usual care patients were dead at the 13-year mark. The main cost in the aggressive treatment group was brand-name medication. The excellent drugs used during the first 8 years of the trial were at the time very expensive and still under patent.

Now, these disease-modifying medications are much less expensive. So, the difference in cost between intensive and usual care should be greater. It is also very likely that the overall results can be improved. New science tells us that spironolactone is another disease-modifying drug that should be added to the protocol. Cutting back on sugar and carbohydrate intake can also make a big difference.


Science 9

The goal of Science 9 is to help students build and connect their understanding of science in the context of everyday life while focussing on both curricular competencies and content. Students will be provided with the necessary framework to become scientifically literate through delving into the following topics: physics, biology, earth science and chemistry.

MODULE 1: Physics

  • Lesson 1: Introduction to Electricity
  • Lesson 2: Static Electricity
  • Lesson 3: Current Electricity
  • Lesson 4: basic Circuitry
  • Lesson 5: Series Circuits
  • Lesson 6: Introduction to Ohm’s Law
  • Lesson 7: Ohm’s Law in Series Circuits
  • Lesson 8: Introduction to Parallel Circuits
  • Lesson 9: Ohm’s Law and Parallel Circuits: Resistance
  • Lesson 10: Ohm’s Law and Parallel Circuits: Voltage and Current
  • Lesson 11: Putting it All Together
  • Lesson 12: Dangers of Electricity
  • Lesson 13: Power
  • Lesson 14: Making a Difference
  • Lesson 15: Work Days
  • Lesson 16: Write, Proposal, Checklist

Assignments:

  • Reflection Journal
  • Letter to the Editor
  • PrepMagic – Lightbulbs in Series
  • Simple Electric Circuit Worksheet
  • PrepMagic Simulations
  • Ohm’s Law and Series Circuits
  • Simple Electric Circuit
  • Ohm’s Law Assignment
  • High Voltage Assignment
  • The Bigger Picture Assignment
  • Grant Proposal
  • Self-Reflection

MODULE 2: Biology

  • Lesson 1: Introduction to Biology
  • Lesson 2: Human Genome Project
  • Lesson 3: DNA Extraction
  • Lesson 4: Mitosis
  • Lesson 5: Cell Theory Review
  • Lesson 6: Asexual Reproduction
  • Lesson 7: Designer Babies and Ethics
  • Lesson 8: Genetic Engineer: Decision Time
  • Lesson 9: Inheritance
  • Lesson 10: Meiosis
  • Lesson 11: Genetic Mutations
  • Lesson 12: Genetic Disorders
  • Lesson 13: Stem Cells
  • Lesson 14: Genetic Counsellor – Decision Time
  • Lesson 15: Sexual Reproduction
  • Lesson 16: Development
  • Lesson 17: Sexual Reproduction Continued
  • Lesson 18: ART
  • Lesson 19: Fertility Doctor – Decision Time
  • Lesson 20: Final Presentation

Assignments:

  • Journal Response #1, 2, 3, 4, 5 & 6
  • DNA Model
  • DNA Extraction Lab
  • Mitosis Modeling
  • Genetic Engineer
  • Research Assignment
  • Genetic Counsellor
  • Family Traits: Phenotype and Genotype
  • Fertility Doctor
  • Final Presentation

MODULE 3: Earth Science

  • Lesson 1: It’s All Interconnected
  • Lesson 2: Biotic and Abiotic
  • Lesson 3: Ecosystems and Food Webs
  • Lesson 4: Food Pyramids
  • Lesson 5: Bioaccumulation and Biomagnification
  • Lesson 6: Effects on the Ecosystem
  • Lesson 7: The Atmosphere
  • Lesson 8: The Ozone
  • Lesson 9: Solar Radiation
  • Lesson 10: The Carbon Cycle
  • Lesson 11: The Hydrosphere
  • Lesson 12: Acid Rain
  • Lesson 13: Water Pathways
  • Lesson 14: Water Pathways 2
  • Lesson 15: The Geosphere
  • Lesson 16: The Nitrogen and Phosphorus Cycle
  • Lesson 17: To Fertilize or Not?
  • Lesson 18: Ecosystem Based Management
  • Lesson 19: Use Your Voice

Assignments:

  • Food Webs Assignment
  • Biomagnification Lab
  • Greenhouse Effect in a Jar
  • Ocean Currents Lab
  • Water Cycle Activity
  • Effects of Acid Rain
  • Should I Fertilize My Lawn?
  • Tweets & Rants

MODULE 4: Chemistry

  • Lesson 1: What Are Things Made Of?
  • Lesson 2: Properties of a Matter
  • Lesson 3: Dalton’s Model of the Atom
  • Lesson 4: Thomson’s Model of the Atom
  • Lesson 5: Rutherford’s Model of the Atom
  • Lesson 6: How Small are Atoms?
  • Lesson 7: Here Come the Elements!
  • Lesson 8: Introduction to the Periodic Table
  • Lesson 9: Getting to Know the Periodic Table
  • Lesson 10: Elements in the Spotlight
  • Lesson 11: Periodic Patterns
  • Lesson 12: Bohr’s Model of the Atom
  • Lesson 13: Atoms vs. Ions
  • Lesson 14: Ionic Compounds
  • Lesson 15: Covalent Compounds
  • Lesson 16: Chemical Reactivity
  • Lesson 17: The Kinetic Molecular Theory
  • Lesson 18: Atomic Timeline

Assignments:

  • Journal Response #1
  • Separating a Homogeneous Mixture
  • Journal Response #2
  • Journal Response #3
  • Rutherford’s Gold Foil Experiment
  • Element in the Spotlight Dropbox
  • Is There a Periodic Pattern for Density?
  • Showing Periodic Trends
  • Drawing Bohr Diagrams of Atoms
  • Drawing Bohr Diagrams of Ions
  • Balancing Chemical Equations Assignment
  • Boiling Point Trend of Noble Gases
  • Atomic Timeline Project

ASSESSMENT

Required Resources: a computer with internet access and headphones/speakers as well as a calculator.


Sex Hormone Differences

Menstrual cycle. Women&rsquos menstrual hormones fluctuate throughout their cycle, which usually lasts 28 days (hormonal contraceptives and other issues can alter the cycle). Hormonal fluctuations play a huge role in strength training, a reality only recently discussed in academic literature. By opening up this conversation with your female clients, you can tap into their strengths a little more and use biology in their favor (Sung et al. 2014).

The menstrual cycle has four phases:

  • menstrual (days 1&ndash5)
  • follicular (days 1&ndash13)
  • ovulation (day 14)
  • luteal (days 15&ndash28).

The luteal phase triggers sharp hormonal changes&mdashprogesterone peaks and then plunges, along with estradiol. Hunger increases, moods change suddenly, core temperature rises, and more calories are burned in fact, basal metabolic rate has been shown to increase by as much as 9% (Webb 1986). In this phase, symptoms of premenstrual syndrome often discourage interest in going to the gym.

The follicular phase, by contrast, is the time for women to really push themselves in hard workouts because estrogen hits its peak at this time, improving mood, energy and strength.

Estrogen vs. testosterone. These sex hormones have the most impact on the relative strength of women and men. Men have much more testosterone, affecting their baseline strength. Thus, men start out stronger with higher absolute strength, but relativ strength gains are about the same for both genders.

Estrogen, on the other hand, has proved to have some anabolic and protective effects against various injuries and diseases. Within muscle, estrogen has been shown to influence contractions and postexercise muscle damage by acting as an antioxidant and a stabilizing membrane and by binding to estrogen receptors (Enns & Tidius 2010). Estrogen also has regenerative properties, which is why combining exercise and hormonal therapies can increase lean tissue mass (Velders & Diel 2013).

Program design. Maintain an open dialogue with your female client: Ask how she is feeling and if she would like to disclose the current phase of her menstrual cycle. Explain that while she doesn&rsquot have to push through the bothersome symptoms of the luteal phase, she will benefit from some type of movement.

In the luteal phase, steer clear of high-intensity interval training and avoid going for personal bests or heavy strength sessions. Save these for the follicular phase. The luteal phase is an optimal time for deloading if the client is on a strength program. It&rsquos also a great time for moderate conditioning or low-intensity cardio training.

Optimize periodization around her cycle. For instance, if she usually does strength training three times a week, you might keep the frequency the same during the luteal phase and ramp it up a session or two during the follicular phase (Sung et al. 2014). See &ldquoSample Program Design,&rdquo below, for more.


Avoiding Cardio Could Be Holding You Back

T husfar, most of the articles on this site that have discussed cardiovascular training have dealt primarily with why it’s not the devil – why it won’t make you weak.

This article deals with how it can be used to enhance your training and actually help you get stronger, faster.

You’ll notice that I won’t be citing as much research in this article as usual. That’s because the bulk of this information comes from four main sources:

  1. My Exercise Physiology textbook. A lot of the ground covered in this article simply relates to basic aerobic physiology.
  2. The work of Joel Jamieson. He’s got a LOT of great resources that address this stuff. I’d highly recommend his book “Ultimate MMA Conditioning,” and if you’d like a brief primer on his work, you should check out this lecture.
  3. These two fantastic review articles (One, Two).
  4. Discussions with my friend Alex Viada, who specializes in improving peoples’ endurance while also making them jacked. If this subject interests you, I’d highly recommend his book The Hybrid Athlete.

First things first – a very brief overview of energy systems.

Your body’s No. 1 priority is staying alive. To do that, it has to produce energy at roughly the same rate you expend it. The metabolic currency of your body is ATP. There are two main ways your body regenerates ATP to produce energy: with oxygen (aerobic) or without oxygen (anaerobic).

Your body can produce energy much faster anaerobically. The fastest way is by using stored ATP, and replenishing ATP directly from phosphocreatine (PCr). However, this only lasts for 8-12 seconds. The next fastest way is by anaerobic glycolysis, which lasts for a few minutes, but which also causes acute muscular fatigue pretty quickly and doesn’t harvest very much ATP per molecule of glucose used.

Your body can produce energy aerobically for a very, very long time, getting every little bit of ATP out of each molecule of glucose or fat used. However, aerobic energy production is quite a bit slower than anaerobic energy production.

A one-rep max attempt relies almost exclusively on the anaerobic energy systems, particularly the anaerobic alactic (ATP/PCr) system. So, the thinking goes, since the aerobic energy system is almost entirely irrelevant when you’re on the platform, it must not matter very much for powerlifting.

This article explores why that’s shortsighted thinking. While your aerobic system isn’t doing much for you when you’re actually on the platform, it sehr strongly influences how hard you can train, which is ultimately what allows you to put up big numbers on the platform.

Kontext

Lifting weight is metabolically taxing. Studies have found that doing 4 sets of 8 deadlifts with 175 kilograms burns about 100 calories. That’s roughly the amount of energy you’d burn running a mile if you weigh 130lbs, or running half a mile if you weigh 260lbs. Those numbers may not mean much to you right now, but I’ll show you why they’re important later.

An important thing to keep in mind is the “cost” of producing a given amount of energy aerobically versus anaerobically. We fatigue during exercise for a variety of reasons. I won’t even try to go through all of them here (and even if I did, all I could do is recount the best guesses we have right now. Because fatigue is so multifactorial and difficult to study, we really don’t know for sure what causes it, in all – or most – cases), but it’s pretty well-understood that burning through a ton of energy anaerobically in a short period of time is quite a bit more fatiguing than producing energy aerobically.

This is due to both local and central factors. Local factors have to do with substrate depletion (burning through PCr stores and, to a lesser degree, muscle glycogen), changes in ion concentrations that decrease the excitability of the muscle, and increases in metabolite concentrations and rather large decreases in muscle pH that can influence how hard the muscle can actually contract. Central factors mainly have to do with decreased oxygen availability, increases in certain inflammatory chemicals, a slight drop in blood pH, and other such factors that increase your brain’s perception of fatigue.

With aerobic energy production, you get a more modest drop in muscle pH and a much slower depletion of energy substrates. Central fatigue can certainly set in eventually, but it takes MUCH longer – usually accumulated fatigue after hours of continuous, strenuous activity or weeks of hard training.

Essentially, the more energy you can produce aerobically to meet a certain demand, the less you have to produce anaerobically, so the less fatiguing a given amount of training will be.

Reps and Fatigue Per Set

It’s important to keep in mind that even things we consider purely anaerobic still have an aerobic contribution, and it’s often larger than we think. For instance, this study showed that even for a 200m sprint (

20 seconds of all-out effort), about 30% of the energy produced was produced aerobically. For the 400m, 800m, and 1500m runs (considered heavily anaerobic events – especially the 400m and 800m), the aerobic energy system was already contributing more than half the energy produced by 15-30 seconds into the run. Even for relatively short efforts (like a heavy set of 5) the aerobic system is producing almost a third of the energy needed, and for higher rep sets, it’s producing more than half the energy.

The implication: The more powerful your aerobic energy system, the more reps you’ll be able to do with a given weight or percentage of your max, because every bit of energy you can produce aerobically is that much less that you have to produce anaerobically, which pushes off those factors that cause acute muscular fatigue. Also, if you do the same number of reps with a given amount of weight, less of the energetic contribution will come from your anaerobic energy systems, so the set will be less fatiguing. So you’re either looking at more work and the same fatigue, or the same amount of work with less fatigue either way, you win.

This actually relates to a past article about sex differences: Women can generally do more reps with a given percentage of their 1rm because they generally have higher aerobic and lower anaerobic capacity per pound of lean body mass than men.

Recovery Between Sets

Although you’re obviously very reliant on your anaerobic system when you’re actually lifting the weights, what energy system do you think you use to recover between sets?

Your aerobic system is what produces the energy necessary to restore intracellular ATP and PCr levels, metabolize lactate, and generally get you headed back toward homeostasis so you can perform the next set. Better aerobic conditioning means you’ll recover faster between sets (and since you’ll be somewhat less reliant on your anaerobic system for each set, they’ll be less fatiguing in the first place) so you can handle higher total training volume.

If You Plan on Getting Stronger

Let’s revisit the studies showing that you burn about 100 calories deadlifting 175kg for 4 sets of 8. We’re going to use those numbers as a yardstick for a bit.

They found that energy expenditure was directly (and quite strongly) correlated to the amount of work being done. Work scales directly with the amount of weight on the bar. Lifting 100kg is twice as much work as lifting 50kg.

So, if you deadlift 175kg for a set of 8, you burn

25 calories. If you deadlift 87.5 for a set of 8, you’d only burn about 12.5 calories. If you deadlift 350kg for a set of 8, you’d burn about 50 calories.

This is why a new lifter may be able to bang out sets of 10 squats while barely breaking a sweat, whereas a tough set of 10 may floor a stronger lifter. If you’re lifting twice as much weight, you’re burning through twice as much energy in the same amount of time, probably with a larger proportion coming from anaerobic sources.

So, if you plan on getting stronger – especially if you plan on getting really strong – it would probably behoove you to improve your aerobic conditioning. If it’s not a limiting factor now, it very well may become one as your lifts increase.

As The Workout Wears On

As you move through a workout, you become even more reliant on your aerobic energy system. One study illustrated this beautifully using 30-second rounds of all-out cycling, interspersed with 4 minutes of rest. Total work dropped from 18.7kJ in the first round to 13.8kJ by the third, illustrating the effect of fatigue.

More importantly, however, this study showed how the participants were producing energy for each round. These charts show the difference between their first and third sprints.

In the first, ATP/PCr and anaerobic glycolysis carry most of the load for the first six seconds, ATP/PCr drops off between 6-15 seconds while the aerobic system picks up more of the load, and by the last 15 seconds the aerobic system is doing about 50-60% of the work.

Contrast that with the third sprint where anaerobic glycolysis is nowhere to be found, and the aerobic system is doing the vast majority of the work from 6 seconds onward. Basically, after the first sprint, ATP/PCr gives you a 6 second burst, but after that, it’s all up to the aerobic system.

You may be thinking, “But Greg, I’m lifting weights, not cycling. And besides, aren’t those all-out bike sprints supposed to be the most brutal thing in the world?”

Nicht ganz. They’re the most brutal test that’s used consistently in research, but only because there aren’t enough 700-pound squatters for the “set of 10 squats with 500lbs” protocol to be very popular.

The brutal cycling sprints are known as the Wingate Test, and going off normative data I found, they don’t hold a candle to our set of 8 deadlifts with 175kg. The mean for average power in the Wingate Test (for men) is 562.7 Watts, and the highest value in the dataset was 711.0 Watts. Watts are Joules per second, so you multiply those numbers by 30 to get Joules (16,881 average and 21,330 for the highest value), divide by 1000 to get kilojoules (16.9 and 21.3, respectively) then divide by 4.184 to get kcals (4.04kcals and 5.09kcals). Since energetic efficiency for cycling is roughly 25% – meaning for every calorie burned, you only do about .25 calories worth of work on the bike – you end up looking at total caloric expenditure of 15-20kcals.

So a set of 8 deadlifts with 175kg burns roughly 25-60% more calories in roughly the same amount of time as the brutal Wingate Test. Similar values were obtained for the study referenced above – 18.7kJ on the first sprint is about 4.47kcals of work and 18kcals burned, and 13.8kJ on the third sprint is a scant 3.30kcals of work and 13kcals burned.

All of which means, the riesig shift away from anaerobic reliance and toward aerobic reliance from sprint 1 to sprint 3 not only applies to picking up heavy things, but probably understates the degree of the shift since the energy demands per set are considerably higher, especially if you’re quite strong. Unless you’re only doing heavy singles or doubles (to fit within that short window where you can rely strongly on ATP/PCr), your training probably relies at least as much (and probably more) on your aerobic energy system as your anaerobic energy system.

Injury Risk

Athletes become more susceptible to injury as they become fatigued. They lose a bit of coordination, and muscles themselves become less capable of absorbing force before a muscle strain occurs.

I’m not going to pretend like I have data to support this point, but I have seen my fair share of weight room injuries (and have had my own share of little muscle strains), and it’s pretty rare to see someone get injured on their first heavy set or two. It generally seems to happen later in the workout after fatigue has started to accumulate, which makes sense: more fatigue = more susceptible to injury. It doesn’t seem like too much of a stretch to assume that better aerobic fitness – meaning less fatigue per set and better recovery between sets – could reduce your injury risk in the gym.

Recovery Between Sessions

A central adaptation to aerobic exercise is increased parasympathetic nervous system (“rest and digest”) activity and decreased sympathetic nervous system (“fight or flight”) activity at rest. This means that between workouts, your body stays in a more robust recovery state.

Substrate Usage

Another adaptation to aerobic training is decreased carbohydrate usage and increased fat usage at any exercise intensity. This is probably more beneficial for a sport like CrossFit that has higher volume workouts, and whose competitions include multiple events per day over multiple days – sparing as much muscle glycogen as possible becomes a precious thing. But even in the case of powerlifting, a shift in substrate usage could make a small difference, especially in a calorie deficit if glycogen stores are already low since glycogen concentrations influence perceived exertion low glycogen just makes everything feel harder, and improved aerobic capacity spares glycogen.

Drawbacks

Now that I’ve made aerobic training sound like the best thing since sliced bread, it’s time to discuss the drawbacks. The most obvious is the “interference effect.”

A lot of the ways your body tries to adapt to aerobic training are in direct opposition to the ways your body tries to adapt to resistance training. Different metabolic pathways (AMPK vs. mTOR, though that’s not as problematic as most people think), using energy toward muscle protein synthesis vs. mitochondrial biogenesis, upregulation of aerobic vs. glycolytic enzymes, etc.

However, rumors of the interference effect, it seems, have been greatly exaggerated. At least, the meta-analysis on the subject found that it’s not aerobic exercise an sich that causes the interference effect, but rather running in particular, probably related to the repeated eccentric stress of running. Cycling, on the other hand, did not hinder strength and muscle gains when combined with strength training.

Exactly zero track cyclists reading this article are at all surprised by that finding (refer to the picture at the top of the article).

The other drawback is simply the time commitment. Yes, it takes time. However, keep in mind that when talking about cardiovascular training for powerlifters, the goal isn’t to log 100 miles per week to qualify for the Boston marathon. It’s to attain a basic level of conditioning to fuel the energetic demands of training. For most people, you can accomplish that in 2 hours per week or less.

Can’t I Just Lift Weights?

Jawohl. Irgendwie. Actually, training to muscular failure hat been shown to cause robust gains in aerobic capacity. However, most of the gains result from local tissue-level adaptations, not the global adaptations that come with dedicated cardiovascular training (increased cardiac stroke volume and increased oxygen carrying capacity being two biggies. They may be increased somewhat with strength training, but not to the same degree). These tissue-level adaptations shouldn’t be discounted, but if all you do is lift weights to failure, you’re still missing out on some of the potential benefits.

What About Intervals?

The answer for this is essentially the same as the previous one: Yes, interval training can improve aerobic capacity by itself, and yes, it’s much more time-effective than low-intensity cardio. Intervals also improve anaerobic capacity to a much greater degree than aerobic training does. However, while you get some of the benefits you’d get from low intensity cardio, you don’t get all of them.

Furthermore, interval training is much more “costly” in terms of recovery, related to those central fatigue factors I briefly touched on earlier. Hopping on a stationary bike for 30 minutes with your HR at 130-135 won’t really affect your training very much tomorrow. Doing a few tough rounds of intervals (assuming you’re going hard enough to actually make them effective) can really put a dent in your ability to recover from your strength training, though. The idea of improving your conditioning in less time while doing fun movements sounds great on paper, but you pay for these advantages in how intervals can negatively impact the rest of your training.

Putting It All Together

The best conditioning plan for powerlifting will combine several different modalities (low intensity cardio, lifting to failure, and high intensity intervals) with an emphasis on minimizing the impact conditioning work will have on your heavy strength training.

My general recommendations:

  • Start slow. 2 sessions per week, both low intensity, and only 20-30 minutes per session with your HR around 130, or 60-70% of max heart rate. A bike is best, but incline treadmill walking is also a good alternative.
  • Only increase aerobic training load when you need to. Track your resting heart rate (measured first thing in the morning) and the work rate you have to maintain to hit a HR of 130. As long as your resting heart rate is trending down and/or you can pedal faster/against more resistance or walk faster/at a greater incline week to week, then don’t make increases.
  • Make increases slowly – 10 minutes more aerobic work per week. Evaluate your conditioning as you go. Your resting HR should end up somewhere in the 50s, and you shouldn’t have any issues recovering between sets. You should notice that the amount of training you can handle has increased quite noticeably as fatigue during training decreases, and recovery from training increases. Once you find your minimum effective dose for maintaining that level of conditioning, stay there – don’t do more for its own sake.
  • Once you reach three weekly sessions of 40 minutes apiece (again, only making increases as needed), evaluate your level of conditioning again if you’re still not sufficiently conditioned (see the previous point).
  • If your aerobic fitness plateaus at that level of low-intensity training, you may need to start including interval training. Start conservatively – 3-4 rounds of 1 minute intervals with 2-3 minutes of rest in between. Choose low-skill movements (NOT sprinting or weightlifting) like cycle sprints or kettlebell swings. Again, monitor improvements and only increase as necessary.
  • Do 2-3 sets to failure per muscle group, per week. Save this for your accessory work – going to true failure on squats or deadlifts regularly probably isn’t the smartest idea. You can get the same local aerobic adaptations with safer exercises. This is perfect for isolation work, actually. If someone tries to hate on you for being a bro and doing pec flyes or leg extensions, you can say you just care about maximizing mitochondrial biogenesis, thank you very much.

Wrapping it up

Whether we’re talking about the Chinese weightlifting team’s morning jogs, Andre Malanichev’s 10km runs, or Chad Wesley Smith who does enough cardio that he’s only a couple seconds off the world record 500m row, a lot of the best lifters in the world already know how dedicated aerobic work can benefit their training. Especially if you’re finding yourself huffing and puffing between sets or having issues recovering between workouts, improving your cardiovascular conditioning may be exactly what you need to keep moving forward and getting stronger.

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About Greg Nuckols

Greg Nuckols has over a decade of experience under the bar, a BS in Exercise and Sports Science, and a Master's in Exercise Physiology. He’s held 3 all-time world records in powerlifting in the 220 and 242 classes.

He’s trained hundreds of athletes and regular folks, both online and in-person. He’s written for many of the major magazines and websites in the fitness industry, including Men’s Health, Men’s Fitness, Muscle & Fitness, Bodybuilding.com, T-Nation, and Schwarzenegger.com. Furthermore, he’s had the opportunity to work with and learn from numerous record holders, champion athletes, and collegiate and professional strength and conditioning coaches through his previous job as Chief Content Director for Juggernaut Training Systems and current full-time work here on Stronger By Science.

His passions are making complex information easily understandable for athletes, coaches, and fitness enthusiasts, helping people reach their strength and fitness goals, and drinking great beer.


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