American Journal of Clinical Nutrition Vol. 72, No. 2, 647S-652s, August 2000

Витамин E, витамин С и физическая нагрузка

William J Evans
From the Nutrition, Metabolism, and Exercise Program, University of Arkansas for Medical Sciences, Little Rock.

Реферат

Физическая нагрузка увеличивает генерацию свободных радикалов и перекисное окисление липидов. Серьезная физическая нагрузка у человека, непривычного к ней, стимулирует окислительное повреждение и приводит к повреждению мышц. Однако, аэробные нагрузки усиливают систему антиоксидантеой защиты, увеличивая уровни супероксиддисмутазы. Было показано, что витамин С и особенно витамин E, уменьшают индуцированное физической нагрузкой увеличение перекисного окисления липидов. Никаких эргогенных эффектов витамина С или E не было обнаружено. Было показано, что витамин E значительно увеличивает уровни нейтрофилов у пожилых, но не у молодых индивидуумов при интенсивной физической нагрузке, которая причиняет повреждение скелетных мышц. Кроме этого, витамин E вызывает увеличение активности креатинкиназы, возможно указывая на восстановление скелетных мышц. Увеличение употребления витамина E было связано с увеличением толерантности к глюкозе и чувствительности к инсулину а также улучшением статуса липопоротеинов. Будущие исследования должно изучить объединенный эффект физической нагрузки и витаминов E и C на здоровье.

Введение

Свободные радикалы, которые являются веществами, имеющими непарный электрон, могут повреждать молекулы, которые являются важными для функции клеток. Эти вредные свободнорадикальные реакции также могут быть произведены различными факторами внешней среды. Радикалы формируются во внутренней митохондриальной мембране. Радикалы могут вызывать цепные реакции в фосфолипидах, ведя к мембранному перекисному окислению липидов и нарушению двухслойной организации мембраны, которая является необходимой для мембраносвязанных ферментов и рецепторных функций. В условиях окислительного стресса, производится большое количество радикалов, превышающее возможности клеточной системы антиоксидантной защиты и приводящее к окислению полиненасыщенных жирных кислот в мембранных структурах. Перекисное окисление липидов также производит реактивные свободные радикалы и токсические альдегиды, которые могут полностью инактивировать ферменты и другие компоненты клеток. У клеток есть различные ферментативные и неферментативные системы антиоксидантной защиты, чтобы защитить мембраны и другие органеллы клеток от разрушительного действия свободнорадикальных реакций.

Физическая нагрузка увеличивает генерацию свободных радикалов и перекисное окисление липидов. Стресс физической нагрузки у непривычного к ней индивидуума, стимулирует окислительное повреждение и приводит к повреждению мышц. Длительная, близкая к максимально переносимой физическая нагрузка может привести к повреждению всех мышц (1) и скелетных мышц (2) побочными продуктами перекисного окисления липидов. Эти исследования указывают, что значительно увеличенное потребление кислорода (увеливается в 100 раз в скелетных мышцах) замеченное при физической нагрузке, производит радикалы, которые связаны с вредными эффектами.

Норма потребления кислорода и наличие клеточных систем антиоксидантной защиты влияют на величину окислительного повреждения в результате физической нагрузки (3, 4). Несколько in vivo и in vitro исследований показали прямые и косвенные доказательства генерации свободных радикалов в течение и после физической нагрузки (5, 6). Ранние события при повреждении, вероятно, происходят при интенсивных сокращениях мышцы (7), и эти события происходят раньше, чем фагоцитирующие клетки приходят к участкам повреждения. Кроме специфических событий, которые происходят при интенсивном сокращении мышц, происходят метаболические события, являющиеся следствием деградации мышечных белков, которые продолжаются достаточно долго после первоначального повреждения (5).

Нарушение гомеостаза Ca²⁺ может быть важным при повреждении мышц. Недостаток тиолов и увеличение внутриклеточного Ca²⁺ может усиливать генерацию свободных радикалов. Cannon (8) обнаружил значительную связь между свободными радикалами и плазменной активностью креатинкиназы. Кроме того, было показано, что изнуряющий бег уменьшает окислительную способность митохондрий жировой ткани у крыс (9).

Свободные радикалы, произведенные в течение или после физической нагрузки могут происходить из нескольких источников: 1) митохондрии; 2) капиллярный эндотелий; 3) воспалительные клетки, мобилизованные в результате повреждения мышечной ткани.

Витамин E

Витамин E (альфа-токоферол) обнаружен в мембранах фактически всех клеток, но главный запас мембраносвязанного витамина E находится во внутренней митохондриальной мембране (10). Содержание витамина E в скелетных мышцах составляет ~50 % от уровней, замеченных в печени, сердце и тканях легкого (~20-30 nmol/g). Недавно, Meydani (11) исследовал влияние употребения витамина E (800 милиграмм all-rac-альфа-токоферола в день) в течение 30 дней на его концентрацию в скелетных мышцах. Плазменная концентрация альфа-токоферола сначала увеличилась на 300 %, а затем уменьшилась на 74 % в пределах 15 дней после начала употребления и впоследствие поддерживалась постоянной. Биопсия мышц показала значительное увеличение уровней альфа-токоферола (53 %).

Исследователи наблюдали значительную обратную связь между плазменной концентрацией альфа-токоферола и процентом волокон мышцы тип I. Это указывает, что для минимизизации окислительного стресса, физически активные люди с высоким процентом мышечных волокон тип I могут иметь большую потребность в витамине E чем люди, с большим количеством мышечных волокон тип II. Дефицит витамина E, главного антиоксиданта в клеточных мембранах, увеличивает восприимчивость к свободнорадикальному повреждения у крыс, ведет к раннему истощению (хроническое уменьшение выносливости на 40 %) и большему повреждению лизосомных мембран (2).

Витамин С

Витамин С (аскорбиновая кислота) находится в цитосомах клеток и служит донором электронов для радикалов витамина E, произведенными в клеточной мембране в процессе окислительного стресса (12). Плазменные уровни витаминов E и C, которые имеют потенциальную антиоксидантную активность, увеличивались после физической нагрузки (10, 13-15). У крыс, физическая нагрузка максимальной интенсивности, уменьшала концентрацию витамина E в скелетных мышцах (16).

Только несколько работ изучили связь между витамином E и физической нагрузкой у человека. Полученные данные говорят, что прием витамина E редуцирует окислительный стресс и перекисное окисление липидов и что требования дополнительного витамина E могут увеличиваться при физической нагрузке. Перекисное окисление липидов, увеличенное после физической нагрузки, редуцируется витамином Е (17). Sumida (15) обнаружил, что витамин E уменьшает индуцированное физической нагрузкой увеличение циркуляции глютаминово-щавелевоуксусной трансаминазы, b-глюкуронидазы и перекисное окисление липидов. Meydani (18) исследовал защитный эффект витамина E на индуцированный физической нагрузкой окислительный стресс у молодых и пожилых мужчин и женщин. Во всех группах эти исследователи показали, что употребление 800 милиграмм витамина E в течение 48 дней снижало индуцированное физической нагрузкой увеличение окислительного повреждения, что проявлялось сохраненим жирных кислот в мышцах и уменьшением экскреции аддуктов тиобарбитуровой кислоты с мочой. Это исследование подтвердило, что антиоксидантные свойства витамина E могут редуцировать мембранное повреждение после физической нагрузки у нетренированных пациентов, но нет данных, что витамин E приносит пользу хорошо тренированным атлетам.

До настоящего времени, ни одно исследование не показало эргогенного эффекта витамина E. Как показал Clarkson (20), при проведении стандартных тестов, например измерения максимального поглощения кислорода, силы мышц (22), выносливости или концентрации лактата в крови (23), кардиореспираторных тестов (21), в двойном-слепом плацебо-управляемом исследовании не было обнаружено влияния продолжительного приема витамина E. Данные Simon-Schnass и Pabst (24) предполагают эргогенный потенциал витамина E. Эти исследователи сообщили об увеличени анаэробного порога и уменьшении производства пентана при эргометрии в условии высокогорья.

Подавляющее большинство исследователей пришли к согласию, что витамин С не имеет никакого эргогенного эффекта у человека. Однако, витамины могут иметь важные эффекты на атлетов, более тонкие, чем просто уменьшение времени прохождения дистанции.

Индуцированное физической нагрузкой повреждение мышц и возрастные изменения

Марафонский бег может причинять обширное повреждение скелетных мышц (29, 30). При изучении материалов биопсии мышц через несколько дней после бега, Warhol (30) обнаружил характерный паттерн повреждения мышц у марафонцев, с разрывом саркомеров на уровне Z-полос. Митохондриальные и миофибриллярные повреждения восстанавливались через 3-4 недели после марафона. Биопсия, проведенная позже (8-12 недель после бега), показала характерный клеточый регенеративный ответ.

Ультраструктурные повреждения мышц наблюдаются много позже после начального разрушительного эфффекта физической нагрузки. Например, Friden (31) обнаружил более сильное повреждение мышечных волокон через 3 дня, чем через 1 час после интенсивного бега. Кроме того, Newham (26) показал, что биопсия выполненная через 24-48 часов, показала более существенные повреждения. Эти данные указывают на продолжающийся процесс восстановления скелетных мышц, состоящий из усиления деградации поврежденных белков и увеличения скорости белкового синтеза.

После высоко интенсивной нагрузки у малоподвижных людей наблюдалось длительное повреждение мышечных белков, на что указывает высокое отношение 3-метилгистидин / креатинин в моче, которое было максимальным через 10 дней (32). Кроме того, уровни интерлейкина-1 у этих индивидуумов увеличились через 3 часа после нагрузки. Тренированные люди, при той же нагрузке не имели увеличения уровня интерлейкина-1, но их плазменные уровни интерлейкина-1 в состоянии покоя были значительно выше, чем у нетренированных индивидуумов.

Повреждение ткани, также как и инфекция, стимулирует широкий диапазон защитных реакций, известных как остро-фазовый ответ (33). Этот ответ важен вследствие его антивирусного и антибактериального действия и также для дальнейшего восстановления поврежденной ткани. В пределах нескольких часов после повреждения или нагрузки (34), число циркулирующих нейтрофилов может увеличиваться в несколько раз. Нейтрофилы группируются к месту повреждения, где они фагоцитируют ''обломки (debris)'' ткани и высвобождают факторы типа лизоцима и свободных радикалов, которые, как известно, увеличивают повреждения белков (35). Большее увеличение числа нейтрофилов наблюдается после экстремальной нагрузки, чем после умеренной (36). Хотя нейтрофилы имеют относительно короткий период жизни (1 или 2 дня) в пределах ткани (37), продолжительность жизни моноцитов может быть 1-2 месяца после их миграции в поврежденную ткань (38).

Реальное накопление моноцитов в скелетных мышцах было обнаружено у марафонцев в возрасте 20-50 лет, чей рейтинг располагался от элиты (мировые рекордсмены) до любителей, которым потребовалось более 3 часов, чтобы закончить марафон (30). Каждый марафонец, однако, показал свой лучший результат. В другом исследовании, накопление моноцитов в мышцах не было замечено до 4-7 дня после экстремальной нагрузки (39, 40). В дополнение способности фагоцитировать поврежденную ткань, моноциты выделяют цитокины типа IL-1 и фактора некроза опухоли. Эти, и другие цитокины участвуют в широком диапазоне метаболических событий, которые воздействуют фактически на каждую систему организма. Fielding (41) обнаружил, что сразу после скоростного спуска, уровень IL-1b был увеличен на 135 % и на 250 % через 5 дней. Внутримышечная агрегация нейтрофилов коррелировала с уровнями IL-1b. Кроме того, при использовании ультраструктурного анализа, исследователи отметили значительную связь между процентом поврежденных Z-полос и накоплением нейтрофилов, указывая что накопление нейтрофилов в ткани после экстремальной нагрузки может быть связано с наблюдаемым повреждением мышц.

Увеличение уровней цитокинов при инфекции или повреждении имеют различное и избирательное действие. При инфекции, IL-1b повышает температуру тела (42). У лабораторных животных, IL-1b и TNF увеличивают протеолиз мышц и освобождение аминокислот (43), возможно обеспечивая субстрат для увеличения синтеза белков печени. Хотя уровни у человека IL-1b быстро увеличиваются при экстремальной нагрузке (44), через 24 часа они возвращаются к уровням в состоянии покоя. Биопсия латеральной широкой мышцы (vastus lateralis), сделанная сразу и через 5 дней у спортсменов после скоростного спуска, показала немедленное и продолжительное увеличение уровней IL-1b (45). Ранее, Jeng (46) исследовал действие витамина E (400 милиграмм) или витамина С (1 г), или обоих витаминов и обнаружил, что комбинация витаминов имеет больший эффект на стимулирование производства IL-1b и TNF-альфа чем каждый витамин раздельно. Эти данные могут указывать, что после повреждения мышцы, витамины E и C вызывают большие уровни цитокинов в мышцах и, в результате, улучшают адаптивный ответ.

Интенсивная нагрузка увеличивает количество нейтрофилов в скелетных мышцах (34). Нейтрофилы и мононуклеарные клетки могут служить источником свободных радикалов, которые могут вызывать отсроченное во времени увеличение ультраструктурных повреждений (2). Свободнорадикальные процессы также могут быть непосредственно связаны с отсроченным функциональным повреждением мышц. Zerba (47) исследовал мышцы у молодых, взрослых и старых мышей после повреждения. Повреждение мышц было оценено измерением максимальной изометрической силы и при морфологической оценке повреждений. Через 3 дня после повреждения, сила мышц у старых мышей была на ~15 % ниже чем у молодых и взрослых мышей. Эти исследователи также обнаружили, что гликоль-супероксиддисмутаза обеспецивала меньшее повреждение и значительно большую силу мышц. Интересно, что гликоль-супероксиддисмутаза обеспечивала некоторую защиту от повреждения через 10 минут после нагрузки у старых животных. Эти данные указывают, что 1) мышцы старых мышей более восприимчивы к повреждению чем мышцы молодых и взрослых мышей, 2) защита от действия свободных радикалов обеспечивает некоторую защиту от отсроченного повреждения мышцы, и 3) свободные радикалы также вносят вклад в начальное повреждение.

Manfredi (48) обнаружил значительно большие ультраструктурные повреждения мышц у пожилых людей после 45 минутной физической нагрузки высокой интенсивности, чем у молодых. Возможно, скелетные мышцы пожилых людей могут быть более восприимчивы к повреждениям, индуцированных физической нагрузкой, чем у молодых. По сравнению с молодыми людьми, пожилые обычно менее активны (49) и меньшая физическая активность может увеличивать степень повреждений, индуцированных физической нагрузкой. Byrnes (50) показал, что повреждение мышц через 6 недель значительно уменьшаются после последующих циклов физической нагрузки. Armb (51) отметил, что некоторые волокна мышцы имеют большее количество повреждений, чем другие, предполагая, что некоторые волокна могут быть более восприимчивы к повреждению. Мышцы пожилых индивидуумов могут иметь большее количество этих восприимчивых волокон. Это характерное повреждение, замеченное у пожилых индивидуумов также может быть следствием накопления окисленных форм белков (52). С увеличением возраста, перекисное окисление липидов скелетных мышц (также как действие антиоксидантных ферментов), увеличивается (53). Накопление окисленных белков в мышцах может указывать, что с возрастом, увеличение перекисного окисления липидов происходит быстрее, чем увеличение активности антиоксидантных ферментов.

Cannon (34) сообщил о значительно уменьшенном ответе нейтрофилов у нетренированных пожилых людей (средний возраст 55-74 лет) по сравнению с молодыми (возраст 22-29 лет) в течение 24 часов после 45-минутного бега. Кроме того, у пожилых людей наблюдалось значительно уменьшенное и задержанное во времени увеличение плазменной активности креатинкиназы, чем у молодых. Возможно, это является следствием уменьшенной способности пожилых людей проявлять остро-фазовый ответ на повреждение мышц. В этом исследовании, витамин E (800 милиграмм альфа-токоферола в течение 2 месяцев до нагрузки), значительно повышал уровни нейтрофилов и активность креатинкиназы после нагрузки только у пожилых индивидуумов. Витамин E у молодых людей не имел никакого эффекта. Пиковые концентрации креатинкиназы коррелировали (r = 0.751, P < 0.001) с концентрацией перекиси, производимой нейтрофилами. Связь этого фермента с активацией нейтрофилов в скелетных мышцах поддерживает концепцию, что нейтрофилы участвуют в увеличении проницаемости мышечной мембраны после повреждения. Эти данные указывают, что витамин E может влиять на скорость восстановления скелетных мышц после повреждения и что этот эффект могут быть больше у пожилых индивидуумов.

Согласно Jacob и Burri (54), ''Увеличение производства реактивного кислорода - особенность большинства, если не всех болезней человека, включая болезнь сердечно-сосудистой системы и рак '' (страница 987). Употребление витамина E и C, возможно, уменьшает риск развивития катаракты и некоторых видов рака.

Borkman (55) описал сильную связь между составом жирных кислот в скелетных мышцах и чувствительностью к инсулину. В первом из 2 экспериментов, проводилась биопсия прямой мышцы живота (rectus abdominis) у 27 пациентов, у которых проводилась операция на коронарных артериях, и состав жирных кислот этих образцов затем коррелирорвался с серологическими урорвнями инсулина. Концентрация инсулина не коррелировала с процентом полиненасыщенных жирных кислот в фосфолипидной фракции мышцы, особенно арахидоновой кислотой (r = -0.63, P < 0.001). Во втором эксперименте, подобный анализ был выполнен у 13 здоровых мужчин (в возрасте 30 ± 11 лет). В этом эксперименте, процент полиненасыщенных жирных кислот сильно коррелировал с чувствительностью к инсулину. Авторы предположили, что вариации чувствительности к инсулину связаны с различиями в содержании полиненасыщенных жирных кислот в фосфолипидах скелетных мышц и ненормальности состава жирных кислот в мембранах, могут участвовать в патогенезе группы болезней, связанных с резистентновтью к инсулину и гиперинсулинемией. Диабет второго типа связан с увеличенным производством свободных радикалов (56), перекисным окислением липидов и уменьшением плазменных уровней витамина E и супероксиддисмутазы (57). Также было показано, что фармакологические дозы витаминов E и C увеличивают инсулин-стимулированное усвоение глюкозы (58-60). Возможно наблюдаемое влияние витамина E на углеводный обмен - результат уменьшенного перекисного окисления липидов и большей сохранности полиненасыщенных жирных кислот в мембранах мышц. Paolisso (60) обнаружил, что витамин E может редуцировать окислительный стресс при диабете 2 типа и, таким образом, улучшать физические характеристики клеточных мембран.

Заключение

Физическая нагрузка значительно увеличивает производство свободных радикалов у человека. У нетренированных людей, пожилых, женщин, и у индивидуумов с неадекватной системой антиоксидантной защиты, наблюдается перекисное окисление липидов, которое может причинять повреждение скелетных мышц. Подавляющее число исследований сходятся во мнении, что витамин E или C не имеют никакого эргогенных эффекта на аэробную способность или силу мышц. Однако, влияние этих антиоксидантов могут быть более тонкими. Защита от генерации свободных радикалов и перекисное окисления липидов, наблюдаемых у нетренированных людей при физической нагрузке и улучшение остро-фазового ответа на интенсивную нагрузку у нетренированных пожилых пациентов указывает, что витамин E может иметь выгоду при адаптивном ответе на физическую нагрузку. Кроме того, витамины E и C могут иметь аддитивный или синергичный эффект, когда используются при регулярных тренировках.