Влияние креатиновых добавок на окислительный стресс и физические упражнения

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

В настоящее время в индустрии спорта все более популярными становятся различные биологически активные добавки, эргогенные средства, способствующие поддержанию физической формы и улучшающие адаптацию организма к продолжительным физическим нагрузкам [1]. В связи с этим, все больше исследований проводится с целью изучить эффекты эргогенных средств на биологические процессы и разработать программы для улучшения влияния физических упражнений на организм человека [1–3]. Креатин — аминокислота, синтезируемая из аргинина, глицина и метионина, содержащаяся в продуктах животного происхождения [4]. В последнее время активно изучается антиоксидантный эффект креатина и роль креатиновых добавок в адаптационных процессах при физических нагрузках различной интенсивности [3, 5].

Цель работы — провести обзор имеющейся литературы для оценки роли креатиновых добавок в процессах окислительного стресса при физической активности.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалом для настоящего исследования послужили научные публикации, посвященные проблеме применения креатиновых добавок к пище для корректировки окислительного стресса, в том числе в условиях повышенной физической активности. Поиск проводился по ключевым словам «креатин», «креатиновые добавки», «окислительный стресс», «физическая активность» в библиографических базах данных. Всего в исследование включено 65 статей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Одной из популярных и активно используемых добавок среди спортсменов (всех уровней) во всём мире является креатин. Мировой рынок креатина оценивается в 520 млн долл. к 2024 г. [6]. В 1832 г. французский химик Мишель Эжен Шеврёль определил креатин как природный компонент скелетной мышцы [7], и уже в 1912 году креатин исследуется как пищевая добавка [8]. Креатин активно начал исследоваться в 1990-х годах и оказался существенной темой в различных областях питания и биомедицины. Стало известно его воздействие не только на повышение эффективности физических упражнений, но и позитивное действие на нервно-мышечные заболевания, посттравматическую реабилитацию, а также старение [9]. Кроме всего прочего, именно в 1990-е гг. стал популярен набор веса и мышечной массы, поэтому креатину были причислены мифы, повествующие о его вреде и бесполезности. Хотя все эти мифы были развеяны в результате непосредственных доказательств и исследований, всё же остались источники, в которых до сих пор циркулирует ложная информация.

Что же касается антиоксидантного преимущества креатина, то оно может быть обусловлено функциональными механизмами, которые принимают участие в стабилизации клеточной мембраны и улучшении энергетической ёмкости клетки, и прямыми антиоксидантными свойствами [10]. Оксидативный стресс снижает прочность и эффективность [11]. Активные формы кислорода (АФК) способны индуцировать утомляемость скелетных мышц, снижая кальциевую чувствительность [12] и снижая максимальную силу, активируемую кальцием [13]. АФК — это молекулы свободных радикалов, которые посредством окисления могут изменять клеточные соединения: липиды, белки, ДНК [14]. Эти формы кислорода также ассоциированы с некоторыми заболеваниями, такими как онкология, сердечно-сосудистые заболевания, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и т. д. [15]. Увеличение продуцирования АФК в следствие определенных заболеваний или физических упражнений может превысить ёмкость антиоксидантной системы, что может привести к возникновению окислительного стресса и дисфункции. Однако, его преобладающее влияние на здоровье человека всё еще считается спорным [16].

Физические упражнения являются одним из состояний, ассоциированных с повышением оксидативного стресса [17]. Физические нагрузки способны оказывать как положительные, так и негативные эффекты на окислительный стресс [18]. Высокоинтенсивные тренировки могут привести к временному дисбалансу между производством и удалением видов активного кислорода/азота, что ведет за собой окислительный стресс. Хотя индуцированные физической нагрузкой АФК необходимы для продукции естественной мышечной силы, высокий уровень АФК, по-видимому, вызывает дисфункцию сокращения [19]. Производство активных форм кислорода, индуцированное физическими упражнениями, значимо для митохондриального биогенеза, вызванного тренировками, так как АФК используются в качестве сигнальных молекул для активации окислительно-восстановительных сигнальных путей [20]. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что интенсивность и продолжительность тренировок связаны с оксидативным стрессом у людей, что было подтверждено несколькими исследованиями [21, 22]. Интенсивные тренировки или физические нагрузки у неподготовленных лиц ассоциированы с большим возрастанием окислительного стресса по сравнению с умеренными и регулярными аэробными упражнениями [23]. Кроме всего прочего, длительные регулярные тренировки могут существенно улучшить некоторые механизмы антиоксидантной защиты организма и, тем самым, лимитировать окислительное повреждение митохондрий [24, 25].

Использование антиоксидантных добавок в комплексе с регулярной физической активностью способно сократить пагубное влияние окислительного стресса, вызванного тренировками, и увеличить положительные эффекты физической активности. Креатин — одна из наиболее популярных и узнаваемых добавок для атлетов; он может действовать как клеточный энергетический буфер, увеличивая регенерацию креатинфосфата (CrP) и аденозинтрифосфата (ATP) [26]; более того, соединения креатина могут иметь самые различные эффекты.

Окислительный (оксидативный) стресс — это закрытый физиологический путь, регулируемый антиоксидантными механизмами. Неправильная регуляция окислительного стресса приводит к некоторым рецидивирующим патологическим или физиологическим состояниям. Оксидативный стресс вызывают свободные радикалы — химические соединения (промежуточные продукты обмена веществ), являющиеся реактивными атомами, которые имеют один или несколько непарных электронов и могут образовываться в результате взаимодействия кислорода со специфическими молекулами [27]. Наиболее распространёнными радикалами являются АФК (супероксид, гидроксил, алкоксил, пероксид, перекись водорода) и виды реактивного азота (АФА) (оксид азота, диоксид азота, пероксинитрил); совместно они называются видами реактивного кислорода и азота (АФКА) [28]. Эти радикалы образуются в результате потери или принятия электрона в клетках, в следствие чего ведут себя как окислители или восстановители. К эндогенным источникам АФКА относятся: никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADPH), миелопероксидаза (MPO), липоксигеназа и ангиотензин II [29]. Экзогенными источниками АФКА являются загрязнение воздуха, табак, алкоголь, наркотики, промышленные растворители и т. д., которые метаболизируются в свободные радикалы в организме [30]. Соответственно, эти свободные радикалы образуются в процессе дыхания человека, занятий спортом, приёма пищи и т. д. Поскольку свободные радикалы стимулируют различные биохимические процессы (жизненный цикл клеток, участие в работе иммунной системы), они необходимы в организме на определённом уровне. Антиоксиданты, молекулы, которые их нейтрализуют, как раз контролируют уровень этих радикалов. Пока между этими элементами есть баланс, организм человека здоров и способен быстро восстанавливаться.

Слишком большое количество АФК может привести к необратимым повреждениям биомолекул, белков, углеводов, липидов, РНК и ДНК, провоцирующим патологические процессы и окислительное повреждение тканей [31]. Антиоксидантные системы, представляющие ферментативные (например, супероксиддисмутаза, каталаза и глутатионпероксидаза) и неферментативные (мочевая кислота, билирубин, витамин Е, витамин С, глутатион, аскорбиновая кислота и токоферол) процессы, оба действуют на снижение окислительного потенциала АФК через прямые и косвенные механизмы. Прямые антиоксиданты активируют окислительно-восстановительные реакции, распознают и инактивируют АФК. С другой стороны, непрямые антиоксиданты могут быть способными или не способными активировать окислительно-восстановительные реакции и применять свои антиоксидантные эффекты путём регуляции цитопротекторных белков [32].

АФК участвуют во многих физиологических процессах. Внутриклеточная концентрация активных форм кислорода временно повышается в ответ на такие стимулирующие вещества, как цитокины, факторы роста или иные гормоны; эта картина характерна для многих физиологических процессов, когда высвобождение АФК быстро контролируется антиоксидантными регуляторными механизмами. Если несбалансированный повышенный окислительный стресс подавляет антиоксидантные способности, АФК могут оказать пагубное влияние на процессы, происходящие в организме [33]. Высвобождение активных форм кислорода вовлечено в основные клеточные сигнальные пути и позволяет передавать внеклеточные стимулы и изменения в физиологии клетки путем модуляции транскрипции или посттранскрипционной модуляции некоторых генов. На данный момент известно, что «окислительно-восстановительные» сигнальные пути вовлечены в обеспечение таких важных функций, как образование оксида азота (NO), регуляция тонуса сосудов, клеточная адгезия, иммунные реакции, а также гипоксия и апоптоз [34, 35].

Для оценки влияния физических упражнений на окислительный стресс необходимо понимать, что физические упражнения делятся на две основные группы: тренировки на выносливость и тренировки на сопротивление. Интенсивные аэробные тренировки на выносливость стимулируют АФК и перепроизводят АФА из-за повышенного метаболизма, что приводит к окислительному стрессу и связанным с ним травмам [57]. По оценкам, аэробные упражнения увеличивают O2− в 1–3 раза во время мышечного сокращения [58]. Во время нагрузок на выносливость АТФ расщепляется до аденозиндифосфата (АДФ) для освобождения энергии и поддержания непрерывного сокращения мышц. В некоторых случаях образуется аденозинмонофосфат (АМФ), и в ходе биохимического процесса происходит распад до гипоксантина, ксантина и мочевой кислоты под действием ксантиноксидазы (XO). XO, используя молекулярный кислород, стимулирует формирование O2−, усугубляя этим окислительный стресс [59]. Следует принять во внимание, что необходимо соблюдать особые меры предосторожности при физических упражнениях для людей с таким заболеванием, как астма, которая может спровоцировать образование значительного количества АФК и оксидативный стресс, поэтому польза от упражнений может быть под угрозой [60].

Хотя интенсивные аэробные нагрузки могут быть причиной окислительного повреждения мышечных волокон, регулярные аэробные тренировки помогают увеличить клеточную способность к снижению накопления АФК [61]. Было показано, что регулярные тренировки умеренной интенсивности повышают активность антиоксидантных ферментов [62]. Защита организма от хронического воздействия АФК (от низкого до умеренного) осуществляется путём упражнений посредством элементарного кондиционирования, относящегося к окислительно-восстановительному процессу, действующему как окислительное повреждение [63]. Это приспособление с помощью физических упражнений умеренной интенсивности также включает в себя увеличение антиоксидантной способности миоцитов, что помогает снизить уровень АФК [64]. Кроме того, увеличение формирования АФК в работающей скелетной мышце путем модуляции сокращения играет важную роль в адаптации к нагрузкам [65].

Креатин является метаболитом трёх аминокислот (аргинин, глицин и метионин), которые синтезируются благодаря совместной работе некоторых органов, включая печень, поджелудочную железу и почки [36]. Из продуктов питания говядина является богатым источником аргинина, глицина и метионина. В противоположность этому, все продукты растительного происхождения содержат малое количество глицина и метионина, а большинство растительных продуктов (исключая сою, арахис и другие орехи) также не богаты аргинином [37]. Синтез креатина начинается с аргинина; гуанидиновая группа от аргинина передаётся глицину под действием фермента глицинамидинотрансферазы, в результате образуются два продукта: орнитин и гуанидинацетат. Биосинтез гуанидинацетата происходит на уровне почечных канальцев, поджелудочной железы и в небольшой степени печени и других органов. Далее гуанидинацетат метилируется под действием гуанидинацетат-N-метилтрансферазы, которая в основном содержится в печени, с образованием креатина.

Диета с потреблением креатина и уровни циркулирующего гормона роста (GH) являются главными факторами, которые влияют на синтез нового креатина [38]. Креатиновые добавки и гормоны роста не оказывают влияния на печёночную активность гуанидинацетат-N-метилтрансферазы у животных. Таким образом, добавки креатина помогают запасать аргинин, глицин и метионин для использования их в других жизненно необходимых метаболических путях, таких как синтез белка, NO и глутатиона. Это играет важную роль в питании и физиологии [39, 40].

Исследования показали, что добавки креатина могут обладать антиоксидантными свойствами. Первые доказательства креатиновой антиоксидантной активности изложил Мэтьюз и др. [41]. Исследователи заявили, что потребление креатиновых добавок способно защитить крыс от интоксикации нитропропионовой кислотой (животная модель болезни Хантингтона). Более того, Хосамани и др. Показали снижение митохондриального окислительного разрушения, вызванного ротеноном, у Drosophila melanogaster при дополнении креатина [42]. Точный механизм антиоксидантного действия креатина неизвестен. Тем не менее, показано, что он индуцирует активность антиоксидантных ферментов и повышает способность устранять АФК и АФКА [43–45].

Креатин защищает две различные и важные клеточные мишени: митохондриальную дезоксирибонуклеиновую кислоту (мтДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК) от окислительного повреждения. Также было показано, что креатин связан с такими эффектами, которые помогают клеткам выживать и функционировать в условиях окислительного стресса. Возможно, креатин поддерживает митохондриальную целостность путём органелло-направленной антиоксидантной активности [46], которая способствует адекватному митохондриогенезу и обеспечивает значительное содержание тиола внутри клетки, предотвращая окислительное повреждение РНК в ситуациях, когда требуется использование информационной РНК, и таким образом проявляются его антиоксидантные эффекты [47]. Митохондрии и мтДНК являются главными мишенями оксидативного повреждения. Действительно, сообщалось, что мутации мтДНК работают в качестве этиологического фактора при расстройствах окислительного стресса [48], включая сердечно-сосудистые заболевания, наследственные или приобретённые неврологические расстройства и различные типы опухолей. Митохондриальные антиоксиданты были предложены в качестве ценного инструмента для защиты митохондрий от патологических изменений [49]. Исследования показали, что креатин существенно защищает мтДНК от окислительного повреждения [50]. Вероятно, креатин предотвращает повреждение путем прямой антиоксидантной активности. Таким образом, креатиновые добавки могут играть значительную роль в стабилизации генома, что может нормализовать митохондриальный мутагенез и перехватить его функциональные последствия: снижение потребления кислорода, митохондриального мембранного потенциала, содержания АТФ и клеточной выживаемости [51, 52].

К тому же, молекулы РНК вовлечены во все стадии экспрессии генов и в некоторые другие биологические процессы. Повреждение РНК может также повлиять на баланс между распадом и синтезом белка и на восстановление и регенерацию мышечной ткани, что в итоге определяет мышечную массу [53]. Повреждение РНК может быть связано с воздействием ксенобиотиков [54]. Протекторный эффект креатина против активности доксорубицина, которая вызывает повреждение РНК, можно частично объяснить производством источников CrP (креатинфосфата), увеличивающими регенерацию АТФ.

Антиоксидантные свойства креатина также могут быть связаны с присутствием аргинина в его молекуле. Аминокислота аргинин — это субстрат семейства NO-синтаз, соответственно, может усилить генерацию NO (свободный радикал, модулирующий метаболизм и транспорт глюкозы в скелетную мышцу) [55]. Другие аминокислоты, глицин и метионин, могут быть особенно чувствительны к окислению свободных радикалов в связи с наличием сульфгидрильных групп [56].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, креатин (креатиновые добавки) обладает антиоксидантными свойствами и может оказывать эффект как прямыми, так и косвенными механизмами. Рассмотренная карбоновая кислота положительно влияет на окислительный стресс и снижает количество активных форм кислорода. Креатин может поддерживать целостность митохондрий, повышать ресурсы креатинфосфата (CrP), выступать в качестве буфера клеточной энергии и защищать две важные клеточные мишени, мтДНК и РНК, от окислительного повреждения. Кроме того, входящие в состав данного вещества аргинин, глицин и метионин могут обуславливать его антиоксидантные свойства. Согласно имеющейся информации, потребление креатина в сочетании с длительной тренировкой способно снизить окислительный стресс и улучшить свойства антиоксидантной системы. Также именно интенсивность и продолжительность периода тренировок в сочетании с добавками креатина играют важную роль в обеспечении организма антиоксидантной активностью. На данный момент не так много исследований было проведено о влиянии включения в рацион креатина наряду с долгосрочными и краткосрочными упражнениями на окислительный стресс, поэтому для более точных выводов необходимы дополнительные исследования в этой области.