л-добавка карнітину при відновленні після фізичних вправ

Роджер Філдінг

1 університет Тафтса, 136 Harrison Avenue, Бостон, Массачусетс 02111, США; [email protected]

Лінда Ріде

Джеймс П. Луго

3 Lonza Inc., 90 Boroline Road, Allendale, NJ 07401, США; [email protected]

Aouatef Bellamine

3 Lonza Inc., 90 Boroline Road, Allendale, NJ 07401, США; [email protected]

Анотація

Враховуючи його ключову роль в окисленні жирних кислот та енергетичному обміні, l-карнітин досліджували як ергогенний засіб для підвищення фізичних вправ у здоровій атлетичній популяції. Ранні дослідження вказують на його сприятливий вплив на гостру фізичну працездатність, таку як збільшення максимального споживання кисню та більша вихідна потужність. Пізніші дослідження вказують на позитивний вплив дієтичних добавок з l-карнітином на процес відновлення після фізичних навантажень. Показано, що l-карнітин полегшує травмування м'язів і зменшує маркери пошкодження клітин та утворення вільних радикалів, що супроводжується послабленням м'язової болючості. Запропоновано збільшення вмісту l-карнітину в сироватці та м’язах для посилення кровотоку та надходження кисню до м’язової тканини за рахунок поліпшення функції ендотелію, зменшуючи тим самим клітинні та біохімічні порушення, спричинені гіпоксією. Дослідження на дорослих дорослих також показали, що споживання l-карнітину може призвести до збільшення м'язової маси, що супроводжується зменшенням маси тіла та зниженням фізичної та психічної втоми. На основі сучасних досліджень на тваринах пропонується роль l-карнітину у профілактиці вікової деградації м’язових білків та регуляції мітохондріального гомеостазу.

1. Вступ

Природний l-карнітин є четвертинним аміном (3-гідрокси-4-N-триметиламінобутират), що зустрічається у всіх видів ссавців. Після відкриття l-карнітину в екстрактах м’язів у 1905 р. [1] та його структурної ідентифікації в 1927 р. [2] значення l-карнітину в окисленні жирних кислот у печінці та серці вперше було описано Фріцем у 1959 р. [3] ]. Оскільки мітохондріальні мембрани непроникні для ефірів коферменту А (CoA) та довголанцюгових жирних кислот, зв’язування l-карнітину з ацетильними групами через карнітин-ацилтрансферазу є важливим для човникового перенесення ацетильованих жирних кислот у мітохондрії та їх подальшого β-окислення в матриці (рис. 1) [4]. Потім продукти β-окислення (дві молекули вуглецю) використовуються циклом Кребса для отримання аденозинтрифосфату (АТФ) як форми енергії. l-карнітин також був визнаний своєю найважливішою біологічною функцією у буферуванні співвідношення вільного CoA/ацетил-CoA. В умовах стресу з надмірним утворенням ацил-КоА переетерифікація l-карнітином потенційно сприяє руху субстрату в циклі Кребса.

l -карнітинова функція. l-карнітин переміщує довголанцюгові жирні кислоти всередині мітохондрій шляхом утворення довголанцюгового ефіру ацетилкарнітину. Потім комплекс транспортується в матрикс мітохондрій карнітинпальмітоїлтрансферазою I (КПТ I) та карнітинпальмітоїлтрансферазою II (КПТ II). Потім жирні кислоти розщеплюються в процесі β-окислення, щоб доставити молекули 2-вуглецю до циклу Кребса, що призводить до генерації енергії у формі аденозинтрифосфату (АТФ). Крім того, зв'язуючи ацетильну групу, l-карнітин може підтримувати рівні ацетил-КоА та коферменту А, виконуючи свою буферну роль.

За підрахунками, у всеїдних людей 75% пулу карнітину в організмі отримують із споживанням їжі [7,9]. Однак дієтичне споживання l-карнітину сильно змінюється. Первинним джерелом є червоне м’ясо, яке забезпечує до 140–190 мг л-карнітину на 100 г сирого м’яса (наприклад, яловичини та оленини) [14]. Навпаки, рослинні продукти містять незначну кількість l-карнітину. Як наслідок, вегетаріанці отримують дуже мало l-карнітину з дієтичних джерел. Однак користь добавок l-карнітину в цій популяції досі залишається суперечливою, оскільки вони мають порівнянну біодоступність l-карнітину для загальної популяції [12]. Справді, повідомляється, що дефіцит l-карнітину серед вегетаріанців є помірним [15]. З меншими запасами l-карнітину в плазмі порівняно з всеїдними, 12-тижневе вживання l-карнітину збільшувало як плазму, так і м’язи карнітину, хоча функція м’язів та енергетичний обмін залишалися незмінними [16]. Можливо, регуляторні механізми зворотного зв'язку, що призводять до збільшення всмоктування l-карнітину з їжею [17] та/або синтезу de novo [18], мають місце для подолання дефіциту l-карнітину та зменшення втрат при екскреції з сечею. Про таку можливу адаптацію повідомлялося у вегетаріанців [16].

Хоча біодоступність l-карнітину з дієтичних джерел оцінювалась у 54–86% [17], повідомлялося, що абсорбція харчових добавок була нижчою і варіювала між дозами при поглинанні 9–25% від одноразової пероральної дози. Доза 2 г [17,19]. Частина l-карнітину, що потрапляє всередину, може метаболізуватися мікробними видами в кишечнику. У дослідженнях на тваринах було продемонстровано, що неабсорбовані четвертинні аміни, такі як холін, фосфатидилхолін, бетаїн або 1-карнітин, можуть метаболізуватися мікроорганізмами кишечника з утворенням проміжної сполуки триметиламіну (ТМА). Потім ТМА поглинається кишечником і окислюється флавін-монооксигеназами (ФМО) у печінці з утворенням триметиламін-N-оксиду (ТМАО) [20]. Однак ці перетворення залежать від мікрофлори та спорідненості різних четвертинних амінів до мікробних популяцій кишечника. Нещодавно повідомлялося, що перетворення холіну в ТМА каталізується анаеробними бактеріями, тоді як перетворення з l-карнітину є аеробним процесом, що свідчить про те, що l-карнітин є неефективним джерелом виробництва ТМА. Подібний процес може мати місце в кишечнику [21].

Через накопичення в м’язах і серці, ергогенну природу та роль в енергетичному обміні, добавки l-карнітину пропонують грати вирішальну роль у хворих популяціях, де, як було доведено, вони впливають на лікування ішемічної хвороби серця, міопатії, а також захворювання периферичних артерій [22,23,24], а також серед здорових спортсменів, де було показано, що це модулює фізичну здатність та відновлення [25,26,27,28].

Цей всебічний огляд спрямований на узагальнення ролі l-карнітину у фізіології м’язів з акцентом на відновлення після фізичних навантажень серед спортсменів, опис деяких випробувань та потенційних механізмів, що задіяні. Виходячи з цього вивчення та запропонованої ролі l-карнітину в структурі та функції м’язів, також обговорюється роль l-карнітину у здоров’ї м’язів під час старіння.

2. Методологія

Пошук літератури здійснювався у базі даних “PubMed”. В якості базового пошукового рядка було використано „карнітин І фізичні вправи І відновлення” у поєднанні з фільтром для клінічних випробувань на людях. На основі заголовків та тез оцінювали актуальність публікацій. Виключені випробування, якщо л-карнітин вводили в комбінації з іншими продуктами (багатокомпонентні добавки) або результат не був пов’язаний із відновленням після фізичного навантаження. Подальші публікації, написані іншими мовами, крім англійської, німецької чи французької, були виключені. Додаткові клінічні випробування були визначені, уважно прочитавши список публікацій ідентифікованих статей.

3. л -Карнітин і фізичні вправи

Таблиця 1

Короткий зміст клінічних досліджень, що вивчають вплив l-карнітину на ефективність фізичного навантаження та відновлення.

Використовуване скорочення: BID: двічі на день; d: день; тиждень: тиждень; mo: місяць; CHO: вуглеводи; Pl: плацебо; LC: l-карнітин; PDH: піруватдегідрогеназа; VO2max: максимальне споживання кисню; CK: креатинкіназа; IGFBP-3: інсуліноподібний фактор росту, що зв’язує білок-3; RQ: коефіцієнт дихання; LA: лактат; BE: надлишок бази; TBARS: речовини, що реагують на тіобарбітурову кислоту; RERmax: максимальний коефіцієнт дихального обміну; Pmax: максимальна потужність; LDL-C: холестерин ліпопротеїдів низької щільності; HDL-C: холестерин ліпопротеїдів високої щільності; апоА1: аполіпопротеїн А1; апоВ: аполіпопротеїн В; mTOR: механістична мішень рапаміцину.

Під час фізичних вправ з низьким та середнім ступенем жирні кислоти з довгим ланцюгом є основним джерелом енергії. l-карнітин пропонується пошкодити м’язовий глікоген та сприяти окисленню жиру під час фізичних вправ, і пропоноване перетворення жиру в енергію, мабуть, відображається зменшенням маси тіла [48,49,50]. Крім того, було показано, що добавки l-карнітину щадять використання амінокислот як джерело енергії, що робить їх потенційно доступними для нового синтезу білка [51]. Повідомлялося, що вирощування собак з добавкою l-карнітину зазнало меншої деградації білка в результаті фізичних вправ [52]. Ці ефекти можуть пояснити повідомлення про збільшення м'язової маси як в дослідженнях на тваринах, так і в дослідженнях на людях [52,53].

4. Механізми, що впливають на вплив l-карнітину на відновлення після фізичних вправ

4.1. Вплив l-карнітину на травму м’язів під час фізичних вправ

Пошкодження м’язів та біль, спричинені фізичними вправами, можуть як знизити якість життя, так і обмежити подальші тренувальні заходи. Окрім впливу на ефективність фізичних вправ, l-карнітин описаний як допоміжний засіб для відновлення після фізичних вправ за допомогою різних механізмів. У пілотному дослідженні Maggini et al. розглянуто, чи можна підвищити вихідну потужність протягом періоду відновлення після напружених тренувань за допомогою споживання l-карнітину [59]. У 9 із 12 суб'єктів, які отримували 2 г л-карнітину щодня протягом 5 днів, спостерігалося значне збільшення вихідної потужності після початкових напружених фізичних навантажень. На відміну від цього, одноразове введення l-карнітину перед вичерпними вправами на велосипеді не покращило результативність під час другого раунду вправ через 3 год [60].

4.2. Вплив l-карнітину на кровотік та функцію ендотелію

Вплив l-карнітину на функцію ендотелію та вивільнення оксиду азоту було продемонстровано в дослідженнях на тваринах та клінічних випробуваннях на людях [56,63,67,68,69].

4.3. l-Карнітин як антиоксидант

Одним з потенційних механізмів, що впливають на роль добавки l-карнітину під час відновлення фізичного навантаження, є його вплив на пом'якшення окисного стресу під час фізичних вправ. Пошкодження м'язів, особливо під час ексцентричних вправ (активна сила, що породжує подовжуючі скорочення), спричинене негайними клітинними та структурними пошкодженнями та подальшими біохімічними реакціями під час відновлення тканин [70,71]. Зміна саркомерів м’язових волокон та навколишніх тканин може спричинити тривалу дисфункцію, завдяки чому процес відновлення може тривати до 10 днів [72]. Також можливо, що локальна гіпоксія, спричинена фізичними вправами, може сприяти пошкодженню м’язів та запаленню шляхом роз’єднання між виробництвом енергії (АТФ із циклу Кребса) та споживанням енергії в клітинах. Це може призвести до утворення активних форм кисню (АФК). Зрештою, викид внутрішньоклітинних компонентів в інтерстицій та подальше запалення призводять до DOMS, що характеризується болем при русі, болючістю, а також набряком і ригідністю м’язів [73]. У цих подіях беруть участь такі молекули, як гіпоксантин, MDA або креатинкіназа, що виникають внаслідок порушення сарколемми [73].

Про антиоксидантну дію l-карнітину на окислювальний стрес, викликаний фізичними вправами, також повідомляли Parandak et al. [64]. Щоденні добавки 2 г 1 -карнітину протягом 14 днів значно збільшували загальну антиоксидантну здатність порівняно з плацебо до і через 24 години після тренування, тоді як маркери пошкодження м’язів та перекисного окислення ліпідів залишалися значно нижчими порівняно з плацебо [64]. Крім того, Parthimos та співавт. Виявили, що доповнення l-карнітином після тренувань покращує загальний антиоксидантний статус, що інакше спостерігалося у баскетболістів за відсутності добавок [74].

Незважаючи на те, що переважна більшість цих досліджень проводилась на молодих здорових суб'єктах, Хо та колеги вперше надали експериментальні докази сприятливого впливу на відновлення після фізичних вправ у здорових чоловіків середнього віку середнього віку 45 років та жінок віком 52 роки. середній рік [65]. Знову ж таки, підвищення показників стресу під час та після тренування, наприклад, болі в м’язах, що сприймається випробовуваними, було послаблене добавкою l-карнітину.

5. l -Карнітин і старіння: стара молекула, нове використання

На саркопенію впливають такі фактори, як дієта та фізична активність [79]. Показано, що синергетичний ефект споживання м’яса та вправ на опір збільшує синтез м’язових білків [80], а також м’язову силу та витривалість у людей похилого віку [81]. Більше того, додаткове споживання білка може збільшити м’язову масу та силу у літніх людей [82,83] та покращити їх фізичну працездатність [84]. Однак інші дослідження показали, що білок сам по собі і без фізичних вправ не є ефективним для поліпшення м'язової маси та функції в цій популяції [85].

Зростаючі дані свідчать про те, що l-карнітин може позитивно впливати на м’язову масу та повернути вікове зниження функціонування м’язів. Встановлено, що вміст l-карнітину в м’язах зменшується з віком у здорових людей [86]. Крім того, старіння призводить до зменшення транскрипції мРНК OCTN2 [87], транспортера l-карнітину, що вказує на те, що розподіл тканин та гомеостаз l-карнітину ускладнюються з похилим віком. Отже, ряд досліджень досліджував роль l-карнітину в процесі старіння.

Хоча в молодшій популяції в ряді досліджень не вдалося продемонструвати втрату ваги після прийому l-карнітину [89], в недавньому мета-аналізі Пооянджу та його колеги дійшли висновку, що маса тіла значно зменшилася у пацієнтів, які отримували l-карнітин порівняно з контрольними групами. Дослідження, які були включені в мета-аналіз, в основному проводились серед осіб, що страждають ожирінням та/або діабетом [90].

Хоча механізми, що лежать в основі впливу l-карнітину на стимулювання м'язової маси та функції у людей похилого віку, досі невідомі, можуть застосовуватися деякі загальні механізми дії ефектів l-карнітину, показані в дослідженнях на тваринах та молодших спортсменів. Перетворюючи жир в енергію, додатковий 1-карнітин дозволяв щадити амінокислоти, тим самим приводячи до нарощування білка в м’язах свиней [51]. Келлер та його колеги продемонстрували роль l-карнітину у транскрипційній регуляції генів, що беруть участь у системі протеїсом убіквітину скелетних м'язів поросят, вказуючи на потенційний механізм, за допомогою якого l-карнітин запобігає деградації м'язового білка [91]. Крім того, повідомляється, що l-карнітин підвищує IGF-1 та Akt, індукуючи тим самим сигнальний шлях рапаміцину (mTOR) у ссавців, який є ключовим модулятором анаболізму білка [92].

Як постулює теорія вільних радикалів старіння, пероксидативні пошкодження сприяють процесу старіння [93]. Антиоксиданти можуть очищати активні форми кисню або запобігати їх утворенню, тим самим полегшуючи окислювальний стрес. Кілька клінічних досліджень показали антиоксидантні властивості l-карнітину [64,74,94], вказуючи на потенційний додатковий спосіб дії, за допомогою якого l-карнітин може перешкоджати біохімічним механізмам, що лежать в основі старіння тканин.

Ще однією ознакою старіння є прискорене пошкодження нейрональних клітин та смерть, що призводить до зменшення мозку та зниження функції мозку. Було висловлено припущення, що розпад мітохондрій може бути переважною основною подією [95]. Нещодавно Нікасіо та його колеги припустили вплив ацетил-1-карнітину на гомеостаз мітохондрій у мозку старих щурів [96].

6. Висновки

Як ключовий фактор метаболізму жирних кислот та виробництва енергії, роль l-карнітину в різних показаннях є предметом наукових досліджень. l-карнітин застосовувався як ергогенний засіб для професійних спортсменів та як дієтична добавка для фізично активного населення. Велика кількість досліджень на людях, проведених на здорових активних суб'єктах, спортсменах, які тренуються на стійкість, або нетренованих чоловіках та жінках досліджували вплив харчової добавки на фізичну працездатність, вміст кисню або м'язову силу. Зовсім недавно клінічні дослідження перейшли до оцінки гіпотези, згідно з якою споживання l-карнітину полегшує процес відновлення після фізичних навантажень. Наукові дані вказують на те, що атлетичне населення може отримати користь від прийому l-карнітину, оскільки воно послаблює побічні ефекти високоінтенсивних тренувань за рахунок зменшення величини гіпоксії, спричиненої фізичними вправами, та пошкодження м'язів.

За здорових умов та за відсутності стресу доступність l-карнітину не є обмежуючим фактором β-окислення жирних кислот. Його гомеостаз сильно регулюється біодоступністю, транспортом та виведенням із сечею. Проте в умовах з абераціями, такими як вроджений або набутий дефіцит карнітину, гемодіаліз або у саркопенічних та слабких суб'єктів, добавки l-карнітину збільшують фізичну працездатність та м'язову масу та функції. Вікове зниження м’язів можна скасувати як фізичним навантаженням, так і харчовими засобами. Хоча фізичні вправи на витривалість можуть бути важкими у людей похилого віку, харчові добавки разом із помірними фізичними навантаженнями можуть бути потенційною стратегією для уповільнення саркопенії як одного з ознак слабкості у літніх людей.

Зростаюча кількість досліджень на тваринах давала докази багатогранних механізмів, за допомогою яких l-карнітин чинить свою сприятливу дію на посилений синтез білка та зменшення деградації м'язів. Крім того, регуляція мітохондріального гомеостазу l-карнітином під час старіння передбачається впливати на вікові зниження. Таким чином, дієтичні добавки з l-карнітином можуть допомогти в процесі старіння, перешкоджаючи прогресуванню м’язової маси та зниження функції, а також нейродегенерації. Подальші дослідження в цій галузі необхідні.

На закінчення, враховуючи вплив структурних та симптоматичних наслідків вправ високої інтенсивності, тобто порушення м’язових саркомерів та болю, які не тільки знижують якість життя, але і зменшують можливості подальшого тренування, полегшення відновлення після фізичних вправ l-карнітином добавки особливо корисні для здорового молодого активного населення. Більше того, літні люди, у яких спостерігається зниження м’язової маси та зниження функцій, знижений вміст l-карнітину в м’язах та дисфункція мітохондрій, також можуть отримати позитивний ефект від прийому добавок з l-карнітином. Зокрема, із зростанням кількості людей старшого віку, які займаються помірними фізичними вправами, роль l-карнітину в цій демографічній групі буде продовжувати набувати значення.

Подяки

Ця оглядова стаття фінансується Lonza Inc.