Fyzická záťaž a kyslíkové voľné radikály

Kyslíkové voľné radikály hrajú významnú úlohu v patogenéze rozličných chorôb. Predpokladá sa, že môžu spolupôsobiť pri vzniku rakoviny, srdcovej a mozgovej ischémie, neurologických porúch, zápalových ochorení, ale podielajú sa aj na procesoch spojených so starnutím. Tieto veľmi jedovaté látky sa v organizme hromadia najmä počas telesnej námahy (viď napr. krátku glosu J. Wilhelma „Fyzická aktivita škodí zdraví“, Vesmír 75, 198, 1996/4). O vzniku voľných kyslíkových radikálov v ľudskom tele, o nebezpečenstvách, ktoré predstavujú, a o tom, ako sa ich nežiadúcim účinkom organizmus bráni, sa dočítate na nasledujúcich riadkoch. Sami sa presvedčíte, že pravidelná a primeraná telesná aktivita spojená s dostatočným prísunom vitamínov A, C a E predstavuje snáď spôsob, ako sa pred voľnými kyslíkovými radikálmi ochrániť.

Voľné radikály vznikajú pri dýchaní kyslíka

V porovnaní s anaeróbnymi organizmami majú aeróbne organizmy oveľa väčšiu schopnosť využívať energiu uloženú v chemických väzbách molekúl živín – substrátov. Človek, podobne ako ostatné živočíchy a rastliny, spracúva živiny oxidatívnym metabolizmom, pri ktorom sa molekuly substrátov degradujú a kyslík sa redukuje na vodu. Za túto výhodu však aeróbne organizmy platia. Aby sa molekulový kyslík O₂ redukoval až na vodu, musí prijať 4 elektróny. Tie neprijme naraz, ale postupne po jednom. Dôsledkom tohoto procesu je vznik krátkožijúcich medziproduktov – voľných radikálov, ktoré obsahujú nespárený elektrón a sú mimoriadne reaktívne. Približne 1 až 3 % vdýchnutého kyslíka sa premieňa na superoxidový radikál, z ktorého môžu vznikať ďalšie reaktívne formy kyslíka: či už iné radikály alebo látky ako peroxid vodíka, ktoré sa vyznačujú vysokou oxidačno-redukčnou aktivitou, hoci radikálmi nie sú (obrázek).

Ak sa radikálom podarí uniknúť z procesu úplnej redukcie kyslíka, môžu atakovať a poškodiť rôzne biologické štruktúry: lipidy, bielkoviny, nukleové kyseliny. Aby aeróbne organizmy vystavené trvalému pôsobeniu voľných radikálov mohli vôbec prežiť, existujú u nich účinné obranné mechanizmy – antioxidačné systémy. Patria medzi ne predovšetkým enzýmy. Superoxiddizmutáza je enzým katalyzujúci premenu superoxidového radikálu na peroxid vodíka.

^.O₂^– + ^.O₂^– + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂

Avšak aj peroxid vodíka má oxidačno-redukčné účinky, a navyše z neho môže vznikať veľmi reaktívny hydroxylový radikál. Preto musí byť účinne premieňaný na ďalšie látky. Enzým kataláza premieňa peroxid vodíka na kyslík a vodu.

H₂O₂ + H₂O₂ → 2H₂O + O₂

Podobnú schopnosť má aj glutationperoxidáza. Tá vyžaduje prítomnosť peptidu glutationu (GSH), ktorý sa pri detoxikácii peroxidu vodíka alebo aj iných organických hydroperoxidov oxiduje (GSSG).

H₂O₂ + 2GSH → 2H₂O + GSSG

Zvláštnosťou glutationperoxidázy je, že jej molekula obsahuje stopový prvok selén. Ďalšími zložkami primárneho obranného systému sú látky neenzýmovej povahy. Niektoré z nich, napríklad vitamíny A a E, majú lipofilné vlastnosti, preto sa koncentrujú v lipidovej dvojvrstve membrán a v lipoproteínoch krvnej plazmy a chránia ich pred peroxidáciou. Najznámejším vo vode rozpustným antioxidantom je vitamín C, ktorý má okrem schopnosti priamo reagovať s voľnými radikálmi význam pri regenerovaní antioxidačných vlastností vitamínu E. Ďalším účinným vo vode rozpustným antioxidantom je už spomínaný tripeptid glutation. Ten môže, popri glutationperoxidázovej reakcii, voľné radikály eliminovať aj priamo. Okrem týchto enzýmov a ďalších látok schopných priamo reagovať s voľnými radikálmi existujú aj sekundárne mechanizmy. Tými sú najmä enzýmy, ktoré odstraňujú poškodené biomolekuly alebo ich úseky a nahrádzajú ich novými – funkčnými. Je mnoho ďalších látok vznikajúcich v organizme alebo prijímaných potravou, ktoré sa môžu podieľať na obrane pred voľnými radikálmi. Podrobnejší popis antioxidačných systémov však nie je zámerom tohto článku.

Ak produkcia voľných radikálov pri oxidácii živín alebo pri iných reakciách v organizme prevýši kapacitu obranných mechanizmov, dochádza k oxidačnému stresu, ktorý môže viesť k poškodeniu tkaniva alebo orgánu. V súčasnosti je známych viac ako 100 rôznych ochorení alebo poškodení orgánov, pri ktorých sa pozorovala zvýšená tvorba voľných radikálov alebo pokles aktivity obranného systému. Ako príklad možno uviesť aterosklerózu, ischemicko-reperfúzne poškodenie srdca, mozgu a pečene, Alzheimerovu chorobu, ale aj starnutie. Hoci sa zdá, že v mnohých prípadoch je oxidačný stres skôr dôsledkom poškodenia tkaniva, ako primárnou príčinou patologických zmien, môže výrazne prispieť k ich prehĺbeniu.

Zvýšená spotreba energie počas fyzickej záťaže vyžaduje zvýšenú oxidáciu živín, a teda aj zvýšenú spotrebu kyslíka. V porovnaní s telesným kľudom sa pri namáhavej svalovej práci môže prívod kyslíka ku svalstvu zvyšovať aj viac ako stonásobne. Keďže je známe, že produkcia voľných radikálov stúpa priamo úmerne so spotrebou kyslíka, nebolo ďaleko k úvahám o nadmernej tvorbe voľných radikálov pri zvýšenej fyzickej záťaži. Navyše, kapacita antioxidačného obranného systému v kostrovom svale je podstatne nižšia ako v niektorých iných tkanivách, čo tiež môže prispievať k hromadeniu radikálov. Napriek týmto predpokladom nebolo jednoduché získať priame dôkazy o prítomnosti voľných radikálov v biologických tkanivách, vzhľadom na krátku dobu ich existencie. Prakticky jedinou používanou metódou je elektrónová paramagnetická rezonancia, niekedy označovaná ako elektrónová spinová rezonancia. Pomocou tejto metódy sa dokázalo dvojnásobné až trojnásobné zvýšenie koncentrácie voľných radikálov vo svale a pečeni zvierat po vyčerpávajúcom fyzickom zaťažení. Pomocou paramagnetickej rezonancie sa potvrdilo, že pri fyzickej námahe sa zvyšuje aj tvorba radikálov v srdci.

Väčšina výskumných prác využíva nepriame dôkazy prítomnosti voľných radikálov, spočívajúce v detekcii produktov, ktoré vznikajú po napadnutí biologických štruktúr radikálmi. Okrem jednoduchosti majú tieto metódy tú prednosť, že súčasne odhaľujú, k akým poškodeniam v tkanivách dochádza. Ich nevýhodou je, že nie vždy možno jednoznačne označiť detegované látky ako produkty pôsobenia voľných radikálov. Stanovovanie koncentrácie produktov peroxidácie lipidov je zrejme najpoužívanejšou nepriamou metódou detekcie oxidačného stresu a súčasne aj kritériom poškodenia biologického tkaniva. Na peroxidáciu sú mimoriadne citlivé lipidy obsahujúce nenasýtené mastné kyseliny. Ak sú tieto lipidy zložkou bunkovej membrány, dochádza pri peroxidácii k narušeniu jej fluidity a priepustnosti, ale aj k ovplyvneniu vlastností enzýmov, iónových kanálov a transportných bielkovín, ktoré sa v membráne nachádzajú. Pri oxidácii lipidov vznikajú mnohé cytotoxické látky, napríklad aldehydy, a práve hladina jedného z nich – malóndialdehydu – patrí vôbec medzi najčastejšie sledované parametre. Napriek určitým rozporom medzi jednotlivými štúdiami sa vo väčšine z nich pozoroval nárast množstva malóndialdehydu počas fyzickej záťaže, a to nielen vo svale, ale aj v pečeni a mozgu. Pritom množstvo tejto látky vo svale bolo priamo úmerné veľkosti záťaže.

Pri degradácii produktov lipidovej peroxidácie vznikajú plynné uhľovodíky etán a pentán, ktoré sú vydychované pľúcami. To umožňuje veľmi pohodlné sledovanie oxidatívneho stresu. Vo vzduchu vydychovanom osobami počas fyzickej záťaže možno pomocou plynovej chromatografie stanoviť obsah pentánu a etánu. Takýmto spôsobom sa pozoroval obrovský nárast tvorby pentánu u testovaných osôb po päťminútovom cvičení, predstavujúcom fyzickú záťaž 100 % maximálnej aeróbnej kapacity¹ (VO₂max). Veľmi dôležité bolo zistenie, že produkcia pentánu pri fyzickej záťaži bola niekoľkonásobne nižšia u osôb, ktorým podávali denne počas troch týždňov vitamín E.

Ďalším terčom pôsobenia voľných radikálov môžu byť aminokyseliny prítomné v bielkovinách alebo peptidoch. Bielkoviny s oxidovanými aminokyselinami ľahko podliehajú štiepeniu alebo vytvárajú nerozpustné agregáty, čím strácajú schopnosť vykonávať svoje biologické funkcie. Poznatky o účinkoch oxidačného stresu pri fyzickej záťaži na vlastnosti bielkovín sú veľmi skromné. Naznačujú, že pri intenzívnej svalovej činnosti dochádza k oxidácii bielkovín, a to nielen v kostrovom svale, ale aj v membránach červených krviniek. Už sme spomenuli, že peptid glutation sa pri detoxikácii voľných radikálov oxiduje, ale pomocou enzýmu glutationreduktázy sa môže regenerovať a vstúpiť do ďalšej reakcie s radikálom. Pri silnom oxidačnom strese však regeneračný mechanizmus nestačí oxidovaný glutation redukovať, a ten sa hromadí v krvi. Hromadenie oxidovaného glutationu sa považuje za dôveryhodnejšie znamenie oxidačného stresu ako akumulácia produktov lipidovej peroxidácie. Sledovanie tohto parametru však len potvrdilo výsledky merania malóndialdehydu a pentánu. Zistilo sa, že už počas prvých 15 minút bicyklového ergometrického testu pri fyzickej záťaži 65 % VO₂max sa hladina oxidovaného glutationu v krvi zvyšuje o 100 %.

Ak sa voľné radikály generujú v blízkosti dezoxyribonukleovej kyseliny (DNA), môžu napadnúť jej dusíkaté bázy a vyvolať mutácie. Šanca poškodenia DNA voľnými radikálmi je vďaka jej usporiadaniu do tvaru tesne poskladanej skrutkovnice a ochrane, ktorú zabezpečujú bielkoviny (históny), pomerne malá. Ale aj v prípade, že by došlo k poškodeniu, účinný enzýmový systém dokáže poškodený úsek DNA vystrihnúť a nahradiť ho správnym. Zásah DNA voľnými radikálmi sa dá pomerne ľahko sledovať, pretože vystrihnuté oxidované nukleozidy sa vylučujú močom. Napriek účinnému obrannému systému, môže oxidatívny stres vyvolať poškodenie DNA, a to buď priamym pôsobením radikálov, alebo účinkom produktov lipidovej peroxidácie. Je teda logické uvažovať o tom, či fyzická záťaž môže viesť k ovplyvneniu vlastností DNA. Informácie týkajúce sa tohto problému sú však, podobne ako v prípade bielkovín, len sporadické. Podľa jednej štúdie sa hladina modifikovaných nukleozidov vylúčených močom po maratónskom behu zvyšuje asi dvojnásobne. Naproti tomu pri miernej fyzickej aktivite opakovanej počas niekoľkých dní sa takéto zvýšenie nepozorovalo. Tieto výsledky naznačujú, že k poškodeniu DNA zrejme dochádza len pri veľkej telesnej námahe, nie pri miernej záťaži. Pravdepodobne existuje určitý prah fyzickej záťaže, nad ktorým sa oxidačný stres výrazne zvyšuje. Tento prah však závisí od fyzickej zdatnosti a zdravotného stavu každého človeka. A tu sa dostávame k ďalšej zaujímavej otázke, ku vzťahu fyzickej zdatnosti, trénovanosti a antioxidačného obranného systému.

Už prvé štúdie urobené pred viac ako 20 rokmi ukázali, že trénovanosťou sa zvyšuje aktivita katalázy v pečeni, srdci a kostrovom svale potkanov. Odvtedy sa objavili viaceré práce, ktoré dokazujú podobný účinok trénovanosti aj u človeka. Pozorovala sa veľmi dobrá pozitívna korelácia medzi VO₂max (považovanou za index fyzickej zdatnosti testovaných zdravých mužov) a aktivitou enzýmov katalázy a superoxiddizmutázy. Tieto práce jednoznačne podporujú predstavu, že fyzická trénovanosť zvyšuje antioxidačnú obrannú schopnosť organizmu. Naopak, obmedzenie fyzickej aktivity tento obranný systém oslabuje.

Ďalšou zaujímavou otázkou je, do akej miery môže príjem antioxidantov v potrave prispieť k obrane organizmu pred oxidačným stresom vyvolaným fyzickou záťažou. Už vyššie uvádzame pozitívny účinok podávania vitamínu E osobám vystaveným vysokej fyzickej záťaži. Aj ďalšie štúdie zamerané na tento vitamín poskytujú povzbudzujúce výsledky. Hoci máme k dispozícii menej informácií o ochrannom účinku vitamínov C a A, zdá sa, že môžu podobne znižovať oxidačný stres pri fyzickej záťaži. Nedostatkom štúdií, v ktorých sa testuje ochranný účinok jediného antioxidantu, je to, že nezohľadňujú ich spoluprácu pri likvidovaní voľných radikálov, napríklad už spomínanú úlohu vitamínu C v regenerácii antioxidačných schopností vitamínu E. Podávanie zmesi antioxidantov obsahujúcej b-karotén (provitamín A), vitamín E a vitamín C počas piatich týždňov znižovalo peroxidáciu lipidov u testovaných osôb, pričom ochranný účinok sa prejavil v kľude, pri strednej (60 % VO₂max) aj veľmi veľkej (90 % VO₂max) fyzickej záťaži. Doteraz získané poznatky teda naznačujú, že podávanie antioxidantov ako doplnku k strave znižuje riziko oxidačného poškodenia vyvolaného fyzickou záťažou. Vplyv dlhodobého podávania antioxidantov na funkciu svalu však zatiaľ nie je známy.

Napriek rastúcemu počtu štúdií poukazujúcich na súvislosť medzi fyzickou záťažou a oxidačným stresom neexistujú dôkazy o tom, že oxidačný stres je príčinou a nie dôsledkom poškodenia tkaniva. Zodpovedanie otázky, ako fyzická záťaž spôsobuje oxidačné poškodenie, je komplikované ďalšími zmenami spôsobenými fyzickou námahou: zvýšenou telesnou teplotou, vylučovaním katecholamínov, autooxidáciou hemoglobínu alebo poškodením tkaniva. Tieto zmeny môžu totiž tiež zasiahnuť do tvorby voľných radikálov. Napríklad v poškodených bunkách dochádza ku peroxidácii lipidov ľahšie ako v zdravých. Aj keď nie je objasnený kauzálny vzťah medzi oxidačným stresom pri fyzickej záťaži a poškodením biologického tkaniva, je zrejmé, že voľné radikály prinajmenšom výrazne prispievajú k zmenám vo svaloch a iných orgánoch. Tak isto je zrejmé, že pravdepodobnosť oxidačného poškodenia stúpa s intenzitou svalovej činnosti. Trénovanosťou sa síce antioxidačná kapacita organizmu zvyšuje, ale vyčerpávajúca dlhotrvajúca fyzická činnosť vyvoláva oxidačný stres aj vo fyzicky zdatnom organizme. Pozorujeme tu teda určitý paradox medzi dobre známym, zdraviu prospešným účinkom telesného cvičenia a poškodením biologického tkaniva vznikajúcimi voľnými radikálmi. Zdá sa však, že pravidelná a primeraná telesná aktivita spojená s dostatočným prísunom antioxidantov v potrave je tou najvhodnejšou cestou, ako chrániť organizmus pred patologickými zmenami spôsobenými voľnými radikálmi.