Роджър Филдинг

1 Tufts University, 136 Harrison Avenue, Бостън, Масачузетс 02111, САЩ; [email protected]

Линда Риеде

Джеймс П. Луго

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

Aouatef Bellamine

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

Резюме

Като се има предвид основната му роля в окисляването на мастните киселини и енергийния метаболизъм, l-карнитинът е изследван като ергогенен помощник за повишаване на тренировъчния капацитет в здравата атлетична популация. Ранните изследвания показват неговите благоприятни ефекти върху острата физическа работоспособност, като повишена максимална консумация на кислород и по-висока мощност По-късни проучвания посочват положителното въздействие на хранителните добавки с 1-карнитин върху процеса на възстановяване след тренировка. Демонстрирано е, че l-карнитинът облекчава мускулните наранявания и намалява маркерите на клетъчно увреждане и образуването на свободни радикали, придружени от отслабване на мускулната болезненост. Препоръчва се базираното на добавки увеличение на съдържанието на l-карнитин в серума и мускулите за засилване на притока на кръв и снабдяването с кислород в мускулната тъкан чрез подобрена ендотелна функция, като по този начин намалява индуцираните от хипоксия клетъчни и биохимични смущения. Изследвания при по-възрастни възрастни освен това показват, че приемът на l-карнитин може да доведе до повишена мускулна маса, придружена от намаляване на телесното тегло и намалена физическа и психическа умора. Въз основа на настоящи проучвания върху животни се предлага роля на l-карнитин в превенцията на свързано с възрастта разграждане на мускулния протеин и регулиране на митохондриалната хомеостаза.

1. Въведение

Срещащ се в природата, 1-карнитин е кватернерен амин (3-хидрокси-4-N-триметиламинобутират), открит при всички видове бозайници. След откриването на l-карнитин в мускулните екстракти през 1905 г. [1] и неговата структурна идентификация през 1927 г. [2], значението на l-карнитина в окисляването на мастните киселини в черния дроб и сърцето е описано за първи път от Fritz през 1959 г. [3] ]. Тъй като митохондриалните мембрани са непропускливи за естери на коензим А (CoA) и дълговерижни мастни киселини, свързването на 1-карнитин с ацетилни групи чрез карнитин ацилтрансфераза е от съществено значение за совалката на ацетилираните мастни киселини в митохондриите и за последващото β-окисление в матрицата (Фигура 1) [4]. След това продуктите от β-окислението (две въглеродни молекули) се използват от цикъла на Кребс за получаване на аденозин трифосфат (АТФ) като форма на енергия. l-карнитинът също е признат за своята ключова биологична функция при буфериране на съотношението свободен CoA/ацетил-CoA. В условия на стрес с излишно образуване на ацил-КоА, трансестерификацията с 1-карнитин потенциално стимулира движението на субстрата в цикъла на Кребс.

добавка

l-карнитинова функция. l-карнитин премества дълговерижни мастни киселини вътре в митохондриите чрез образуване на дълговерижен ацетилкарнитин естер. След това комплексът се транспортира в митохондриалната матрица от карнитин палмитоилтрансфераза I (CPT I) и карнитин палмитоилтрансфераза II (CPT II). След това мастните киселини се разграждат чрез процеса на β-окисление, за да доставят 2-въглеродните молекули до цикъла на Кребс, което води до генериране на енергия под формата на аденозин трифосфат (АТФ). В допълнение, чрез свързване на ацетилова група, l-карнитин може да поддържа нивата на ацетил-КоА и коензим А, като играе своята буферна роля.

Изчислено е, че при всеядните хора 75% от карнитиновия басейн в тялото се получава от хранителния прием [7,9]. Диетичният прием на l-карнитин обаче е силно променлив. Основният източник е червеното месо, осигуряващо до 140–190 mg l-карнитин на 100 g сурово месо (например говеждо и еленско месо) [14]. За разлика от тях растителните храни съдържат незначителни количества l-карнитин. В резултат на това вегетарианците получават много малко l-карнитин от хранителни източници. Ползата от добавянето на l-карнитин в тази популация обаче е все още противоречива, тъй като те притежават сравнима бионаличност за l-карнитин за общата популация [12]. Всъщност се съобщава, че дефицитът на l-карнитин сред вегетарианците е скромен [15]. С по-малките запаси на l-карнитин в плазмата в сравнение с всеядните, 12-седмичното добавяне с l-карнитин увеличава както плазмата, така и мускулния карнитин, въпреки че мускулната функция и енергийният метаболизъм остават незасегнати [16]. Възможно е да се осъществят регулаторни механизми за обратна връзка, водещи до увеличаване на диетичната абсорбция на l-карнитин [17] и/или de novo синтез [18], за да се преодолее дефицитът на l-карнитин и да се намалят загубите чрез екскреция с урината. Подобна възможна адаптация е съобщена при вегетарианци [16].

Докато бионаличността на l-карнитин от диетични източници се оценява на 54–86% [17], се съобщава, че абсорбцията на хранителни добавки е по-ниска и варира между дозите с приемане на 9–25% от единична орална доза от Доза от 2 g [17,19]. Част от приетия l-карнитин може да се метаболизира от микробни видове в червата. При проучвания с животни беше демонстрирано, че неабсорбираните четвъртични амини като холин, фосфатидилхолин, бетаин или 1-карнитин могат да се метаболизират от чревните микроорганизми, за да се получи междинното съединение триметиламин (ТМА). Впоследствие ТМА се абсорбира от червата и се окислява от флавин-монооксигенази (FMO) в черния дроб, за да се получи триметиламин-N-оксид (ТМАО) [20]. Тези конверсии обаче зависят от микрофлората и афинитета на различните четвъртични амини към микробните популации на червата. Наскоро беше съобщено, че превръщането на холина в ТМА се катализира от анаеробни бактерии, докато превръщането от 1-карнитин е аеробен процес, което предполага, че 1-карнитинът е неефективен източник на производство на ТМА. Подобен процес може да протече и в червата [21].

Поради натрупването си в мускулите и сърцето, ергогенната си природа и ролята си в енергийния метаболизъм, се предлага добавката l-карнитин да играе решаваща роля в болните популации, където е доказано, че влияе върху управлението на исхемична болест на сърцето, миопатия, и периферна артериална болест [22,23,24], както и сред здрави спортисти, където е доказано, че модулира способността за упражнения и възстановяването [25,26,27,28].

Този изчерпателен преглед има за цел да обобщи ролята, която l-карнитинът играе в мускулната физиология с фокус върху възстановяването след тренировка сред спортистите, да опише някои от опитите и потенциалните механизми. Въз основа на това обучение и предложената роля на l-карнитин в мускулната структура и функция, се обсъжда и ролята на l-карнитина в мускулното здраве по време на стареенето.

2. Методология

Търсенето на литература е извършено в базата данни “PubMed”. Като основен низ за търсене беше използван „карнитин И упражнения И възстановяване“, комбиниран с филтъра за клинични изпитвания при хора. Въз основа на заглавията и резюметата се оценяваше уместността на публикациите. Изключени са опитите, когато l-карнитин е даван в комбинация с други продукти (добавки с няколко съставки) или резултатът не е свързан с възстановяване след тренировка. Други публикации, написани на езици, различни от английски, немски или френски, бяха изключени. Допълнителни клинични изпитвания бяха идентифицирани чрез внимателно четене на списъка с публикации на идентифицираните статии.

3. л-карнитин и упражнения

маса 1

Обобщение на клиничните проучвания, изследващи ефекта на l-карнитин върху ефективността на упражненията и възстановяването.

Използвано съкращение: BID: два пъти на ден; d: ден; седмица: седмица; пн: месец; CHO: въглехидрати; Pl: плацебо; LC: l-карнитин; PDH: пируват дехидрогеназа; VO2max: максимално усвояване на кислород; CK: креатин киназа; IGFBP-3: инсулин-подобен-растежен фактор-свързващ протеин-3; RQ: коефициент на дишане; LA: лактат; BE: излишък от база; TBARS: вещества, реагиращи с тиобарбитурова киселина; RERmax: максимално съотношение на дихателния обмен; Pmax: максимална мощност; LDL-C: липопротеинов холестерол с ниска плътност; HDL-C: липопротеинов холестерол с висока плътност; апоА1: Аполипопротеин А1; апоВ: аполипопротеин В; mTOR: механистична цел на рапамицин.

По време на ниско до умерено упражнение дълговерижните мастни киселини представляват основния източник на енергия. Предполага се, че l-карнитинът спестява мускулен гликоген и насърчава окисляването на мазнините по време на тренировка, а предлаганото преобразуване на мазнини в енергия изглежда се отразява от намаляване на телесното тегло [48,49,50]. В допълнение, доказано е, че добавките с 1-карнитин щадят употребата на аминокиселини като източник на енергия, което ги прави достъпни потенциално за нов протеинов синтез [51]. Съобщава се, че отглеждането на кучета, допълнени с 1-карнитин, е имало по-малко разграждане на протеини в резултат на упражнения [52]. Тези ефекти могат да обяснят докладваното нарастване на мускулната маса както при проучвания върху животни, така и при изпитвания върху хора [52,53].

4. Механизми, участващи в ефектите на l-карнитина върху възстановяването след тренировка

4.1. Ефекти на l-карнитин върху мускулната травма по време на тренировка

Индуцираното от упражнения мускулно увреждане и болка могат както да намалят качеството на живот, така и да ограничат по-нататъшната тренировъчна активност. В допълнение към ефектите върху ефективността на упражненията, l-карнитинът е описан да помага за възстановяване след тренировка чрез различни механизми. В пилотно проучване Maggini et al. разгледа дали изходната мощност по време на период на възстановяване след тежка тренировка може да бъде повишена чрез прием на l-карнитин [59]. При 9 от 12 субекта, получаващи 2 g 1 -карнитин дневно за период от 5 дни, се наблюдава значително увеличение на изходната мощност след първоначално усилено упражнение. За разлика от това, еднократното приложение на l-карнитин преди изчерпателно колоездене не подобрява представянето по време на втори кръг упражнения след 3 часа [60].

4.2. Ефекти на l-карнитин върху кръвния поток и ендотелната функция

Ефектите на l-карнитина върху ендотелната функция и освобождаването на азотен оксид са демонстрирани в проучвания върху животни и клинични изпитвания при хора [56,63,67,68,69].

4.3. л-карнитин като антиоксидант

Един от потенциалните механизми, участващи в ролята на добавката на l-карнитин по време на възстановяване при упражнения, е ефектът му за смекчаване на оксидативния стрес по време на тренировка. Увреждането на мускулите, особено по време на ексцентрично упражнение (активна сила, генерираща удължаващи контракции), се причинява от непосредствени клетъчни и структурни наранявания и последващи биохимични реакции по време на възстановяването на тъканите [70,71]. Промяна на саркомерите на мускулните влакна и околната тъкан може да причини дългосрочна дисфункция, така че процесът на възстановяване да продължи до 10 дни [72]. Възможно е също така, че локалната хипоксия, предизвикана от упражнения, може да допринесе за нараняване на мускулите и възпаление чрез отделяне между производството на енергия (АТФ от цикъла на Кребс) и консумацията на енергия в клетките. Това може да доведе до образуването на реактивни кислородни видове (ROS). В крайна сметка освобождаването на вътреклетъчни компоненти в интерстициума и последващото възпаление водят до DOMS, характеризиращ се с болка при движение, болезненост, както и подуване и скованост на мускула [73]. В тези събития участват молекули като хипоксантин, MDA или креатин киназа, произтичащи от нарушение на сарколема [73].

Антиоксидантните ефекти на l-карнитина върху оксидативен стрес, предизвикан от физическо натоварване, също са докладвани от Parandak et al. [64]. Ежедневната добавка с 2 g 1 -карнитин в продължение на 14 дни значително увеличава общия антиоксидантен капацитет в сравнение с плацебо преди и 24 часа след тренировка, докато маркерите за мускулно увреждане и липидна пероксидация остават значително по-ниски в сравнение с плацебо [64]. Освен това, Parthimos и сътр. Установяват, че добавките след тренировка с l-карнитин подобряват общия антиоксидантен статус, което иначе се наблюдава при баскетболистите при липса на добавки [74].

Докато по-голямата част от тези проучвания са проведени при млади, здрави индивиди, Хо и колегите първо предоставят експериментални доказателства за благоприятно въздействие върху възстановяването след упражнения при здрави мъже на средна възраст със средна възраст 45 години и жени на възраст 52 години средно за годината [65]. Отново, повишаването на маркерите за стрес по време и след тренировка, като мускулна болезненост, възприемана от субектите, се отслабва чрез добавяне на l-карнитин.

5. л-карнитин и стареене: стара молекула, нови употреби

Саркопенията се влияе от фактори като диета и физическа активност [79]. Доказано е, че синергичният ефект от упражненията за консумация на месо и устойчивост увеличава синтеза на мускулни протеини [80], както и мускулната сила и издръжливост при възрастни хора [81]. Освен това, допълнителният прием на протеини може да увеличи мускулната маса и сила при възрастните хора [82,83] и да подобри физическата им производителност [84]. Други проучвания обаче показват, че протеинът сам по себе си и без упражнения не е ефективен за подобряване на мускулната маса и функция в тази популация [85].

Нарастващите доказателства сочат, че l-карнитинът може да повлияе положително на мускулната маса и да възстанови възрастово зависимото намаляване на мускулното функциониране. Доказано е, че мускулното съдържание на l-карнитин намалява с възрастта при здрави хора [86]. Освен това стареенето води до намалена транскрипция на OCTN2 иРНК [87], транспортьорът на l-карнитин, което показва, че разпределението на тъканите и хомеостазата на l-карнитина се затрудняват с напреднала възраст. Следователно, редица проучвания изследват ролята на l-карнитина в процеса на стареене.

Въпреки че при по-младата популация редица проучвания не могат да покажат загуба на тегло след прием на l-карнитин [89], в скорошен мета-анализ Pooyandjoo и колеги стигнаха до заключението, че телесното тегло е значително намалено при субекти, които са получили l-карнитин в сравнение с контролните групи. Проучванията, които бяха включени в мета-анализа, се провеждаха предимно при затлъстели и/или диабетици [90].

Въпреки че механизмите, залегнали в основата на ефектите на l-карнитин при насърчаване на мускулната маса и функция при възрастните хора, все още са неизвестни, някои от общите механизми на действие на ефектите на l-карнитин, показани в проучвания върху животни и по-млади спортисти, могат да бъдат приложени. Чрез превръщането на мазнините в енергия, допълнителният l-карнитин позволява щадене на аминокиселини, като по този начин води до натрупване на протеин в мускулите на свинете [51]. Keller и колеги демонстрират ролята на l-карнитина в транскрипционната регулация на гените, участващи в убиквитин протеазомната система на скелетните мускули на прасенца, посочвайки потенциален механизъм, чрез който l-карнитинът предотвратява разграждането на мускулния протеин [91]. В допълнение се съобщава, че l-карнитинът повишава IGF-1 и Akt, като по този начин индуцира сигнальния път на бозайниците на рапамицин (mTOR), който е ключов модулатор на протеиновия анаболизъм [92].

Както се предполага от теорията за стареенето на свободните радикали, пероксидативното увреждане насърчава процеса на стареене [93]. Антиоксидантите могат да почистват реактивните кислородни видове или да предотвратят тяхното производство, като по този начин облекчават оксидативния стрес. Антиоксидантните свойства на l-карнитина са показани от няколко клинични проучвания [64,74,94], което предполага потенциален допълнителен начин на действие, чрез който l-карнитинът може да възпрепятства биохимичните механизми в основата на стареенето на тъканите.

Друг отличителен белег на стареенето е ускореното увреждане на невронните клетки и смъртта, водеща до свиване на мозъка и спад в мозъчната функция. Предполага се, че митохондриалният разпад може да бъде преобладаващото основно събитие [95]. Наскоро Никасио и колеги предполагат влияние на ацетил-1-карнитина върху хомеостазата на митохондриите в мозъка на стари плъхове [96].

6. Заключения

Като ключов играч в метаболизма на мастните киселини и производството на енергия, ролята на l-карнитина при различни показания е въпрос на научни изследвания. l-карнитинът се използва като ергогенен помощник за професионални спортисти и като хранителна добавка във физически активната популация. Изобилие от проучвания при хора, проведени при здрави активни субекти, тренирани спортисти или нетренирани мъже и жени, изследваха ефекта на хранителната добавка върху физическото представяне, кислородния капацитет или мускулната сила. Съвсем наскоро клиничните изследвания преминаха към оценка на хипотезата, че приемът на l-карнитин улеснява процеса на възстановяване след тренировка. Научните данни показват, че атлетичното население може да се възползва от приема на l-карнитин, тъй като намалява страничните ефекти на тренировките с висока интензивност, като намалява степента на хипоксия, причинена от упражнения и мускулни наранявания.

При здравословни условия и при липса на стрес, наличността на l-карнитин не е ограничаващ фактор за β-окисляването на мастните киселини. Неговата хомеостаза е силно регулирана от бионаличността, транспорта и отделянето с урината. И все пак, при условия с отклонения, като вроден или придобит дефицит на карнитин, хемодиализа или при саркопенични и крехки субекти, добавянето на l-карнитин повишава физическата работоспособност и мускулната маса и функция. Свързаното с възрастта намаляване на мускулите може да бъде обърнато както с физическа активност, така и с хранителни средства. Докато упражненията за издръжливост могат да бъдат трудни при възрастни хора, хранителните добавки заедно с умерените упражнения могат да бъдат потенциална стратегия за забавяне на саркопенията като един от признаците на немощ при възрастни хора.

Все по-голям брой проучвания върху животни предоставят доказателства за многостранните механизми, чрез които l-карнитинът оказва своето благотворно действие върху повишения синтез на протеини и намаленото разграждане на мускулите. В допълнение, регулацията на митохондриалната хомеостаза от l-карнитин по време на стареенето се предполага, че влияе на свързаните с възрастта спадове. По този начин, хранителните добавки с л-карнитин могат да допринесат за подпомагане на процеса на стареене, като възпрепятстват прогресирането на мускулната маса и спада на функциите, както и невродегенерацията. По-нататъшни изследвания в тази област са оправдани.

В заключение, предвид въздействието на структурните и симптоматични последици от упражненията с висока интензивност, т.е. увреждане на мускулните саркомери и болка, които не само намаляват качеството на живот, но и намаляват капацитета за по-нататъшно обучение, улесняване на възстановяването от упражнения с l-карнитин добавките са особено полезни за здравословното младо активно население. Освен това, възрастните хора, които изпитват чиста мускулна маса и спад на функциите, намалено съдържание на l-карнитин в мускулите и митохондриална дисфункция също могат да се възползват от положителното въздействие на добавките с l-карнитин. По-специално, с нарастващия брой възрастни субекти, ангажирани с умерени упражнения, ролята на l-карнитина в тази демографска група ще продължи да придобива значение.

Благодарности

Тази статия за преглед е финансирана от Lonza Inc.