Efortul fizic şi sistemul antioxidant non-enzimatic

  Activitatea fizică reprezintă o componentă esenţială, de bază  a stilului de viaţă sănătos.
 Efortul fizic regulat, efectuat într-un context bine stabilit, previne apariţia bolilor cardiovasculare , diabet, cancer şi îmbunătăţeşte funcţiile fiziologice ale sistemului nervos central (SNC).
 Cu toate acestea în urma contracţiilor repetate ale musculaturi periferice, rezultă  mari cantităţii de radicali liberi ai oxigenului (ROS), ca urmare a creşterii  nevoilor energetice ale organismului şi implicit a fluxului de oxygen la nivel tisular.
 Radicalii liberi ai oxigenului sunt specii chimice instabile de mare complexitate,  capabile să  reacţioneze cu toate biomoleculele (lipide, proteine, glucide şi ADN), alterându le  din punct de vedere structural, morfologic   şi  funcţional.
 Pentru alimita acţiunea ROS, celulele dispun de mecanisme antioxidante de apărare, reprezentate atât de complexe emzimatice cât şi de numeroase substanţe  non-enzimatice precum: vitamina E, β-carotenul, vitamina C, acidul α-lipoic, acidul uric, bilirubina şi coenzima Q10.

Vitamina E

  Este una dintre substanţele antioxidante cu o mare distribuţie în natura (Janero şi colab., 1991, Packer şi colab., 1991). Termenul generic de vitamina E se referă la cel puţin 8 izomeri structurali de tocoferol si tocotienol (Janero şi colab.,1991, Schaffer şi colab., 2005). Printre  aceştia, alfa tocoferolul este cel mai cunoscut izomer  şi posedă cea mai puternică activitate antioxidantă dintre toţi izomeri.Vitamina E este un compus lipofilic localizat la nivelul  membranele biologice, având rol în protecţia acestora, prin limitarea  acţiunii   radicalilor liberi asupra conformatiei morfo-structurale  (Packer şi colab.,1991).
  Intr-un model experimental pe şobolanii  Davies (1982) arată că după un efort fizic acut animalele din lotul ce prezenta carenţă în vitamina E-la nivelul muşchilor  somatici şi a ficatului s-a înregistrat o mare crestere a peroxidari lipidelor, mari concentraţii ale radicalilor liberi ai oxigenului şi  disfuncţii ale mitocondriilor, comparativ cu lotul de animale a caror dietă în vitamina E a fost una adecvată.
  În plus faţă de proprietaţile sale antioxidante, cele mai multe dovezi sugerează faptul că unele dintre efectele benefice ale vitaminei E la nivel celular constau  în reglarea expresiei genelor pentru anumite protein enzime (Azzi şi colab.,2004, Azzi şi colab.,2003, Han şi colab.,2004, Schulte şi colab., 2006).
  Au fost realizate multe cercetari  experimentale  cu privire la variatia concentraţiei vitaminei E la nivelul muschiului scheletic somatic, în timpul efortului fizic acut si cronic dar rezultatele nu sunt in concordanta, unele studii raportează o scădere a concentratiei vitaminei E în timpul activităţii fizice (Bowles şi colab., 1991, Gohil şi colab.,1987) în timp ce altele ajung la concluzia ăa atât efortul fizic acut cât si cel cronic nu modifică nivelul  concentraţiei vitaminei E din muşchiul scheletic (Coombes şi colab., 2002, Salminem şi colab.,1983, Starnes şi colab.,1989).
  In cele din urmă, studii de investigare a efectului efortului fizic cronic asupra nivelului vitaminei E in muschiul scheletic uman sugerează  că activitatea fizică nu modifică  nivelul concentraţiei  vitaminei E musculare (Tiidus şi colab.,1995,Tiidus şi colab., 1996). Aceste constatări experimentale vin în sprijinul persoanelor care duc o viaţă alertă-activă, a căror dietă ar trebui să fie una bogată în vitamina E, dar fără a exagera, literatura de specialitate face trimitere la cazuri de reacţii adverse în lant în urma supradojajului cu vitamina E de sinteză.

β-Carotenul

 Similar vitaminei E carotenoizi (beta-carotenul ) sunt antioxidanţi liposolubili localizaţi cu precădere la nivelul biomembranelor şi a spaţiilor intertisulare. Proprietatea antioxidantă a carotenoizilor provide de la aranjamentul structural costând dintr-un lanţ lung de legături duble conjugate, acest aranjament face posibilă interacţiunea dintre radicali liberi şi carotenoizi (EL-Agamey şi colab.,2004, Krinsky şi colab.,1998 după Scott 2008, Stahl şi colab., 2003).
 Datorită poziţionării în membrana celulară şi a rolului funcţional, carotenoizi sunt consideraţi pe lângă alte structuri biochimice cu greutate moleculara redusă, structuri chimice antioxidante eficiente cu rol in prevenirea peroxidării lipidelor membranare şi prevenirea alterării statusului redox GSH/GSSG  (Kumar şi colab.,1992).
 Până în prezent nu se cunoaste în amănunt dacă efortul fizic cronic s-au acut are efect asupra concentraţiei carotenoizilor de la nivelul diferitelor ţesuturi.

Vitamina C

 Este un antioxidant  solubil în apă şi prezent în citosol şi lichidele extracelulare. Proprietăţile sale chimice îi permit să interacţioneze direct cu radicalul superoxid şi radicalui hidroxil în mediul apos (exemplu plasma) şi astfel previne degradarea membranelor eritrocitare şi nu numai.
 S-a demonstrat că deficitul de vitamina C duce la perturbarea funcţiei mitocondriilor miocardice şi la scăderea pragului de epuizare fizică  la porcuşori de guinea, animale ce nu pot sintetiza vitamina C (Packer şi colab.,1986).
 Suplimentarea dietei normale a persoanelor active fizic cu vitamina C indică o creştere a pragului de epuizare şi reducerea semnificativă a markerilor stressului oxidativ.
 Totusi este foarte greu sa stabilim cu exactitate pozitia erarhica pe care vitamina C o  deţine în cadrul sistemului antioxidant pe modele experimentale in vivo (Kanter 1995, Bendich 1995).În plus supradozele de vitamina C pot provoca defecte metabolice la nivelul miocardului şi oboseală precoce în timpul efortului fizic prelungit, probabil din cauza proprietăţi pro-oxidante a vitaminei C, care reactioneaza cu ioni metalelor tranzitorii si poate genera ca reziduu de reactie ROS (Halliwel şi colab., 1989)
 Deoarece pKa acidului ascorbic este de 4.25,  forma predominantă la pH fiziologic este anionul ascorbat. Vitamina C joacă un rol important în reciclarea vitaminei E, proces care duce la formarea unui radical al vitaminei C, radicalul semiascorbil.  Acest radical poate fi readus la vitamina C, reacţie catalizată de enzima semiascorbil reductaza, prin cedarea de protoni( H) din partea NADH, GSH, tiolii celulari, sau acidul dihidrolipoic.

Acidul α-lipoic

  In ultimi 15 ani acidul α-lipoic a primit o atentie sporită ca şi antioxidant celular.
  Acidul α-lipoic  este un compus natural care poate fi preluat de organism dintr-o gamă  largă (variata) de alimente (Kagan şi colab.,1992, Packer şi colab., 1994,1995, Roy şi colab.,1998).
  Funcţional acidul α-lipoic serveşte ca şi cofactor pentru un număr mare de  enzime. În acest sens cităm complexul alfa dehidrogenazelor, care joacă un rol important în reacţiile biochimice de transfer (S-O) (Packer şi colab., 1994).
  În mod normal acidul α-lipoic este prezent în cantităţi foarte mici  la nivel  tisular, joacă  rolul de cofactor pentru enzimele complexe implicate direct sau indirect în protecţia celulei împotriva radicalilor liberi; în felul acesta îşi manifestă activitatea de antioxidant celular (Packer şi colab.,1995).
  Cu toate acestea, nelegat şi supus proceselor biologice celulare, din acidul α-lipoic rezultă trei metaboliţi intermediari cu rol efectiv antioxidant (Kagan 1992, Packer 1995).
  In plus numeroase studii experimentale sprijină ipoteza precum că acidul α-lipoic poate oferi o protecţie antioxidantă benefică indirectă , intr-un context fiziologic bine definit, jucând un rol important in ciclul redox al  vitaminei C (Arend şi colab.,2000, Block şi colab., 1997, Cao şi colab., 1995, Coombes şi colab., 2000,  Fuchs şi colab.,1994, Kagan şi colab.,1992,  Packer şi colab.,1995, Yi X şi colab., 2006, Ziegler şi colab.,1995).
  În ceea ce priveşte efortul fizic şi nivelul concentraţiei acidul α-lipoic, efortul fizic acut pare să crească nivelul concentraţiei acestuia la nivel muscular, pe când efortul fizic cronic pare să nu altereze nivelul acidului α-lipoic tisular (Scott şi colab.,2008).

Acidul Uric

 Acidul uric este un bi-produs al metabolismului bazelor purinice  (componenta acizilor nucleici ) şi un important antioxidant cu greutate moleculară mică din lichidele biologice (Ames şi colab.,1981, Hellsten şi colab., 1997). La pH fiziologic  normal pH=7.38-7.42  aproape tot acidul uric este convertit în uraţi.(Simic şi colab.,1989).
 Rolul antioxidant al acidului uric a fost raportat pentru prima dată în 1960, iar primele dovezi experimentale certe cu privire la puterea antioxidantă a acidului uric apar după 1980 (Ames şi colab.,1981,Davies şi colab.,1986,Howell şi colab.,1960,Sevanian şi colab.,1985).
 Ca antioxidanti, derivaţii acidului uric sunt în masura sa protejeze structurile biologice de actiunea radicalilor liberi, în calitate de donori de electroni (Halliwell şi colab.,2007).
 Impactul efortului fizic cronic asupra nivelului de uraţi din muschiul scheletic rămâne încă necunoscut,   dar se pare totuşi ca uraţi se alătură sistemului antioxidant în muşchii scheletici  în timpul efortului fizic de anduranţă. (Hellsten şi colab., 2001).

Bilirubina

 Bilirubina rezultă ca produs final de catabolism al hemoproteinelor, în urma unor reacţii  biochimice în lant (enzimele implicate sunt,  hemoxigenaza si  biliverdin reductaza ) bine stabilite din punct de vedere metabolic şi genetic (Stocher şi colab.,2004).
 Bilirubina are un puternic rol antioxidant protejând celula de alterările oxidative ce apar ca urmare a acţiunii radicalilor liberi asupra componentelor celulare,  prin intermediul ciclului redox biliverdin-bilirubina  via biliverdin reductaza (Halliwell şi colab.,1994, Stocker şi colab.,1987).
 Cu toate ca efortul fizic intens creşte concentraţia sanguină a bilirubinei (Fallon şi colab.,1999, McKenzie şi colab.,2007) impactul efortului fizic cronic asupra concentraţiei bilirubinei din muschiul scheletic rămâne încă  necunoscut.

Coenzima Q10

 Coenzima Q10 este lacalizată la nivelul biomembranelor, cu precădere la nivelul membranelor mitocondriale şi peroxizomale.
In vitro coenzima Q10 functionează ca un antioxidant non-enzimatic având capacitatea de a reactiona direct cu speciile reactive ale oxigenului şi a inhiba peroxidarea lipidelor membranare.
 Cu toate acestea însă rolul antioxidant al coenzimei  Q10 in vivo rămîne încă incert ,deşi numeroase experimente au avut ca scop investigarea rolului coenzimei Q10 asupra functionării muşchiului scheletic în timpul efortului fizic (Hellsten şi colab., 2007, Kaikkonen şi colab.,1998,Mizuno şi colab., 1997, Rosenfeldt şi colab.,2003, Sen şi colab.,  1992, Tiidus şi colab.,1995).
 Rezumând, efectul efortului fizic asupra concentraţiei  coenzima Q10 rămâne încă un teritoriu  necunoscut, dar  de interes pentru cercetatori.


Bibliografie

1.Ames BN, Catheart R, Schwiers E,Hochstein P.Uric acid provides  an antioxidant defense  in human  against oxidant- and  radical-caused  aging and cancer : a hypotensis>Proc Natl Acad Sci USA 78:6858-6862,1981.
2.Arend A,Zilmer M, Vihalemm T,Selstam G, Sepp E.Lipoic acid prevents suppression of connective tissue proliferation in the  rat liver  by n-3 PUFAs. A pilot study.Ann Nutr Metab 44:217-222, 2000.
3.Azzi A, Gysin R, Kempna P, Munteanu A, Villacorta L, Visarius T, Zingg JM. The role of alpha-tocopherolin preventing disease:from epidemiology to molecular events. Mol Aspects Med 24: 325-336, 2003.
4.Azzi A,Davies KJA,Kelly F. Free radical biology: terminology and critical thinking. FEBS  Lett  558:3-6,2004.
5.Benedich A,Langhseth L. The health effects of vitamin C supplementation:A reviews. J Am Coll Nutr 14:124-136, 1995.
6.Block F, Schwarz M.Effects of antioxidants on ischemic retinal  dysfunction.Exp Eyes Res 64:559-564,1997.
7.Boweles DK, Torgan CE,Ebner S,Kehrer JP,Ivy JL,Starnes JW.Effects of acute  submaximal exercise on skeletal muscle  vitamin E. Free Radic Res Commun 14:139-143, 1991.
8.Cao X,phillis JW.The free radicals  scavenger, alpha lipoic acid  protects against cerebral ischemia-reperfusion injury in gerbils. Free Radi Res  23:365-370,1995.
9.Combes JS, Rowell B, Dodd SL, Demirel HA, Naito H, Shanely RA, Powers SK.Effects of vitamin E deficiency on fatigue and muscle contractile properties. J Appl  Physiol 87:272-277, 2002.
10.Davies KJA, Quintanilhan TA, Brooks GA, Packer L.Free radical and tissue damage produced  by exercise.Biochem Biophys Res Commun 107:1198-1205, 1982.
11.Davies KJ, Sevanian  A Muakkassah-Kelly SF, Hochstein P. Uric acid –iron ion complexes. A new  aspect of the antioxidant functions of uric acid. Biochem J 235:747-754,1986.
12.El-Agamey A,Lowe GM,McGarvey DJ,Mortensen A,Phillip DM,Truscott TG,Young AJ.Carotenoid radical chemistry and antioxidant/pro-oxidant properties. Arch Biochem Biophy  430:37-48, 2004.
13.Fallon KE, Sivyer K, Dare A. The biochemistry of runners  in a 1600  Km Ultramarathon.Br J Sport Med 33:264-269,1999.
14.Fuchs J, M, Milbrand R.Antioxidant inhibition of skin inflammation induced by reactive oxidants:evaluation of the redox couple dihydrolipoate/lipoate.Skin Pharmacol 7:278-284, 1994.
15.Gohil K ,Rothfuss l, Lang J, Packer L. Effect  of exercise training on tissue  vitamin E and ubiqinone content. J Appl  Physiol 76:1630-1635, 1987.
16.Halliwell B, Gutteridge J. Free Radicals in Biology and Medicine. Oxford, UK: Oxford Univ.Press, 2007.
17.Halliwell B, Gutteridge JMC. Free radical In biology and Medicine (2nd ed).Oxford : Clarendon  press, pp 136-158,1989.
18.Halliwell B.Free radicals and antioxidants:a personal view. Nutr Rev 52:253-265, 1994.
19.Han SN, Adolfsson O, Lee Ck, Prolla TA, Ordovas J, Meydani SN. Vitamin E and gene expression in immune cells.Ann NY Acad  Sci 1031:96-101, 2004.
20.Hellsten Y, Nielsen JJ, Lykkesfeldt J,Bruhn M, silveira L, Pilegaard H,Bangsbo J.Antioxidant suplimentation enhances  the exercise-induced increase in mitochondrial coupling protein 3 and endothelial nitric oxid synthase m RNA content in human skeletal  muscle.Fre Radic Biol Med 43:353-361, 2007.
21.Hellsten Y,Svensson M, Sjodin B, Smith S,Christensen A,Richter EA, Bangsbo J.Alantoin formathione exchange in human muscle during submaximal exercise. Free Radic Biol Med 31:1313-1322, 2001.
22.Hellsten Y,Tullson PC, Richter EA, Bangsbo J. Oxidation of urate in human skeletal muscle during exercise. Free  Radic  Biol  Med 22:169-174,1997.
23.Howell RR, Wyngaarden JB.On the mechanism of peroxidation  Of uric acids by hemoproteinns . J Biol Chem 235:3544-3550, 1960.
24.Janero DR.Therapeutic potential of vitamin E in the pathogenesis  of spontaneous atherosclerosis. Free Radic Biol Med 11:129-144,1991.
25.Kagan VE, Shvedova A,Serbinova, Khan S,Swanson C, Powell R,Packer L.Dihydrolipoic acid –a universal antioxidants  both in the membrane and in the aqueous  phase . Reduction of peroxyl, ascorbyl and chromanoxyl radical.Biochem  Pharmacol 44: 1637-1649, 1992.
26.Kaikkonen J, Kosonen L, Nyyssonen K,Porrkkala-Sarataho E, Salonen R, Korpela H, Salonen JT.Effect of combined of coenzyme Q10 and alpha-tocopheryl acetate supplementation on exercise induced lipid peroxidation and muscular damage:a placebo-controlled double-blind study in marathon runners. Free Radic Res 29:85-92, 1998.
27.Kanter MM. Fre radicals and exercise:effects of nutritional antioxidant supplementation. In: Holloszy  JO, Ed. Exercise and Sport Science  Rewiev. Baltimore , MD: Wiliams and Wilkins, pp375-398, 1995.
28.Kumar CT, Reddy VK, Prasad M, Thyagaraju K, Reddanna P. Dietary supplementation of vitamin E prodtects heart tissue from exercise-indeced  oxidant stress. Mol Cell Biochem  111:109-115, 1992.
29.McKenzie EC, Jose-Cunilleras E, hinchcliff KW, Holbrook TCRoyer CPayton ME, Williamson K, Nelson S, Willard MD, Davis MS. Serum Chemistry alterarion in Alaska sled dogs during five successive days of prolonged  endurance exercise. J Am Vet Med Assoc 230:1486-1492, 2007.
30.Mizuno M, Quistorff B, Theorell H, Chance B.Effects of oral supplementation of coenzima Q10 on P-NMR detected skeletal muscle energy metabolism in middle-aged postpolio subjectsand normal volunteers. Mol Aspect  Med 18:Suppl:291-298, 1997.
31.Packer L, Gohil K, De Lumen B, Terblanche  SE.A comparative study on the effects of ascorbic acid deficiency and supplementation on endurance and mitochondrial oxidative  capacities in Various tissue of the guinea pig. Comp Biochem   Physiol  83 B: 235-240, 1986.
32.Packer L. Protective role of vitamin E in biological systems. Am J. Clin Nutr 53:1050S-1055 S,1991.
33.Packer L. Antioxidant properties of lipoic acid  and its therapeutic  effects in prevention of diabetes complication and cataracts. Ann NY Acad Sci 738-:257-264,1994.
34.PackerL, Witt EH, Tritschler HJ. alpha-Lipoic acid  as a biological antioxidants. Free Radic Biol Med 19: 227-250, 1995.
35.Rosenfeldt F,Hilton D,Pepe S, Krum H.Systematic review of effect of coenzyme Q10 in physicalexercise, hypertension and heart failure. Biofactors 18: 91-100, 2003.
36.Roy S, Packern L.Redox regulation of cell functions  by alpha-lipoate:biochemical and molecular aspects.Biofactors 8:17-21,1998.
37.Salminen A,Vihko V. endurance training reduces the susceptibility of mouse skeletal  muscle to lipid peroxidation in vitro.Acta Physiol Scand 117:109-113,1983.
38.Schaffer S, Muller WE, Eckert GP. Tocotrienols: constitutional effects in aging and disease. J.  Nutr. 135:151-154, 2005.
39.Schulte I,Bektas H, Klempnauer J, Borlak J. Vitamin E in heart transplantation :effects on cardiac gene expression. Transplantation 81:736-745, 2006.
40.Scott K., Powers and Malcolm J. Jackson-Physiological rewiev.88:1243-1276, 2008.
41.Sen CK,Marin E,Kretzschman M,Hanninen O. Skeletal muscle and liver glutathione homeostasis in response to training,exercise immobilization.J Appl Physiol 73:1265-1272,1992
42.Sevanian  a, Davies KJ, Hochstein P. Conservation of vitamin C By uric acid in blood. J Free Radic Biol Med1:117-124, 1985.
43.Simic M,Jovanovici S.Antioxidantion mechanisms of uric acid .J Am Chem Soc 111:5778, 1989.
44.Stahl W, Sies H.antioxidant activity of carotenoids.Mol Aspects Med 24:345-351, 2003.
45.Starnes  JW,Cantu G,Farrar RP, Kehrer JP.Skeletal Muscle lipid peroxidation inexercised and food-restricted rats during aging.J Appl Physiol  67:69-75,1989.
46.Stocker R,Glazer AN, Ames BN. Antioxidant activity of albumin bound bilirubin. Proc Nat  Acad  Sci  USA 84:5918-5922, 1987.
47.Stocker R. Antioxidant activities  of  bile pigments . Antioxid Redox  Signal 6:841-849, 2004.
48.Tiidus PM, PushkarenkoJ,Houston ME.Lack of antioxidant adaptation to short-term aerobic training in human  muscle.Am J Physiol  regul Integr Comp Physiol 271:832-836,1996.
49.Tiidus PM,Houston ME.Vitamin E status and response to exercise training.Sport Med 20:12-23,1995.
50.Yi X, Maeda N. Alpha-Lipoic Acid prevents the increase in atherosclerosiis induced by diabets in apolipoprotein E-deficient mice fed high-fat?low-cholesterol diet. Diabetes 55:2238-2244, 2006
51.Ziegler D,Hanefeld M, Ruhnau KJ,Meissner HP,Lobisch M, Schutte K, Gries Fa.  Treatament of symptomatic diabetic peripheral neuropathy with the anti-oxidants alpha-lipoic acid . A 3 –week multicenter randomized controlled  trial (ALADIN study). Diabetologia 38:1425-1433, 1995.