Autor: Sławomir Ambroziak
Słowa kluczowe: karnozyna, beta alanina, węglowodany, glukoza, insulina, IGF-1, glukotoksyczność, lipotoksyczność, AGEs, RAGE, NF-kB, mTOR, kachektyna, katabolina, miostatyna.
Główny nurt żywienia kulturystów tworzą diety wysokowęglowodanowe. W czasach, w których wykuto kultowe sylwetki kulturystyczne, zalecenia, co do spożycia cukrów, były niezwykle wysokie: proponowano nawet do 800 g węglowodanów na dobę. Obecnie obserwujemy raczej ogólny trend w kierunku obniżenia spożycia węglowodanów i przemijanie fascynacji dietami bardzo wysokowęglowodanowymi; mniejsza podaż cukrów ułatwia bowiem utrzymanie niższego poziomu tkanki tłuszczowej w okresie budowania masy mięśniowej, co z kolei ułatwia późniejsze przygotowania startowe. Niemniej, w szeroko promowanych zaleceniach żywieniowych nadal znajdujemy opinię, że węglowodany powinny pokrywać przynajmniej 50% dziennego zapotrzebowania kalorycznego kulturysty, co daje ok. 500 g cukru na dobę.
I wprawdzie objawiają się pośród kulturystów propagatorzy diet wysokotłuszczowych, proponujący zastąpienie cukrów tłuszczami, ci nie znajdują jednak szerokiego poklasku pośród kolegów z siłowni, nadal więc w sporcie tym obowiązuje model żywienia z wysokim udziałem węglowodanów. Bo i nie tędy droga… sztuka nie polega raczej na wpadaniu z jednej skrajności w drugą. Tłuszcze, jakkolwiek cenne dla mięśni, nie zastąpią niezbędnych im do rozwoju węglowodanów, a w niezasadnie przesadnych stężeniach mogą nawet szkodzić naszej muskulaturze, która to szkodliwość mieści się w obszarze zjawiska tzw. lipotoksyczności – toksyczności tłuszczów. I chociaż przez długi czas uważano, że węglowodany niosą jedynie same pożytki dla mięśni, w świetle nowszych badań mamy prawo podejrzewać, iż również cukrom brakuje wiele do ideału i że również ich niezasadny nadmiar może szkodzić muskułom, która to szkodliwość mieści się z kolei w obszarze zjawiska tzw. glukotoksyczności – toksyczności glukozy.
Wysokie porcje węglowodanów są najprawdopodobniej niezbędne do rozwoju potężnej muskulatury. Pojawiają się jednak przesłanki wskazujące na to, że przesadny ich nadmiar w diecie może utrudniać budowanie masy mięśniowej. A ponieważ ustalenie rozsądnego optimum może być tutaj niezwykle trudne, lepiej chyba wskazać sposoby, dzięki którym można cieszyć się anaboliczną aktywnością wysokich porcji węglowodanów, bez obawy o ich szkodliwość dla mięśni…
Druga twarz glukozy
Ponieważ większość przyswajanych przez nasz organizm węglowodanów przemienia się ostatecznie w glukozę, dlatego też, mówiąc o skutkach spożywania węglowodanów, najczęściej mamy w rzeczywistości na myśli metaboliczną aktywność glukozy. (Chociaż ostatnio podnosi się równie często kwestię szkodliwej aktywności fruktozy.)
Glukoza jest natomiast podstawowym paliwem dla mięśni traktowanych wysiłkiem siłowym. A wszystko z tego powodu, że, w przeciwieństwie np. do kwasów tłuszczowych, może produkować energię również w procesach beztlenowych, czyli wtedy, gdy mięśnie pracują intensywnie, ale krótko, więc ich włókna kurczą się bez dostępu pochodzącego z krwiobiegu tlenu.
Z kolei po treningu, glukoza gromadzi się we włóknach mięśniowych, w postaci cukru zapasowego – glikogenu. A ponieważ poddawane systematycznym treningom mięśnie są w stanie wysycić się w 3. procentach glikogenem, który wiąże do 350% wody, dlatego tzw. ładowanie węglowodanami jest w stanie dać kulturyście nawet 6.5 kg dodatkowej masy mięśniowej.
Najważniejszy dla hipertrofii mięśni wydaje się jednak wpływ glukozy na regulacje hormonalne. Cukier ten pobudza produkcję insuliny w trzustce i IGF-1 w wątrobie – dwóch kluczowych hormonów anabolicznych, gromadzących glikogen i białka we włóknach mięśniowych. Działa również bardziej bezpośrednio, na poziomie samych włókien, pobudzając w ich wnętrzu produkcję mięśniowych form IGF-1 (mIGF-1) oraz miogeniny – białka odpowiedzialnego za przebieg regenerującego i rozbudowującego muskulaturę procesu miogenezy. Jednocześnie zgromadzona w mięśniach, w postaci glikogenu, glukoza okazuje się niezbędna do uruchomienia szlaków sygnalizacyjnych, wiodących poprzez pewien szczególny enzym – kinazę mTOR, a odpowiedzialnych za indukcję sygnału anabolicznego w odpowiedzi na trening siłowy (Haff, 2003; Creer, 2005; Churchley, 2007).
Z drugiej jednak strony glukoza, jak już wiemy, jest w wysokich stężeniach toksyczna dla organizmu, które to zjawisko nazywamy glukotoksycznością. Dlatego organizm dba o utrzymanie w miarę wyrównanego poziomu cukru we krwi, w określonych zakresach wartości uznawanych za prawidłowe. Glukoza jest szczególnie toksyczna dla takich komórek, do których może wnikać bezpośrednio, bez pośrednictwa przenośników uruchamianych przez insulinę i podobnie działające hormony, wykorzystując różnicę stężeń pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną stroną błony komórkowej – czyli głównie dla komórek trzustki i śródbłonka naczyniowego. Dlatego permanentnie podwyższony poziom cukru we krwi (hiperglikemia) może prowadzić do cukrzycy, zakłócając funkcje życiowe komórek beta trzustki produkujących insulinę, jak również do rozmaitych schorzeń o podłożu naczyniowym (angiopatii), takich jak: uszkodzenie siatkówki (retinopatia), uszkodzenie nerek (nefropatia), uszkodzenie nerwów (neuropatia), choroba niedokrwienna serca, choroba niedokrwienna kończyn dolnych czy choroba naczyń mózgowych. W bezpośredni sposób glukoza nie szkodzi jednak, jak długo uważano, tkance mięśniowej, wyspecjalizowanej, podobnie jak wątroba, w jej magazynowaniu, w postaci cukru zapasowego – glikogenu. Nowsze badania każą nam jednak zrewidować poglądy na szkodliwość nadmiaru glukozy dla tkanki mięśniowej…
Glukotoksyczność a mięśnie
Chociaż naukowcy wskazują kilka mechanizmów odpowiedzialnych za toksyczność glukozy, niezmiennie na pierwszy plan wysuwa się zawsze jeden z nich – glikacja. Glikacja to spontaniczny, nieenzymatyczny proces wiązania się cukrów z białkami. Musimy ją odróżnić od procesu glikozylacji, w którym organizm, w określonych strukturach ciała, wiąże planowo przy użyciu enzymów cukry z białkami, w celu wytworzenia niezbędnych do życia substancji, takich jak np. glikoproteiny czy proteoglikany. Natomiast glikacja tworzy nieprzydatne indywidua chemiczne, które w efekcie kolejnych przemian przekształcają się do bardzo szkodliwych molekuł, nazywanych końcowymi produktami zaawansowanej glikacji (AGEs – advanced glycation end products).
Tak więc nadmierne spożycie węglowodanów przyczynia się do wzmożonego wytwarzania AGEs, które są bardzo szkodliwe dla zdrowia i zostały uznane przez specjalistów za jedną z głównych przyczyn postępu procesów starzenia się organizmu. (Związek AGEs z chorobami i starością to oczywiście niezwykle ciekawy temat, jednakże jednocześnie niezmiernie rozległy, wymagający tym samym zupełnie odrębnego opracowania.) Zaznaczmy jednak, że również tłuszcze nie są tutaj bez winy… Chodzi o to, że glikacja zachodzi na skutek spontanicznej reakcji grupy aldehydowej cukru z grupą aminową białka, natomiast z kwasów tłuszczowych powstają w organizmie aldehydy. Tak więc zastąpienie cukru tłuszczem wcale nie jest najprostszym rozwiązaniem, a właściwą drogę wskazuje nam ogólne umiarkowanie w spożywaniu energetycznych składników pokarmowych, przynajmniej gdy mówimy o osobnikach o niskiej aktywności ruchowej. Kulturystom natomiast poleca się często ograniczenie spożycia węglowodanów, nie tyle jednak na korzyść tłuszczów, co białek.
Powracając jednak do meritum sprawy… otóż, jak się okazuje, tak samo, jak dla całego organizmu, AGEs są równie szkodliwe dla mięśni. AGEs działają bowiem na komórki mięśniowe podobnie do hormonów katabolicznych, niszczących białka mięśniowe. Wygląda to w ten sposób, że molekuły te wiążą swoiste dla siebie receptory, nazywane receptorami dla końcowych produktów zaawansowanej glikacji (RAGE) a zlokalizowane w błonach komórkowych włókien mięśniowych i komórek satelitarnych, czyli macierzystych komórek mięśniowych, odpowiadających za regenerację i hipertrofię mięśni na drodze procesu miogenezy. Natomiast wiązanie AGEs z RAGE uruchamia szlak sygnalizacyjny, aktywujący czynnik transkrypcyjny NF-kB, który przenika do jądra komórkowego i pobudza geny komórek mięśniowych to produkcji niezwykle silnych hormonów katabolicznych, takich jak kachektyna, katabolina i miostatyna, degradujących białka mięśniowe i stopujących proces hipertrofii mięśni (Haslbeck, 2005; Uribarri, 2008). Za pośrednictwem RAGE, AGEs obniżają też aktywność wspomnianego wyżej szlaku kinazy mTOR, sterującej procesem anabolizmu białek mięśniowych (Miele, 2003; Cassese, 2008; Chiu, 2016). Dodanie tych molekuł do podłoża hodowlanego komórek mięśniowych prowadzi do redukcji ich rozmiarów oraz hamuje różnicowanie się komórek satelitarnych w kierunku włókien mięśniowych, czyli proces miogenezy (Chiu, 2016).
Okazuje się przy tym wszystkim, że wzrost poziomu AGEs we krwi podwyższa stężenie tych molekuł i ich receptorów w tkance mięśniowej, co skutkuje osłabieniem potencjału regeneracyjnego i spadkiem rozmiarów mięśni oraz redukcją całkowitej masy mięśniowej (Chiu, 2016). Natomiast u myszy żywionych przez 12 tygodni dietą z 60-procentowym udziałem węglowodanów dochodzi do upośledzenia produkcji czynników regulujących miogenezę, czemu towarzyszy pogorszenie wydajności pracy mitochondriów oraz spadek siły mięśni (Mastrocola, 2016). Z kolei w badaniach z udziałem ochotników dowiedziono, że osobnicy z najwyższym stężeniem AGEs, w porównaniu z niższymi wartościami, dysponują znacznie obniżoną siłą mięśni – na przykład, w zależności od modelu badawczego, o 6.3, 9.45 i 10% (la Maza, 2008; Dalal, 2009; Momma, 2011). Dowiedziono również, że stężenie AGEs we krwi człowieka koreluje negatywnie z wielkością jego masy mięśniowej, co oznacza, że – im większy stopień glikacji – tym mniejsze rozmiary muskułów (Tanaka, 2015).
Karnozyna w mięśniach
Karnozyna jest dipeptydem, czyli maleńkim białkiem, zbudowanym z dwóch aminokwasów – beta alaniny i histydyny. Najwięcej karnozyny znajdujemy w mięśniach – w mięśniach szkieletowych i mięśniu sercowym. Tutaj karnozyna jest najpowszechniej występującym, niebędącym pełnowymiarowym białkiem, związkiem azotowym, tworzącym od 0.2 do 0.5% masy mięśniowej.
Już w 1992 roku Sewell wykazał na przykładzie mięśni koni, że najwięcej karnozyny koncentrują szybkokurczliwe włókna mięśniowe typu II, a znacznie mniej – wolnokurczliwe typu I, co równo 10 lat później (w 2002 r.) potwierdził Suzuki w odniesieniu do mięśni człowieka. A jest to o tyle istotne, że to właśnie włókna typu II (szczególnie – IIA) wnoszą największy udział w rozwój masy mięśni kulturystów. Suzuki udowodnił jednocześnie, że koncentracja karnozyny w mięśniach koreluje dodatnio ze zdolnościami wysiłkowymi sportowców; ochotnicy z najwyższym poziomem karnozyny w mięśniach wykazywali najwyższe zdolności wysiłkowe, w przedziale pomiędzy 20. a 30. sekundą ćwiczeń o bardzo wysokiej intensywności, a przecież standardowa seria ćwiczeń typu bodybuilding (najlepiej rozwijających masę mięśniową), obejmująca 6-10 powtórzeń, odbywa się w przybliżeniu, w podobnym przedziale czasowym.
Karnozyna aktywuje w mięśniach, w pierwszej kolejności ATPazę – enzym napędzający energią biologiczną skurcze włókien mięśniowych. Drugą najważniejszą, pełnioną przez karnozynę funkcją jest rola bufora obniżającego kwasowość środowiska komórkowego włókien mięśniowych, przy czym karnozyna odpowiada za efekt odkwaszający mięśnie przynajmniej w 40. procentach (Abe, 2000; Boldyrev, 2000; Stuerenburg, 2000). Chodzi o to, że pracujące mięśnie spalają glukozę, a w efekcie tego procesu powstaje kwas mlekowy. Natomiast w miarę wzrostu stężenia kwasu mlekowego, czyli wzrostu zakwaszenia włókien mięśniowych, ulega osłabieniu siła ich skurczu, czyli zdolność do pracy. Dlatego też, kiedy naukowcy dodali karnozynę do podłoża, w którym umieścili mięsień żaby zmęczony uprzednio skurczami wywołanymi elektrostymulacją, natychmiast zaobserwowali wyraźną poprawę siły skurczu wyczerpanych włókien mięśniowych (Seweryn, 1953).
Skurcze włókien mięśniowych inicjowane są przez jony wapniowe, uwalniane z tworu komórkowego, zwanego siateczką sarkoplazmatyczną. I tutaj ujawnia się właśnie trzecia z najważniejszych funkcji pełnionych przez karnozynę… związek ten pobudza z jednej strony uwalnianie jonów wapniowych z siateczki sarkoplazmatycznej, z drugiej zaś uwrażliwia na ich działanie białka kurczliwe miofibryli mięśni szkieletowych i serca (Zaloga, 1997; Robersts, 2000; Rubtsov, 2001).
Pełniąc swoje zadania życiowe, karnozyna ulega degradacji, w związku z czym musi być na bieżąco odtwarzana z beta alaniny. Problem w tym, że wraz z wiekiem słabnie zdolność organizmu do odbudowy karnozyny. I chociaż przyczyny takiego stanu rzeczy nie są do końca poznane, uważa się, że główną winę ponosi tutaj pogłębiający się z wiekiem niedobór hormonów płciowych, pobudzających najprawdopodobniej syntezę karnozyny (Tallon, 2005; Caruso, 2012). Niemniej młodzi kulturyści, dysponujący zazwyczaj wysokim poziomem androgenów (czy to naturalnych, czy pochodzących ze sterydów anaboliczno-androgennych), mogą wymiennie do karnozyny przyjmować suplementy popularnej pośród sportowców beta alaniny, której suplementacja podnosi poziom tego dipeptydu w mięśniach, w zakresie od 20 do 80% (Culbertson, 2010).
Karnozyna w procesie glikacji
Jednak wyżej przedstawione fakty to jeszcze niecała prawda o karnozynie… ten zadziwiający dipeptyd chroni jednocześnie mięśnie przed zgubnymi konsekwencjami glikacji.
Jak bowiem się okazuje, poza omówionymi powyżej funkcjami, karnozyna pełni dodatkowo rolę niezwykle skutecznego czynnika przeciwglikacyjnego, chroniącego białka komórkowe przed atakiem reaktywnych cukrów i podobnych związków o charakterze aldehydów, tworząc swojego rodzaju pułapkę na drobnocząsteczkowe związki aldehydowe (Price, 2001). Takie jej cechy możemy wytłumaczyć faktem, że karnozyna jest również, jakby nie było, białkiem, tyle że maleńkim, zbudowanym bowiem jedynie z dwóch aminokwasów. Przy czym, z uwagi na szczególnie duże stężenie w tkance mięśniowej, odgrywa główną rolę w dezaktywacji szkodliwych produktów glikacji w mięśniach szkieletowych (Decker, 2000).
Jednak karnozyna nie tylko wyłapuje i unieszkodliwia reaktywne związki aldehydowe, ale jednocześnie wchodzi w reakcje z grupami aldehydowymi białek zmienionych na drodze glikacji, co nazywamy procesem karnozylacji a co polega na tworzeniu złożonych kompleksów aldehydowo-karnozynowo-białkowych, praktycznie pozbawionych aktywności biologicznej (Hipkiss, 2000).
Główna droga eliminacji kompleksów cukrowo-białkowych (tak samo zresztą, jak innych białek zużytych przez komórkę, zniszczonych lub niefunkcjonalnych) prowadzi poprzez kataboliczny proces proteolizy, przebiegający w złożonych kompleksach enzymatycznych, nazywanych proteasomami. Jednakże warunkiem proteolizy degradowanych przez komórkę białek jest przyłączenie do nich pewnego, szczególnego znacznika białkowego – ubikwityny. Problem w tym, że zmodyfikowane glikacyjnie białka są oporne na działanie enzymów proteolitycznych, więc w konsekwencji hamują nawet aktywność proteasomów. Karnozyna maskuje natomiast grupy aldehydowe zmodyfikowanych cukrami białek, wciskając się niejako pomiędzy cukier a białko, a tym samym ułatwia wiązanie ubikwityny i przebieg procesu proteolizy oraz stymuluje kataboliczną aktywność proteasomów względem niefunkcjonalnych białek, sprzyjając ostatecznie eliminacji szkodliwych produktów glikacji (Hipkiss, 2000).
I wprawdzie kulturyści boją się jak ognia katabolizmu, ten niszczy bowiem białka mięśniowe, zauważmy jednak, że kataboliczna aktywność karnozyny ukierunkowana jest selektywnie – jedynie na molekuły hamujące hipertrofię mięśni.
Pożytek z karnozyny
Ponieważ zmodyfikowane cukrami białka, jak pamiętamy, stają się oporne na degradację proteolityczną, dlatego też, jeżeli mięśnie nie dysponują odpowiednim zasobem karnozyny, szkodliwe produkty glikacji kumulują się z czasem w tkance mięśniowej, prowadząc do redukcji masy i siły mięśni. Jak wynika z niektórych, wyżej omówionych badań, to właśnie kumulujące się w tkance mięśniowej AGEs, przy upośledzonej syntezie karnozyny, są jedną z głównych przyczyn sarkopenii – postępującego z wiekiem zaniku i osłabienia mięśni. Karnozyna powinna stać się więc suplementem rutynowo i obowiązkowo uzupełnianym przez seniorów korzystających rekreacyjnie z siłowni lub innych form aktywności ruchowej, gdyż ich mięśnie nie radzą już sobie z wydajną syntezą tego dipeptydu, w związku z czym są szczególnie narażone na niszczycielską aktywność AGEs.
Niemniej wyżej widzieliśmy, że żywienie z bardzo wysokim, 60-procentowym udziałem węglowodanów generalnie sprzyja glikacji i osłabieniu mięśni, przynajmniej u gryzoni, co każe podejrzewać, że karnozyna może być szczególnie cennym suplementem dla kulturystów korzystających z wysokowęglowodanowego modelu żywienia. Kulturyści mogą oczywiście stosować tutaj wymiennie popularną pośród sportowców beta alaninę, gdyż ich mięśnie bez problemu wytwarzają z niej karnozynę. Natomiast o tym, że postępowanie takie ma głęboki sens, przekonują nas wyniki badań dowodzące, że suplementacja beta alaniny, w porównaniu z placebo, potęguje rozwój masy mięśniowej u sportowców i młodych ochotników, poddawanych programom ćwiczeń siłowych i interwałowych (Hoffman, 2006; Smith, 2009; Abady, 2014).
