Fizjologia, biochemia

Transkrypt

1 Fizjologia, biochemia sportu 117 Czy exercise pills mogą wpłynąć na poprawę zdolności wysiłkowych człowieka, czy zastąpią aktywność fizyczną? Jakie miałoby to konsekwencje dla sportu? Na te pytania nie ma dziś jednoznacznej odpowiedzi. Exercise pills inżynieria genetyczna sport Badania Ronalda Evansa W 2008 roku na łamach prestiżowego czasopisma Cell opublikowano wyniki eksperymentu przeprowadzonego przez zespół prof. Ronalda Evansa z Salk Institute Gene Expression Laboratory, dotyczącego wpływu dwóch związków oznaczonych jako GW1516 i AICAR na wytrzymałość fizyczną zwierząt doświadczalnych. Wykazano, że oba preparaty wielokierunkowo modulują metabolizm energetyczny i zmieniają fenotyp mięśni, tj. zwiększają zawartość włókien wolnokurczliwych ST o 38% poprzez transformację włókien FT-IIb (14). W wywiadach udzielanych BBC News i Reuters prof. Evans wyjaśniał, że GW1516 i AICAR przeprogramowują kurczące się włókna mięśniowe, wskutek czego mogą dłużej kontynuować wysiłek. Pierwszym testowanym związkiem był GW1516 agonista jądrowego receptora δ wiążącego proliferatory peroksysomów (PPARδ), który należy Sport Wyczynowy 2010, nr 3/535

2 118 do grupy jądrowych receptorów PPAR aktywowanych przez wiele naturalnych i syntetycznych substancji (tab. 1). Receptor PPARδ już w połowie lat 90 był opisywany, jako kluczowy regulator przemiany tłuszczów, głównego źródła energii podczas długotrwałej pracy mięśniowej (6). Zaobserwowano wysoki poziom transkryptów dla receptorów PPARδ w mięśniach szkieletowych po ciągłym i interwałowym wysiłku wytrzymałościowym. Jego ekspresja była 10 i 50-krotnie wyższa niż PPARα i PPARγ (12, 19). W 2004 roku zespół Evans a stworzył transgeniczne myszy z dodatkowym genem PPARδ, które jak stwierdzono eksperymentalnie zdolne były biec dwukrotnie dłużej niż myszy niemodyfikowane genetycznie. Jednocześnie rozpoczęto badania z zastosowaniem agonisty PPARδ, czyli GW1516 (20). Podawanie GW1516 (10 mg/kg/d) przez 5 tygodni trenowanym myszom zwiększyło czas wysiłku o 60-70% w porównaniu do myszy niewspomaganych GW1516. Preparat GW1516 wzmacniał oddziaływanie wysiłku fizycznego na organizm badanych zwierząt (14) (tab. 1). Wyniki eksperymentu z zastosowaniem AICAR analogu adenozynomonofosforanu (AMP) były znacznie ciekawsze. Po 4 tygodniach podawania preparatu (250 mg/kg/d lub 500 mg/kg/d) sedenteryjne myszy biegły o 23% szybciej i przebiegły o 44% dłuższy dystans niż myszy niewspomagane i nietrenowane. W tym przypadku pigułka wysiłku rekompensowała brak treningu (14). Badania ze związkami naśladującymi działanie AMP, podobnie jak w przypadku agonistów PPARδ, prowadzono znacznie wcześniej. Wykazały one, że podawanie szczurom analogów AMP poprawia metabolizm glukozy poprzez wzrost poziomu transportera glukozy GLUT4 i aktywności jednego z enzymów glikolizy heksokinazy oraz zwiększa liczbę mitochondriów w mięśniach. Zmiany były podobne do tych, jakie obserwowano u szczurów poddawanych przez kilka dni treningowi (8, 24). Publikacja w Cell wywołała w prasie naukowej gorącą dyskusję, czy exer- Izoformy Tkanki Tabela 1 Rodzina receptorów PPAR (1,2) Ligandy fizjologiczne i syntetyczne PPARα brunatna tkanka tłuszczowa, nerki, kwasy tłuszczowe, omega-3 PUFA, fibraty serce, mięśnie szkieletowe PPARδ biała tkanka tłuszczowa, serce, mięśnie kwasy tłuszczowe, omega-3 PUFA, szkieletowe, serce, wątroba, przełyk, nerki eikozanoidy PPARγ biała tkanka tłuszczowa, jelita, nerki, kwasy tłuszczowe, prosta-glandyna J2 wątroba, śledziona, siatkówka, mięśnie (15dPGJ2), tia-zolidynodion (TZD) szkieletowe limfocyty, monocyty i makrofagi

3 Exercise pills inżynieria genetyczna sport 119 cise in pill zastąpi aktywność fizyczną, czy exercise pills są mimetykami wysiłku fizycznego? Warden i Fuchs twierdzili, że wysiłek fizyczny wywołuje zbyt wiele wielokierunkowych zmian w organizmie, aby jedna pigułka mogła go zastąpić (22). Hawley i Holloszy zwrócili uwagę, że exercise pills charakteryzują się zbyt krótkim okresem półtrwania, porównywalnym do kwasu mlekowego, aby mogły wywierać długotrwałe efekty (7). Natomiast prof. Goodyear z Harvard Medical School wyraziła swoje wątpliwości w skuteczność działania GW1516 i AICAR w pracy zatytułowanej The exercise pills too good to be true? (5). Jak działa GW1516? GW1516 stymuluje działanie receptora jądrowego PPARδ regulującego transkrypcję ponad stu genów, których produkty są zaangażowane w podstawowy metabolizm komórki (ang. house keeping genes) (ryc. 1). Każda z cząsteczek rodziny PPAR jest zbudowana z trzech funkcjonalnych domen. Pierwsza domena, znajdująca się na końcu N łańcucha polipeptydowego, ulegając fosforylacji i defosforylacji, jest odpowiedzialna za czynnościową regulację funkcji receptora. Domena wiążąca ligand LBD (ang. ligand binding domain) o skomplikowanej strukturze drugorzędowej posiada kieszonki, które są trzykrotnie większe niż u innych receptorów jądrowych. Dzięki temu PPAR mogą wiązać duże cząsteczki kwasów tłuszczowych o rozmaitych konfiguracjach. Po związaniu z ligandem PPAR łączy się z inną cząsteczką receptorem retinoidu RXR (ang. retinoid X receptor) i tworzy funkcjonalny czynnik transkrypcyjny. Trzecia domena receptora PPAR, tzw. domena DBD (ang. DNA binding domain), odpowiada za utworzenie wiązania z DNA. Domena DBD przyłącza się w obszarze promotorowym do 13 nukleotydowej sekwencji AG- GTCA-dowolny nukleotyd-aggtca, serce wzrost kurczliwości transport i utlenianie kwasów tłuszczowych mięśnie wzrost wytrzymałości transport i utlenianie kwasów tłuszczowych, nasilona termogeneza wzrost liczby mitochondriów i włókien ST tkanka tłuszczowa zapobieganie otyłości transport i utlenianie kwasów tłuszczowych, nasilona termogeneza uwalnianie adiponektyny Ryc. 1. Wpływ GW1516 na tkanki (1). GW1516 PPARδ tętnice wzrost lipoprotein HDL obniżenie LDL i TG Wątroba obniżony wyrzut glukozy wzrost aktywności szlaku heksozomonofosforanowego makrofagi działanie przeciwzapalne wiązanie i uwalnianie BCL-6

4 120 określanej jako PPRE (ang. peroxisome proliferator response element). Efektem połączenia PPARδ z DNA jest ekspresja genów m.in.: palimitylotransferazy karnitynowej, kinezy dehydrogenazy pirogornianowej, tiolazy i dehydrogenazy acylo-coa długich kwasów tłuszczowych biorących udział w transporcie i utlenianiu kwasów tłuszczowych, syntazy cytrynianowej i dehydrogenazy bursztynianowej katalizujących reakcje cyklu Krebsa, cytochromu c, oksydazy cytochromowej II i IV biorących udział w fosforylacji oksydacyjnej, białek rozprzęgających UCP, pod wpływem których duża część energii powstającej w mitochondriach ulega rozproszeniu w postaci ciepła (termogeneza); energia rozproszona podgrzewa komórkę, nie jest używana do produkcji tłuszczu i innych substancji zapasowych, mioglobiny odpowiedzialnej za magazynowanie i transport tlenu w mięśniach oraz troponiny uczestniczącej w skurczu mięśni, transkrypcyjnego koaktywatora PGC-1α (ang. peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1α) ważnego regulatora przemian energetycznych, który wchodzi w interakcje z wieloma czynnikami transkrypcyjnymi, w komórkach mięśniowych z NRF-1, NRF-2, mttfa, a także z czynnikiem PPARδ; ekspresja PGC-1α indukuje transformację włókien mięśniowych, biogenezę mitochondriów i zwiększa transport glukozy (1, 11). Jak działa AICAR? AICAR jest analogiem adenozynomonofosforanu (AMP) aktywatora kinazy zależnej od AMP (AMPK). Aktywowany enzym AMPK wyłącza szlaki anaboliczne, takie jak synteza kwasów tłuszczowych i białek, a włącza szlaki kataboliczne, takie jak glikoliza i utlenianie kwasów tłuszczowych, co przywraca fizjologiczny poziom wewnątrzkomórkowego ATP. Z tego powodu AMPK nazwano metabolic master switch (ryc. 2; 23). Enzym AMPK jest heterotrimerem, złożonym z katalitycznej podjednostki α i dwóch podjednostek regulatorowych β i γ. Podjednostki α i β są kodowane przez dwa różne geny, a podjednostka γ przez trzy geny, co w sumie daje możliwość utworzenia 12 różnych heterotrimerycznych kompleksów. Ekspresja odpowiednich podjednostek AMPK jest tkankowo specyficzna i wielokrotnie wyższa w mięśniach szkieletowych niż w innych tkankach (15). Regulatorowa podjednostka γ enzymu AMPK zawiera cztery fragmenty o powtarzającej się sekwencji nazwane domenami CBS, które biorą udział w wiązaniu AMP lub ATP w sposób wzajemnie się wykluczający. Przyłączenie AMP do podjednostki γ poprzez oddziaływanie z podjednostką β, stanowiącą strukturalny rdzeń AMPK, zmienia konformację enzymu i eksponuje podjednostkę α na fosforylację katalizowaną przez kinazę serynowo-treoninową LKB1. Utworzenie kompleksu AMPK/LKB1 ponad stukrotnie aktywuje enzym w mięśniach szkieletowych, który z kolei aktywu-

5 Exercise pills inżynieria genetyczna sport 121 serce transport glukozy glikoloiza utlenianie FA podwzgórze odczucie głodu i sytości mięśnie transport glukozy glikoloiza utlenianie FA biogeneza mitochondriów trzustka wydzielanie insuliny AMPK Wątroba synteza FA synteza cholesterolu glukoneogeneza tkanka tłuszczowa synteza FA lipogeneza Ryc. 2. Rola AMPK w regulacji bilansu energetycznego na poziomie całego organizmu; FA kwasy tłuszczowe (1). je koaktywator transkrypcji PGC-1α i transporter glukozy GLUT4, a hamuje aktywność kinazy kreatynowej. Fosforylacja kinazy kreatynowej przez AMPK/ LKB1 wyłącza układ fosfagenowy i przełącza metabolizm na źródła energii zapewniające długotrwałą pracę mięśni szkieletowych (15). Jednak aktywność AMPK można regulować nie tylko za pomocą AICAR. Jedne z najnowszych badań przeprowadzonych na myszach i hodowlach mysich komórek miogennych pokazały, że popularny suplement kwas α-liponowy (ALA) wpływa na aktywność układu AMPK-PGC-1α, indukuje biogenezę mitochondriów, zwiększa transport glukozy i utlenianie kwasów tłuszczowych, a zmniejsza syntezę białka (21). Czy exercise pills mają wpływ na wzrost wytrzymałości? Eksperyment zespołu Evans a wykazał, że zastosowanie GW1516 i/lub AICAR wzmacnia odpowiedź organizmu na wysiłek fizyczny poprzez oddziaływanie na układ trzech cząsteczek AMPK, PGC-1α i PPARδ regulujących ekspresję genów wytrzymałości (ryc. 3). Produkty tych genów są zaangażowane

6 122 w metabolizm lipidów i węglowodanów, transdukcję sygnałów, transkrypcję, transport błonowy, proliferację i apoptozę, transport tlenu, angiogenezę oraz biosyntezę steroidów, cytokin, białek Hsp i innych cząsteczek, których funkcji Evans i wsp. nie potrafili zidentyfikować. Za pomocą nowoczesnych technik analizy genów (mikromacierzy) wykazano, że kilkutygodniowe stosowanie GW1516 i treningu indukuje w komórkach mięśniowych ekspresję od 118 do 130 genów, o 48 genów więcej niż w przypadku stosowania wyłącznie GW1516 lub treningu. Porównywalny efekt obserwowano przy zastosowaniu AICAR. Efektem zwiększonej liczby aktywowanych genów przez synergistyczne działanie GW1516 i treningu lub AICAR było zwiększenie prędkości biegu i wydłużenie pokonanego dystansu, w porównaniu do myszy nieotrzymujących exercise pills (14). Taką odpowiedź organizmu obserwowano po 4-5-tygodniowym wspomaganiu exercise pills, jednorazowe podanie AICAR spowodowało jedynie krótkotrwałe nasilenie utleniania lipidów (16) (ryc. 3). GW1516 wysiłek AICAR stres aktywizacja kinaz AMPK cytoplazma jądro PGC1α PPARδ DNA geny wytrzymałości superwytrzymałościowy fenotyp Ryc. 3. Schemat współdziałania GW1516, AICAR i wysiłku fizycznego w poprawie wytrzymałości (14).

7 Exercise pills inżynieria genetyczna sport 123 Uzyskane do tej pory wyniki badań dotyczące wpływu exercise pills na zdolności wysiłkowe, pochodzą wyłącznie z eksperymentów przeprowadzonych na myszach i szczurach. Brak jakichkolwiek danych na temat efektów ergogenicznych exercise pills u zdrowych ludzi. Ustalono, ze nasze komórki wytwarzają niewielkie ilości AICAR, który pojawia się w moczu w stężeniu około 500 ng/ml (18). Uprawianie sportu wyraźnie zwiększa jego endogenną produkcję i wydzielanie z moczem; badania przeprowadzono z udziałem 373 zawodników i 126 zawodniczek. Wyższy poziom występuje u mężczyzn niż u kobiet oraz w okresie startowym niż przejściowym. Także rodzaj treningu (dyscypliny sportowej) wpływa na stężenie AICAR w moczu, np. u piłkarzy średnie stężenie wynosi 1912 ng/ml, a u ciężarowców 1319 ng/ml (18). W badaniach na ludziach zaobserwowano także, że egzogenny AICAR jest fosforylowany w krwinkach czerwonych i ulega przemianie do hipoksantyny, ksantyny i ostatecznie do kwasu moczowego. Po doustnym podaniu jego wchłanialność jest niewielka tj. maksymalnie 5% dawki, a półokres trwania wynosi 1,4 godziny. Po dożylnym podaniu (10, 25, 50 lub 100 mg/kg) około 8% dawki pojawia się w moczu w ciągu 10 godzin w formie niezmienionej; ilość AICAR w moczu wynosi maksymalnie 100 µg/ml (3,4). Ta wartość jest 100- krotnie wyższa od najwyższego stężenia obserwowanego w próbkach moczu sportowców badanych przez Thomas a i wsp. (18). Exercise pills a doping w sporcie AICAR i GW1561 nie uzyskały jeszcze statusu produktu farmaceutycznego. Jednak w obawie, że mogą stać się przebojem czarnego rynku dopingowego, a także ze względu na brak danych na temat skutków działania tych preparatów u osób aktywnych fizycznie, został wprowadzony zakaz stosowania GW1516 i AICAR przez sportowców, określony w punkcie M3 listy substancji i metod zabronionych Światowej Organizacji Antydopingowej: Agoniści receptorów aktywowanych przez proliferatory peroksysomów np. GW1516, i agoniści osi PPARδ-AMPkinaza białkowa aktywowana przez AMP np. AICAR, są zabronione (10). Opracowano także testy wykrywania GW1516 i AICAR oraz innych agonistów receptorów PPAR, aktywatorów AMP-kinazy i ich metabolitów w moczu i we krwi (9,17,18). Evans i członkowie jego zespołu wierzą jednak, że exercise pills będą miały zastosowanie nie jako środki dopingujące, ale w sytuacji gdy wykonywanie wysiłku jest niemożliwe lub ograniczone (dystrofie mięśniowe, cukrzyca i otyłość). Podkreślają, że AICAR może częściowo zastąpić wysiłek fizyczny, natomiast GW1516 może wzmocnić efekty zdrowotne wysiłku poprzez modyfikację profilu lipidowego, obniżenie poziomu glukozy, osłabienie reakcji zapalnej, nasilenie glikolizy i utleniania kwasów tłuszczowych w mięśniach szkieletowych i sercu,

8 124 regulacja działania leptyny i odczucia głodu lub sytości w podwzgórzu (ryc.1; 1,13,14). Podsumowanie Doświadczenia na zwierzętach wykazały pozytywne działanie preparatów GW1516 i AICAR. Jednak biorąc pod uwagę różnice gatunkowe i związane z tym zmiany metabolizmu leków należy dążyć do prowadzenia badań na sportowcach stosując odpowiednio dobrane dawki, aby potwierdzić opisane powyżej efekty erogeniczne exercise pills i dopingujący charakter wymienionych związków. Piśmiennictwo 1. Barish G. D., Narkar V. A., Evans R. M.: PPARδ: a dagger in the heart of the metabolic syndrome. The Journal of Clinical Investigation 2006, 116, s Di Nunzio M., Danesi F., Bordoni A.: N-3 PUFA as regulators of cardiac gene transcription: a new link between PPAR activation and fatty acid composition. Lipids 2209, 44, s Dixon R., Fujitaki J., Sandoval T., Kisicki J.: Acadesine (AICA-riboside): disposition and metabolism of an adenosineregulating agent. The Journal of Clinical Pharmacology 1993, 33, s Dixon R., Gourzis J., McDermott D., Fujitaki J., Dewland P., Gruber H.: AICA-riboside: safety, tolerance, and pharmacokinetics of a novel adenosineregulating agent. The Journal of Clinical Pharmacology 1991, 31, s Goodyear L. J.: The exercise pill too good to be true? The New England Journal of Medicine 2008, 359, s Green S.: PPAR: a mediator of peroxisome proliferator action. Mutation Research 1995, 333, s Hawley J. A., Holloszy J. O.: Exercise: it s the real thing! Nutrition Reviews 2009, 67, s Holmes B. F., Kurth-Kraczek E. J., Winder W. W.: Chronic activation of 5 - AMP-activated protein kinase increases GLUT-4, hexokinase, and glycogen in muscle. Journal of Applied Physiology 1999; 87, s Hornik P., Vyscocilova P., Friedecky D., Adam T.: Diagnosing AICA-ribosiduria by capillary electrophoresis. Journal Chromatography β-analytits Technolgical Biomedicine Life Science 2006, 843, s Krzywański J., Pokrywka A.: Lista zabroniona. Sport bez dopingu. Centralny Ośrodek Medycyny Sportowej 2010, s Liang H., Ward W. F.: PGC-1α: a key regulator of energy metabolism. Advances in Physiology Education 2006, 30, s Luquet S., Lopez-Soriano J., Holst D., Fredenrich A., Melki J., Rassoulzadegan M., Grimaldi P. A.: Peroxisome proliferator-activated receptor δ controls muscle development and oxidative capability. The FASEB Journal 2003, 17, s Matsakas A., Narkar V. A.: Endurance exercise mimetics in skeletal muscle. Current Sports Medicine Reports 2010, 9, s Narkar V. A., Downes M., Yu R. T., Embler E., Wang Y. X., Banayo E., Mihaylova M. M., Nelson M. C., Zou Y, Juguilon H., Kang H., Shaw R. J., Evans R. M.: AMPK and PPARδ agonists are exercise mimetics. Cell 2008, 134, s Osler M. E., Zierath J. R.: Adenosine 5 -monophosphate-activated protein kinase regulation of fatty acid oxidation in skeletal muscle. Endocrinology 2008, 149, s Rantzau C., Christopher M., Alford F. P.: Contrasting effects of exercise, AICAR, and increased fatty acid supply on in vivo

9 Exercise pills inżynieria genetyczna sport 125 and skeletal muscle glucose metabolism. Journal of Applied Physiology 2008, 104, s Thevis M., Beuck S., Thomas A., Kortner B., Kohler M., Rodchenkov G., Schänzer W.: Doping control analysis of emerging drugs in human plasma identification of GW501516, S-107, JTV-519, and S Rapid Communications in Mass Spectrometry 2009, 23, s Thomas A., Beuck S., Eichoff J. C., Guddat S., Krug O., Kamber M., Schänzer W., Thevis M.: Quantification of urinary AICAR concentrations as a matter of doping control. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2010, 396, s Wang L., Psilander N., Tonkonogi M., Ding S., Sahlin K.: Similar expression of oxidative genes after interval and continuous exercise. Medicine & Science in Sports & Exercise 2009, 41, s Wang Y. X., Zhang C. L., Yu R. T., Cho H. K., Nelson M. C., Bayuga-Ocampo C. R., Ham J., Kang H., Evans R. M.: Peroxisome-proliferator-activated receptor δ activates fat metabolism to prevent obesity. PLoS Biology 2004; 2, s Wang Y., Li X., Guo Y., Chan L., Guan X.: α-lipoic acid increases energy expenditure by enhancing adenosine monophosphateactivated protein kinase-peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α signaling in the skeletal muscle of aged mice. Metabolism 2010, 59, s Warden S. J., Fuchs R. K.: Are exercise pills the answer to the growing problem of physical inactivity? British Journal of Sports Medicine 2008, 42, s Winder W. W., Hardie D. G.: AMP-activated protein kinase, a metabolic master switch: possible roles in type 2 diabetes. American Journal of Physiology 1999, 277, s. E1-E Winder W. W. Holmes B. F., Rubink D. S., Jensen E. B., Chen M., Holloszy J. O.: Activation of AMP-activated protein kinase increases mitochondrial enzymes in skeletal muscle. Journal of Applied Physiology 2000, 88, s Ag n i e s z k a Ze m b r o ń-ła c n y Za m i e j s c o w y Wyd z i a ł Ku lt u ry Fi z y c z n e j w Go r z o w i e Wlk p. Ak a d e m i i Wy c h o wa n i a Fi z y c z n e g o w Po z n a n i u.