Sport i nauki o sporcie na przełomie wieków 5 O potrzebie koegzystencji biochemii sportu i teorii treningu Chcemy tego, czy nie chcemy, wiek XXI w światowym sporcie będzie wiekiem biochemii i żywienia. J. P. Prawdziwości tezy, sformułowanej w tytule, pragnę dowieść, posługując się przykładem. Ukazuje on dobitnie, jak znajomość biochemii ułatwia zrozumienie istoty badanego procesu i pozwala uniknąć błędów nie tylko w trakcie badań eksperymentalnych i wnioskowania, ale także w zakresie wskazań praktycznych na nich opartych. Jakiś czas temu otrzymałem od redakcji Sportu Wyczynowego artykuł z prośbą o jego recenzję. Był on relacją z badań eksperymentalnych, w których chodziło o ocenę wpływu podawania kreatyny na rozwój zdolności siłowych zawodników. Rzetelnie potraktowałem swoje zadanie i uważnie przestudiowałem artykuł. Dostrzegłem w nim błędy metodologiczne, które uniemożliwiały publikowanie wyników doświadczeń. Były one na tyle charakterystyczne, że postanowiłem sięgnąć po nie przy pisaniu tego eseju. Nie ma co ukrywać faktu, że teoretyków treningu sportowego w Polsce różni od ich kolegów na Zachodzie wiele, między innymi to, że nasi naukowcy - nie wiem dlaczego - nie chcą uwzględniać roli biosyntezy białka w zjawisku potreningowej adaptacji organizmu. Praca, którą recenzowałem, jest dobitnym tego przykładem, a - należy zaznaczyć - Sport Wyczynowy 2001, nr 5-6/437-438
6 wykonana została w jednej z wiodących uczelni wychowania fizycznego w naszym kraju. Uważam, że chcemy tego czy nie chcemy, wiek XXI w światowym sporcie będzie wiekiem biochemii i żywienia. W zawodach będą wygrywać ci sportowcy, w treningu których wiedzę tę potrafiono lepiej wykorzystać. Ostatnie 30 lat XX wieku zapisze się, niestety, niechlubnie jako era koksu w sporcie. O wynikach sportowych w tym okresie decydował nie tylko trening, ale wielokrotnie także podawanie środków dopingowych. Obecnie, dzięki postępowi w diagnostyce antydopingowej - użyciu aparatury o wysokiej rozdzielczości, mierzącej nawet śladowe ilości zakazanych substancji, czy ich metabolitów, stosowanie dopingu staje się coraz bardziej ryzykowne (groźba dyskwalifikacji), a niektórych substancji wręcz niemożliwe. Niebawem rozpocznie się nowa era sportu, era biochemii i żywienia, czyli znajomości zasad i wykorzystywania regulacji metabolizmu na poziomie molekularnym. Na tej wiedzy będzie oparte sterowanie treningiem oraz dozwolone wspomaganie organizmu zawodników, polegające w głównej mierze na dostarczaniu właściwych substratów energetycznych w trakcie procesu treningowego, w okresie startów lub w procesie odnowy. Wspomniana przeze mnie praca dotyczyła (pośrednio) zagadnienia treningu siłowego. Gdy na proces treningowy spojrzeć od strony biochemii, wówczas okaże się że jego celem jest indukowanie (czyli doprowadzanie do powstania) zwiększonych ilości określonych białek (charakterystycznych dla danego rodzaju treningu). Jeżeli białka takie powstaną, to zawodnik stanie się lepiej wytrenowany, jeżeli nie powstaną, to trening efektu nie przyniesie. Jeżeli zaś powstaną, ale niemal natychmiast rozpadną się na aminokwasy, to również nie nastąpią korzystne zmiany potreningowe. Jak powszechnie wiadomo, białka zbudowane są z aminokwasów. Cząsteczka każdego białka zawiera określoną liczbę aminokwasów. Ich ilość waha się, mniej więcej, od 100 do kilku tysięcy. Cechą charakterystyczną białek jest to, że po powstaniu z aminokwasów żyją one przez pewien okres, pełniąc swoje funkcje, a następnie znów rozpadają się na aminokwasy. Część zużytych aminokwasów ulega katabolizmowi, zostaje spalona, pozostałe ponownie mogą być użyte do syntezy białek. Ten obrót białek, tj. ich synteza i rozpad, ma olbrzymią dynamikę. W ciągu doby człowiek wymienia ilość białek, odpowiadającą ich zawartości w 1500 g, czyli 1,5 kg mięśnia! Jak wspaniale jest skonstruowany i jak idealnie działa nasz organizm, skoro tego w ogóle nie odczuwamy. Komórka mięśniowa, bo najczęściej o nią chodzi, aby dokonać syntezy cząsteczki tego, a nie innego białka, musi mieć następujące 3 informacje: 1. Z ilu aminokwasów dane białko utworzyć? 2. Jakie aminokwasy wziąć do syntezy tego konkretnego białka? 3. W jakiej kolejności (tj. sekwencji) te aminokwasy należy ze sobą połączyć? Czasami w dydaktyce dane zjawisko lepiej wyjaśnić, posługując się uprosz-
O potrzebie koegzystencji biochemii sportu i teorii treningu 7 czonymi, wziętymi z życia przykładami. Dla wielu Czytelników nie jest to konieczne, ale Sport Wyczynowy czytany jest także przez osoby, dla których słownictwo typowo chemiczne jest trudno zrozumiałe, dlatego też, omawiając współczesne poglądy biochemii na mechanizmy treningu, użyję takiego właśnie uproszczonego sposobu. Biosynteza białka w komórkach przypomina nieco staromodny wypiek ciasteczek, którego używają zresztą dzisiaj jeszcze nasze babcie. Kładą one na blachę rozmaite metalowe foremki, jedne w kształcie kółek, inne w kształcie serduszek, jeszcze inne w postaci trójkątów itd. Następnie foremki te wypełniają ciastem i wstawiają do piekarnika. Po pewnym czasie blacha z piekarnika zostaje wyjęta, ciastka z foremek oddzielone i ułożone na talerzu. Jest oczywiste, że ilość ciasteczek w kształcie serduszka otrzymanych w jednym wypieku, będzie zależała od tego, jaką ilość foremek o tym kształcie wypełniła nasza babcia ciastem i wstawiła do piekarnika. Podobne reguły obowiązują w trakcie biosyntezy białka. Każde białko syntetyzuje się na swojej własnej foremce, zwanej mrna (informacyjny kwas rybonukleinowy). Właśnie ta foremka, ten mrna, inny dla każdego białka, posiada wspomnianą informację 1, 2, 3, czyli: ile aminokwasów należy ze sobą połączyć, jakich aminokwasów należy do tego użyć, oraz w jakiej kolejności należy je łączyć w procesie syntezy. Istotny jest fakt, że każde białko syntetyzuje się na swoim własnym mrna, powstaje w swojej własnej foremce (ciastko w kształcie serduszka powstać może tylko w foremce w kształcie serduszka). Cząsteczki mrna noszą nazwę identyczną jak białko, które jest na nim syntetyzowane. Białko aldolaza powstaje na mrna dla aldolazy, łańcuch hemoglobiny syntetyzowany jest na mrna dla łańcucha hemoglobiny itp. Podobnie jak foremki były wypełniane ciastem, tak też do cząsteczek mrna musi się przyłączać określona ilość aminokwasów, aby utworzyć dane białko. Jak jest regulowana synteza białek? Wróćmy do przykładu. Od czego zależeć będzie ilość wypieczonych serduszek? Czynnikiem ograniczającym ilość serduszek może być: a) ilość foremek (ciasta jest w nadmiarze, brakuje foremek) lub b) ilość ciasta (są foremki, ale brakuje ciasta). Podobne ograniczenia mogą dotyczyć biosyntezy białka. Czynnikiem ograniczającym może być ilość cząsteczek mrna w komórce (foremek), albo ilość aminokwasów (ciasto). Powróćmy do treningu, przypomnijmy, jaki jest jego cel? Otóż głównym zadaniem chronicznie powtarzanych ćwiczeń, czyli treningu jest zwiększenie syntezy mrna (foremek, na których będą syntetyzowały się białka). Cząsteczki mrna powstają w jądrze komórkowym (proces nazywa się transkrypcją, zachodzi na DNA, a substratami do syntezy mrna są ogromne ilości cząsteczek ATP, GTP, UTP i CTP). Właśnie na tym poziomie odbywa się zwykle regulacja procesu syntezy białek. Weźmy dla przykładu cytochrom c, niewielkie białko, zbudowane z 104 aminokwasów. Występuje ono w łań-
8 cuchu oddechowym mitochondriów, przenosząc elektrony, a więc uczestniczy w procesie wytwarzania energii potrzebnej do biegania. Jeżeli dany osobnik nie jest biegaczem długodystansowym, to w jądrach jego komórek mięśniowych syntetyzuje się mała ilość mrna dla cytochromu c. Odnosząc to do naszego przykładu, oznacza to, że mając mało foremek, wytworzymy jedynie ograniczoną ilość ciasteczek, czyli cząsteczek cytochromu c. Co się stanie, gdy zaczniemy uprawiać biegi? Otóż pod wpływem treningu biegowego pojawi się w naszych komórkach jakaś substancja, jakiś hipotetyczny związek chemiczny, mający właściwości induktora. Działanie induktora polega na tym, że zwiększa on syntezę mrna, czyli foremek. Jeżeli będziemy codziennie biegać dystans 10 km, to początkowo wzrośnie w naszych komórkach ilość mrna dla cytochromu c (foremek do syntezy tego białka), a następnie - przy wystarczającym dostarczaniu aminokwasów w diecie (czyli ciasta) - będzie można te dodatkowe foremki wypełnić ciastem, czyli aminokwasami i w konsekwencji doprowadzić do powstania nowych dodatkowych cząsteczek cytochromu c. (Tak naprawdę to substratami tego procesu nie są jednak wolne aminokwasy, ale cząsteczki aminoacylo-trna, czyli aminokwasy, połączone ze specyficznymi dla siebie cząsteczkami trna, co pozwala na dopasowywanie się takich kompleksów trna-aminokwas do mrna na zasadzie komplementarności pomiędzy kodonem mrna i antykodonem na aminoacylo-trna. Proces nazywamy translacją. Produktami translacji są białka i wolne trna, ale są to już sprawy szczegółowe). Reasumując: trening wytrzymałościowy powoduje, że pojawia się jakiś induktor, substancja x, która zwiększa syntezę mrna, ale nie tylko mrna dla cytochromu c, lecz mrna dla wielu innych cząsteczek białkowych, biorących udział w procesie oddychania komórkowego. Przy odpowiednim żywieniu (zapotrzebowanie na białko w diecie przy tego rodzaju treningu jest rzędu 1,4 g na kg masy ciała na dobę) wszystkie te foremki mrna zostaną wypełnione aminokwasami (ciastem), powstaną dodatkowe cząsteczki białek, osobnik stanie się lepiej wytrenowany. W eksperymencie, opisanym w recenzowanej pracy, zastosowano trening siłowy, który miał spowodować powstanie nieznanej substancji z, która z kolei - działając bezpośrednio, czy też pośrednio, na poziomie jądra komórkowego - miała spowodować, że w tym jądrze zsyntetyzuje się więcej cząsteczek mrna (foremek), na których - po ich wyjściu do cytozolu i umieszczeniu się na rybosomach - będzie zachodziła synteza dwóch podstawowych białek mięśniowych: aktyny i miozyny. Załóżmy, że obciążenia treningowe były prawidłowe i rzeczywiście w wyniku treningu pojawiły się w zwiększonej ilości cząsteczki mrna dla aktyny i cząsteczki mrna dla miozyny. Cząsteczki te, czyli foremki, oczekiwały na wypełnienie ich aminokwasami, aby utworzyć białka. Ale czy owe foremki zostały odpowiednio wypełnione aminokwasami? W recenzowanej pracy brakowało jakiejkolwiek informacji o żywie-
O potrzebie koegzystencji biochemii sportu i teorii treningu 9 niu i ilości spożywanego przez badane osoby białka. A skoro tak, to znaczy, że podaż białka nie była kontrolowana i eksperymentem rządził przypadek. Wśród zawodników, uczestniczących w opisanych doświadczeniach, znajdowali się zapewne tacy, którzy spożywali odpowiednie ilości białek, i tacy, którzy zjadali ich za mało. Ci zawodnicy, którzy spożywali odpowiednie ilości białka (a zapotrzebowanie przy treningu siły jest ogromne, wynosi 2 g na kg masy ciała na dobę), mogli wypełniać foremki aminokwasami, syntetyzować białka i stawać się wytrenowanymi. Natomiast ci, których dieta była uboższa w białko, mogli zupełnie nie reagować na trening. Aby organizm zawodnika stał się wytrenowany, muszą te dodatkowe, powstałe w wyniku treningu, foremki mrna zostać wypełnione aminokwasami - sportowiec musi więc otrzymać w pożywieniu odpowiednią ilość białka i rozłożyć je na aminokwasy. Jeżeli tego nie uczyni, to tak jakby te dodatkowe foremki zostały wstawione do piekarnika bez wypełnienia ich ciastem. Efekt wiadomy - ciasteczek nie będzie. Zawodnicy niepotrzebnie się trudzili, zwiększyli wprawdzie ilość mrna dla aktyny i miozyny, ale szansę na to, aby stać się wytrenowanymi, zaprzepaścili, spożywając zbyt małą ilość białka (mają foremki, ale nie wypełnili ich ciastem). Gdy chodzi o mechanizm działania kreatyny, warto przypomnieć, że praca która dokonała rewolucji w poglądach na rolę kreatyny, ukazała się w 1974 (Ingwall J.S., Weiner C. D., Morales M. F., Davis E., Stockdale F. E.: Specificity of creatine in the control of muscle protein synthesis. Journal of Cell Biology 1974, 62, 145-151). Jej autorzy dowiedli, że kreatyna, (którą od 1928 roku uważano głównie za substrat do gromadzenia wiązań wysokoenergetycznych), zwiększa także syntezę białek mięśniowych. Obecnie uważa się ją za typowego induktora biosyntezy tych białek, działa identycznie jak hipotetyczna substancja z, powstająca pod wpływem treningu siłowego. Na ten mechanizm działania wskazują pewne dane doświadczalne, z których wynika, że kreatyna zwiększa ilość dojrzałego mrna dla aktyny i miozyny (oczywiście dla innych białek też). Należy więc założyć, że jądra komórek mięśniowych zawodnika poddanego treningowi siłowemu i otrzymującego doustną suplementację kreatyną, wytwarzają o wiele więcej cząsteczek mrna ( foremek ) aniżeli osoby, która tylko trenuje. Teraz jest już rzeczą całkowicie zrozumiałą, że aby uzyskać korzystny efekt końcowy, foremki te należy wypełnić ciastem - aminokwasami, na które zapotrzebowanie w warunkach suplementacji organizmu kreatyną wzrasta ogromnie. Ponieważ trening i kreatyna współdziałają ze sobą w zwiększaniu ilości cząsteczek mrna ( foremek czekających na wypełnianie ich aminokwasami), okresowo zapotrzebowanie na białka w diecie może sięgać nawet powyżej 2 g na kg masy ciała na dobę. Gdy ten warunek zostanie spełniony, dochodzi u zawodników do spektakularnych przyrostów masy mięśniowej. Richard Kreider (USA) w swoim referacie Przetrenowanie i suplementacja ( Overtraining and Supplementation ),
10 wygłoszonym na III ANNUAL ME- ETING: NUTRITION AND SUPPLE- MENTATION w 2000 roku w Pesaro (Włochy), podał, że u jego zawodników futbolu amerykańskiego (finalisty Super Bowl w 1999 roku) przy stosowaniu kreatyny jako dietetycznego suplementu, przyrost masy mięśni w ciągu 3 miesięcy wyniósł około 3,5 kg! Poprawiły się u nich także wyniki wszystkich testów wysiłkowych. Należy pamiętać, że nadmierna podaż białka nie jest wskazana, może utrudniać adaptację i zmniejszać zdolności wysiłkowe. Jednak znacznie częściej u sportowców spotykamy zbyt małe spożycie białka. Zwraca na to uwagę Andrzej Matuszkiewicz w swojej pracy habilitacyjnej pt. Wyczynowe uprawianie sportu przy ograniczonej podaży białka w diecie a potencjalne możliwości antyoksydacyjne organizmu (Wyd. AWF w Gdańsku, 2000). Wskazuje on, że u wielu badanych przez niego zawodników, uprawiających różne dyscypliny sportu spożycie białka jest zbyt niskie, co może ograniczać efekty treningu. Ażeby dobrze zrozumieć podłoże zjawiska, jakim jest proces treningowy, należy naświetlić jego poszczególne warstwy. Do tego potrzeba wiedzy psychologicznej, fizjologicznej i biochemicznej. To biochemia zdolna jest objaśnić, na czym polegają różne efekty treningowe (jedne mrna powstają pod wpływem treningu wytrzymałościowego, inne pod wpływem treningu szybkościowego, a jeszcze inne pod wpływem treningu siłowego). To biochemia wyjaśnia - dlaczego ważne są informacje o bilansach azotowych zawodników, ile białka oni spożywają, ile katabolizują i wydalają (głównie w postaci mocznika). Prof. Jerzy Żołądź opowiadał mi, że austriackiemu narciarzowi, zjazdowcowi, Hermanowi Meierowi, bardzo często oznacza się bilans azotowy. Ma to służyć kontroli prawidłowości odżywiania i przebiegu działań treningowych. Biosynteza białka w zjawiskach adaptacji organizmu odgrywa zasadniczą rolę i dlatego na Zachodzie bardzo szybko się rozwija, oparta na biochemii, wiedza o wspomaganiu treningu sportowego. Przykłady? W internecie za pomocą wyszukiwarki NORTHERN LIGHT Czytelnicy mogą sprawdzić, że pod hasłem protein supplementation znajduje się przeszło 40 tysięcy informacji. Tam, między innymi, w recepcie, określanej nazwą post training formula, nakazuje się, aby po treningu (nie później jednak jak 15 min po jego ukończeniu), wypić drink, składający z określonych ilości białka, zmieszanego z cukrami. Takie postępowanie uważa się jako podnoszące efektywność treningu, ponieważ powstałe w trakcie danej jednostki treningowej foremki mrna mają krótki okres życia (zaledwie kilka godzin), a dla osiągnięcia celu potrzebne jest wypełnienie ich białkiem. Aby białko, używane jako suplement, miało jak najmniejszą zawartość tłuszczu, zaleca się stosowanie whey protein, czyli białka serwatki (w NOR- THERN LIGHT jest też około 40 tysięcy informacji na ten temat). Zawarte w drinku białko ma dostarczyć aminokwasów, natomiast zadaniem cukrów jest nie tylko podaż substratu do natychmiastowej
O potrzebie koegzystencji biochemii sportu i teorii treningu 11 resyntezy glikogenu, ale także zwiększenie wyrzutu insuliny do krwi, hormonu ułatwiającego transport zarówno cukrów, jak i aminokwasów do mięśnia. Studiując dalej ten problem, można się dowiedzieć, że te dodatkowe, powstałe w wyniku treningu, cząsteczki białka można ochronić przed samostrawieniem przez organizm sportowca w fazie katabolicznej, występującej w nocy, przez podanie mu do wypicia przed snem innego drinka, zawierającego tzw. night protein, mieszaninę dłużej trawionego białka, co zablokuje enzymy proteolityczne. Im dalej w las tym więcej drzew, im więcej chcemy się dowiedzieć o istocie i mechanizmach treningu, tym więcej potrzeba wiedzy biochemicznej. Nie należy się jednak dziwić, już mamy wiek XXI i trzeba się do tego powoli przyzwyczajać. Czytelników, gruntownie znających problem biosyntezy białka i jego rolę w zjawisku adaptacji, pragnę przeprosić za zastosowane uproszczenia. Wiadomo także, że aktywność ruchowa, trening sportowy nie ogranicza się do wywoływania zmian jedynie w syntezie białek mięśnia, o których pisałem. Zmiany adaptacyjne dotyczą białek całego ustroju, tj. białek wątroby, serca, nerki, mózgu, białek, występujących w ścianach naczyń krwionośnych, białek, które odpowiadają za transmisję sygnałów w układzie nerwowym, cząsteczek białkowych które warunkują adaptację na poziomie więzadeł i ścięgien, także takich, które decydują o naszej pamięci, uczeniu się itd., itd.