FULL TEXT - Medycyna Sportowa

Transkrypt

112 Kuzniewski:Layout 1 2009-12-07 13:45 Strona 1
Medycyna Sportowa
© MEDSPORTPRESS, 2009; 5(6); Vol. 25, 299-306
ed
.
roh
ibit
ROLA PEROKSYDAZY GLUTATIONOWEJ
W WYSIŁKU FIZYCZNYM
THE ROLE OF GLUTATHIONE PEROXIDASE IN PHYSICAL
EXERCISE
Słowa kluczowe: reaktywne formy tlenu, wysiłek fizyczny, stres oksydacyjny,
peroksydaza glutationowa
Key words: reactive oxygen species, exercise, oxidative stress, glutathione
peroxidase
This copy is for personal use only - distribution prohibited.
ibu
Streszczenie
-
eo
nly
-d
istr
Reaktywne formy tlenu są nieustannie wytwarzane w organizmie podczas przemian metabolicznych. To toksyczne pochodne tlenu cząsteczkowego, którego głównym źródłem
w komórce jest mitochondrium. Poza czynnikami biologicznymi i fizycznymi (promieniowanie jonizujące, ultradźwięki), wpływającymi na powstawanie reaktywnych form tlenu, jednym
z głównych jego źródeł jest wysiłek fizyczny, szczególnie o dużej intensywności. Nasilenie
przemian o charakterze tlenowym zależy od rodzaju wykonywanego wysiłku, czasu jego
trwania, intensywności i wytrenowania organizmu. Nasilenie generacji reaktywnych form tlenu i zaburzenie homeostazy prowadzi do tzw. stresu oksydacyjnego. Towarzyszy on sytuacjom fizjologicznym i patologicznym prowadzącym m.in. do inaktywacji niektórych białek,
nasilenia procesu peroksydacji lipidów oraz obniżenia poziomu ATP. Osobami najbardziej
narażonymi na negatywny wpływ reaktywnych form tlenu są sportowcy uprawiający beztlenowe formy wysiłku, np. kulturyści. Organizm wytworzył liczne enzymatyczne i nieenzymatyczne mechanizmy obronne, które przeciwdziałają wolnym rodnikom tlenowym. Jednym
z enzymów uczestniczących w utrzymaniu równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej
jest peroksydaza glutationowa, która katalizuje redukcję nadtlenku wodoru i nadtlenków organicznych przez zredukowany glutation. Obserwuje się zmiany aktywności GPX podczas
wysiłku fizycznego i/lub treningu fizycznego. Zmiany te pojawiają się zarówno w mięśniach
szkieletowych, krwi, jak również innych tkankach. Zależą one od rodzajów wysiłku, wieku
oraz stopnia wytrenowania osób badanych, a także od czynników dodatkowych, np. suplementów żywieniowych. Badania przeprowadzone na zwierzętach wykazały, że aktywność
GPX maleje wraz z wiekiem we wszystkich badanych tkankach.
us
Summary
5808
0
0
46
for
pe
rs
on
al
Reactive oxygen species are continuously formed in metabolic processes. They are toxic derivatives of molecular oxygen which is mostly produced in mitochondria. One of the
main source of reactive oxygen species is physical exercise, especially of high intensity.
Additional source of it are biological and physical factors, such as ionizing radiation and
ultrasounds. Intensification of oxygen metabolism depends on the type of and duration of
physical exercise, its intensity and condition of the human organism. Accelerated ROS
production and homeostasis disorders lead to oxidative stress. Oxidative stress is associated with pathological and physiological circumstances and causes inactivation of some
proteins, intensified lipid peroxidation and ATP reduction. People mostly exposed to the
negative effect of reactive oxygen species are sportsmen who practice anaerobic forms of
exercise e. x. body-builders. Enzymatic and non-enzymatic defense mechanisms against
reactive oxygen species attack have been developed in the human body. The enzymes involved in maintaining prooxidant-antioxidant balance are glutathione peroxidases, which
catalyze oxidation of reduced glutathione in reaction with hydrogen peroxide and participate in termination of lipid peroxidation. Interchangeable activities of GPX during physical
exercise and/or physical training have been noticed. They are observable in skeletal muscles, blood and other tissues. These changes depend on the type of effort, age of the
subject and many additional factors including nutritional supplements. Studies performed
on animals demonstrate that GPX activity decreases with age in all studied tissues.
y is
Word count:
Tables:
Figures:
References:
is c
op
Adres do korespondencji / Address for correspondence
Rafał Kuźniewski
Katedra Biologii Medycznej, Collegium Medicum, Uniwersytet Mikołaja Kopernika
85-092 Bydgoszcz, ul. Karłowicza 24, tel.: (0-52) 585-37-37, e-mail: [email protected]
Otrzymano / Received
Zaakceptowano / Accepted
Th
-
Katedra Biologii Medycznej Collegium Medicum Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń
Chair of Medical Biology, Collegium Medicum the Nicolaus Copernicus University in Toruń
tio
Author’s Contribution
A – Study Design
B – Data Collection
C – Statistical Analysis
D – Data Interpretation
E – Manuscript Preparation
F – Literature Search
G – Funds Collection
Rafał Kuźniewski(A,B,C,D), Alina Woźniak(B),
Anna Kaźnica(A,C,D), Romana Joachimiak(A,C,D),
Gerard Drewa(B), Alicja Jurecka(A)
np
Zaangażowanie Autorów
A – Przygotowanie projektu
badawczego
B – Zbieranie danych
C – Analiza statystyczna
D – Interpretacja danych
E – Przygotowanie manuskryptu
F – Opracowanie piśmiennictwa
G – Pozyskanie funduszy
-
-
ARTYKUŁ PRZEGLĄDOWY / REVIEW ARTICLE
14.10.2008 r.
15.09.2009 r.
299
-
Background
Peroksydaza glutationowa (GPX) została odkryta
w 1957 roku przez Gordona C. Milesa i jest jednym
z enzymów antyoksydacyjnych [1]. Substratem GPX
jest glutation, który bierze udział w reakcjach redukcji nadtlenku wodoru i nadtlenków lipidów [2]. Szybkość syntezy glutationu zależy przede wszystkim od
dostępności prekursorów (cysteiny i metioniny), jak
również enzymów uczestniczących w jego syntezie,
np. cystationazy i syntetazy gamma-glutamylocysteinowej [3].
Wysiłek fizyczny, szczególnie o dużej intensywności, zaliczany jest do czynników nasilających generowanie reaktywnych form tlenu (RFT) w organizmie.
W utrzymaniu równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej, oprócz enzymów antyoksydacyjnych, uczestniczą również niektóre witaminy i glutation (GSH), który
jest głównym antyoksydantem fazy wodnej komórek.
Obniżenie poziomu zredukowanego glutationu (GSH)
lub wzrost jego formy utlenionej (GSSG) może być
wskaźnikiem stresu oksydacyjnego [4].
Celem pracy jest przedstawienie, w oparciu o najnowsze piśmiennictwo, roli peroksydazy glutationowej w zachowaniu równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej podczas wysiłku fizycznego.
Glutathione peroxidase (GPX) was discovered in
1957 by Gordon C. Miles. It is one of antioxidative
enzymes [1]. Glutathione is GPX substrate, involved
in hydrogen peroxide and lipid peroxide reduction [2].
The speed of glutathione synthesis depends, first of
all, on the availability of cysteine and methionine
precursors as well as the enzymes involved in glutathione synthesis, e.g. cystathionase and gammaglutamylcysteine synthetase [3].
Physical exertion, especially of high intensity, is
regarded one of the factors intensifying generation of
reactive oxygen species (ROS) in the organism.
Apart from antioxidative enzymes, some vitamins
and glutathione (GSH), which is the main antioxidant
of cellular water phase, are involved in maintaining
prooxidant/antioxidant equilibrium. A decrease in a reduced glutathione or an increase in its oxidative form
(GSSG) may indicate oxidative stress [4].
The goal of this paper is to present the role of
glutathione peroxidase during physical exertion,
based on the newest literature.
-d
istr
ibu
tio
np
roh
ibit
ed
.
Wstęp
Reactive oxygen species
is c
op
y is
for
pe
rs
on
al
us
eo
Tlen cząsteczkowy jest utleniaczem reagującym
ze związkami organicznymi, utlenia je, pobierając od
nich elektron, a sam ulega redukcji [5]. Reaktywne
formy tlenu, to toksyczne cząstki, pochodne tego
pierwiastka, powstałe w drodze przemian biochemicznych zachodzących w żywych organizmach. Część reaktywnych form tlenu stanowią wolne rodniki tlenowe
(WRT). Są to pojedyncze atomy lub cząsteczki posiadające co najmniej jeden niesparowany elektron
na zewnętrznej orbicie [5,6,7].
WRT są produktami jedno-, dwu- i trójelektronowej redukcji cząsteczek tlenu oraz tlenu singletowego w żywych komórkach [6,7]. Z obecnością niesparowanych elektronów wiąże się ich wysoka reaktywność. Większość cząstek związków chemicznych ma
na swoich orbitach walencyjnych po dwa elektrony
o antyrównoległych spinach. Cząsteczki chemiczne
stają się wolnymi rodnikami w wyniku utraty lub przyłączenia dodatkowego elektronu [6,8]. W warunkach
fizjologicznych około 2% tlenu nie ulega całkowitej
redukcji w łańcuchu oddechowym, w wyniku czego
powstają WRT [9,10].
W większości reakcji, którym towarzyszy generacja WRT, jako pierwszy powstaje anionorodnik ponadtlenkowy (O2.-) [5,6,9,11]. Rodnik O2.- jest m.in.
produktem jednoelektronowej redukcji tlenu. Reaguje szybko z takimi związkami jak: askorbinian, jony
metali czy też NADH. W reakcjach z udziałem tego
rodnika powstają inne reaktywne formy tlenu, takie
jak nadtlenek wodoru (H2O2), rodnik hydroksylowy
(•OH) oraz jego uprotonowana forma – rodnik wodoronadtlenkowy (HO2•) [9]. Nadtlenek wodoru nie jest
WRT, ale może się nim stać w wyniku reakcji dysproporcjonowania (dysmutacji); uczestniczy on również
w wytwarzaniu rodnika hydroksylowego. Rodnik hydroksylowy jest bardzo reaktywnym utleniaczem, który wchodzi w reakcje z większością związków chemicznych występujących w żywym organizmie. Po-
300
Molecular oxygen is an oxidant reacting with organic compounds. It oxidises them, uptakes an electron
from them and then is reduced [5]. Reactive oxygen
species (ROS) are toxic molecules, derivatives of this
element, formed from biological transformations
within live organisms. Free radicals include ROS.
These are single atoms or molecules having at least
one unpaired electron on their external orbit [5,6,7].
Free radicals are the products of one-, two- and
three-electron oxygen molecule reduction and singlet
oxygen in live cells [6,7]. The presence of unpaired
electrons is connected with high reactivity of these
electrons. Most of chemical compound molecules
have two electrons with antiparallel spins on their
valence orbitals. Chemical molecules become free
radicals due to the loss or gain of an additional electron [6,8]. In physiological conditions, about 2% of
oxygen is not totally reduced in the respiratory chain,
and results in free radical formation [9,10].
Most of the reactions accompanied by free radical
generation first result in the production of superoxide
radical anion (O2.-) [5,6,9,11]. O2.- is the product of
one-electron oxygen reduction. It quickly reacts with
such compounds as: ascorbate, metal ions or NADH.
In reactions with this radical involvement other ROS
are formed, such as hydrogen peroxide (H2O2),
hydroxyl radical (•OH) and its protonated form –
hydrogen peroxide radical (HO2•) [9]. Hydrogen
peroxide is not, but may become a free radical as
a result of disproportionation (dismutation) reaction; it
also participates in the production of hydroxyl radicals. Hydroxyl radicals are very active antioxidants,
reacting with most of the chemical compounds which
are present in live organisms. They have mutagenic
properties, initiate protein modification and lipid
peroxidation. Hydrogen peroxide radicals are formed
in an acidic environment, they are devoid of electric
charge and therefore, more easily permeate through
nly
Reaktywne formy tlenu
Th
-
-
-
-
Kuźniewski R. i wsp., Peroksydaza glutationowa w wysiłku fizycznym
-
cellular membranes and can be housed in their lipid
interior [6,11].
Free radicals not only cause damage, but also
play an important role in cellular signalling and stimulation of receptors and enzymes [11]. There is
a growing evidence that a constant presence of slight
stimulants, such as low concentration of free radicals,
induces antioxidative enzyme expression as well as
repair of DNA and protein degrading enzymes. This
results in a decreased prevalence of the diseases
associated with oxidative stress and in the delay of
ageing process. In that case, free radicals have a positive effect as they play a role of enhancing signals
rather than adverse factors. This fact is in conformity
with the hormesis theory of a positive response of the
human organism to low doses of toxins and ionizing
radiation.
It is generally believed that low doses of noxious
substance are proportionally less risky than high
doses of this substance. The research suggests that
low doses of noxious substance induce defensive
mechanisms, enabling the human organism to survive [12].
Źródła wolnych rodników tlenowych
Sources of free radicals
is c
op
y is
for
pe
rs
on
al
us
roh
ibit
np
tio
ibu
-d
istr
Mitochondrion is the main source of ROS in a cell.
This is a cellular organellum in which the process of
cellular respiration takes place. One of its stages, the
so called respiratory chain, is the basic ROS source
[9,10]. Free radicals are formed within the respiratory
chain, when one, two or three instead of four electrons join an oxygen molecule. This way, when one
electron binds to the oxygen molecule, a superoxide
radical anion is formed, when two electrons and two
protons are bound to this molecule, hydrogen
peroxide is formed and when three electrons bind to
this molecule, a water molecule and hydroxyl radical
are formed [9,10,13].
Apart from the process of intracellular respiration,
the reactions catalysed by multiple and diverse factors,
such as xanthine oxidase, aldehyde oxidase and
ascorbate oxidase are the source of free radicals
[5,9,14]. Free radicals also originate from peroxisomes
due to respiratory protein oxidation and in the process of phagocytic cell respiratory burst [5,15].
ROS are also present in various medications and
noxious substances (xenobiotics), found in the environment or foods are the next source of. When
xenobiotics enter the organism, they are subject to
continuous processes of oxidation and reduction.
Redox cycles are stimulated by cellular metabolism
and oxygenated forms of these substances may be
reduced thanks to an appropriate reductase or with
the involvement of other compounds, e.g. glutathione
and ascorbate. When the reduced forms of xenobiotics are oxidised, superoxide radical anions are
formed [5,9].
Apart from biological sources, ROS formation
may be supported by some physical factors, such as
radiation or ultrasounds. Ionising radiation results in
water molecule decomposition (radiolysis) and is the
nly
eo
Głównym źródłem reaktywnych form tlenu w komórce jest mitochondrium. Jest to organellum komórkowe, w którym zachodzi proces oddychania komórkowego. Jeden z jego etapów, tzw. łańcuch oddechowy, stanowi podstawowe źródło RFT [9,10]. W łańcuchu oddechowym wolne rodniki powstają, gdy
do cząsteczki tlenu przyłączą się nie cztery, tylko jeden, dwa lub trzy elektrony. W taki oto sposób, po
przyłączeniu do cząsteczki tlenu jednego elektronu,
powstaje anionorodnik ponadtlenkowy, po przyłączeniu dwóch elektronów i dwóch protonów powstaje
nadtlenek wodoru, natomiast po przyłączeniu trzech
elektronów powstaje cząsteczka wody i rodnik hydroksylowy [9,10,13].
Innym źródłem WRT, poza procesem oddychania
wewnątrzkomórkowego, są reakcje katalizowane
przez wiele różnych enzymów, takich jak oksydaza ksantynowa, oksydaza aldehydowa czy też oksydaza askorbinowa [5,9,14]. WRT powstają również
w peroksysomach, w wyniku utleniania białek oddechowych, jak również w procesie tzw. wybuchu oddechowego komórek fagocytujących [5,15].
Różne leki oraz szkodliwe substancje (ksenobiotyki), występujące w środowisku lub w pożywieniu,
stanowią kolejne źródło RFT. Ksenobiotyki, gdy dostaną się do organizmu, podlegają w komórkach ciągłym
procesom utleniania i redukcji. Cykle redoks stymulowane są przez metabolizm komórki, a formy utlenione
tych substancji mogą ulegać redukcji albo dzięki odpowiednim reduktazom, albo przy udziale innych związków, np. glutationu i askorbinianu. W trakcie utleniania zredukowanych form ksenobiotyków powstają
anionorodniki ponadtlenkowe [5,9].
Poza źródłami biologicznymi, RFT mogą powstawać przy udziale czynników fizycznych, takich jak
promieniowanie czy też ultradźwięki. Promieniowa-
ed
.
siada właściwości mutagenne, inicjuje modyfikację
białek oraz peroksydację lipidów. Rodnik wodoronadtlenkowy powstaje w środowisku kwaśnym; pozbawiony jest ładunku elektrycznego, przez co łatwiej
przenika przez błony komórkowe i może przebywać
w ich lipidowym wnętrzu [6,11].
WRT nie tylko powodują uszkodzenia, ale także
odgrywają ważną rolę w sygnalizacji komórkowej,
stymulacji receptorów i enzymów [11]. Coraz więcej
jest dowodów na to, że stała obecność niewielkiego
stymulanta, jakim jest niskie stężenie WRT, indukuje
ekspresję enzymów antyoksydacyjnych, naprawę
DNA oraz enzymów degradujących białka. W rezultacie następuje obniżenie częstości występowania
chorób związanych ze stresem oksydacyjnym
i opóźnienie procesu starzenia się. W tym znaczeniu
WRT pełnią rolę pozytywną, gdyż bardziej działają
jako sygnały wzmacniające ochronę niż czynniki
szkodliwe. Fakt ten jest zgodny z teorią hormezy
(ang. Hormesis), mówiącą o pozytywnej reakcji organizmu na niewielkie dawki toksyn i promieniowania jonizującego.
W powszechnej opinii utarło się, że małe dawki
substancji szkodliwych powodują proporcjonalnie
mniejsze zagrożenie dla zdrowia niż dawki duże. Badania naukowe dowodzą, że małe dawki substancji
szkodliwych indukują mechanizmy obronne pozwalające przeżyć organizmowi [12].
Th
-
-
-
-
Kuźniewski R. et al., Glutathione peroxidase and physical exercise
301
-
source of hydroxyl radicals. Ultrasounds also form
hydroxyl radicals due to water sonolysis [5].
Stres oksydacyjny
Oxidative stress
Jednym z warunków homeostazy jest równowaga
między wytwarzaniem RFT a aktywnością systemów
antyoksydacyjnych. Nasilenie generacji RFT i/lub
upośledzenie mechanizmów antyoksydacyjnych prowadzi do tzw. stresu oksydacyjnego [5].
Stres oksydacyjny może towarzyszyć sytuacjom
patologicznym (np. stany zapalne) lub też fizjologicznym (np. stres wywołany wysiłkiem fizycznym) [16,
17,18]. Jego skutkiem może być inaktywacja niektórych białek, wzmożony katabolizm nukleotydów adeninowych, nasilenie procesu peroksydacji lipidów
oraz obniżenie poziomu ATP. Zmniejszenie puli ATP
uniemożliwia wejście komórki na drogę apoptozy,
procesu genetycznie zaprogramowanej śmierci komórki [18,19].
One of the homeostasis conditioning factors is the
equilibrium between ROS production and antioxidative
system activity. Intensification of ROS generation
and/or the impairment of antioxidative mechanisms
result in the so called oxidative stress [5].
Oxidative stress may be associated with pathological (e.g. inflammatory) or physiological (e.g. stress
related to physical exertion) conditions [16,17,18]. It
can result in an inactivation of some proteins, enhanced adenine nucleotide catabolism, enhanced lipid
peroxidation and a decrease in ATP level. ATP pool
reduction hinders cellular apoptosis – the process of
genetically programmed cell death [18,19].
ibu
tio
np
roh
ibit
ed
.
nie jonizujące powoduje rozpad cząsteczek wody
(radioliza) i jest źródłem rodników hydroksylowych.
Ultradźwięki w wyniku sonolizy wody również tworzą
rodniki hydroksylowe [5].
Systemy antyoksydacyjne
Antioxidative systems
us
-d
istr
To provide homeostasis, extra- and intracellular
mechanisms, responsible for the protection against
ROS are necessary. Such function is performed by
antioxidants. They may be defined as the substances
which, in low concentration, delay or inhibit oxidation
of the oxidised substrate.
Such systems are divided into three categories:
a) preventive antioxidants: hinder ROS formation
(e.g. glutathione peroxidase). The protection involves hindering ROS reactions with biologically
relevant compounds;
b) interventional antioxidants: interrupt the development of chain reactions (e.g. glutathione, ascorbate);
c) reparative enzymes: remove the effects of ROS reactions with biomolecules and restore membranes
(e.g. ligase, protease, transferase) [20,21].
nly
eo
Do zapewnienia homeostazy niezbędne są zewnątrz- i wewnątrzkomórkowe mechanizmy ochrony
przed RFT. Takie funkcje spełniają antyoksydanty. Można je zdefiniować jako substancje, które w niskich stężeniach, w stosunku do utlenionego substratu, opóźniają lub hamują jego utlenienie. Systemy takie możemy sklasyfikować w trzech kategoriach:
a) antyoksydanty prewencyjne: powstrzymują tworzenie RFT (np. peroksydaza glutationowa).
Ochrona polega na tym, by nie dopuścić do reakcji RFT z ważnymi biologicznie związkami;
b) antyoksydanty interwencyjne: przerywają rozwój
reakcji łańcuchowej (np. glutation, askorbinian);
c) enzymy reparacyjne: usuwają skutki reakcji RFT
z biomolekułami i odtwarzają błony (np. ligazy,
proteazy, transferazy) [20,21].
Physical exertion as a source
of ROS
Wysiłek fizyczny i związane z tym zwiększone zapotrzebowanie na tlen powodują wzrost stężenia
RFT w organizmie. Nasilenie przemian o charakterze
tlenowym zależy od rodzaju wykonywanego wysiłku,
czasu jego trwania, intensywności, jak również
od stopnia wytrenowania organizmu. Umiarkowany
wysiłek fizyczny zalecany jest przez lekarzy w celu
prewencji procesu starzenia się i powstawania metabolicznych schorzeń cywilizacyjnych, takich jak miażdżyca i zawały serca. Umiarkowany wysiłek fizyczny wpływa korzystnie na utrzymanie równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej i homeostazy organizmu, a powstające wolne rodniki tlenowe, są skutecznie neutralizowane [22,23].
Organizm ludzki wykształcił mechanizmy adaptacyjne, umożliwiające przystosowanie odpowiednich
rodzajów mięśni do wysiłku fizycznego. Mechanizm
ten polega m.in. na biogenezie mitochondriów we
włóknach mięśniowych [24]. W wyniku stresu oksydacyjnego, wywołanego zbyt intensywnym wysiłkiem
fizycznym, dochodzi do niekontrolowanego i nadmiernego wytwarzania RFT. Zwiększona ilość wolnych
Physical exertion and the associated increased
demand for oxygen cause an increase in ROS concentration in the human body. Intensified aerobic
transformations depends on body training level.
A moderate physical exertion is recommended by
physicians to prevent ageing process and the development of metabolic civilisation-related diseases,
such as atherosclerosis and myocardial infarction.
A moderate physical exertion favourably affects
maintaining prooxidant/antioxidant equilibrium and
body homeostasis and the formed free radicals are
effectively neutralised [22,23].
The human organism has developed adaptive
processes, enabling the adjustment of suitable muscle
types to physical exertion. This mechanism, among
other things, consists in mitochondrial biogenesis in
muscle fibres [24]. Oxidative stress, due to excessive
physical exertion results in an uncontrolled and
excessive ROS production. An increased amount of
free radicals, combined with a high antioxidative potential, leads to adverse functional changes in cells
and tissues. The population most exposed to the ne-
is c
op
y is
for
pe
rs
on
al
Wysiłek fizyczny jako źródło reaktywnych
form tlenu
302
Th
-
-
-
-
-
gative effect of ROS are athletes involved in anaerobic exertion forms, e.g. body building [25,26,27].
Antioxidants play a key role in protection of cells
against oxidative stress due to physical exertion [28].
Free radical concentration is maintained in the body
on a low level thanks to antioxidative enzymes (e.g.
glutathine peroxidase, superoxide dismutase and
catalase) and non-enzymatic antioxidants (e.g. glutathione as glutathione peroxidase co-substrate or
Q coenzyme) [29,30].
Rola peroksydazy glutationowej
The role of glutathione peroxidase
Peroksydaza glutationowa jest selenoenzymem,
który katalizuje utlenianie zredukowanego glutationu
w reakcji z nadtlenkiem wodoru [30]. Dotychczas poznano 4 typy peroksydazy glutationowej (GPX-1,
GPX-2, GPX-3, GPX-4), zawierające w miejscu aktywnym selenocysteinę.
GPX-1 wyizolowano z komórek człowieka, szczura, myszy, królika, bydła i owiec. We wszystkich badanych gatunkach GPX-1 jest tetramerem z czterema identycznymi podjednostkami. Druga tetramerowa forma GPX została nazwana żołądkowo-jelitową.
Zarówno GPX-1, jak i GPX-2 mają podobną specyficzność substratową. Kolejnym typem peroksydazy
jest GPX-3 oczyszczona z osocza krwi. GPX-3 znajduje się również w nerkach, szczególnie w komórkach epitelialnych. Czwarty typ GPX jest monomerem, po raz pierwszy oczyszczonym w 1982 roku.
Dzięki swojej budowie może wiązać się z większą
grupą substratów niż inne peroksydazy [1,31].
Gammaglutamylocysteinyloglicyna, czyli glutation, jest kofaktorem GPX. GSH uczestniczy w procesach katalitycznych, transporcie i syntezie białek,
kwasów nukleinowych oraz w detoksykacji i ochronie
przed RFT [31,32,33]. GSH wraz z peroksydazą,
S-transferazą i witaminą C chroni grupy tiolowe (–SH)
białek przed wytwarzaniem rodników tiolowych, które
ulegają dimeryzacji, w wyniku czego powstają mostki tiolowe, przez co tracą nieodwracalnie swoje funkcje. Ta sama grupa związków uczestniczy również
w terminacji procesu peroksydacji lipidów [31,35].
Zmiany indukowane wysiłkiem fizycznym w aktywności enzymów antyoksydacyjnych pojawiają się
zarówno w mięśniach szkieletowych, jak również innych tkankach, w tym we krwi. Nawet pojedyncze
ćwiczenia fizyczne mają znaczący wpływ na ekspresję enzymów antyoksydacyjnych [27]. Wiedza na temat regulacji aktywności tych enzymów w organizmie pod wpływem wysiłku fizycznego nie jest do
końca poznana. Przypuszczalnie kowalencyjna lub
allosteryczna modyfikacja wpływa na aktywność enzymów [33,34].
Wiadomo, że aktywność GPX rośnie w mięśniach
po treningu fizycznym, a typ włókien mięśniowych
w dużej mierze ma wpływ na aktywność tego enzymu [36]. Badania przeprowadzone na szczurach dowodzą, że aktywność GPX wraz z wiekiem u szczurów obniża się we wszystkich tkankach (serce, płuca,
wątroba, nerki), za wyjątkiem mięśni (soleus i gastrocnemius). U szczurów starych, poddanych wysił-
Glutathione peroxidase is a selenoenzyme catalysing oxidation of reduced glutathione in reactions
with hydrogen peroxide [30]. So far 4 types of glutathione peroxidase have been discovered (GPX-1,
GPX-2, GPX-3, GPX-4), containing selenocystein in
their active place.
GPX-1 was isolated from human, rat, mouse, rabbit, cattle and sheep cells. In every studied species,
GPX-1 is a tetramer with for identical subunits. The
second tetramer GPX form is called gastrointestinal.
GPX-1 and GPX-2 have a similar substrate specificity.
A subsequent type of peroxidase is GPX-3,
purified from plasma. GPX-3 is also found in kidneys,
particularly in epithelial cells. The fourth GPX type is
a monomer, first purified in 1982. Thanks to its structure, it can bind to a greater number of substrates
than other peroxidases [1,31].
Gamma-glutamyl-cysteinyl-glycine is a GPX cofactor. GSH takes part in catalytic processes,
transport and synthesis of proteins, nucleic acids,
detoxification and protection against ROS [31,32,33].
GSH, together with peroxidase, S-transferase and
vitamin C, protects thiol groups (–SH) against production of free radicals, which are dimerised and, in consequence, thiol bridges are formed and the radicals
irreversibly lose their function. The same group of
compounds also participates in lipid peroxidation
process termination [31,35].
The changes in antioxidative enzyme activity,
induced by physical exertion, involve both skeletal
muscles and other tissues as well as blood. Even
a single physical exercise has a significant effect on
antioxidative enzyme expression [27]. The knowledge of this enzyme activity regulation in the body,
due to physical exertion, has not been fully explored
so far. Presumably, covalence or allosteric modulation influences enzyme activity [33,34].
It is generally known that GPX level increases in
muscles after physical exertion and that the type of
muscle fibres significantly influences this enzyme
activity [36]. The studies conducted in rats prove that
GPX decreases with age in all tissues (heart, lungs,
liver and kidneys) except the muscles (soleus and
gastrocnemius). In old rats, subjected to physical
exertion, GPX activity decreased in muscles, however, the difference was statistically insignificant as
compared with the untrained rats (young and adult
ones) [37]. Gomez-Cabrera et al. [38] report that
is c
op
y is
for
pe
rs
on
al
us
eo
nly
-d
istr
ibu
tio
np
roh
ibit
ed
.
rodników, przy nieodpowiednio wysokim potencjale
przeciwutleniającym, prowadzi do niekorzystnych
zmian czynnościowych w komórkach i tkankach. Osobami najbardziej narażonymi na negatywny wpływ
RFT są sportowcy uprawiający beztlenowe formy wysiłku, np. kulturyści [25,26,27].
Antyoksydanty odgrywają kluczową rolę w ochronie komórek przed stresem oksydacyjnym wywołanym wysiłkiem fizycznym [28]. Stężenie WRT jest
utrzymywane w organizmie na niskim poziomie dzięki enzymom antyoksydacyjnym (np. peroksydaza glutationowa, dysmutaza ponadtlenkowa i katalaza) oraz nieenzymatycznym antyutleniaczom (np.
glutation, będący kosubstratem peroksydazy glutationowej, czy też koenzym Q) [29,30].
Th
-
-
-
-
303
-
is c
op
y is
for
pe
rs
on
al
us
304
-d
istr
ibu
tio
np
roh
ibit
ed
.
ROS, formed due to physical exertion, activate the
signalling pathway at a cellular level, which induces
transcription factors and protein expression including
glutathione peroxidase in skeletal muscles. Low
concentration of ROS induce antioxidative enzyme
expression to fight oxidative stress [38].
So far, it has not been firmly expressed how
a long lasting physical exertion affects prooxidant/
antioxidant equilibrium [37].
In adult individuals, after a single 20 minute run,
GPX blood activity significantly decreased, while in
the individuals running every day for 5 weeks, no
statistically significant increase in blood GPX activity
was noted. No between gender differences in blood
GPX activity were observed. Conversely, some differences in GPX activity were noted in elderly individuals with a lower GPX activity as compared to
younger persons. No differences were observed
between children and adult individuals [42]. In young
males, (mean age = 21 years), training athletics, as
well as in untrained individuals, a decreased blood
GPX activity was noted after physical exertion [39].
Mena et al. [40] compared blood GPX activity in
amateur and professional cyclists with that of untrained individuals and noted the highest GPX activity
in the cohort of professional athletes [40]. This may
indicate that an increase in GPX activity is due to the
adaptation to training. Ohno et al. [41] did not observe any changes in GPX activity in the red blood
cells of untrained individuals subjected to submaximal exertion on a cycloergometer.
Supramaximal physical exertion leads to a decrease in blood GPX activity [42]. In triathlonists
using antioxidative dietary supplementation (tocopherol, retinol, selenium, ascorbate) during the training (Taper Training) GPX activity decreased while in
the control group, who did not use any dietary
supplements, no changes in GPX activity were noted
in response to training. In the individuals using dietary supplementation and leading a sedentary lifestyle, GPX activity was found to be higher while in the
supplemented training individuals, GPX activity
decreased during training, although selenium concentration remained unchanged. We do not know
how exogenous antioxidants influence the effectiveness of the endogenous antioxidative system [43]. In
the blood of oarsmen and canoeists, the activity of
glutathione peroxidase increased almost twice during
the first days of training (after 3 and 6 days), which
may be the evidence of intensified hydrogen peroxide and organic peroxide generation [31]. In the
cohort of young, untrained males, subjected to 12week exhausting training, blood GPX activity was
measured. The results indicate that blood GPX activity prior to the training was lower than following the
training [44]. Similar conclusions were reached by
Mustafa et al. [45] in their study on rats and while
measuring GPX activity in cardiac tissue [45]. In turn,
Groussard et al. [46] in GPX blood assay in the
cohort subjected to a single anaerobic sprint, did not
observe any changes in GPX activity prior to and
following exertion [46].
nly
eo
kowi fizycznemu, aktywność GPX obniżyła się w mięśniach, jednak różnica ta nie była istotna statystycznie, w porównaniu do zwierząt niewytrenowanych
(młodych i dorosłych) [37]. Gomez-Cabrera i wsp. [38]
donoszą, że RFT powstałe w wyniku wysiłku fizycznego aktywują ścieżkę sygnalizacyjną na poziomie komórkowym, która indukuje czynniki transkrypcyjne
i ekspresję białek, m.in. peroksydazy glutationowej
w mięśniach szkieletowych. Niskie stężenia reaktywnych form tlenu indukują ekspresję enzymów antyoksydacyjnych do walki ze stresem oksydacyjnym [38].
Jak dotąd nie ustalono jednoznacznie, jak wpływa
długoterminowy wysiłek fizyczny na równowagę prooksydacyjno-antyoksydacyjną [37]. U osób dorosłych,
po jednorazowym biegu trwającym 20 minut, aktywność GPX znacznie obniżyła się we krwi. Z kolei
u osób, które biegały codziennie przez 5 tygodni, aktywność GPX we krwi nie zmieniła się w sposób istotnie statystyczny. Nie zaobserwowano różnic w aktywności GPX we krwi kobiet i mężczyzn. Stwierdzono natomiast różnice w aktywności GPX u ludzi starszych, u których aktywność GPX była niższa w porównaniu z osobami młodymi. Nie zaobserwowano
różnic pomiędzy dziećmi a osobami dorosłymi [42].
U młodych mężczyzn (średnia wieku 21 lat), trenujących 5 lat lekkoatletykę, jak również u osób niewytrenowanych zaobserwowano, że po wysiłku fizycznym
aktywność GPX we krwi obniżyła się [39]. Mena i wsp.
[40] porównali aktywność GPX we krwi kolarzy amatorów, zawodowców oraz osób niewytrenowanych i zaobserwowali najwyższą aktywność GPX w grupie
osób zawodowo uprawiających sport [40]. Może to
świadczyć o tym, że wzrost aktywności GPX jest adaptacją do treningu. Ohno i wsp. [41] nie zaobserwowali
zmiany w aktywności GPX w erytrocytach u osób niewytrenowanych poddawanych supramaksymalnemu
wysiłkowi na ergonometrze rowerowym.
Supramaksymalny wysiłek fizyczny prowadzi do
obniżenia aktywności GPX we krwi [42]. W grupie triatlonistów w trakcie treningu (Taper Training), stosujących antyoksydacyjne suplementy w diecie (tokoferol,
retinol, selen, kwas askorbinowy, aktywność GPX obniżyła się, natomiast w grupie kontrolnej, bez suplementów żywieniowych, nie odnotowano zmian w aktywności GPX w odpowiedzi na trening. U osób suplementowanych, prowadzących siedzący tryb życia, aktywność
GPX była wyższa, natomiast u osób suplementowanych, ale w trakcie treningu, aktywność GPX malała,
chociaż stężenie selenu pozostawało stałe. Nie wiadomo, jak egzogenne antyoksydanty wpływają na skuteczność endogennego systemu antyoksydacyjnego
[43]. We krwi wioślarzy i kajakarek aktywność peroksydazy glutationowej wzrosła prawie dwukrotnie w pierwszych dniach treningu (po 3 i po 6 dniach), co może być
dowodem na nasilenie generacji nadtlenku wodoru
i/lub nadtlenków organicznych [31]. W grupie młodych,
niewytrenowanych mężczyzn, poddanych 12-tygodniowemu wyczerpującemu treningowi, zmierzono we krwi
aktywność GPX. Okazało się, że aktywność GPX przed
rozpoczęciem treningu była niższa niż po jego zakończeniu [44]. Podobne obserwacje poczynili Mustafa
i wsp. [45], przeprowadzając badanie na szczurach
i mierząc aktywność GPX w tkance serca [45]. Z kolei
Groussard i wsp. [46], oznaczając aktywność GPX we
krwi, w grupie osób poddanych jednorazowemu, beztlenowemu sprintowi, nie zaobserwowali zmian w aktywności GPX przed i po wysiłku [46].
Th
-
-
-
-
-
Conclusions
Dotychczasowe badania naukowe sugerują, że
wysiłek fizyczny indukuje wzrost wytwarzania wolnych rodników tlenowych i dowodzą istotnej roli układów enzymatycznych w walce ze stresem oksydacyjnym. W usuwaniu nadtlenku wodoru i nadtlenków lipidowych, aktywnie uczestniczy peroksydaza glutationowa. GPX wraz z glutationem, S-transferazą i witaminą C chroni grupy tiolowe (–SH) białek przed wytwarzaniem rodników tiolowych oraz uczestniczy
również w terminacji procesu peroksydacji lipidów.
Aktywność GPX w tkankach mięśniowych po wysiłku
fizycznym wzrasta, natomiast we krwi obniża się po
jednorazowym, supramaksymalnym wysiłku, a praktycznie nie zmienia się, gdy wysiłek fizyczny jest regularnie uprawiany przez pewien okres czasu.
Na aktywność GPX we krwi z pewnością wpływ ma
nie tylko sam wysiłek fizyczny, ale jego rodzaj oraz
czynniki dodatkowe, takie jak suplementy żywieniowe, wiek oraz stopień wytrenowania.
The so far research suggests that physical exertion induces an increase in free radical production
and indicate an important role of enzymatic systems
in oxidative stress fighting. Glutathione peroxidase
actively participates in the removal of hydrogen peroxide and lipid peroxides. GPX, together with glutathione, S-transferase and vitamin C, protects protein
thiol groups (–SH) against free radical production
and participates in lipid peroxidation process termination. GPX activity in muscle tissues increases
after physical exertion and decreases in blood after
a single supramaximal exertion and virtually remains
unchanged if physical exercise is regularly performed
for a certain period of time. Blood GPX activity is
certainly not affected by physical exertion itself, but
by the type of effort and additional factors, such as
dietary supplements, age and training level.
ibu
Piśmiennictwo / References
tio
np
roh
ibit
ed
.
Podsumowanie
is c
op
y is
for
pe
rs
on
al
us
eo
nly
-d
istr
1. Arthur JR. The glutathione peroxidases. Cell Mol Life Sci 2007; 57: 1825-1835.
2. Hernanz A, Fernandez-Vivanocos E, Montiel C, Vazquez J, Arnalich F. Changes in the intracellular homocysteine
and glutathione content associated with aging. Life Sci 2000; 67: 1317-1324.
3. Liu RM, Choi J. Age-associated decline in γ-glutamylcysteine synthetase gene expression in rats. Free Radic Biol
Med 2000; 28: 566-574.
4. Paluszak J. Niekonwencjonalne metody leczenia w medycynie sportowej. Med Sport 2005; 105: 8-10.
5. Bartosz G. Druga twarz tlenu. Warszawa 2004.
6. Krzyżyńska-Malinowska E, Drewa G, Placek W i wsp. Aktywność katalazy i peroksydazy glutationowej u pacjentów z bielactwem nabytym. Derm Estet 2005; 7: 5-9.
7. Slatter TF. Free radical mechanisms in tissue injury. Biochem J 1984; 222: 1-15.
8. Andrzejak R, Goh JK, Jurga M. Wolne rodniki i ich znaczenie w medycynie. Postępy Hig Med Dośw 1995; 49: 531549.
9. Woźniak A, Drewa T, Woźniak B i wsp. Rola wolnych rodników tlenowych w powstawaniu przerzutów nowotworowych. Onkol Pol 2001; 4: 135-139.
10. Halliwell B, Gutteridge JMC. Free Radical in Biology and Medicine. Oxford 1993.
11. Fridovich I. The biology of oxygen radicals. Science 1978; 201: 875-880.
12. Dobrzyński L. Hormez zjawisko powszechne i powszechnie nieznane. Post Tech Jadr 2006; 1: 9-15.
13. Knight JA. Diseases related to oxygen-derived free radicals. Ann Clin Lab Sci 1995; 25: 111-121.
14. Warner HR. Superoxide dismutase aging and degenerative disease. Free Radic Biol Med 1994; 17: 249-258.
15. Konopka T, Gymerek-Marciniak A, Kozłowski Z i wsp. Potencjał antyoksydacyjny śliny u pacjentów z zapaleniem
przyzębia i rakiem płaskonabłonkowym dna jamy ustnej. Dent Med Probl 2006; 43: 354-362.
16. Woźniak B, Mila-Kierzenkowska C, Drew i wsp. Stres oksydacyjny po wysiłku fizycznym u wioślarzy różniących
się wiekiem i stopniem wytrenowania. Med Sport 2007; 4 (6): 229-232.
17. Golec L. Stres oksydacyjny. Pol Przegl Med Lotn 2007; 4: 455-464.
18. Lelli JL, Beks LL, Dąbrowska MI i wsp. ATP converts necrosis to apoptosis in oxidant-injured endothelial cells. Free
Radic Biol Med 1998; 25: 694-702.
19. Lee YJ, Shacter E. Oxidative stress inhibits apoptosis in human lymphoma cells. J Biol Chem 1999; 274: 1979219798.
20. Chapple IL. Reactive oxygen species and antioxidants in inflammatory diseases. J Clin Periodontol 1997; 24: 287296.
21. Battino M, Fereirro MS, Gallardo I i wsp. The antioxidant capacity of saliva. J Clin Periodontol 2002; 29: 194-198.
22. Ziemlański Ś, Panczenko-Kresowska B i wsp. The effect of exercise on the serum levels of lipid peroxide, superoxide dismutase, vitamin E and lipid indices. Żywienie Człow Metabol 1991; 67: 321-328.
23. Zembroń-Łacny A, Szyszka K. Równowaga prooksydacyjno-antyoksydacyjna w organizmie sportowca: możliwości modyfikacji treningowej i/lub żywieniowej. Nowa Med 1998; 5: 22-28.
24. Packer L, Cadenas E, Davies K. Free radicals and exercise: an introduction. Free Radic Biol Med 2008; 44: 123125.
25. Johnson P. Antioxidant enzyme expression in health and disease: effects of exercise and hypertension. Comp Biochem Physiol 2002; 133: 493-505.
26. Ilhan N, Kamanli A, Ozmerdivenli R, Ilhan N. Variable effects of exercise intensity on reduced glutathione, thiobarbituric acid reactive substance levels, and glucose concentration. Arch Med Res 2004; 35: 294-300.
27. Matuszkiewicz A. Białka i kwas moczowy jako potencjalne zmiatacze wolnych rodników w organizmie sportowca
wyczynowego. Medycyna Sportowa 2000; 5: 31-39.
Th
-
-
-
-
305
eo
nly
-d
istr
ibu
tio
np
roh
ibit
ed
.
28. Banerjee A, Mandal A, Chanda D, Chakrabrti S. Oxidant, antioxidant and physical exercise. Mol Cell Biochem
2003; 253: 307-312.
29. Markuszewski L, Okoński P, Banach M, Wierzbiński P, Pietruszyński R. Rola stresu oksydacyjnego i reaktywnych
postaci tlenu w patogenezie uszkodzenia mięśnia sercowego po reperfuzji. Glutation jako związek zapobiegający
uszkodzeniom poreperfuzyjnym. Folia Cardiol 2006; 1: 9-18.
30. Chaudiere J, Ferrari-Iliou R. Intracellular antioxidants: from chemical to biochemical mechanisms. Food Chem Toxicol 1999; 37: 949-962.
31. Woźniak A. Wpływ kriostymulacji ogólnoustrojowej i wysiłku fizycznego na równowagę proooksydacyjno-antyoksydacyjną oraz aktywność enzymów lizosomalnych we krwi kajakarzy i wioślarzy. Bydgoszcz 2005.
32. De Level DL, Kaplavitz N. Glutathione metabolism and its role in hepatotoxicity. Pharmacol Ther 1991; 52: 287305.
33. Meister A, Anderson ME. Glutathione. Annu Rev Biochem 1983; 52: 711-760.
34. Halliwell B, Gutteridge JMC. Free radicals in biology and medicines. Oxford: Clarendon Press 1989.
35. Ji LL. Oxidative stress during exercise: implication of antioxidant nutrients. Free Radic Biol Med 1995; 6: 10791086.
36. Ji LL. Modulation of skeletal muscle antioxidant defense by exercise. Free Radic Biol Med 2008; 44: 142-152.
37. Gunduz F, Senturk UK, Kuru O i wsp. The effect of one year swimming exercise on oxidant stress and antioxidant
capacity in aged rats. Physiol Res 2004; 53: 171-176.
38. Gomez-Cabrera MC, Domenech E, Ji L, Vina J. Exercise as an antioxidant: it up-regulates important enzymes for
cell adaptations to exercise. Science and Sports 2006; 21: 85-89.
39. Gurcan N, Erbas D, Ergen E i wsp. Changes in blood haemorheological parameters after submaximal exercise in
trained and untrained subjects. Physiol Res 1998; 47: 23-27.
40. Mena P, Maynar M, Gutierrez JM i wsp. Erythrocyte free radicals scavenger enzymes in bicycles professional racers adaptation to training. Int J Sports Med 1991; 12: 563-566.
41. Ohon H, Sato Y, Yamashita K i wsp. The effect of brief physical exercise on free radicals scavenging enzyme systems in human red blood cells. Can J Physiol Pharmacol 1994; 54: 149-157.
42. Ozbay B, Dulger H. Lipid peroxidation and antioxidant enzymes in Turkish population: relation to age, gender,
exercise and smoking. J Exp Med 2002; 197: 119-124.
43. Margaritis I, Pallazzeti S, Rousseau AS i wsp. Antioxidant supplementation and tapering exercise improve exercise-induced antioxidant response. J Am Coll Nutrition 2003; 22, 147-156.
44. Miyakazi H, Oh-ishi S, Ookawara T i wsp. Strenuous endurance training in human reduces oxidative stress following exhausting exercise. Eur J Appl Physiol 2001; 84: 1-6.
45. Gul M, Demircan B, Taysi S i wsp. Effects of endurance training and acut exhaustive exercise on antioxidant defens mechanisms in rat heart. Comp Biochem Physiol 2006; 143: 239-245.
46. Groussard C, Rannon-Bekono F, Machefer G i wsp. Changes in blood lipid peroxidation markers and antioxidants
after a single sprint anaerobic exercise. Eur J Appl Physiol 2003; 89: 14-20.
-
y is
op
is c
306
Th
-
for
pe
rs
on
al
us
-
-
-

FULL TEXT - Medycyna Sportowa

Transkrypt

Podobne dokumenty

Kliknij aby pobrać dokument w formacie PDF

This copy is for personal use only

Leatt Brace GPX 5.5 to całkowicie nowa konstrukcja z nowym

Przetwornik TPX

FULL TEXT - Medycyna Sportowa

This copy is for personal use only

Technologia Informacyjna