РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕЦикл трикарбоновых кислот является центральным звеном энергетического метаболизма клетки. Ряд веществ, относящихся к метаболитам ЦТК, нашли свое применение в медицине в целом и в спортивной медицине в частности. Подобные средства актуальны для использования спортсменами, в том числе с целью повышения адаптационного потенциала организма, оптимизации энергопродукции в мышечных клетках, защиты организма от воздействия различных неблагоприятных факторов на фоне повышенных нагрузок. Далее приводится обобщенная информация по метаболитам ЦТК.
Лимонная кислота (цитрат) — первый метаболит ЦТК, который образуется при конденсации двух молекул ПВК3. При повышенном содержании глюкозы образуется большое количество цитрата, при этом происходит ингибирование фермента фосфофруктокиназы и замедление гликолиза, что для клетки энергетически выгодно, т.к. высокие концентрации цитрата указывают на наличие большого запаса молекул-предшественников, поэтому фосфофруктокиназа не отправляет молекулы фруктозо-6-фосфата в гликолиз и происходит экономия энергетических субстратов [7].
Препараты лимонной кислоты и ее солей достаточно широко используются в медицине. Например, цитраты используются для ощелачивания мочи (в качестве альтернативы бикарбонату натрия) в условиях, когда по показаниям здоровья желательно поддержание ее pH на щелочном уровне в течение определенного промежутка времени. Это свойство производных лимонной кислоты актуально в отношении спортсменов, у которых на фоне приема препаратов на их основе происходит повышение буферной емкости жидких сред организма и в связи с этим отложенное наступление утомления из-за снижения уровня кислотности в организме [8][9].
Цитрат проявляет также свойства антиоксиданта, обладая синергическим действием с витамином Е [8][9]. Использование цитрата способствует ослаблению нагрузки на компоненты антиоксидантной системы организма (АОС), что проявляется снижением активности ферментов супероксиддисмутазы (СОД), каталазы, глутатионпероксидазы, уровня восстановленного глутатиона, а также активности некоторых НАДФН-генерирующих ферментов, в том числе при напряженной физической работе [8]. Кроме этого, цитрат способен проявлять цитопротекторные свойства и выступать активатором биосинтеза жирных кислот и поставщиком ацетильных фрагментов для восстановления мембран клеток [7]. Еще одним важным свойством цитрата является его способность удерживать магний внутри митохондрий, защищая тем самым их от повреждения [9, 10]. Все вышеперечисленные физиологические свойства цитрата и его производных делают использование препаратов на его основе актуальным на фоне высоких нагрузок на организм, характерных для профессионального спорта.
Следующий важный метаболит ЦТК — изоцитрат (изолимонная кислота, ИЛК). ИЛК синтезируется из лимонной кислоты через промежуточную цис-аконитовую кислоту под действием фермента аконитазы. Считается, что именно реакция превращения изолимонной кислоты в альфа-кетоглутарат является реакцией, лимитирующей скорость протекания всего ЦТК. Несмотря на этот факт, изолимонная кислота на сегодня является одним из наименее изученных метаболитов ЦТК в отношении влияния на организм человека. Долгое время изоцитрат использовался только в качестве специфического биохимического реагента для анализа активности аконитатгидратазы, NAD-изоцитратдегидрогеназы, NADP-изоцитратдегидрогеназы, изоцитратлиазы и других ферментов [11][12]. Относительно недавно ИЛК начала изучаться как природное профилактическое и терапевтическое средство, была описана ее эффективность в терапии железодефицитной анемии и при терапевтическом тромболизисе [12].
В ряде исследований была продемонстрирована эффективность применения изолимонной кислоты при анемии, возникающей при хронических заболеваниях и воспалительных процессах (anemia of chronic disease and inflammation, ACDI), а также на фоне профессиональных спортивных нагрузок [13][14]. При помощи изоцитрата можно терапевтически манипулировать эритропоэзом без использования препаратов железа. Это особенно актуально в тех случаях, когда нагрузка организма железом нежелательна или неэффективна [13, 14].
В экспериментальной модели на крысах были продемонстрированы антиоксидантные свойства изоцитрата: было обнаружено, что монокалиевая соль изоцитрата является более эффективным антиоксидантом, чем аскорбиновая кислота. Монокалиевая соль изоцитрата также смягчала нейротоксический эффект солей свинца и молибдена, уменьшала угнетение обучения и памяти у крыс, отравленных тяжелыми металлами, и противодействовала окислительному стрессу, вызванному тяжелыми металлами [15].
В работе С.А. Прибыловой и соавт. был продемонстрирован стресс-протекторный эффект на фоне 10-суточного приема изолимонной кислоты при антигипертензионной терапии. Этот эффект, вероятно, связан с влиянием изоцитрата на процессы возбуждения и торможения в ЦНС. Также в работе был отмечен антигипертензивный эффект, выражающийся в достоверном снижении среднесуточного диастолического артериального давления при приеме изолимонной кислоты; этот эффект ранее в литературе не описан [16].
Кроме того, в контроле ЦТК при физических упражнениях центральное место отводится ферменту изоцитратдегидрогеназе (IDH) [17]. Изоформы IDH играют важную роль в защите клеток от окислительного повреждения благодаря реакции прямого окислительного декарбоксилирования и в качестве источника NADPH [17].
Еще одна область исследования физиологических эффектов изоцитрата — его антигипоксические эффекты. Гипоксия по-разному влияет на ферменты, участвующие в ЦТК. В частности, в условиях гипоксии аконитаза подавляется, тогда как IDH не затрагивается или активируется. Было показано, что IDH необходима для альтернативных метаболических путей, которые поддерживают функцию клеток в условиях гипоксии. Предполагается, что добавление экзогенного изоцитрата снимает ингибирование аконитазы и служит субстратом IDH для обеспечения альтернативного источника энергии при гипоксии [18][19]. Данный эффект изоцитрата может использоваться в видах спорта, в которых присутствуют гипоксические условия, а также при тренировках в горах.
Изоцитрат является перспективным веществом для создания препаратов и специализированной пищевой продукции для применения в медико-биологическом обеспечении спортсменов. Однако для обоснованного применения данной органической кислоты в спортивной медицине требуется дальнейшее изучение ее влияния на организм, в том числе на фоне повышенных физических и психоэмоциональных нагрузок.
Альфа-кетоглутаровая кислота (альфа-кетоглутарат, АКГ, 2-оксоглутарат) является важным промежуточным продуктом в ЦТК, идущим после изоцитрата до сукцинил-КоА [15][19]. Анаплеротические реакции могут пополнять ЦТК на этом этапе путем синтеза альфа-кетоглутарата в результате переаминирования глутамата или под действием глутаматдегидрогеназы. Другая функция этого метаболита заключается в предотвращении перегрузки клеток азотом благодаря тому, что альфа-кетоглутарат соединяется с избыточным азотом и направляет его в цикл мочевины [19]. Кроме этого, альфа-кетоглутарат вступает в реакцию переаминирования с глутамином с образованием возбуждающего нейромедиатора глутамата. Затем глутамат может быть декарбоксилирован (требуется витамин B6) в тормозной нейромедиатор гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) [20].
В исследованиях H. Yamamoto et al. на мышах было показано, что альфа-кетоглутаровая кислота проявляет антиоксидантные свойства и может предотвратить повреждение митохондриальной ДНК, вызванное свободными радикалами в нервных клетках [21].
Альфа-кетоглутаровая кислота также может функционировать как сигнальная молекула, регулируя функцию G-белка. Сигнализация через этот путь мобилизует внутриклеточный Ca2+, который действует как диффузионный второй мессенджер, регулирующий широкий спектр жизненно важных функций клеток, включая клеточный метаболизм и рост, а также деление и дифференциацию клеток [22]. Также есть исследования, демонстрирующие эффективность АКГ в ускорении восстановления тканей после хирургических вмешательств, травм и ожогов [19][23].
Как предшественник глутамина альфа-кетоглутарат является молекулой с высоким потенциалом при коррекции состояний с повышенным катаболизмом белка, возникающих в том числе на фоне длительных аэробных нагрузок у спортсменов. Было показано, что добавка АКГ улучшает азотистый баланс организма, поддерживает уровень анаболических гормонов и гормоноподобных соединений (инсулина, гормона роста и инсулиноподобного фактора роста) на фоне хирургических вмешательств, травм и ожогов [23]. Помимо этого, было показано, что АКГ способствовал защите клеток печени от повреждений и предотвращению снижения активности семейства цитохрома P-450. Данный эффект гепатопротектора также может быть актуален в спортивной медицине [23].
Описанный в ряде работ положительный эффект от применения альфа-кетоглутаровой кислоты на метаболизм в костной ткани предполагает его потенциальное применение в профилактике нарушений формирования костного матрикса, в лечении заболеваний с прогрессирующей потерей костной массы, таких как остеопороз, или в улучшении костной массы организма, что также актуально для профессиональных спортсменов [24].
В исследовании Y. Yuan et al. было показано, что значительное накопление АКГ в крови является метаболическим сигналом результативности упражнений на сопротивление. Интересно, что его уровень в плазме крови отрицательно коррелирует с индексом массы тела. В данной работе на мышах in vivo установлено, что повышение циркулирующего в крови АКГ, вызванного его экзогенным поступлением в организм, способствует гипертрофическим изменениям мышечной ткани, термогенезу за счет бурого жира и липолизу белого жира. Также было обнаружено, что он стимулирует высвобождение адреналина. Результаты данных исследований показывают недооцененный механизм АКГ в качестве молекулы в стимуляции надпочечников для гипертрофии мышц и потери жира в упражнениях на сопротивление [25].
В настоящее время в практике спортивной медицины АКГ используется в сочетании с аминокислотой L-аргинин в качестве компонента специализированной пищевой продукции, имеющей общее название «AAKG». В отдельных работах были выявлены анаболизирующие и антикатаболические эффекты от применения AAKG [26]. Однако в настоящее время из-за недостаточной изученности и ограниченного числа исследований на спортсменах AAKG относится к специализированной пищевой продукции, имеющей малую степень доказательной эффективности при использовании в профессиональном спорте [27].
Янтарная кислота (ЯК, сукцинат) образуется из альфа-кетоглутарата через сукцинил-КоА. Все метаболические пути, которые взаимосвязаны с ЦТК, включая метаболизм углеводов, аминокислот, жирных кислот, холестерина и гема, зависят от временного образования сукцината.
Сукцинат может выходить из митохондриального матрикса и функционировать как в цитоплазме, так и во внеклеточном пространстве, изменяя паттерны экспрессии генов, модулируя эпигенетический ландшафт или демонстрируя гормоноподобную сигнализацию. Например, в адипоцитах сигнальный каскад, активируемый сукцинатом, ингибирует липолиз. Чаще всего передача сигналов сукцинатом происходит в ответ на гипоксические условия [26].
Окисляясь, сукцинат монополизирует дыхательную цепь, что приводит к быстрому ресинтезу АТФ клетками и более выраженно, чем другие субстраты ЦТК, повышает количество восстановленных митохондриальных НАД+, стимулируя протекание восстановительного синтеза в клетке и поддерживая транспорт кальция. Его положительное влияние на функции органов связано с энергизирующим воздействием на функциональное состояние структур, оказывающих центральное регуляторное действие [28].
Этот метаболит является точкой повторного входа для шунта ГАМК в ЦТК, в котором синтезируется и перерабатывается ГАМК, чем объясняется его антистрессорный эффект [29]. Кроме того, сукцинат может усиливать адаптивный иммунитет, запуская активность антигенов, которые активируют Т-клетки. Также было показано, что накопление сукцината регулирует выработку воспалительных цитокинов [30].
В работах Ariza et al. изучались антигипоксические и антиоксидантные эффекты сукцината, которые основаны не только на способности активировать IDH (путь ресинтеза АТФ), снижать уровень НАД-зависимых субстратов ЦТК и жирных кислот, но и связаны со стимуляцией активности цитохромоксидазы, которая является ключевым ферментом дыхательной цепи митохондрий. Сукцинат способствует нормализации уровня гистамина и серотонина в крови и эпидермисе, а также оказывает благоприятное действие на микроциркуляторное русло, не влияя на уровень артериального давления (АД) и функцию сердца [30].
В работе de Castro et al. исследовался гепатопротекторный эффект сукцината, который заключается в активации фермента сукцинатдегидрогеназы (СДГ) в митохондриях гепатоцитов, что приводит к нормализации нарушений синтеза мочевины, явлений печеночного холестаза, предупреждает жировое перерождение печени, а также развитие в ней коллагенозной ткани [31].
В экспериментах на модели иммобилизационного стресса и стресса, спровоцированного ожогом, электрическим шоком, переохлаждением, описано адаптогенное действие сукцината [31]. Также известно, что при тяжелых физических нагрузках сукцинат способствует ускоренному восстановлению4.
Одним из ограничений применения сукцината в спортивной медицине является его биодоступность, которая ниже, чем у фумарата, малата или цитрата. Для повышения биодоступности сукцината используют его соединения с другими метаболитами ЦТК в виде солей5.
В настоящее время в отечественной спортивной медицине широко применяется сукцинат-содержащий препарат метаболического типа действия Мексидол® (3-окси-6-метил-2-этилпиридина сукцинат), обладающий мощным ингибирующим действием на процессы перекисного окисления липидов, а также способствующий нейтрализации свободных радикалов и активации СОД. Мексидол® способствует активации сукцинатоксидазного пути окисления, благодаря чему на начальных этапах гипоксии в условиях угнетения НАД-зависимого окисления в митохондриях сохраняется определенный уровень окислительного фосфорилирования [32]. Однако стоит заметить, что использование Мексидола® профессиональными спортсменами разрешено в форме таблеток, тогда как внутривенные инфузии и/или инъекции в объеме более 100 мл в течение 12-часового периода запрещены кодексом Всемирного антидопингового агентства (ВАДА). Это же правило касается и препарата Реамберин®, который в своем составе содержит меглюмина натрия сукцинат6.
Кроме препарата Мексидол® в настоящее время достаточно широкое использование в качестве компонента медико-биологического обеспечения спортсменов в нашей стране получил препарат Цитофлавин®, активными веществами которого являются собственно янтарная кислота в сочетании с инозином, никотинамидом и рибофлавином. Установлено, что на фоне напряженной физической нагрузки Цитофлавин® усиливает клеточное дыхание, обеспечивая оптимальный уровень поглощения кислорода клетками [32][33]. Также показано, что курсовое использование Цитофлавина® положительно влияет на метаболические процессы в организме: поддерживает белково-синтетическую функцию, способствует поглощению клетками глюкозы и жирных кислот, улучшая клеточную обеспеченность энергией, и восстановлению активности ферментов антиоксидантной системы. Данный препарат можно отнести к категории препаратов, проявляющих адаптогенные и стресс-протекторные свойства [32][34][35]. В работе В.В. Куршева выявлены эффекты Цитофлавина® по улучшению работоспособности профессиональных хоккеистов в предсоревновательном периоде [33][34].
Фумаровая кислота (фумарат) образуется в результате окисления сукцината с участием фермента СДГ, который также участвует в митохондриальной цепи переноса электронов (дыхательный комплекс II). Фумарат функционирует как промежуточный продукт синтеза мочевины и окисления фенилаланина, тирозина, лейцина, триптофана и лизина [36][37]. Имеются данные о производных фумарата как средств, повышающих аппетит, оказывающих противогрибковое действие, используемых в качестве транквилизаторов, рентгеноконтрастных препаратов, при нарушениях свертывания крови (бенциклан гидрофумарат), рините [36–38].
Фумарат хорошо проникает через мембраны и легко утилизируется в митохондриях. Это соединение, подобно лактату и ацетату натрия, способствует ликвидации ацидемии путем химической нейтрализации кислых продуктов метаболизма. Однако преимущество фумарата перед лактатом и ацетатом заключается в том, что он метаболизируется при тяжелой гипоксии, причем его утилизация сопровождается образованием АТФ [37][38].
Практическое использование в качестве антигипоксантов начали находить препараты на основе фумарата, поддерживающие активность сукцинатного звена на фоне гипоксии различного генеза. Одним из таких препаратов является Мафусол® (1 л водного раствора для инъекций содержит натрия хлорида 6,0 г, калия хлорида 0,3 г, магния хлорида 0,12 г и натрия фумарата 14,0 г) [40]. Мафусол® также может применяться в спортивной медицине, если это не противоречит антидопинговому правилу ВАДА: внутривенные инфузии и/или инъекции в объеме более 100 мл в течение 12-часового периода запрещены.
Яблочная кислота (малат) образуется из фумарата в аэробных условиях. Малат обладает свойствами клеточного протектора и способен увеличивать за счет усиления экспрессии матричной РНК активность таких ферментных комплексов, как СОД и глутатионпероксидаза [3].
Было отмечено, что в сердечной мышце активность переносчика малат-аспартат более чем в 10 раз превосходит все остальные известные системы транспорта электронов. Исследование кардиомиоцитов на фоне ишемии и в момент постишемической реперфузии показало колоссальную важность данной системы в адекватном обеспечении клеток энергией. Кроме того, малат-аспартатный механизм является звеном антиоксидантной защиты и участвует в синтезе инсулина [3][39][40].
Малат выполняет различные функции переключателя путей метаболизма: принимает участие в гликолизе, бета-окислении жирных кислот, синтезе аминокислот, играет важную роль в транспортном сообщении между митохондриями и цитозолем, оказывая анаплеротическое или катаплеротическое действие на ЦТК [3][39][40]. Известно, что малат может опосредованно оказывать антигипоксический эффект, предварительно дегидратируясь до фумарата [3][39][40].
В спортивной медицине используется соединение яблочной кислоты с аминокислотой цитруллин, которое оказывает тонизирующее воздействие, снижает чувство усталости и повышает выносливость [41][42]. Примером такого препарата является Стимол®, который широко используется спортивными врачами для ускорения восстановления спортсмена после тяжелых нагрузок. В работе С. Олейника et al. продемонстрировано ускоренное выведение лактата из мышц у спортсменов-спринтеров при применении данного препарата [43].
Щавелевоуксусная кислота (ЩУК, оксалоацетат) — еще один важный метаболит ЦТК. Его синтез поддерживается главным образом за счет карбоксилирования пирувата, поэтому сниженная интенсивность гликолиза при гипогликемии и истощении гликогенных депо приводит к дефициту пирувата и, как следствие, к недостатку оксалоацетата. Это ограничивает не только вход ацетил-КоА в ЦТК, но и течение других важных адаптивных реакций [3][44].
Оксалоацетат принимает участие в глюконеогенезе, цикле мочевины, глиоксилатном цикле, синтезе аминокислот, синтезе жирных кислот. Он важен для образования незаменимых и заменимых аминокислот: аспартата, аспарагина, метионина, лизина, треонина [44][45].
На основе производных оксалоацетата разработаны биоэнергетические препараты для повышения уровня энергии клеток, которые обладают протективным, промитохондриальным действиями, препятствуют нейровоспалению, нейродегенерации [44][45]. Оксалоацетат действует как нейропротектор благодаря способности уменьшать содержание глутамата в головном мозге в результате активации фермента глутамат-оксалоацетаттрансаминазы, который катализирует обратимое превращение оксалоацетата и глутамата в аспартат и альфа-кетоглутарат. Он способствует восстановлению после черепно-мозговой травмы (ЧМТ), вызывая нейрореабилитационные эффекты, что также имеет перспективы применения в спортивной медицине при реабилитации после ЧМТ, полученных во время тренировок или соревнований [45].
Продолжая перечислять свойства оксалоацетата, важно отметить участие данного интермедиата в процессах глюконеогенеза и глицерогенеза. Оксалоацетат способен увеличивать объем митохондрий в поперечнополосатой мускулатуре, что положительно сказывается на выносливости и уменьшает мышечное утомление [44][45]. Другим важным преимуществом, связанным с введением оксалоацетата, является увеличение митохондриального биогенеза [45].