Гомеостаз карнитина и его функции в мышечной клетке.

Эффекты приема карнитина в различных состояниях. Обзор исследований.

 

Оглавление.

1. Общая информация. Гомеостаз карнитина и его функции в мышечной клетке.

2. Эффекты приема карнитина. Обзор исследований.
 - Изменения в энергетическом обмене клетки под влиянием изменений внутримышечной конентрации карнитина. Карнитин и производительность атлетов.

 - Карнитин и "жиросжигание".

 - Карнитин и окислительный стресс.

 - Взаимодействие карнитина с гормонами. Применение при силовом тренинге.

 - Изменения внутримышечной концентрации карнитина связанные с возрастом. Прием карнитина пожилыми людьми.

 - Карнитин и инсулинорезистентность.

 - Карнитин и сердечные заболевания.

 - Карнитини заболевание периферических артерий.
 - Карнитин и гипертиреоз.

 - Карнитин и вегетарианство.
 - Побочные эффекты.
3. Выводы.
 - Авторские заметки и рекомендации по приему.
 - Источники информации.

 

 

Введение.

 

Карнитин - широко распространенная БАД среди посетителей тренажерного зала. Некоторые источники говорят о том, что данная добавка имеет "жиросжигающие" свойства, другие - нет. Некоторые популярные русскоязычные источники информации о различных БАДах имеют достаточно неадекватное описание эффектов приема карнитина, без ссылок на источники информации. Даже сайт Examine.com не включает в себя полный список имеющихся исследований для оценки влияния приема карнитина на ту же производительность атлетов. В 2011 году Европейское агентство по безопасности продуктов питания постановило, что БАД карнитин не увеличивает выносливость и не способствует более быстрому восстановлению после тренировки. В то же время мои субъективные ощущения от приема добавки говорят об обратном. Со времени постановления прошло достаточно много лет и появились новые исследования.
Целью данного ревью является рассмотрение клинических исследований, изучающих вопрос эффекта приема карнитина на различные функции организма в его различных состояниях, и обобщение собранной информации.

 

 

Гомеостаз карнитина и его функции в мышечной клетке.

 

 

В среднестатистическом взрослом 70-кг человеке находится около 16 г карнитина, но это число может варьироваться в зависимости от мышечной массы, потому что примерно 95% общего количества карнитина в организме содержится в мышечной ткани. Остальная часть содержится в печени, почках, плазме и других органах и тканях (Engel and Rebouche 1984). Этот факт подчеркивает критическую роль карнитина в физиологии сердечной и скелетной мышцы.
В человеческом организме гомеостаз карнитина поддерживаетя через прием пищи, в которой он содержится (или как БАД), всасывание в тонком кишечнике, поглощение тканями, биосинтез и почечную реабсорбцию. Дневная потребность в карнитине зависит от аэробной активности, обмена веществ и мышечной массы, в среднем 0.8 мг/день/кг (Vaz and Wanders 2002). Основной экзогенный источник карнитина - продукты животного происхождения: говядина, свинина, курица рыба и другие. Но так же карнитин обнаружен и в овощах, фруктах, зерновых культурах, хотя и в значительно меньших количествах (Steiber et al. 2004). Взрослые получают примерно 75% дневной потребности экзогенно, в то время как синтезируется ~25% (Vaz and Wanders 2002). Карнитин всасывается как посредством переносщиков, так и пассивной диффузией, так что концентрация общего карнитина в плазме поддерживается в области 50 мкмоль (Evans and Fornasini 2003, Reuter et al 2008). Карнитин синтезируется в человеческом организме из незаменимых аминокислот - лизина и метионина, с использованием витаминов B2, B3, B6, витамина С и железа (Steiber et al. 2004).
Ни скелетные мышцы, ни сердечная мышца не способны синтезировать карнитин, перенос которого в эти ткани обеспечивается за счет активного транспорта, так как концентрация в мышцах примерно в 100 раз выше концентрации плазмы крови (50 против 5000 мкмоль). Транспорт карнитина в клетки скелетных мышц зависит от количества OCTN2 - транспортера с высоким сродством. OCTN2 имеет низкий Km относительно концентрации карнитина в плазме, так что просто увеличение плазменной концентрации карнитина не способно увеличить его транспорт в клетку (Reuter et al. 2008). В отличие от скелетных мышц, в некоторых тканях имеются другие переносчики карнитина, например, тонкий кишечник, в котором ATB0 транспортер имеет активность к карнитину или сердечная мышца, в которой работает антипорт (Sartorelli et al. 1982).
 

Хотя классическая и решающая функция карнитина в переносе жирных кислот (ацил-КоА) в митохондрию посредством фермента карнитин-пальмитоилтрансферазы 1 (CPT1) хорошо изучена уже долгое время, роль карнитина в метаболической гибкости, выборе субстрата для окисления и инсулинорезистентности только в последнее время стала получать больше внимания (Koves et al. 2008, Noland et al. 2009, Muoio et al. 2012, Schroeder et al. 2012).

 

Небольшое введение в энергетический обмен мышечной клетки.
Основные источники энергии в клетке (субстраты для окисления) - жирные кислоты и глюкоза. В норме выбор субстр окисления ата длязависит от состояния, в котором находится мышечная клетка: в состоянии пониженной потребности энергии (состояние покоя или очень небольшая нагрузка) преимущественно окисляются жирные кислоты; при увеличении нагрузки, когда спрос на энергию повышается, происходит сдвиг в выборе источника энергии в сторону углеводов - преимущество берет анаэробный гликолиз (процесс катаболизма глюкозы с выделением энергии и образованием двух молекул пирувата) дальнейшая судьба пирувата будет зависеть от работы митохондрии и пируватдегидрогеназы (ПДГ): если митохондрия справляется с потоком пирувата, то он окисляется, если нет - преобразуется в лактат. Очень важную роль в выборе субстрата для окисления играет карнитин.

Итак, в мышечной клетке карнитин выполняет две основые функции:
- В покое или при низком гликолитическом потоке (интенсивность упражнения <60% от VOmax) активность пируватдегидрогеназы (ПДГ) не велика, свободный карнитин обеспечивает перенос ацил-КоА в митохондрию для дальнейшего окисления. По концепции цикла Рэндла, увеличение β-окисления приводит к увеличению концентрации ацетил-КоА и, следовательно, увеличению синтеза цитрата и глюкозо-6-фосфата. Последние ингибируют фосфофруктокиназу и гексокиназу соответственно и уменьшают окисление глюкозы.
- При упражнениях высокой интенсивности (>70% от VO2max) усиливается гликолиз, окисление пирувата и, соответственно, выход ацетил-КоА через ПДГ. Свободный карнитин в этой ситуации связывает избыток ацетил-КоА в реакции карнитин-ацетилтрансферазы (CAT), обеспечивая ПДГ и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) на 4й стадии (α-кетоглутарат-дегидрогеназа) коферментом А (КоА), таким образом поддерживая окисление глюкозы и обеспечивая функционирование митохондрии и аэробный синтез АТФ, уменьшая закисление клетки протонами и лактатом. Соответственно, в данных условиях меньше свободного карнитина вступает в реакцию с жирными кислотами для их переноса в митохондрию. (Клетке это более выгодно в условиях повышенной потребности в энергии, так как митохондриальный синтез АТФ более эффективен с большим уровнем окисления глюкозы - в отличие от гликолиза, катаболизм жирных кислот до ацетил-КоА помимо NADH продуцирует и донор электронов FADH, который имеет меньший индекс P/O (фосфата / кислорода), чем NADH (требуется больше кислорода для заданного количества АДФ). То есть клетке требуется меньше кислорода для получения энергии путем окисления глюкозы.)
Вернемся к важности функции карнитина связывать излишки ацетила. Было установлено, что интенсивное мышечное сокращение и последующая максимальная активность ПДГ (~1.5–2 ммоль·мин–1·кг–1) ацетилирует внутримитохондриальный пул КоА за 1 секунду. Каждую минуту интенсивного упражнения около 3600 мкмоль·кг-1 ацетильных групп переносится с небольшого митохондриального пула КоА (<50 мкмоль·кг-1) на сравнительно больший пул свободного карнитина (15-20 ммоль·кг-1). Таким образом быстрое образование ацетил-карнитина посредством фермента CAT играет первостепенную роль в поддержании КоА - зависимых реакций во время мышечного сокращения (Constantin-Teodosiu D et al 1992).

Немного о метаболизме карнитина в сердечной мышце:

Сердечная ткань, в отличие от скелетных мышц, способна переносить карнитин посредством антипорта - внутриклеточный ацетилкарнитин, большое количество которого синтезируется во время интенсивной работы мышц, заменяется на плазменный карнитин, необходимый для функционирования митохондрии (Sartorelli et al. 1982).
Во время выполнения интенсивного упражнения мышцы продуцируют большое количество лактата, который отправляется в кровоток и далее - в сердце, в котором преобразуется в пируват. Пируват далее должен окислиться в митохондрии. Скорость окисления пирувата будет зависеть от наличия конкурирующего субстрата для окисления - жирных кислот и от наличия/отсутсвия свободного карнитина. Сердечной мышце выгодны два состояния во время выполнения интенсивного упражнения - практически полное отсутсвие карнитина или же наоборот - его избыточное количество. Парадокс, но правда. При обоих состояниях углеводы (пируват) будут окисляться в больших количествах и будет меньшее закисление клетки. В первом состоянии - из-за отсутсвия жирных кислот в митохондрии будет уменьшено ингибирование пируватдегидрогеназы. Во втором случае будет увеличена работа карнитинацетил-трансферазы, которая будет преобразовывать избытки ацетил-КоА в ацетил-карнитин, что также уменьшит ибирование пируватдегидрогеназы (Broderick et al. 1992, 1993, 1995a, 1995b).
Митохондриальный синтез АТФ менее эффективен с большим уровнем окисления жирных кислот - в отличие от гликолиза, катаболизм жирных кислот до ацетил-КоА также продуцирует донор электронов FADH, который имеет меньший индекс P/O (фосфата / кислорода), чем NADH (требуется больше кислорода для заданного количества АДФ). Таким образом окисление жирных кислот продуцирует большее количество АТФ, но требует большее количество кислорода, что в условиях интенсивных нагрузок механически менее эффективно (Lopaschuk et al. 2010).

К слову, стоит вспомнить "Милдронат", который способен уменьшить концентрацию карнитина и позитивно влияющем на работу сердца; а так же о бета-блокаторах. Но в случае с карнитином из сердечной мышцы идет отток не только пирувата, но и ацил-КоА, которые так же могут закислять клетку.