MASARYKOVA UNIVERZITA Fakulta sportovních studií Katedra podpory zdravý
Vliv suplementace nitrátů na spotřebu kyslíku v průběhu svalové práce
Diplomová práce
Vedoucí diplomové práce:
Vypracoval:
doc. MUDr. Pavel Stejskal, CSc.
Bc. Zbyněk Skoumal UTV-KT
Brno, 2014
Čestné prohlášení Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval samostatně. Veškerou literaturu a další zdroje, ze kterých jsem čerpal, jsou řádně ocitovány a uvedeny v seznamu použité literatury.
V Brně dne 1. prosince 2014
……………………… podpis
Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat panu doc. MUDr. Pavlovi Stejskalovi, CSc. za pomoc, odborné vedení, připomínky, cenné rady a především za značnou trpělivost při zpracování mé diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Lucii Štulrajterové za odbornou konzultaci a všem osobám, které se podílely na výzkumném projektu.
OBSAH ÚVOD .................................................................................................................................. 6 1
LITERÁRNÍ PŘEHLED......................................................................................... 7
1.1
Nitráty ....................................................................................................................... 7
1.1.1
Vlastnosti nitrátů ................................................................................................ 7
1.1.2
Výskyt dusičnanů a dusitanů ............................................................................. 7
1.1.3
Zdravotní nebezpečí ........................................................................................... 9
1.1.4
Doporučené dávkování .................................................................................... 10
1.2
Oxid dusnatý (NO) ................................................................................................. 11
1.2.1
Historie ............................................................................................................. 11
1.2.2
Syntéza NO v těle ............................................................................................ 11
1.2.3
Úloha NO v těle ............................................................................................... 16
1.3
Cévní systém ........................................................................................................... 16
1.3.1
Krevní oběh ...................................................................................................... 17
1.3.2
Endotel ............................................................................................................. 17
1.3.3
Endotelová dysfunkce ...................................................................................... 18
1.4
Kondiční faktory .................................................................................................... 19
1.4.1
Biologické ukazatele zátěže ............................................................................. 19
1.5
Mechanismus účinku NO při svalové práci ......................................................... 25
1.6
Předpoklad výzkumu ............................................................................................. 25
2
METODIKA PRÁCE ............................................................................................ 29
2.1
Design výzkumu ..................................................................................................... 29
2.2
Výběr dodavatele suplementů ............................................................................... 30
2.3
Výběr a selekce probandů ..................................................................................... 31
2.4
Použité přístoje ....................................................................................................... 32
2.5
Metody zpracování výsledků ................................................................................ 33
2.6
Cíle........................................................................................................................... 33
2.7
Vědecká otázka....................................................................................................... 33
3
VÝSLEDKY ........................................................................................................... 34
3.1
Antropologické údaje............................................................................................. 34
3.2
Kinetika dusičnanů a dusitanů ............................................................................. 35
3.3
Metabolické a oběhové reakce při střední intenzitě zátěže ................................ 35
3.4
Metabolické a oběhové reakce při vysoké intenzitě zátěže ................................ 36
3.5
Reakce krevního tlaku ........................................................................................... 38
4
DISKUZE................................................................................................................ 39
5
ZÁVĚR.................................................................................................................... 42
LITERATURA ................................................................................................................. 44 PŘÍLOHY ......................................................................................................................... 49 SEZNAM OBRÁZKŮ ..................................................................................................... 51 SEZNAM TABULEK ...................................................................................................... 52 SEZNAM ZKRATEK ..................................................................................................... 53 RESUME .......................................................................................................................... 54 SUMMARY ...................................................................................................................... 55
Úvod
Hlavní podnět pro zpracování mé diplomové práce, posloužila možnost spolupodílet se na projektu zkoumání vlivu dietní suplementace nitrátů (v tomto případe zastoupeny šťávou z červené řepy) na svalový výkon. V České republice patří tato studie mezi vůbec první svého druhu, a proto je toto téma tak unikátní. V rámci mého studijního zaměření, jakož to kondiční trenér, jsem se zajímal, jaký vliv bude mít nitrátová suplementace na spotřebu kyslíku při svalové práci. Své předpoklady jsem mohl opírat o několik zahraničních studií, které se tomuto tématu již v minulosti věnovaly a přišly se zajímavými výsledky. Moje práce je rozdělena na dvě části. V první části jsem shrnul literární poznatky o tématu, které by měly informovat o tom, co to jsou dusičnany, jejich funkci, výskyt a především mechanismus přeměny dusičnanů na účinnou látku – oxid dusnatý, jeho další působení a metabolickou cestu v organismu. Dále jsem uvedl přehled měřitelných kondičních faktorů, které slouží k posouzení odezvy člověka na zátěž a vypovídají o stavu fyziologických funkcí organismu. Sledování těchto údajů mi poslouží k vyhodnocení účinků působení suplementace. Cílem druhé části práce je vyhodnotit vliv působení suplementace na ukazatelích svalové práce při různých intenzitách cvičení. Pro potřeby měření bylo vybráno 10 dobrovolníků, rekreačních sportovců, kteří souhlasili dohromady s 12 ti denní suplementací účinné látky nebo placeba a s následnými sériemi laboratorního testování a sběru měřených dat. Po dobu výzkumu měli tito dobrovolníci speciální jak pohybový tak dietní program kvůli minimalizaci možnosti zkreslení výsledků. Tyto výsledky jsou pak statisticky zpracovány a mohou sloužit jako inspirace pro zdokonalování sportovního výkonu profesionálních i rekreačních sportovců.
6
1
Literární přehled
1.1
Nitráty Nitráty jsou soli kyseliny dusičné, které působí jako donátory oxidu dusnatého,
jež v lidském těle zastává celou řadu biologických úloh. 1.1.1 Vlastnosti nitrátů Dusičnany a dusitany jsou přirozenou složkou životního prostředí a podílejí se na koloběhu dusíku v přírodě. V rámci tohoto koloběhu se rozkladem bílkovin a jejich dusíkatých látek živých organismů uvolňuje amoniak. Nitrifikační bakterie oxidují amoniak na dusitany a ty se dále oxidují na dusičnany. Denitrifikační bakterie z dusičnanů uvolňují dusík, který se vrací znovu do atmosféry. Do půdy se dusík dostává z posklizňových zbytků, ze zeleného hnojení, stájového hnoje, průmyslových hnojiv. V půdě se dusík vyskytuje především ve formě amonných solí a dusičnanů. Amonné ionty se v půdě zadržují sorpčními schopnostmi půdy, dusičnanový dusík se naopak z půdy lehce vyplavuje a může kontaminovat vodu. Z půdy přecházejí dusičnany do rostlin a odtud se dostávají do lidské potravy. Vysokým hnojením dochází k zvýšení obsahu dusičnanů v půdě a tím i v potravinových surovinách a potravinách (Velíšek, 2002). Dusičnanů a dusitanů se také využívá jako aditivních látek při nakládání masa, kdy je cílem stabilizovat jeho barvu a inhibovat růst bakterií, produkujících vysoce toxické botulotoxiny. Přídavky dusičnanů se někdy používají při výrobě tvrdých sýrů, neboť brání jejich nežádoucímu duření během zrání. Dusitany se také uplatňují v reakcích vedoucích e vzniku toxických nitrosaminů a dalších nitrososloučenin (Velíšek, 2002). 1.1.2 Výskyt dusičnanů a dusitanů Dusičnany a dusitany se jako součást koloběhu dusíku v přírodě vyskytují v mnoha potravinách rostlinného i živočišného původu. Do potravin rostlinného původu se dostávají z půdy, do potravin živočišného původu z krmiv a déle ovšem také jako látky aditivní (Velíšek, 2002). Obsah dusičnanů v rostlinách je silně ovlivňován prostředím. V rostlinách se dusičnany akumulují v době, kdy dusík nemůže být rostlinou využíván, tedy v době, 7
kdy rostlina neredukuje dusičnany na snadněji asimilovatelné formy amonných solí. K takovýmto stavům dochází především nepříznivými teplotami, vlhkostními a světelnými
podmínkami,
které
zapříčiňují
nedostatek
uhlíkatých
sloučenin
nezbytných pro přeměnu nahromaděných dusičnanů na aminokyseliny a v konečné fázi na bílkoviny (Velíšek, 2002). Hlavními zdroji dusičnanů je zelenina a brambory. Jednotlivé druhy akumulují dusičnany v různém množství. Podle schopnosti akumulovat dusičnany lze zeleniny a okopaniny rozdělit do tří skupin, a to na plodiny:
S vysokým obsahem dusičnanů (nad 1000 mg/kg), kam náleží salát, endivie špenát, mangold, pekingské a čínské želí, ředkev ředkvička, celer, reveň, kukuřice cukrová a v neposlední řadě také červená řepa
Se středním obsahem dusičnanů (250-1000 mg/kg), kam patří zelí, kapusta, květák, lilek, petržel, mrkev, brokolice, česnek a brambory
S nízkým obsahem dusičnanů (pod 250 mg/kg), kam se řadí růžičková kapusta, cibule, rajčata, hrách, artyčoky, chřest a okurky (Velíšek, 2002).
Tabulka 1: Obsah dusičnanů ve významných zeleninách
Zelenina Celer Cibule Česnek Fazole Hrách Kapusta hlávková Kapusta růžičková Kedlubny Květák Lilek Mrkev Okurky
Obsah NO₃⁻ v mg.kg–1 minimální maximální 0 3640 0 1435 44 2400 14 717 10 58 0 3192 0 2500 80 4380 0 2685 71 960 0 3337 0 490
Převzato z: Velíšek, J. (2002). Chemie potravin 3. (2. vyd., 343 s.) Tábor: OSSIS.
8
Tabulka 2: Obsah dusičnanů ve významných zeleninách a bramborech
Zelenina Paprika Petržel Pór Rajčata Reveň Ředkev Ředkvička Řepa červená Salát hlávkový Špenát Zelí hlávkové Brambory
Obsah NO₃⁻ v mg.kg–1 minimální maximální 4 330 0 5400 30 2159 0 136 300 2525 300 3770 390 5200 45 4700 60 6600 20 4500 0 3230 0 2795
Převzato z: Velíšek, J. (2002). Chemie potravin 3. (2. vyd., 343 s.) Tábor: OSSIS.
V jednotlivých plodinách však obsah dusičnanů kolísá v širokém rozmezí (až stovek procent), což je způsobeno klimatickými a půdními podmínkami během vegetace (intenzitou osvětlení, množstvím srážek a především intenzitou hnojení). V ovoci jsou dusičnany přítomny ve srovnání se zeleninou v mnohem menším množství. Pouze v melounech a banánech mohou být koncentrace poněkud vyšší, kolem 600-800 mg/kg (Velíšek, 2002). Přirozený obsah dusičnanů v živočišných tkáních je ve srovnání s rostlinnými pletivy velmi nízký. Výjimku tvoří pouze potraviny (např. šunka a některé uzeniny), při jejichž výrobě byly dusičnany nebo dusitany použity jako aditiva (Velíšek, 2002). 1.1.3 Zdravotní nebezpečí Zdravotní nebezpečí dusičnanů vychází z jejich možné redukce bakteriemi v našem zažívacím traktu (dutina ústní, žaludek a střevo) na nebezpečné dusitany. Dusitany se např. mohou v žaludku slučovat se sekundárními aminy, které taktéž pochází z potravy či z některých léků nebo tabákového kouře, na kancerogenní nitrosaminy. Na jejich vznik může mít vliv i kyselé pH, které je pro tuto reakci naprosto optimální. Nitrosaminy jsou velmi nebezpečné kancerogenní látky, které mohou způsobovat vznik nádorových onemocnění (žaludku, jater, tlustého střeva, močového měchýře). Rovněž mohou mít i teratogenní účinky (vyvolá je exogenní 9
látka, která při podání matce v určitém stádiu vývoje plodu je schopna vyvolat morfologické defekty nebo vede k poškození tělesných funkcí plodu). Dusičnany mohou ve vyšších dávkách negativně ovlivňovat i trávení a vstřebávání živin, metabolismus vitaminu A, funkci štítné žlázy (důležité je dostatečné zásobení jodem) a poruchy činnosti mozku a srdce, Mohou být i možnou příčinou anafylaktické reakce. NO může být toxický jak pro člověka, tak i pro mikroorganismy žijící v symbiose (Forejt, 2008). Není doporučeno překračovat povolenou denní dávku příjmu dusičnanů a navíc ji ještě kombinovat s některými dalšími doplňky výživy, protože v tu chvíli mohou nastávat nežádoucí reakce. Předpokládá se, že kombinace příjmu kreatinu, který sám o sobě bývá spojen s rizikem vzniku rakoviny, a dusitanů může vést ke vzniku vysoce karcinogenních látek. Toto riziko není nikterak velké za normálních nutričních podmínek, nicméně zvýšený příjem dusitanů a zvýšený příjem kreatinu, který by právě u sportovců využívajících výživové doplňky mohl nastat, toto riziko zvyšuje (Derave & Taes, 2009). I přes veškerá rizika se vzhledem k přísně stanoveným nejvyšším mezním hodnotám dusičnanů v pitné vodě a potravinách nemusíme obávat závažných zdravotních důsledků z jejich nadměrného příjmu. Pouze u malých dětí bychom měli být obezřetnější při výběru zdroje pitné vody (Forejt, 2008). 1.1.4 Doporučené dávkování Světová zdravotnická organizace (WHO) stanovila horní limit pro obsah dusičnanů v potravinách ve spolupráci s US Food and Drug Administration, která prováděla studie na zvířatech, a ty neměly negativní účinky. WHO posléze vypočítala z těchto studií denní příjem pro člověka, který činí 5 mg dusičnanu sodného nebo 3,7 mg dusičnanů na 1 kg tělesné hmotnosti, což odpovídá 277,5 mg na 75 kg dospělého. S těmito údaji koresponduje i stanovisko Evropského úřadu pro bezpečnost potravin. Toto číslo se po více jak 40 let nezměnilo (Katan, 2009). Je však ironií, že už jedna sklenice šťávy z červené řepy nebo jeden talíř salátu z rucoly obsahuje alespoň dvojnásobek tohoto množství dusičnanů, samozřejmě v závislosti na podmínkách v jakých byly tyto plodiny sklizeny (Lundberg, 2009).
10
1.2
Oxid dusnatý (NO) Oxid dusnatý (NO) je malá, relativně nestabilní, potenciálně toxická, signální
molekula, která se vyskytuje v kardiovaskulárním a nervovém systému i v celém těle. NO proniká membránami a vysílá konkrétní zprávy nebo biologické signály, které regulují buněčnou činnost a dávají tělu příkazy k vykonání určité funkce. NO ovlivňuje funkci skutečně všech tělesných orgánů, včetně plic, jater, ledvin, žaludku, genitálií a samozřejmě srdce (Vobruba, 2006). K mnoha životně důležitým úkolům, které NO vykonává, patří jeho role vazodilatátoru, což znamená, že pomáhá regulovat průtok krve do každé části těla. NO uvolňuje a rozšiřuje cévy, aby krev mohla účinně zásobovat srdce. NO rovněž zabraňuje tvorbě krevních sraženin, které jsou původci mozkové mrtvice a srdečního infarktu; NO dále reguluje krevní tlak (Ignarro, 2014). K dalším klíčovým rolím NO patří jeho působení na zpomalování tvorby aterosklerotických plátů v cévách (Vobruba, 2006). 1.2.1 Historie Od syntézy nitroglycerínu uběhlo už mnoho let a v 19. století jej sám Alfréd Nobel užíval jako léčbu ulevující od typické bolesti na hrudi způsobující angína pectoris. Až kolem roku 1950 byly syntetizovány moderní molekuly nitrátů. V roce 1980 byl popsán EDRF – Endotheial Derived Relaxing Factor. Roku 1987 bylo publikováno v podstatě převratné zjištění, a to že EDRF je vlastně NO. Vzhledem k důležitosti NO v relaxaci cévní stěny a řadě dalších funkcí v těle byl vyhlášen roku 1992 molekulou roku. V roce 1998 byla trojici vědců – Robert F Furchgott, Louis J Ignarro, Ferid Murad – za jejich objevy týkající se „oxidu dusnatého coby signální molekuly v kardiovaskulárním systému“ udělena Nobelova cena (Bureš, 2008). 1.2.2 Syntéza NO v těle V průběhu uplynulého půlstoletí suplementace nitrátů se stala notoricky známou, z důvodu možného spojení s vývojem onemocnění rakoviny žaludku. To vedlo k velmi přísným předpisům, které omezovali množství nitrátů v potravinách a pitné vodě. Na začátku roku 1980 bylo překvapivě prokázáno, že kromě dietní suplementace nitrátů se v těle nitráty generují endogenně. Brzy po tom byla odhalena celá metabolická dráha NO a zároveň fakt, že NO se rychle oxiduje na dusitany nebo dusičnany. Donedávna byly tyto dusitany a dusičnany považovány jako neaktivní 11
koncové produkty metabolismu NO, ale tento pohled se nyní rychle mění. Ukazuje se, že podstupují sériové snížení a tvoří opět bioaktivní oxidy dusíku, včetně NO. Redukce dusitanů na NO byla poprvé popsána v žaludku, kde dusitany obsaženy ve slinných žlázách neenzymaticky redukují prostřednictvím kyselého prostředí. Následné studie prokázaly, že různé enzymy a proteiny mohou katalyzovat redukci elektronů dusitanů v krvi a tkáních na NO (Lundberg, 2009).
Obrázek 1: Redukce dusitanů na NO v srdeční svalovině Převzato z: http://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/cardiovascres/early/2009/03/19/cvr.cvp079/
Terapeutický účinky dusitanů byly objasněny v kardiovaskulárním systému a v gastrointestinálním traktu. Systémová suplementace dusitanů už při nízkých dávkách prokázala, že chrání proti ischemicko-reperfuznímu poškození různých orgánů, včetně srdce, mozku, ledvin atd. Nitráty jsou také aktivní, pokud jsou podávány perorálně. Dusičnany se nejprve redukují již v ústech pomocí symbiotických bakterií nebo enzymech obsažených ve slinách na dusitany, které pak mohou vstoupit do systémové cirkulace (Lundberg, 2009). 12
Nejzajímavější aspekt studií a nedávných zpráv jsou nutriční důsledky. Naprostá většina dusičnanů v naší stravě pochází ze zeleniny a v ní mimořádně bohaté množství právě těchto aniontů. Je zřejmé, že strava bohatá na zeleninu je spojena s ochranou kardiovaskulárního systému, včetně snížení krevního tlaku a snížení rizika vzniku infarktu myokardu a cévní mozkové příhody. Nicméně účinná látka, která odpovídá za tyto projektivní účinky, nebyla objasněna. Bylo prokázáno, že dusičnany přispívají k dobře známým kardioprotektivním účinkům u stravy bohaté na zeleninu jako je například středomořská strava (Lundberg, 2009).
Syntéza NO probíhá v těle dvěma různými způsoby a to:
Z aminokyseliny L-argininu
Redukcí z dusičnanu na dusitany a jejich dalším snížením
Syntéza NO z L-argininu Bylo dokázáno, že substrátem pro biosyntézu NO v endotelových buňkách je aminokyselina L-arginin, kterou jsou schopny syntetizovat i endotelové buňky. Biosyntetická dráha NO je částečně totožná s ornitinovým cyklem, ve kterém NO vzniká v podstatě jako vedlejší produkt konverze L-argininu na L-citrulín za katalytického působení enzymu NO-syntáza (NOS). Tato dráha byla identifikována v celém
kardiovaskulárním
systému,
a
také
v koronárním,
pulmonálním,
mezenterickém a cerebrovaskulárním řečišti. V současnosti jsou známé čtyři izoformy NOS které jsou produkty různých strukturních genů:
neuronální (nNOS)
induktivní (iNOS)
endotelová (eNOS)
mitochondriální (mtNOS). Ty se ve své účinnost liší a pro svoji aktivitu potřebují různé druhy kofaktorů
(Púszerová, 2008).
13
Obrázek 2: Syntéza NO z L-Argininu a jeho působení Převzato z: http://flipper.diff.org/app../items/6891
Syntéza NO redukcí dusičnanů a dusitanů Kromě generace NO prostřednictvím systému NO syntáz, je tělo schopno získat NO z vnějšku pomocí stravy bohaté na dusičnany a dusitany (Jones, 2014). Na rozdíl od poskytování eNOS odvozené od NO na endotelu, kde udržuje vazomotorický tonus, produkce NO z dusitanů se vyskytuje především ve tkáních. K dispozici jsou dva systémy redukce dusičnanů na dusitany (Hord, 2009). Prvním identifikovaným systémem je působením gramnegativních bakterií na jazyku, které svým působením redukují dusičnany. Tyto anaerobní bakterie na povrchu dorzální části jazyka používají dusičnany jako alternativní akceptor elektronů k výrobě energie. Zajímavostí je že použití antibakteriální ústní vody po konzumaci stravy bohaté na dusičnany zeslabuje očekávané množství plazmatických dusitanů (Hord, 2009). Tento proces je usnadněn v podmínkách nízké dostupnosti kyslíku a nízkém pH, což umožňuje NO být produkováno tam, kde je nejvíce potřeba. Tyto 14
podmínky (nízký parciální tlak kyslíku a pH), mohou existovat v kosterním svalstvu během cvičení (Jones, 2014). Druhý systém se nachází v proximální části tenkého střeva, kde jsou dusičnany rychle absorbovány s vysokou biologickou dostupností. Dusitany dodávané do gastrointestinálního traktu slouží ke zvýšení žaludeční sekrece mucinu a mohou sloužit jako substrát pro generování NO k různým účelům (Hord, 2009).
Obrázek 3: Metabolické pochody při redukci dusičnanů a dusitanů Převzato z: http://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/cardiovascres/early/2009/03/19/cvr.cvp079/
Kromě poskytování dusičnanů a dusitanů dietou nebo pomocí oxidace NO na dusitany může vaskulární a gastrointestinální produkce NO být zvýšena pomocí různých prostředků na základě životního stylu a výběru potravin. Fyzická aktivita, komenzální bakterie (pomáhají ve vývoji imunitního systému, chrání střevo před 15
kolonizací patogenními bakteriemi a kvasinkami a pomáhají při zachycování virových nákaz) a dietní faktory mohou ovlivnit produkci NO. Cvičení zvyšuje produkci NO v endotelu cév a plazmatická koncentrace dusitanů po pohybové aktivitě byla navržena jako index zátěžové kapacity. Ve skutečnosti stárnutí je spojeno se sníženou kapacitou plazmatických dusitanů při výkonu. Zajímavostí je, že studie prokazují vliv dietního doplnění dusičnanů při koncentracích dosažitelných pouze spotřebou zeleniny na schopnost výroby energie. Dusičnany mají za následek efektivnější výrobu energie bez zvýšení koncentrace laktátu při submaximálním výkonu (Hord, 2009). Zajímavým faktem je, že redukce dusitanů na NO se výrazně zvyšuje během hypoxie, při níž metabolická cesta z L-argininu na NO pomocí NO syntézy je nefunkční. Za těchto podmínek může být redukce dusitanů považována jako záložní systém pro tvorbu NO v situacích, kdy je omezená dostupnost kyslíku (Lundberg, 2006). 1.2.3 Úloha NO v těle Oxid dusnatý, v minulosti označovaný zkratkou EDRF, se pokládá za jednu z nejdůležitějších vazodilatačních látek produkovanou endotelem, která se podílí na regulaci bazálního tunu cév, na regulaci cévní rezistence a tím i krevního tlaku. Mnohostranné využití NO v různých tkáních a buňkách je výsledkem relativně jednoduché struktury jeho molekuly, která dobřte penetruje skrze bariéry a navíc má velmi krátký biologický poločas kolem 10 sekund (Vobruba, 2006; Hodač, 2005). V lidském organismu je NO produkován buňkami cévního endotelu, epiteliálními
buňkami,
nervovými
buňkami,
buňkami
hladké
svaloviny
a
prozánětlivými buňkami. NO v cévním endotelu dilatuje všechny typy cév tak, že prochází jednoduchou difůzí z endotelových buněk do buněk hladkého svalstva, kde proběhne několik na sobě závislých reakcí, které vedou k jejich relaxaci a vazodilataci (Vobruba, 2006).
1.3
Cévní systém Hlavní účinek působení NO je právě v cévním systému, a tak je nutné
zrekapitulovat alespoň některé základní informace o jeho funkci. 16
1.3.1 Krevní oběh Krevní oběh je systém, který vede krev ze srdce do tkání a zpět. Cévní systém je rozsáhlý soubor trubic různého průměru, které jsou schopné vnímat změny v jejich vnitřním prostředí, jsou schopné integrovat a modulovat signály mezibuněčné komunikace, odpovídat a adaptovat se formou lokální produkce různých mediátorů, které ovlivňují jejich strukturu a funkci. Tím že oběhový systém roznáší hormony a výživové látky k buňkám a tkáním celého těla a odnáší odpadní produkty do exkrečních orgánů, přispívá spolu s nervovým systémem k integrované funkci celého organismu. Cévy mají všeobecně stěnu složenou z vnější vrstvy, ze spirálovitě vinutých koncentrických vrstev hladké svaloviny a extracelulární matrix a z vnitřní vrstvi, kterou tvoří zejména endotel (Púszerová, 2008). 1.3.2 Endotel Endotel tvoří jednovrstevnou vnitřní výstelku cévního lumen. Endoteliální buňky mají nepravidelný podlouhlý tvar s délkou okolo 25-50 µm, šířkou 10-15 µm a výškou do 5 µm. Celkový povrch endotelu přestavuje plochu asi 500-1000 m², jeho hmotnost je odhadována přibližně na 1,5-3 kg, což se liší v závislosti na pohlaví a výšce a váze jedince. Dlouhou dobu se předpokládalo, že endotel tvoří pouze buněčnou bariéru oddělující cévní stěnu od krve a zajišťuje nesmáčivý povrch cévního lumen. Výzkum v posledních letech však prokázal, že endotel je metabolicky velmi aktivní orgán s celou řadou fyziologických funkcí (Karásek, 2004). Jednou ze základních funkcí endotelu je zajištění řízené propustnosti mezi krví a okolními tkáněmi. Endotel kontroluje prostup jak pro buněčné elementy, tak pro nebuněčné krevní komponenty. Nebuněčné komponenty využívají pro svou cestu parcelulární i transceluární transportní mechanismy (Karásek, 2004). Druhou úlohou endotelu je kontrola optimálního průtoku krve cévou. Hraje klíčovou roli v udržování cévní homeostázy pomocí celé řady vazoaktivních faktorů, které mohou zajistit konstrikci nebo dilataci cév v závislosti na typu stimulu. Cévní homeostáze zajišťuje udržení důsledné kontroly rovnováhy mezi vazodilatací, která je často spojena s antioxidačními, protizánětlivými a antitrombotickými účinky na jedné straně a vazokonstrikcí na druhé straně, která je spojena s prooxidativní, prozánětlivé a protrombotické účinky. Mezi nejdůležitější látky s vazoaktivním účinkem, které jsou produkovány endotelem, patří NO (Strijdom, 2012). 17
Endotel je tedy metabolicky aktivní endokrinní orgán, který je zdrojem mnohých faktorů a mediátorů, které zásadním způsobem regulují udržování normální homeostaze. Mimo výše zmíněné k nim patří nejrůznější fibrinolytické aktivátory a inhibitory, účinné metabolity kyseliny arachidonové, leukocytové adhezivní molekuly a množství cytokinů s aktivitami růstových stimulátorů a inhibitorů, transformujících růstový faktor, dále faktorů nekrotizujících nádory a chemotaktických faktorů (Štvrtníková, 1998). Mimo základní aktivity, uplatňující se při regulaci kardiovaskulárního systému, jsou endotelové buňky důležitou součástí imunitního systému. Mají klíčovou úlohu při zahájení a vyvinu obranných i poškozujících zánětlivých odpovědí. Proto je možné endotel pokládat za ústřední přenosové zařízení na oboustrannou výměnu informací mezi kardiovaskulárním a imunitním systémem (Štvrtníková, 1998). 1.3.3 Endotelová dysfunkce Endotelová dysfunkce je definována jako funkční poškození endotelu, charakterizované především zvýšenou propustností cévní stěny a nerovnováhou mezi vazoaktivními, hemokoagulačními a proliferací inhibujícími, resp. stimulujícími látkami (Karásek, 2004). Endotelové buňky mají principiální význam při krátkodobé i dlouhodobé kontrole kardiovaskulárních funkcí, proto endotelová dysfunkce může být základem mnohých kardiovaskulárních poruch. Mimo to tkáně a buňky organismu závisí na dodávkách krve a ta zase závisí na správné funkci endotelových buněk. Proto poruchu funkce endotelu můžeme charakterizovat jako syndrom, který se projevuje systémovými komplikacemi a je spojený s významnou chorobností a úmrtností. V současnosti se předpokládá, že abnormality v aktivitě endotelových buněk jsou součástí patogeneze chorob, jako je ateroskleróza, hypertenze, diabetes mellitus I. a II. typu, metabolický syndrom, septický šok, syndrom dechové tísně dospělých a mnohé další. Endotelová dysfunkce se také uvádí jako jedna z mnohých příčin stárnutí organizmu. Pro rozvoje endotelové dysfunkce je typické snížená sekrece NO, snížená biodostupnost NO působením kyslíkových radikálů, snížená produkce
EDHF
(endotelový
hyperpolarizační
faktor)
a
zvýšená
sekrece
vazokonstrikčních prostaglandinů. Pojem endotelová dysfunkce nevystihuje jen poruchu funkce endotelu ve velkých cévách, ale zahrnuje i poruchy vlásečnic a mikrocirkulace (Púszerová, 2008).
18
1.4
Kondiční faktory
1.4.1 Biologické ukazatele zátěže Reakce organismu na tělesnou zátěž spočívá ve specifických změnách fyziologických funkcí v průběhu sportovního výkonu a bezprostředně po něm. K posouzení odezvy člověka na zátěž slouží údaje o stavu fyziologických funkcí organismu. Tyto údaje vyjadřují různé biologické ukazatele. Mezi nimi pro tuto práci jsou nejdůležitější ukazatele kardiovaskulární, spiroergometrické a biochemické. 1.4.1.1
Srdeční frekvence
Při pohybové činnosti dochází ke značným změnám ukazatelů krevního oběhu. Hlavním a nejčastěji používaným ukazatelem je srdeční frekvence (SF). Je také důležitým diagnostickým činitelem při kontrole měření tréninkového efektu a intenzity zatížení. Při trénincích se nejčastěji pro měření SF využívá sporttesterů. SF je velmi ovlivnitelný ukazatel. Klidové hodnoty se pohybují u dospělých kolem 70 tepů za minutu, u dětí jsou tyto hodnoty vyšší. Vlivem tréninku, zejména vytrvalostního, se klidové hodnoty u dospěch snižují na 35 – 60 tepů za minutu (zvýšená vagotonie). Vyšší hodnota klidové SF než obvyklá hodnota u sportovců může být příznakem přetrénování. Maximální hodnoty srdeční frekvence (SFmax) mohou dosahovat až přes 200 tepů a minutu. Tato hodnota s přibývajícím věkem klesá. Existuje sice jednoduchý vzoreček pro odhad maximální SF: 220 – věk, ale není dostatečně citlivý. SFmax se liší i dle pohlaví, ženy mají obvykle vyšší SFmax než muži. Pro stanovení skutečné maximální srdeční frekvence se doporučuje laboratorní nebo terénní test (Bernaciková, 2007). Zátěžová SF Pro skutečně správné individuální posouzení zatížení srdce (a krevního oběhu) je potřeba zatěžovanou srdeční frekvenci vyjádřit v relativním ukazateli, to znamená ve vztahu k vlastní funkční kapacitě. Ta se přepočítává na procenta maximální srdeční frekvence nebo na procenta maximální tepové rezervy (Novotný, 2013). 1.4.1.2
Maximání tepová rezerva (MTR)
MTR je dána rozdílem SFmax a srdeční frekvence v klidu. Sto procent MTR je vyjádřena právě tímto rozdílem. Používáme ji pro výpočet doporučené tepové frekvence při zátěži (Pastucha, 2011). Protože rozdíl SFmax mezi trénovanými a 19
netrénovanými osobami není významný, stejné zatížení cirkulace (ZC) bude vyjádřeno u trénovaného nižší SF než u netrénovaného. Např. u dvou osob, které budou mít stejnou SFmax = 195 tepů.min-1 a budou se lišit SF v klidu o 15 tepů.min-1 (netrénovaný 70 tepů.min-1, trénovaný 55 tepů.min-1), bude u trénovaného ZC na úrovni 60 % vyjádřeno SF = 139 tepů.min-1, u netrénovaného SF = 145 tepů.min-1. Tento rozdíl bude při nižším relativním zatížení větší a se zvyšující se intenzitou zátěže se bude zmenšovat (Stejskal, 2012). 1.4.1.3
Respirační systém
Respirační systém se funkčním propojení s oběhovým systémem účinně podílí na okysličovacích procesech tkání a odvádí metabolity, např. CO2. Řízení obou systémů je ekonomicky sladěné, spolupodílí se na něm nervový systém. Jako informativní ukazatele se využívají hodnoty dechového objemu, minutové plicní ventilace, vitální kapacity, inspiračního a expiračního dechového objemu a hodnoty spotřeby kyslíku (Bernaciková, 2007). Minutová
ventilace
(VE;
L.min-1)
je
jedním
ze
základních
spiroergometrických ukazatelů. Je to objem vzduchu, který prodýcháme za jednu minutu. Je to součin dechového objemu plic a dechové frekvence. Klidové hodnoty jsou u dospělých osob kolem 5-6 L.min-1. Pro jeho správné měření je potřeba kontrolovat těsnost masky nebo náustku měřícího zařízení a ucpávku nosu. Ventilace může být negativně ovlivněna nepříjemným pocitem, nesnášenlivostí a odporem měřicího zařízení. Maximální hodnoty jsou ovlivněny mírou úsilí sportovce. Mírné zvýšení lze pozorovat již těsně před započetím sportovního výkonu jako projev startovního stavu. V průběhu zátěže je ventilace výrazně zvýšená, koreluje s mírou zátěže (rychlost a intenzita běhu apod.) a je odrazem zvýšené potřeby přísunu kyslíku při aerobním získávání energie pro svalovou práci. Při dalším zvyšování intenzity zatížení se ventilace zvyšuje ještě strměji, aby umožnila větší výdej oxidu uhličitého, jenž je součástí mechanizmu kompenzace zátěžové acidózy. Tím je vlastně ventilace komplexnějším ukazatelem zatížení energetického metabolizmu a vnitřního prostředí než pouhý příjem kyslíku. Místo začátku strmějšího nárůstu ventilace (bod zlomu) v závislosti na příjmu kyslíku (nebo intenzitě zatížení) v průběhu rostoucí zátěže je používán ke stanovení tzv. ventilačního anaerobního prahu. Ventilace může dosahovat při maximální zátěži dospělých mužů hodnot kolem 200 L.min-1. Maximální hodnoty jsou vyšší u sportovce s lepší adaptací na vytrvalostní zatížení 20
(větší respirační objem plic, větší síla a lepší využití dýchacích svalů) než u běžné populace (Novotný, 2013). Cenným ukazatelem je maximální spotřeba kyslíku (VO2max). Ta vyjadřuje maximální aerobní kapacitu jedince a naměřit ji můžeme v laboratoři (na bicyklovém ergometru, běhátku) nebo přímo v terénu pomocí analyzátoru vzduchu. Hodnoty průměrné populace se u žen pohybují kolem 35ml/kg/min a u mužů kolem 45ml/kg/min. U trénovaných osob s převažujícím aerobním zaměřením tréninku mohou hodnoty maximální spotřeby dosahovat 70 – 80 ml/kg/min. (Bernaciková, 2007). 1.4.1.4
Setrvalý stav
Rovnovážný stav, setrvalý stav nebo steadystate nastává, je-li dosaženo takového příjmu kyslíku, který stačí hradit příslušný výkon. Tehdy metabolismus probíhá čistě aerobně a nevzniká laktát. Při rovnovážném stavu se tepová frekvence, minutový srdeční objem, plicní ventilace a příjem kyslíku udržují na přibližně stejné úrovni. Rovnovážného stavu dosahuje jedinec asi po 2 – 3 min. méně intenzivní práce a 5 – 6 min. intenzivnější práce, pokud nepřekračuje daný výkon jeho výkonnost. Teoreticky by mohl jedinec pracovat v rovnovážném stavu do vyčerpání energetických zásob, ve skutečnosti ho limitují další faktory, jako je např. svalová únava (Pastucha, 2011). Hranice výkonu netrénovaného organismu pro práci v setrvalém stavu se pohybuje kolem 100W. Překroční této hranice, individuálně odlišné, znamená již nedostatečnou možnost krytí kyslíkových potřeb pracujícími svaly. Podíl oxidativního metabolismu na výkonu se zmenšuje a začíná převažovat metabolismus neoxidatiní. Setrvalý stav je pojem často používaný pro kratší časová období, jako je ergometrické testování či trénink (Havlíčková, 2003). 1.4.1.5
Poměr respirační výměny
Poměr respirační výměny (RER – respirátory exchange ratio) je podíl VCO2 a VO2. Platí pro výměnu plynů v plicích. Ukazatelem výměny plynů v buňce periferní tkáně (např. svalové) je respirační kvocient (RQ), ten nikdy nepřekročí hodnotu 1,00. Platí, že RER = RQ pouze za podmínek rovnovážného stavu. V klidu před zátěží je RER u odpočatého a nehladovějícího člověka kolem 0,65 – 0,75. Při hladovění nebo při nedostatečné regeneraci se může zvýšit na 0,80 – 0,90. Při zátěži může zpočátku lehce poklesnout. Při střední zátěži však začne mírně narůstat, až dosáhne hodnoty 21
1,00, kdy je VCO2 = VO2. Někdy je tento okamžik a příslušná intenzita zátěže použit pro stanovení „ventilačního anaerobního prahu“. Na konci stupňované zátěže do maxima nabývá RER hodnotu přes 1,00. Ta může být kolem 1,10 – 1,20 a ještě mírně stoupá i po maximální zátěži např. až na hodnoty kolem 1,60. Maximální hodnoty jsou ovlivněny snahou sportovce. Tyto zátěžové hodnoty pomáhají odhadnout podíl tuků a sacharidů jako zdrojů energie (Novotný, 2013). 1.4.1.6
Laktát
Hodnota laktátu označuje koncentraci soli kyseliny mléčné v krvi. Kapka krve pro zjištění koncentrace laktátu se většinou odebírá z ušního lalůčku nebo bříška prstu. V tom případě jde o odebrání vzorku tzv. kapilarizované krve, jejíž složení se blíží krvi arteriální. Ta má o něco nižší koncentrace laktátu než krev z končetinových žil, která sbírá krev ze svalů a ještě nebyla zpracována v játrech a ledvinách. Okamžik odběru krve na stanovení maximální koncentrace laktátu musí respektovat dobu, po kterou se laktát dostává z jeho místa produkce (sval) do místa odběru (ušní lalůček, bříško prstu). Tato doba může být kolem 2-3 minut; kolísá také v závislosti na dosažené intenzitě zátěže, věku atd. Záleží na vůli sportovce, jak se dokáže přinutit k maximálnímu výkonu. Měly by být zachovány vždy stejné podmínky testu a odběru, včetně tělesného klidu po skončení zátěže. Hodnoty koncentrace laktátu jsou značně individuální. Správnější je zjistit rozdíl mezi maximální koncentrací laktátu a její hodnotou v klidu před zátěží. Jeho koncentrace v krvi se s intenzitou zátěže zvyšuje nárůstem objemu anaerobního získávání energie. Maximální koncentrace laktátu při a po zátěži s maximálním úsilím do vyčerpání se pohybuje kolem 18-24 mmol.L.min-1 (Novotný, 2013). Laktátová křivka je grafické vyjádření nárůstu koncentrace laktátu v krvi v závislosti na zvyšující se zátěži (rychlost běhu apod.). Slouží ke stanovení tzv. laktátového prahu a bodu obratu (viz níže). Jejich opakované stanovení má význam pro posouzení míry únavy sportovce. Jejich posun k nižší zátěži (pomalejší běh apod.), proti předchozímu vyšetření, může být známkou narůstající únavy nebo začínajícího onemocnění (Novotný, 2013). 1.4.1.7
Intenzita zátěže
Lactate treshold nebo jindy označován jako laktátový práh (LT): vyznačuje se velmi pohodlným a pozvolným pracovním tempem. Pokud bychom měřili množství 22
laktátu v krvi, nebudou se velmi lišit od hodnot, které bychom naměřili v klidu (přibližně 1 mmol/L). Intenzita zátěže se pohybuje mezi 50% - 80% VO2max a je závislá na úrovni trénovanosti jednotlivce a typu cvičení (Jones, 2005b). Lactate turnpoint neboli bod laktátového obratu (LTP): se zvyšující se intenzitou cvičení se zvyšuje i množství produkovaného laktátu v krvi. Ten se zvyšuje poměrně pozvolna až do dosažení hodnot 3 – 4 mmol/L. Od této doby se hodnoty laktátu zvyšují o poznání dynamičtěji. Tento bod přechodu z pomalu na rychlejší akumulaci krevního laktátu se nazývá LTP. Intenzita zátěže se pohybuje mezi 70% 90% VO2max (Jones, 2005b). Podle množství nahromaděného laktátu rozlišujeme několik intenzit zátěže:
Pod LT
Mezi LT a LTP
Nad LTP
Intenzita cvičení pod LT je charakterizována nízkou hladinou produkovaného laktátu, která se příliš neliší od hodnot klidových. Malému zvýšení laktátu dochází během prvních 2 minut. Spotřeba kyslíku roste o něco rychleji, ale brzy je dosaženo rovnovážného stavu. Taková intenzita cvičení se nazývá mírná (Jones, 2005b). Intenzita cvičení mezi LT a LTP je charakterizována konstantní rychlostí nad LT, ale stále nižší než LTP. V tomto případě hladina krevního laktát stoupá nad klidovou hodnotu, kde se téměř nemění. Po 10 – 20 min. cvičení se může mírně snížit. Spotřeba kyslíku dále roste přibližně stejně jako u mírné intenzity cvičení avšak zastavuje se na vyšších hodnotách než by bylo předpokládáno. Setrvalý stav nastává se zpožděním, což naznačuje, že účinnost cvičení byla narušena. Takto je popsána střední intenzita zátěže (Jones, 2005b). Intenzita cvičení nad LTP, kdy se hodnoty laktátu prudce zvyšují od začátku sportovního výkonu a nadále rostou až vyčerpání zásob a tím do přerušení aktivity, se intenzita označuje jako vysoká. Při takové aktivitě se hladina krevního laktátu nemůže nikdy stabilizovat a platí, že čím je vyšší rychlost cvičení nad LTP tím bude vyšší přírůstek laktátu. Stav spotřeby kyslíku je velmi podobný jako u hodnot laktátu. Spotřeba nejprve stoupá směrem k předpokládanému ustálenému stavu, ale pak stále roste bez známek slábnutí, až dokud cvičení není zastaveno (Jones, 2005b). 23
Pomalá komponenta VO2 nebo známější označení jako kyslíkový dluh je pokračující nárůst spotřeby kyslíku v čase, kterou pozorujeme např. u střední intenzity zátěže, kde se nakonec ustálí na vyšší než očekávané úrovni a u těžké intenzity cvičení, kde se nedokáže stabilizovat vůbec, jak bylo popsáno výše. Pomalá komponenta VO2 vyjadřuje efektivitu, se kterou tělo využívá kyslík pro výrobu energie, která se postupem času snižuje, zatímco pohybová aktivita nadále pokračuje v nezměněném tempu. Ve skutečnosti spotřeba kyslíku (a s ní spojená i tepová frekvence) se bude nadále zvyšovat s časem při zachování stejné intenzity cvičení, dokud nebude dosaženo individuální VO2max a maximální tepové frekvence. Jakmile jsou tyto podmínky splněny, pohybová aktivita může pokračovat pouze za předpokladu dodatečné dodávky energie pomocí anaerobního mechanismu. Tento způsob získávání energie má však omezenou kapacitu a může trvat jen velmi krátkou dobu (Jones, 2005b). Pomalá komponenta VO2 je úzce spjata s procesem únavy z čehož plyne, čím vyšší je rychlost, která může být konstantně udržována, aniž by došlo ke kyslíkovému dluhu, tím lepší jsou vyhlídky pro vykonávání vytrvalostní aktivity. Nejlepší způsob jak oddálit či vyloučit kyslíkový dluh pro danou intenzitu cvičení je: 1. Zkvalitnit vytrvalostní trénink, čímž ovlivníme výší LT a LTP. Tímto způsobem můžeme změnit intenzitu cvičení a posunout ji např. z těžké na střední. Bylo prokázáno, že vytrvalostní trénink může vést ke zvýšení počtu mitochondrií, které využívají kyslík k výrobě energie ve svalových buňkách. Tím se může oddálit aktivace tzv. rychlých svalových vláken při vysoké intenzitě cvičení, což snižuje i nároky na anaerobní způsob získávání energie. 2. Další způsob jak snížit dopad VO2 pomalé složky a tím zvýšit sportovní výkon, je důkladné rozcvičení před sportovní aktivitou. Studie prokazují, že kvalitní rozcvičení, které obsahuje několik minut poměrně vysoké intenzity cvičení, vede ke zvýšení distribuce průtoku krve ve svalech. To aktivuje metabolické dráhy a příznivě ovlivňuje aktivizaci motorických jednotek. V důsledku toho se nástup procesu únavy a s ním spojená aktivizace rychlých svalových vláken zpomalí a pomalá komponenta VO2 může být minimalizována (Jones, 2005b).
24
1.5
Mechanismus účinku NO při svalové práci Existují nejméně dva mechanismy působení NO odvozeného z NO2-, které
mohou mít vliv na využití O2 místním kosterním svalstvem. První způsob způsobuje, že více NO (který je silně vasodilatační), tvořícího se ve svalech, zapříčiňuje větší či menší distribuci O2, a tento mechanismus by mohl napomáhat k většímu lokálnímu zásobení tkání krví, která poskytuje více homogenní distribuce O2 ke kosternímu svalstvu. Tento jev se zdá být prospěšný ve funkci svalů a může se jím vysvětlit pokles VO2 během cvičení (Bailey, 2010b). Druhý možný mechanismus zahrnuje role NO a NO2-
jako regulátor
buněčného využití O2 . Je známo, že NO je důležitým inhibitorem cytochrom coxidázy. V poslední době bylo zjištěno, že NO může zvýšit účinnost oxidační fosforylace omezením tzv. „prokluzováním“ mitochondriální protonové pumpy. NO2může také sloužit jako alternativní akceptor elektronů a to může teoreticky nahrazovat roli O2 při dýchání (Bailey, 2010b). Je dobře známo, že změny v produkci NO mohou ovlivňovat vazodilataci a krevní tlak. Existuje však stále více důkazů, že zásahy, které ovlivňují biologickou dostupnost NO, mohou také změnit VO2 během cvičení u lidí. Například několikadenní farmakologická suplementace dusičnanu sodného nebo příjem potravy, která obsahuje například šťávu z červené řepy, může snížit ustálený stav VO2 při submaximálním cyklu cvičení. Kromě toho se při těžké intenzitě cvičení amplituda pomalé složky VO2 sníží při požití dietního doplňku NO₃ a naopak amplituda pomalé složky VO2 se zvýší po infúzi inhibitoru NOS (Bailey, 2010b).
1.6
Předpoklad výzkumu Nedávné studie poukazují na fakt, že už i jedno cvičení může zvýšit
biologickou dostupnost NO v krevní plazmě, a také se intenzivně zvýší průtok krve do několika orgánů. Dále také sportovní výkon je jedním z účinných nástrojů v prevenci hypertenze, hypercholesterolemie, diabetes mellitus atd. (Asano, 2012). Předpokládalo se, že VO2 v ustáleném stavu pro danou rychlosti a intenzitu práce během bicyklové ergometrie je nemožné ovlivnit cvičením, farmakologickou intervencí a je v podstatě se nemění ani s věkem. Nicméně nedávné výzkumy ukázaly, 25
že 3 – 6 dnů farmakologicky nebo dietně užívané nitráty mohou snížit v ustáleném stavu VO2 během submaximální zátěže cvičení u mladých zdravých jedinců. U vysoké intenzity cvičení dietní suplementace nitrátů snižuje VO2, oddaluje dosažení maximální spotřeby kyslíku (VO2max) a zvyšuje přípustné trvání cvičení (Bailey, 2010a). Na začátku cvičení mírné intenzity (to znamená, že cvičení je prováděno pod hranicí výměny plynů) plicní VO2 stoupá exponenciálně k dosažení ustáleného stavu během cca 2 – 3 minut u normální zdravé populace. V ustáleném stavu je míra katabolismu ATP v rovnováze s rychlostí resyntézi ATP přes oxidativní fosforylaci. Se zvyšující se intenzitou cvičení se stává dynamika VO2 stále složitější (Bailey, 2010a). Mechanismy, kterými podávání nitrátů snižuje VO2 při submaximální zátěži, a tím se zlepšuje tolerance zátěže, jsou v současnosti nejasné. Vzhledem k tomu, že nitráty jsou relativně inertní, je nepravděpodobné, že účinek je zprostředkováván právě jimi, ale spíše jejich přeměnou na jednodušší formy a v konečném důsledku na NO (Bailey, 2010a). Pro redukci nákladů VO2 při mírné intenzitě cvičení může mít NO několik funkcí:
Zlepšuje mitochondriální metabolismus – snížit náklady mitochondriální ATP resyntézi na spotřebu kyslíku.
Zlepšuje spojení mezi hydrolýzou ATP a produkcí svalové síly.
Inhibuje mitochondriální produkci ATP tím, že vyžaduje kompenzační zvýšení zásob energie přes substrát na úrovni fosforylace (Bailey, 2010a).
Kromě přímých účinků NO nebo nitrátů na činnost svalů, je možné, že zvýšená biologická dostupnost NO nebo nitrátů po suplementaci má vliv na svalový průtok krve, zlepšení krevního zásobení svalu kyslíkem a jiné faktory, které by mohly rovněž předurčovat zlepšení tolerance zátěže. Změny v tonu cév po nitrátové suplementace se odráží ve značném snížení klidového krevního tlaku a ve vyšším svalovém okysličení v klidu a při mírné zátěži, jak poukazují změny v celkových koncentracích hemoglobinu, oxyhemoglobinu nebo deoxyhemoglobinu prokázány infračervenou spektroskopií (Thomson, 2013). 26
Ve studii (Bailey, 2010a), kdy doplňkem stravy byla šťáva z červené řepy, se snížil systolický tlak v průměru o 6 mm Hg, avšak aniž by se změnil diastolický tlak. V jiné studii se snížil jak systolický tak i diastolický tlak po 3 denní intervenci NO3suplementace. Nedávné údaje poukazují na to, že se vrchol snížení systolického i diastolického krevního tlaku vyskytuje 2,5 až 3 hodiny po požití šťávy z červené řepy. Snížení systolického tlaku pak bylo zjištěno i dalších 24 hodin, zatímco diastolický tlak se navrátil k původním hodnotám. Tato data naznačují, že systolický tlak lépe odpovídá na změny vyvolány suplementací dusičnanů. Snížení krevního tlaku pozorovány u požití stravy bohaté na dusičnany naznačuje, že tento přístup může zachovat nebo zvýšit aspekty lidského kardiovaskulárního zdraví (Bailey 2010a).
Teoretický základ studie Relativně inertní nitrátové anionty obsažené ve slinách mohou být fakultativními anaerobními bakteriemi na povrchu jazyka redukovány na bioaktivní NO2-, který slouží pravděpodobně jako zásobní pool NO a účinkuje jako hypoxická, redoxová a apoptotická signalizační molekula; zvyšuje krevní průtok svaly, brání poškození ischemií/reperfuzí a reguluje genovou a proteinovou expresi. Podle posledních výzkumů nelze vyloučit, že NO2- může sloužit jako alternativní akceptor elektronu a teoreticky nahradit roli kyslíku v respiraci. Redukce NO2- na NO je facilitována relativním nedostatkem kyslíku v pracujících svalech a vede ke zvýšení lokálního průtoku krve, homogenizuje kyslíkovou distribuci a tím redukuje VO2 během zátěže. Navíc NO ovlivňuje buněčnou utilizaci kyslíku, neboť působí jako důležitý inhibitor aktivity cytochrom coxidázy
a
zvyšuje
účinnost
oxidativní
mitochondriální protonové pumpy.
27
fosforylace
redukcí
prokluzování
Obrázek 4: Schéma působení nitrátové suplementace Převzato z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0891584912010878
Bylo prokázáno, že na základě několikadenní dietní suplementace nitrátem sodným se zvýšila účinnost svalového oxidativního metabolismu (pokles VO2 při submaximálním zatížení a prodloužení času do vyčerpání během práce vysoké intenzity), aniž by došlo ke zvýšení neoxidativní produkce energie.
28
2
Metodika práce
2.1
Design výzkumu Cílem výzkumu, bylo zjistit, jaký vliv bude mít dietní suplementace nitrátů ve
formě šťávy z červené řepy na spotřebu kyslíku při svalové práci u zdravého jedince. Výzkum vlivu suplementace byl orientován na zdravé jedince. Výzkum se odehrával na Fakultě sportovních studií MU v Brně ve spolupráci s laboratořemi Biovendor – Laboratorní medicína Brno. Tento druh výzkumu v Česku dosud nebyl proveden. V průběhu 4 – 5 týdnů se probandi zúčastnili 8 laboratorních vyšetření. Základní metodou měření byla funkční zátěžová diagnostika, prováděna formou zátěžové spiroergometrie do vita maxima. Během první návštěvy probandi absolvovali rampový zátěžový test pro určení respiračního prahu a maximální aerobní kapacity. Zvolená metoda funkční zátěžové diagnostiky je nutným předpokladem pro nastavení individuálních parametrů při výzkumném zátěžovém testu. Rampový test probíhal následovně: 3 min. jízdy na ergometru bez zátěže při frekvenci 70 – 90 otáček/min. Dále následovalo individuální zvýšení zátěže (1W/kg) po dobu 1 min. a následně další zvyšování zátěže o 0,33W/kg až do vyčerpání. Respirační práh (RP) byl určen pomocí metody V-slope (první porušení lineárního zvyšování VCO2 vzhledem k VO2). Ze získané hodnoty VO₂max byla individuálně stanovena úroveň standardizované střední (odpovídající zátěži při 80% RP) a vysoce intenzivní (odpovídající 70 % rozdílu mezi zátěží na úrovni RP a maximální zátěží) zátěže. Dalším krokem bylo náhodné rozdělení probandů do dvou skupin, kde každý obdržel požadovanou suplementaci na 6 dní a to buď šťávu z červené řepy, nebo placebo. Ve 4., 5. a 6. den suplementačního období absolvovali zátěžový test pro určení dynamiky VO2. Testování bylo prováděno na shodném přístroji, jako předešlý vstupní test. Tento test spočíval ve dvou 6 minutových testech prováděných na úrovni střední nebo vysoce intenzivní zátěže.
4. den probandi absolvovali dva stupně zátěže střední
intenzity, 5. a 6. den jeden stupeň střední a jeden vysoké intenzity. Tyto dva stupně byly každý den odděleny 25 minutami pasivního zotavení. Všechny stupně trvali 6 minut s výjimkou intenzivní zátěže v posledním dni suplementace, kdy vyšetřovaná osoba pokračovala až do vyčerpání (měření zátěžové tolerance). Test byl absolvován dohromady třikrát ve třech po sobě navazujících dnech v jednom bloku suplementace. Odstup mezi účinnou suplementací a placebem byl 12 dní. Sběr dat probíhal každých 29
30 sekund v posledních 2 minutách každé zátěže. To znamená, že u každého probanda byly zaznamenány vždy 4 údaje z každého sledovaného parametru. Sledované parametry:
Spotřeba kyslíku (VO2)
Spotřeba kyslíku na kilogram tělesné váhy (VO2/kg)
% z maximální spotřeby kyslíku (%VO2max /kg)
Poměr respirační výměny (RER)
Srdeční frekvence (SF)
Topový kyslíku (VO2/SF)
Zatížení cirkulace (ZC)
Testovací preparát (šťáva z červené řepy nebo placebo) byl podáván 2 hodiny před zahájením každého testu.
Výběr dodavatele suplementů
2.2
James White Drinks je firma původem z Velké Británie, která se více než 20 let zabývá produkcí ovocných a zeleninových šťáv a koncentrátů. Jedním z mnoha odvětví je i výroba Bio šťávy z červené řepy označovaná jako Beet It. Tato firma byla vybrána jako dodavatel suplementů z několika důvodů:
Udává přesné množství obsahu dietních dusičnanů a ostatních nutrietů na obalu výrobku a zaručuje stejné množství jejich koncentrace ve všech přípravcích.
Jejich výrobky se opírají o dlouholetý výzkum v problematice suplementace nitrátů jak u sportovců, tak i u běžné populace, což dokazují odkazy na vědecké články na stránkách Beet It.
Firma přímo vyrábí i „placebo verzi“ přípravku, která má podobné senzorické vlastnosti jako účinná látka avšak obsah dusičnanů je odstraněn a tak je vhodné ji využít pro vědecké účely (James White Drinks, 2014).
30
Konkrétní výrobky Beet It SPORT shot je také 70 ml koncentrované šťávy z červené řepy (98%) a s obsahem (2%) citronové šťávy z koncentrátu. SPORT byl vyvinut speciálně pro elitní a výkonnostní sportovní svět, a je v současné době používán mnohými sportovci. SPORT shot obsahuje 0,4 g přírodních dusičnanů v jednom přípravku, což činí nárůst o 33% oproti Organic verzi. To činí ekvivalent k asi 400 ml džusu z červené řepy a tím poskytuje maximální možný příjem dusičnanů v koncentrované formě o nízkém objemu (James White Drinks, 2014). Placebo verze Beet It – firma James White Drinks vyvinula a přímo i vyrábí placebo verzi obou přípravků Beet It shot která je prostá na obsah dusičnanů v přípravku (James White Drinks, 2014). Šťávy z červené řepy této společnosti jsou nyní používány ve výzkumech, které se snaží zvýšit hladinu NO v krvi ve více než 90 výzkumných projektech po celém světě. Výrobky SPORT shot nesou logo Informed Sport, což je organizace, která testuje výrobky a poskytuje záruku, že sportovci nebudou pozitivně testováni při dopingových zkouškách v důsledku jejich použití (James White Drinks, 2014).
Výběr a selekce probandů
2.3
K testování bylo vybráno 10 zdravých mužů. Jedinci bez jakékoliv chronické choroby, nekuřáci a nevyužívajíc žádných sportovních doplňků stravy. Probandům byl zhotoven orientační jídelníček, ve kterém byl maximálně zredukován příjem dusičnanů ve stravě. Jídelníček nebyl závazný, ale sloužil především jako inspirace pro stravování v suplementačním období a jako zdroj informací o potravinách, kterých by se měli vyvarovat během suplementace. Všichni byli plně obeznámeni s postupy laboratorního testování. Tyto postupy byly schváleny etickou komisí.
Omezení spojená s testováním:
Probandi museli užívat suplementaci přibližně vždy ve stejnou denní dobu a to ráno.
Suplementace musela být použita 2 hodiny před odběrem krve a začátkem testováni. 31
Těsně před a po použití suplementace nesměli používat zubní pastu, zubní niť ani ústní vodu či sprej.
Probandi byli povinni přijít na zátěžový test v plné hydrataci.
Probandi při příchodu na testování museli být odpočatí a to tak, že se nesměli účastnit žádné vyčerpávající fyzické aktivity v předchozích 24 hodinách.
Probandi nesměli požívat alkoholické nápoje v předchozích 24 hodinách a ani pít kávu v předchozích 6 hodinách. Veškeré testování probíhalo přibližně ve stejnou denní dobu tak, aby se
minimalizovali účinky biologické variace na fyziologické reakce a sportovní výkon. Poslední den testování jeden z probandů onemocněl a nemohl se tak zúčastnit posledních dvou měření. Kompletní záznamy měření jsou tudíž jen od 9 probandů.
2.4
Použité přístoje InBody 230 Vyšetření složení těla a dalších somatických údajů bylo získáno pomocí
přístroje InBody 230. Přístroj využívá metody přímé analýzy segmentové multifrekvenční bioelektrické impedance (DSM-BIA). Přístroj sbírá data pomocí 4 polárního, 8 bodového dotykového systém elektrod (Biospace, 2009). Excalibur Sport Veškeré zátěžové testování probíhalo na bicyklovém ergometru Excalibur Sport. Tento ergometr je vhodný pro účely sportovní medicíny a nejrůznějšího testování s maximálním pracovním zatížením 2500 W. Pro správu přístroje byl využit systém Lode Erometry Manager, který umožňuje vytvářet a upravovat protokoly v reálném čase (Lode, 2014). Cortex Metalyzer Pro diagnostiku kardio-pulmonálního systému probandů byl zvolen přístroj Cortex metalyzer, který se využívá v oblasti sportovní medicíny, kardiologii, rehabilitaci atd. Analyzátor v kombinaci s bicyklovým ergometrem slouží jako testovací systém pro kompletní funkční analýzu respiračního a oběhového systému jedince při zátěži (MDS Cardio, 2014).
32
Omron M6 Comfort Krevní tlak byl měřen přístrojem Omron M6 Comfort. Tento digitální přístroj obsahuje moderní senzory a speciální Intelli manžetu, které spolu zabezpečující přesné a spolehlivé výsledky měření krevního tlaku (TlakomeryOMRON, 2014).
2.5
Metody zpracování výsledků Výsledky byly zpracovány počítačovým programem Statistica 12 a
programem Microsoft Excel 2007. Výsledky jsou vyjádřeny jako průměrné hodnoty, ± standardní deviace (směrodatná odchylka). Pro vyhodnocení rovnosti souborů měření mezi placebem a účinnou látkou byl použit neparametrický Wilcoxonův párový test (p). Hladina významnosti testů byla nastavena na p< 0,05.
2.6
Cíle Hlavním cílem této práce je zhodnotit biologické ukazatele zátěže, během
šestidenní suplementace dusičnany ve formě koncentrované šťávy z červené řepy nebo placeba. Sběr dat byl uskutečněn v průběhu testu na bicyklovém ergometru při střední i vysoké intenzitě zátěže.
2.7
Vědecká otázka Jaký vliv má suplementace nitrátů na spotřebu kyslíku při střední zátěži?
33
3
Výsledky
V následujících podkapitolách jsou znázorněny a zpracovány výsledky měření. Tyto záznamy jsou zpracovány slovně a v tabulce.
3.1
Antropologické údaje V níže uvedené tabulce jsou popsány somatické charakteristiky jednotlivých
probandů. Tabulka 3: Somatická charakteristika probandů
31 28 21 26 23 41 23 27 24 25
Výška (cm) 182 181 186 183 188 190 186 194 175 185
Hmotnost (kg) 77,2 78,3 84,7 79,7 92,6 88,9 76,2 81,8 75,3 82,8
Svalová tkáň (kg) 36 39,3 43,3 39,8 45,1 40,7 38,9 39,3 40,8 40,6
Tuková tkáň (kg) 13,4 10,2 9,3 9,2 15,2 17,6 8,2 13 5,2 11,7
BMI (kg.m-2 ) 23,3 23,9 24,5 23,8 26,2 24,6 22 21,7 24,6 24
26,9
185
81,75
40,38
11,3
23,86
5,72
5,23
5,66
2,48
3,63
1,31
Probandi
Věk
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 Průměrná hodnota Směrodatná odchylka
Testovaný soubor byl složen z poměrně mladých jedinců, průměrný věk činil 26,9 ± 5,72 let. Jediný P6 vybočoval svým věkem 41 let z rozmezí. Průměrná výška činila 185 ± 5,23 cm a tělesná váha 81,75 ± 5,66 kg. Další měřený údaj byl množství svalové tkáně s průměrnou hodnotou 40,38 ± 2,48 kg a množství podkožního tuku s průměrnou hodnotou 11,3 ± 3,63 kg. Obě tyto hodnoty nevybočují z průměrných hodnot populace. Poslední naměřenou hodnotou byl BMI (Body Mass Index), který určuje vztah mezi váhou a výškou jedince. Průměrná hodnota byla 23,86 ± 1,31 kg.m2
. Jediný P5 přesahuje hodnotu 25 kg.m-2 a měl by podle tabulek průměrné populace
nadváhu, avšak tyto tabulky neodpovídají somatotypu sportující populace, která má většinou vyšší hodnoty množství svalové tkáně. Všechny naměřené hodnoty byly 34
zaokrouhleny na setiny. Naměřené hodnoty všech probandů poukazují na to, že skupina nebyla homogenní, avšak pro potřeby výzkumu plně dostačující.
3.2
Kinetika dusičnanů a dusitanů V první tabulce jsou zpracovány výsledky naměřených koncentrací dusičnanů
a dusitanů, a jejich vzájemné poměry. Tabulka 4: Kinetika nitrátů a nitritů při suplementaci UL a placeba
Parametry Dusičnany + dusitany (µM) Dusitany (µM) Dusičnany (µM) Dusičnany / dusitany (µM)
placebo x
UL SD
x
SD
p1
7,58190
5,71070
42,33580
8,80739
0,000002
3,32830
3,58873
4,01120
4,66089
0,673280
4,51960
5,93379
38,32460
9,79731
0,000002
2,81772
4,81232
18,87234
13,42483
0,000004
Po podání účinné látky (UL) hodnota plazmatické koncentrace v součtu dusičnanů a dusitanů byla významně vyšší 42,34 ± 8,81 µM než ve srovnání s placebem 7,58 ± 5,71 µM. Zajímavostí je, že hladina samotných dusičnanů je podle očekávání při podání UL významně vyšší 38,32 ± 9,80 µM oproti podávanému placebu 4,52 ± 5,93 µM, avšak naměřená hodnota dusitanů při suplementaci UL 4,01 ± 4,66 µM byla zvýšená, ale toto zvýšení bylo statisticky nevýznamné ve srovnání s placebem 3,33 ± 3,59 µM. Hodnota podílu mezi dusičnany a dusitany je po podání UL významně vyšší 18,87 ± 13,42 µM, než u placeba 2,81 ± 4,81 µM. Všechny naměřené hodnoty byly v textu zaokrouhleny na setiny.
3.3
Metabolické a oběhové reakce při střední intenzitě zátěže Pro porovnání jednotlivých kondičních parametrů slouží následující tabulka 5,
ve které jsou znázorněny výsledky, které byly měřeny při střední intenzitě zátěže. Průměry hodnot jsou vypočítány ze čtyř měření, a to ze čtvrtého dne suplementace, kde proběhly dva zátěžové testy a z pátého a šestého dne, kde proběhl vždy po jednom testu o nízké intenzitě. 35
Tabulka 5: Metabolické a oběhové reakce na suplementaci UL a placeba při střední intenzitě cvičení placebo
UL
Parametry
p1 x
VO2/kg (ml/min) VO2/kg (% max)
SD
x
SD
40,30998
5,609381
41,20843
5,469669
0,000285
79,34707
6,528997
80,68689
4,646674
0,002509
0,94763
0,041673
0,96247
0,108652
0,000000
HR (/min)
147,8718
11,05746
152,3269
8,67489
0,000000
ZC (%)
75,58726
5,461648
78,02371
4,759720
0,000000
2,92136
0,406686
2,92136
0,406686
RER
W/kg (W)
V průběhu rampového zátěžového testu byla probandům nastavena intenzita zatížení na 2,92 ± 0,41 W/kg. Při podání účinné látky (UL) je hodnota srdeční frekvence (SF) významně vyšší 152,33 ± 8,67 tepů/min., než při podání placeba, kde hodnota činila 147,87 ± 11,6 tepů/min. Spotřeba kyslíku přepočtena na kilogram váhy jednotlivce (VO2/kg) byla v případě UL 41,21 ± 5,47 ml/min statisticky významně vyšší ve srovnání s placebem 40,31 ± 5,61 ml/min. Pro lepší posouzení rozdílu slouží procentuální vyjádření spotřeby kyslíku na kilogram (%VO2/kg). Rozdíl mezi podáním UL 80,69 ± 4,65 % a placebem 79,35 ± 6,53 % činil 1,34 %. Vyšší hodnota u UL oproti placebu je statisticky významná. Hodnota poměru respirační výměny (RER) při podání UL 0,96 ± 0,11 byla statisticky významně vyšší než v případě podání placeba 0,95 ± 0,04. Zatížení cirkulace (ZC) v případě UL bylo významně vyšší 78,02 ± 4,76 % než při podání placeba 75,59 ± 5,46 %. Hodnoty v textu jsou zaokrouhleny na setiny.
3.4
Metabolické a oběhové reakce při vysoké intenzitě zátěže Hodnoty při vysoké intenzitě zátěže jsou uvedeny v tabulce 6. V této tabulce
jsou spojeny hodnoty měření o vysoké intenzitě zátěže z 5. dne suplementace a z 6. dne kdy intenzita zátěže pokračovala do maxima.
36
Tabulka 6: Metabolické a oběhové reakce při suplementaci UL a placeba při vysoké intenzitě cvičení. placebo
UL
Parametry
p1 x
HR (/min)
SD
x
SD
173,5263
9,02068
174,1579
9,81842
0,310220
VO2/kg (ml/min)
50,5814
6,53148
51,6950
6,61882
0,014538
VO2/kg (% max)
98,3648
7,48163
98,1399
7,29029
0,950779
W (W)
4,2573
0,56222
4,2554
0,56395
0,067890
RER
1,0748
0,13432
1,1048
0,07260
0,032897
HR klid (/min)
53,2105
6,81629
56,6842
6,57310
0,000000
ZC (%)
95,3933
5,72602
96,3084
9,58518
0,250403
čas (s)
238,1579
74,03982
235,5263
73,92599
0,228691
23,920
1,8748
24,312
2,1687
0,170065
tepový kyslík
Během suplementace účinné látky (UL) byla hodnota SF 174,56 ± 9,82 tepů/min vyšší než u podaného placeba 173,53 ± 9,02 tepů/min. Tento rozdíl hodnot však není statisticky významný. Hodnota klidové srdeční frekvence (SF klid) byla významně vyšší u UL 56,68 ± 6,57 tepů/min., než v případě placeba 53,21 ± 6,82 tepů/min. Spotřeba kyslíku (VO2/kg) při podání placeba byla 50,58 ± 6,53 ml/min., při podání UL byla statisticky významně vyšší 51,70 ± 6,62 ml/min. Hodnota vyjadřující procentuálně maximální spotřebu kyslíku (%VO2/kg) byla při podání UL nižší 98, 14 ± 7,29 % než v případě placeba 98, 36 ± 7,48 %. Tento rozdíl není statisticky významný. Probandi dosáhli pracovní zátěže (W) v případě UL 4,26 ± 0,56 W/kg, po suplementaci placeba 4,26 ± 0,56 W/kg. Hodnota W se lišila až v tisícině čísla, kdy tato hodnota byla v případě UL nižší, avšak statisticky nevýznamná. Celkový čas zátěže, po kterou probandi dokázali odolávat námaze při zátěžovém testu do maxima, byl u podávané UL nižší 235,53 ± 73,93 s, než u podávaného placeba 238,16 ± 74,04 s. Rozdíl těchto hodnot však nebyly statisticky významný. Předpokládané prodloužení schopnosti odolávat zátěži při suplementaci UL se nepotvrdilo. Poměr respirační výměny (RER) svědčí pro vyšší využívání anaerobního metabolismu získávání energie. Po podání UL 1,10 ± 0,07 je hodnota statistický významně vyšší než v případě placeba 1,07 ± 0,13. Hodnota zatížení cirkulace (ZC) u 37
placeba byla nižší (95,39 ± 5,73 %) než když byla podána UL 96,31 ± 9,59 %. Tento rozdíl však není statisticky významný. Hodnoty v textu jsou zaokrouhleny na setiny.
3.5
Reakce krevního tlaku V tabulce 7 jsou uvedeny naměřené hodnoty odezvy systolického krevního
tlaku (TKs) a diastolického krevního tlaku (TKd) na suplementaci UL nebo placeba. Tabulka 7: Změna krevního tlaku při suplementaci UL a placeba placebo
UL
Parametry
p1 x
SD
x
SD
TKs
118,0667
10,94479
121,7000
8,21332
0,127996
TKd
72,7667
9,23144
75,7333
8,68980
0,073848
TKs byl v případě podání UL vyšší 121,70 ± 8,21 mm Hg oproti placebu, kde průměrná hodnota činila 118,07 ± 10,94 mm Hg. Rozdíly mezi placebem a UL však nebyly statisticky významné. Výsledky měření poukazují na mírné zvýšení TKd v případě UL 75,73 ± 8,69 mm Hg oproti placebu 72,77 ± 9,23 mm Hg. Tento rozdíl hodnot však není statisticky významný. Hodnoty v textu jsou zaokrouhleny na setiny.
38
4
Diskuze
Cílem mé diplomové práci bylo zjistit, jaký vliv bude mít dietní suplementace nitrátů na spotřebu kyslíku při svalové práci. Podle zahraniční literatury a v ní prezentovaných výsledků studií byl předpoklad, že po dietní suplementaci nitrátů, konkrétně v tomto případě šťávy z červené řepy, se významně zvýší hladina plazmatických NO3- , které se následně metabolizuje na NO2- a dále na NO. Přítomný NO bude mít za následek snížení systolického krevního tlaku, snížení nákladů VO2 během cvičení při střední intenzitě zátěže a dále menší snížení pomalé komponenty VO2. Dále se předpokládalo, že se prodlouží čas trvání zátěže při vysoké intenzitě cvičení (Clements, 2014). Po podání účinné látky však nedošlo ke zvýšení produkce NO a s ním spojenou vazodilataci cév, snížení nákladu VO2 ani ke snížení krevního tlaku. Nyní vyvstává otázka, proč ke zmíněným metabolickým změnám nedošlo. Je možné, že rozdíly mezi účinky spojené se suplementací nitráty v této studii v porovnání se zahraničními jsou zapříčiněny rozdílným přístupy k suplementačnímu režimu. Velikost a množství dávek spolu se správným načasováním podání suplementace může mít klíčovou roli ve výsledné biologické dostupnosti NO a jeho následných fyziologických účincích. Je zřejmé, že po suplementaci účinné látky došlo k navýšení hladiny plazmatických NO3- , ale již dále nedošlo k jejich přeměně na NO2a na NO v době fyzického testování. Otázka zní proč tomu tak nebylo. V posledních letech se na toto téma uskutečnilo poměrně velké množství zahraničních studií s různými přístupy k množství látky, času užívání i formě podání účinné látky, avšak všechny společně měly prokazatelný pozitivní výsledek působení nitrátů i přes rozdíly v naměřených hodnoty. Pro představu uvádím čtyři různé studie, kdy testované skupiny měli vypít během celého dne 0,5 L šťávy z červené řepy v neurčeném časové horizontu (Lansley, 2011), 70ml koncentrátu z červené řepy dvakrát denně (Breese, 2013), 6g L-argininu rozpuštěných v 0,5 L vody 1 hodinu před fyzickou aktivitou (Bailey, 2010) nebo dokonce sníst 200g pečené červené řepy 75 min. před fyzickou aktivitou (Murphy, 2011). Z těchto poznatků je zřejmě, že není až tak důležité jakou formou nebo kdy se dusičnany do těla dostanou, ale spíše vystihnout správné
39
načasování
suplementace,
aby
došlo
ke
včasné
přeměně
substrátu
a
následnému využití potenciálu molekuly NO. Během testování byly sledovány tyto parametry: spotřeba kyslíku a jeho další přepočet na tělesnou váhu, tepový kyslík, procenta z maximální spotřeby kyslíku, poměr respirační výměny, srdeční frekvence a zatížení cirkulace. Tyto ukazatele biologické zátěže měly určitou konkrétní hodnotu při podání účinné látky, která byla vždy vyšší než v případě podání placeba u odpovídajícího parametru. Další příčiny (vedle výše uvedené kinetiky účinné látky) by mohly spočívat v působení dalších faktorů, které v experimentu nebyly sledovány. I když se studenti – probandi snažili zachovat stejný životní rytmus, nelze vyloučit např. vliv praktické výuky, přípravy ke zkouškám, vlastního zkoušení a dalších faktorů souvisejících s životem studentů. Rozdíl mezi podáním placeba a účinné látky byl víc než měsíc a uvedená psychická a fyzická zátěž se v průběhu semestru liší. V tomto smyslu je významná skutečnost, že po podání účinné látky došlo k významnému poklesu aktivity autonomního nervového systému sledované pomocí spektrální analýzy variability srdeční frekvence (není předmětem diplomové práce). Toto "zhoršené" ladění organismu mohlo být hlavní příčinou redukované efektivity svalové práce. Je však otázkou, do jaké míry tato autonomní dysfunkce souvisí s podáváním potravinových nitrátů. Po suplementaci účinné látky mělo dojít ke snížení systolického krevního tlaku, jak bylo prokázáno v jiných studiích (Ignaroro, 2014; Bailey, 2010b). Naše měření však odhalila, že ke snížení krevního tlaku nedošlo. U diastolického krevního tlaku se názory na jeho úpravu po suplementaci účinné látky liší. Ve studii (Petterson, 2009) je prokázáno, že po suplementaci nitráty dochází k významnému snížení diastolického krevního tlaku, avšak podobná studie (Larsen, 2009) toto tvrzení nepotvrzuje a uvádí nezměněné hodnoty. V případě našeho experimentu byla hodnota diastolického krevního tlaku po podání dusičnanů zvýšená oproti placebu. Tento rozdíl však nebyl statisticky významný. Zdůvodnění, proč k tomu došlo, je popsáno výše. Je zřejmé, že po analýze kinetiky nitrátů a nitritů v plazmě by měl být experiment zopakován v podmínkách, které tuto analýzu zohlední. Nelze vyloučit, že interval mezi podáním účinné látky a začátkem tělesné práce se ukáže být hlavním limitujícím faktorem. 40
Vyhodnocení výzkumné otázky Výzkumná otázka se ptala na to, jaký vliv bude mít suplementace nitrátů na spotřebu kyslíku při střední intenzitě zátěže. Pro odpověď na tuto otázku byla využita nulová hypotéza o rovnosti souboru, která porovnávala výsledky při podání účinné látky a placeba. V případě tohoto výzkumu po suplementaci nitrátu byla hodnota naměřené spotřeby kyslíku statisticky významně vyšší než v případě placeba. Z toho plyne, že pozitivní vliv suplementace nitráty na ekonomiku spotřeby kyslíku při práci střední intenzity nebyl prokázán.
41
5
Závěr
Tato diplomová práce se zabývá problematikou suplementace nitrátů, které jsou hojně zastoupeny ve šťávě z červené řepy, a jejich vlivem na spotřebu kyslíku při pohybové aktivitě. V první kapitole je shrnuta zkoumaná problematika z dostupných zdrojů, především pak ze zahraniční literatury a odborných článků. Je zde vysvětleno, co jsou to nitráty, jejich vlastnosti i zdravotní rizika plynoucí z jejich užívání. Dále je popsán oxid dusnatý jako účinná molekula, jeho historie, úloha a místo produkce i působení čímž je cévní endotel. Podstatnou částí první kapitoly je přehled biologických ukazatelů zátěže, které slouží k posouzení specifických zněn fyziologických funkcí během a po sportovním výkonu. Nejdůležitějším parametrem byla v tomto případě spotřeba kyslíku, jak je patrné už z pojmenování práce. Druhá kapitola popisuje metodiku práce, charakteristiku testu a výběr probandů. Testováno bylo 10 zdravých mužů, kteří podstoupili během 4 – 5 týdnů 8 laboratorních vyšetření ve dvojitě zaslepené studii. Během toho byli náhodně rozděleni na dvě skupiny a byla jim podávána účinná látka (šťáva z červené řepy) nebo placebo. Testování probíhalo na bicyklovém ergometru, kde podstupovali zátěžové testy pro určení dynamiky spotřeby kyslíku o střední nebo vysoké intenzitě zátěže. V kapitole jsou popsány použité přístroje, způsob zpracování dat, cíle práce a vědecká otázka. Vyhodnocení výsledků je rozebráno v následující třetí kapitole. Podle předpokladu mělo dojít po suplementaci účinné látky k nárůstu hladiny plazmatických dusičnanů, ty se měli změnit na dusitany a dále na oxid dusný. Vyšší dostupnost oxidu dusnatého má za následek zlepšení distribuce kyslíku ke kosternímu svalstvu a také zlepšení metabolických procesů získávání energie, což vede ke snižování nákladů spotřeby kyslíku při svalové práci. Ve výsledcích však bylo zjištěno, že kromě zvýšení hladiny plazmatických dusičnanů po podání účinné látky, se žádný z těchto předpokládaných metabolických pochodů neuskutečnil. Navíc hodnoty měřených zátěžových ukazatelů při suplementaci účinné látky byli dokonce vyšší než v případě placeba. 42
Diskuze se zaobírá především zdůvodněním, proč nedošlo k přeměně podávaného substrátu a k naplnění účinků suplementace. Dále zvažuje možné kroky do budoucna v případě změny metodiky postupu či zařazení analýzy časového působení účinné látky. Jako poslední je vyhodnocení vědecké otázky.
43
Literatura
1. Asano, R.Y., Sales, M.M., Coelho, J.M.O., Moraes, J.F.V.N., Pereira, L.A. & Simões, H.G.(2012). Exercise, Nitric Oxide, and Endothelial Dysfunction: A Brief Review. Journal of Exercise Physiology online, 15(1),76-86. Retrieved from http://faculty.css.edu/tboone2/asep/JEPonlineFebruary2012.html
2. Bailey, S.J., Fulford, J., Vanhatalo, A., Winyard, P.G., Blackwell, J.R., DiMenna, F.J., Wilkerson, D.P., Benjamin, N., Jones, A.M. (2010a) Dietary nitrate supplementation enhances muscle contractile efficiency during knee-extensor exercise
in
humus:
Journal
of
Applied
Physiology,
109,
135–148.
doi:10.1152/japplphysiol.00046.2010.
3. Bailey, S.J., Winyard, P.G., Vanhatalo, A., Blackwell, J.R., DiMenna, F.J., Wilkerson, D.P. & Jones, A.M. (2010b). Acute l-arginine supplementation reduces the O2 cost of moderate-intensity exercise and enhances high-intensity exercise
tolerance.
Journal
of
Applied
Physiology
109,
1394-1403.
doi:10.1152/japplphysiol.00503.2010
4. Bailey, S.J., Winyard, P., Vanhatalo, A., Blackwell, J.R., DiMenna, F.J., Wilkerson, D.P., Tarr, J., Benjamin, N. & Jones, A.M. (2009). Dietary nitrate supplementation reduces the O2 cost of low-intensity exercise and enhances tolerance to high-intensity exercise in humans. Journal of Applied Physiology 107, 1144 –1155. doi:10.1152/japplphysiol.00722.2009. 5. Bernacikova, M., & Novotný, J. (2007). Fyziologická podstata rychlostního a vytrvalostního běžeckého výkonu. (1. vyd., 57 s.) Brno: Masarykova univerzita.
6. Biospace.
(2009).
InBody
[online].
3.9.2014.
Retrieved
from:
http://www.biospace.cz/inbody-230-pb2.php
7. Breese B.C., McNarry M.A., Marwood S., Blackwell J.R., Bailey S.J., Jones
A.M. (2013). Beetroot juice supplementation speeds O2 uptake kinetics and 44
improves exercise tolerance during severe-intensity exercise initiated from an elevated metabolic rate. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 305, R1441–R1450. doi: 10.1152/ajpregu.00295.2013. 8. Clements, W. T., Lee, S.-R., & Bloomer, R. J. (2014). Nitrate Ingestion: A Review of the Health and Physical Performance Effects. Nutrients, 6(11), 5224– 5264. doi:10.3390/nu6115224
9. Derave, W., & Taes, Y. (2009). Beware of the pickle: health effects of nitrate intake:
Journal
of
Applied
Physiology.
http://jap.physiology.org/content/107/5/1677 10. Forejt, M. M. (2008). Dusičnany v potravinách: Medicína pro praxi. Olomouc: Solen, sro, 333-334. http://www.solen.cz/pdfs/med/2008/09/13.pdf 11. Havlíčková, L. (2003). Fyziologie tělesné zátěže. (2. vyd., 203 s.) Praha: Karolinum. 12. Hodač,
T.
(2005).
Nitráty
na
počátku
3.
tisíciletí:
Iakardiologie.
http://www.iakardiologie.cz/pdfs/kar/2005/03/08.pdf
13. Hord, N. G., Tang, Y., & Bryan, N. S. (2009). Food sources of nitrates and nitrites: the physiologic context for potential health benefits: The American Journal of Clinical Nutrition, 90(1), 1-10. doi: 10.3945/ajcn.2008.27131 14. Karásek, D., Vaverková, H., Milan, H., & Hutyra, M.
(2004). Endoteliální
dysfunkce, možnosti její detekce a využití v klinické praxi. Načteno z Interní medicína pro praxi: http://www.internimedicina.cz/artkey/int-200409-0006.php
15. Ignarro, L,J. (2014). Nitric oxide. Los Angeles. University of California. doi:10.1016/B978-0-12-801238-3.00245-2
16. James White Drinks. (2014) Beet it [online]. 20.6.2014. Retrieved from: http://www.beet-it.com/ 45
17. Jones, A.M. (2005b). The ‘slow component’ of VO2 – understand it to go faster! Peak Performance Online. Retrieved from: http://www.pponline.co.uk/encyc/theslow-component-of-vo2-understand-it-to-go-faster-39797
18. Jones,
A.
M.
(2014).
Performance. Sports
Dietary
Medicine
Nitrate
Supplementation
(Auckland,
N.z.), 44(Suppl
and
Exercise
1),
35–45.
doi:10.1007/s40279-014-0149-y
19. Katan, M. B. (2009). Nitrate in foods: harmful or healthy?. Journal of clinical nutrition. http://ajcn.nutrition.org/content/90/1/11.short
20. Lansley K.E., Winyard P.G., Fulford J., Vanhatalo A., Bailey S.J., Blackwell
J.R., DiMenna F.J., Gilchrist M., Benjamin N., Jones A.M. (2011). Dietary nitrate supplementation reduces the O2 cost of walking and running: A placebo-controlled
study. J.
Appl.
Physiol. 110,
591–600.
doi:
10.1152/japplphysiol.01070.2010. 21. Larsen, F., Weitzberg, E., Lundberg, J., & Ekblom, B. (2009). Dietary nitrate reduces maximal oxygen consumption while maintaining work performance in maximal
exercise:
Scient
direct.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0891584909007199
22. Lode, B., V. (2014). Excalibur Sport [online]. 3.9.2014. Retrieved from: http://www.lode.nl/en/product/excalibur-sport/3/id_segment/1 23. Lundberg, J. O., Feelisch, M., Björne, H., Jansson, E. Å., & Weitzberg, E. (2006). Cardioprotective effects of vegetables: Is nitrate the answer? Nitric Oxide, 15(4), 359-362. doi: http:// dx.doi.org/10.1016/j.niox.2006.01.013
24. Lundberg, J. O. (2009). Cardiovascular prevention by dietary nitrate and nitrite. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology, 296(5), H1221-H1223. doi: 10.1152/ajpheart.00246.2009 46
25. Lundberg, J. O., Larsen, F. J., & Weitzberg, E. (2011). Supplementation with nitrate and nitrite salts in exercise: a word of caution: J Appl Physiol. 2011 Aug;111(2):616-7. 26. Milan, H., & Hutyra, M. (2004). Endoteliální dysfunkce, možnosti její detekce a využití
v klinické
praxi:
Interní
Medicína
pro
Praxi.
http://www.internimedicina.cz/artkey/int-200409-0006.php
27. MDS Cardio. (2014). Spiroergometria [online]. 3.9.2014. Retrieved from: http://www.e-mds.pl/ml3b_stationary.php
28. Murphy M., Eliot K., Heuertz R.M., Weiss E. (2012). Whole beetroot
consumption acutely improves running performance. J. Acad. Nutr. Diet. 112, 548–552. doi: 10.1016/j.jand.2011.12.002. 29. Novotný, J. (2013). Biologické ukazatele odezvy a adaptace na zátěž, únavy a regenerace sil. Regenerace a výživa ve sportu. Brno. Fakulta sportovních studií MU. Retrieved from http://www.fsps.muni.cz/~novotny/Bio_Ukazatele_RVS.pdf 30. Pastucha, D. (2011). Tělovýchovné lékařství. (1. vyd., 152 s.) Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci.
31. Petersson J., Carlstrom M., Schreiber O., Phillipson M., Christoffersson G.,
Jagare A., Roos S., Jansson E.A., Persson A.E., Lundberg J.O., et al. (2009). Gastroprotective and blood pressure lowering effects of dietary nitrate are abolished by an antiseptic mouthwash. Free Radic. Biol. Med. 46:1068–1075. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2009.01.011. 32. Púzserová, A., Kopincová, J., & Bernátová, I. (2008). Úloha endotelu a oxidu dusnatého v reguláciicievnehotonusu: Československá fyziologie, 57, 2-3. http://www.tigis.cz/images/stories/Fyziologie/2008/2_3_08/04_Puzserova_Cs.Fyz iologie_2-3_2008.pdf
47
33. Stejskal, P. (2012). Patofyziologie tělesné zátěže. Brno: Masarykova univerzita. Retrieved from https://is.muni.cz/el/1451/podzim2013/bp1176/um/
34. Strijdom,
H.
(2012).
Endothelial
atherosclerosis. Cardiovascular
dysfunction:
Journal
of
the
early predictor
Africa, 23(4),
of
222–231.
doi:10.5830/CVJA-2011-068 35. Štvrtinová, V., Ferenčík, M., Hulín, I., Jahnová, A. (1998). Cievny endotel jako operátor prenosu informácií medzi kardiovaskulárnym a imunitným systémom. Bratislavské
lekárske
listy,
99,
pp.
5-19.
Retrieved
from
http://www.bmj.sk/1998/09901-01.pdf
36. Thompson, K., Turner, L., Prichard, J., Dodd, F., Kennedy, D. O., Haskell, C., a další. (2013). Influence of dietary nitrate supplementation on physiological and cognitive
responses
to
incremental
cycle
exercise:
Science
direct.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1569904813004126
37. TlakomeryOMRON. (2014). Tlakomer OMRON [online]. 3.9.2014. Retrieved from: http://tlakomeryomron.sk/Tlakomery-OMRON 38. Velíšek, J. (2002). Chemie potravin 3. (2. vyd., 343 s.) Tábor: OSSIS. 39. Vobruba V., S. P. (2006). NO v léčbě respiračního selhání: ČASOPIS LÉKAŘŮ ČESKÝCH.http://www.medvik.cz/kramerius/document/ABA008_14508_MED00 010976-2006-145.8_s.593-680.pdf?id=355115#page=47
48
Přílohy Příloha 1: Fotodokumentace výzkumu
Zásilka suplementace nitrátů a placeba
Rozdělení suplementace do balíčků pro probandy 49
Měření krevního tlaku
Měření pulmonálního a oběhového systému na bicyklovém ergometru
50
Seznam obrázků
Obrázek 1: Redukce dusitanů na NO v srdeční svalovině ……………………….…12 Obrázek 2: Syntéza NO z L-Argininu a jeho působení……………………………..14 Obrázek 3: Metabolické pochody při redukci dusičnanů a dusitanů………………..15 Obrázek 4: Schéma působení nitrátové suplementace………………………..……..29
51
Seznam tabulek
Tabulka 1: Obsah dusičnanů ve významných zeleninách…………………………….8 Tabulka 2: Obsah dusičnanů ve významných zeleninách……………………………9 Tabulka 3: Somatická charakteristika probandů…………………………………….32 Tabulka 4: Kinetika nitrátů a nitritů při suplementaci UL a placeba………………..35 Tabulka 5: Metabolické a oběhové reakce na suplementaci UL a placeba při střední intenzitě cvičení………………………………………………………………………36 Tabulka 6: Metabolické a oběhové reakce na suplementaci UL a placeba při vysoké intenzitě cvičení………………………………………………………………………37 Tabulka 7: Změna krevního tlaku při suplementaci UL a placeba ………………....38
52
Seznam zkratek
ATP – Adenosintrifosfát
NOS – NO syntáza
BMI – Body mass index
O2 – Kyslík
CO2 – Oxid uhličitý
PL – Placebo
EDHF – Endotelový hyperpolarizační
RER – Poměr srdeční výměny
faktor
RP – Respirační práh
EDRF – Endoteliální relaxační faktor
RQ – Respirační kvocient
eNOS – Endotelová NO syntáza
SF – Srdeční frekvence
iNOS – Induktivní NO syntáza
SFmax – Maximální srdeční frekvence
LT – Laktátový práh
TKd – Diastolický krevní tlak
LTP – Bod laktátového obratu
TKs – systolický krevní tlak
MSR – Maximální srdeční rezerva
VE – Minutová ventilace
mtNOS – Mitochondriální NO syntáza
VCO2 – Spotřeba oxidu uhličitého
nNOS – Neurnální NO syntáza
VO2 – Spotřeba kyslíku
NO – Oxid dusnatý
VO2max – Maximální spotřeba kyslíku
NO2- – Dusitan
ZC – Zatížení cirkulace
NO3- – Dusičnan
53
Resume
V této práci byl zkoumán vliv suplementace nitrátů na spotřebu kyslíku při svalové práce. Ve dvojitě zaslepené, zkřížené studii deset zdravých mužů (věk 26,9 ± 5,72, výška 185 ± 5,23, váha 81,75 ± 5,66) podstoupilo 8 laboratorních vyšetření v průběhu 4 – 5 týdnů. Během první návštěvy absolvovali rampový zátěžový test na bicyklovém ergometru pro určení respiračního prahu a maximální aerobní kapacity. Následovalo náhodné rozdělení do dvou skupin, kde dostali šestidenní suplementaci džusu z červené řepy nebo placeba. 4., 5. a 6. den suplementačního období absolvovali zátěžový test na stejném přístroji pro určení dynamiky VO2 při různých intenzitách zátěže. Přestávka mezi suplementačním obdobím byla 12 dní. Hodnoty výsledků po podání účinné látky nebo placeba byly porovnány neparametrickým Wilcoxonovým párovým testem, kdy hladina významnosti byla stanovena p< 0,05. Při podání účinné látky se zvýšila hladina plazmatických nitrátů, metabolická přeměna na nitrity a dále na NO však neproběhla. Hodnoty sledovaných parametrů: spotřeba kyslíku, tepový kyslík, poměr respirační výměny, srdeční frekvence, krevní tlak a zatížení cirkulace byly ve všech případech zvýšené při podání účinné látky oproti placebu. Pozitivní vliv suplementace nitráty na ekonomiku spotřeby kyslíku při svalové práci tak nebyl prokázán.
54
Summary
In this diploma thesis I was examine the influence of nitrate supplementation on oxygen uptake during the exercise. In a double-blind crossover study, the ten health men (age 6,9 ± 5,72, height 185 ± 5,23, weight 81,75 ± 5,66) take the 8 laboratory tests over four to five week period. During the first appointment the subjects were perform a ramp incremental exercise test for determination of the peak VO2 and respiratory threshold. Then the subjects were randomly assigned in a crossover design where they receive 6 days of dietary supplementation with either beetroot juice or placebo. On days 4, 5 and 6 of the supplementation periods, the subjects were completed step exercise tests on the same machine for the determination of pulmonary VO2 dynamics in different intensity of endurance. The break between the supplementation periods was 12 days. The values of the results after nitrate supplementation or placebo were compare with non-parametric Wilcoxon pair test, when the level of consequence was specify at p<0,05. After nitrate supplementation the level of plasma nitrates was higher, but the transformation at nitrites and also at NO did not happen. The values of measured parameters: oxygen uptake, pulsation oxygen, respiratory exchange ratio, heart rate, blood pressure and the loading of circulation were higher in all cases when the subjects gets nitrate supplementation compared to placebo. The positive influence of nitrate supplementation on economy of oxygen uptake during the exercise was not approve.
55
