Wolne rodniki w wysiłku koni

Agnieszka Kowalska

Intensywny wysiłek fizyczny stanowi jedną z głównych przyczyn powstawania w organizmie wolnych rodników. Powstaje ich tym więcej, im więcej tlenu używa organizm.

Utrenowanych koni ilość pobieranego tlenu podczas maksymalnego wysiłku może nawet 35-krotnie przekroczyć poziom spoczynkowy, podczas gdy u człowieka czy psa jedynie 10- 20-krotnie. Wzmożony wysiłek fizyczny u koni, a także stres psychiczny związany z intensywnym treningiem i udziałem w zawodach bądź startami w gonitwach są jednym z głównych czynników powstawania w organizmie wolnych rodników.

Co to są wolne rodniki?

Wolne rodniki powstają w każdej żywej komórce organizmu w wyniku przemiany materii, dotyczy to zwłaszcza fizjologicznego procesu oddychania. Tlen ulega w organizmie czteroetapowej redukcji, w wyniku której powstają dwie cząsteczki wody z równoczesnym wytworzeniem energii (tzw. oddychanie komórkowe) [Rys.1]. Wolne rodniki to produkty niecałkowitej redukcji tlenu, posiadają niesparowany elektron, przez co są bardzo reaktywne. W celu uzupełnienia brakującego elektronu reagują z najważniejszymi strukturami i cząsteczkami komórkowymi, zmieniając ich biologiczne funkcje. Stąd też tlen jest często określany jako „pierwiastek o dwóch obliczach”.

Spośród rodników najczęstsze są wolne rodniki tlenowe, określane także jako reaktywne formy tlenu (RTF).
Pełna redukcja tlenu oznacza przyłączenie czterech protonów (H+). W wyniku niecałkowitej redukcji tlenu powstają:

• anionorodnik ponadtlenkowy (O2-) – produkt jednoelektrodowej redukcji tlenu, powstaje na skutek przecieku elektronów w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym;
• nadtlenek wodoru (H2O2) tzw. woda utleniona – produkt dwuelektrodowej redukcji tlenu;
• rodnik hydroksylowy (HO˙) – jeden z najbardziej reaktywnych utleniaczy,powstaje w wyniku redukcji tlenu trzema elektronami [5].

Brakujący elektron może zostać pobrany z błony komórkowej, powodując jej destrukcję (Rys. 2).

Wolne rodniki w zasadzie reagują ze wszystkimi składnikami komórek. Największe uszkodzenia powodują w białkach, lipidach, DNA. Z organelli komórkowych najbardziej narażone na atak wolnych rodników są mitochondria, w których odbywa się oddychanie komórkowe. Oprócz endogennych źródeł RTF (łańcuch oddechowy, aktywowane leukocyty, enzymy) na produkcję wolnych rodników u trenowanych koni mogą także wpływać źródła zewnętrzne:

• dieta
• intensywna aktywność fizyczna;
• stresy psychiczne i fizyczne [7].

Antyoksydanty

Każdy organizm posiada naturalne substancje obronne, które sam wytwarza, bądź muszą one zostać dostarczone wraz z pożywieniem. Antyoksydanty (przeciwutleniacze/antyutleniacze) neutralizują wolne rodniki – oddają brakujący elektron, zanim te zdążą go pobrać z organizmu (Rys. 3.).

Antyoksydanty możemy podzielić na:

 

• Enzymatyczne/wysokocząsteczkowe:
  • Białka enzymatyczne takie jak dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksydaza glutationowa; aby organizm mógł produkować najaktywniejsze enzymy antyoksydacyjne, musi dysponować odpowiednią ilością mikroelementów: miedzi, manganu, cynku, selenu.
  • Białka samobójcze np. albumina.
• Nieenzymatyczne/niskocząsteczkowe:
  Działające w fazie wodnej: glutation, karnozyna, kreatyna, witamina C, inozytol, kwas foliowy, kwas nikotynowy, kofeina, kwas moczowy, bilirubina.
  Działające w fazie tłuszczowej: witamina E, kwas lipoinowy, koenzym Q, witamina D3, witamina A, karotenoidy.
  Witamina C (kwas askorbinowy) – jest najważniejszym antyoksydantem fazy wodnej, szczególnie ważnym dla mięśni – naprawia rodnikowe uszkodzenia aktywnej tyrozyny. Ważna również dla ochrony antyoksydacyjnej wewnątrz komórek. Podstawową funkcją askorbinianu jest udział w regulacji tokoferolu.
  Witamina E (tokoferol) – chroni błony lipidowe, zapobiegając uszkodzeniom ko­­mór­ki. Niedobór witaminy E powoduje skró­cenie czasu życia erytrocytów, zaburzenia neurologiczne i choroby mięśni, zaburzenia funkcjonalne układu odpornościowego oraz schorzenia układu krążenia.
  Mangan – chroni i spowalnia starzenie się mitochondriów.
  Cynk – usuwa wolne rodniki z cytoplazmy komórki.

W miejscu lokalnego pojawienia się RTF pojawiają się mechanizmy obronne. Mo­­żemy wyróżnić trzy główne linie obrony:

I linia obrony – specyficzne enzymy usuwające RTF – nie dopuszczają do reakcji RTF ze związkami biologicznie czynnymi. Są to białka enzymatyczne: dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksydaza glutationowa;Peroksydaza glutationowa – reperuje uszkodzone lipidy.Reduktaza glutationowa – reguluje stosunek stężeń zredukowanego i utlenionego glutationu.

II linia obrony – „antyoksydanty szybko reagujące” lub „zmiatacze wolnych rodników”. W wyniku reakcji RTF z antyoksydantem powstaje znacznie mniej reaktywny wolny rodnik, doprowadzając do przerwania łańcuchowej reakcji wolnorodnikowej. Należą tu antyoksydanty małocząsteczkowe: kwas moczowy, bilirubina, β-karoten, witamina C, witamina E, albuminy;

III linia obrony – mechanizmy usuwające uszkodzenia powstałe pod wpływem RTF, m.in. enzymy biorące udział w naprawie DNA.

Większość RTF jest produkowana w niewielkiej ilości w trakcie normalnego metabolizmu aerobowego, a uszkodzenia, które wywołują są na bieżąco naprawiane.
Organizm działa sprawnie, gdy istnieje równowaga między reaktywnymi formami tlenu a antyoksydantami. Zaburzenie tej równowagi określa się mianem stresu oksydacyjnego (Rys. 4.). Powoduje wyczerpanie poszczególnych antyoksydantów w określonej kolejności.

Do zespołów chorobowych koni, których występowanie związane jest ze stresem oksydacyjnym zalicza się schorzenia górnych dróg oddechowych, chorobę przewlekłą obturacyjną płuc – COPD, choroby przebiegające z niedokrwieniem, mięśniochwat, zapalenie stawów i ścięgien, miopatie.

Metody oceny stopnia stężenia wolnych rodników w organizmie

Ponieważ nie ma dobrych bezpośrednich metod do oznaczania wolnych rodników, dlatego wykorzystuje się metody pośrednie polegające na ocenie spektrofotometrycznej (technika polegająca na ilościowym pomiarze absorpcji światła). Stan równowagi oksydacyjnej organizmu ocenia się więc na podstawie pomiaru stężenia substratów lub produktów reakcji wolnorodnikowych [1].
Zestawy do oznaczania poziomów przeciwutleniaczy opracowano do monitorowania zarówno poszczególnych składników przeciwutleniaczy, jak i ogólnego systemu zapobiegającego utlenianiu [4].
Z zespołu enzymów o antyoksydacyjnej aktywności najczęściej wykorzystywanymi wskaźnikami w ocenie stanu antyoksydacyjnego jest dysmutaza ponadtlenkowa oraz peroksydaza glutationowa [6].
Całkowitą aktywność antyoksydacyjną można określić za pomocy testu Total Antioxidant Status (TAS).
Innymi wskaźnikami mówiącymi o stężeniu wolnych rodników może być pomiar stężenia witamin: A, C i E w osoczu krwi.

Fizjologiczny stres oksydacyjny

Wysiłek fizyczny i związane z nim zapotrzebowanie na tlen powoduje wzrost aktywnych form tlenu w organizmie. W wyniku stresu oksydacyjnego wywołanego zbyt dużym wysiłkiem fizycznym dochodzi do niekontrolowanego, nadmiernego wytwarzania aktywnych form tlenu [7]. Nagły, intensywny wysiłek może uszkadzać mięśnie, powoduje także częściowe zużycie antyoksydantów, zwłaszcza peroksydazy glutationowej i witaminy E. Wzrost tempa oddychania oznacza zwiększenie wytwarzania anionorodnika ponadtlenkowego i innych RTF, a tym samym – stres oksydacyjny w tkance mięśniowej. Zużycie tlenu przez mięśnie może wzrosnąć nawet 100-krotnie, co oznacza również 100-krotny wzrost produkcji anionorodnika ponadtlenkowego. Intensywny wysiłek, zwłaszcza niespodziewany i nieprzewidziany treningiem niekoniecznie służy zdrowiu, a w jego efektach swój udział mają wolne rodniki:
Wzrost wolnych rodników odbija się niekorzystnie na gospodarce białkiem i tłuszczem, czyli na metabolizmie tkanki mięśniowej i tłuszczowej. Nie dość, że podczas wysiłku w tkance mięśniowej powstaje najwięcej rodników, to na dodatek produkuje ona mniej antyoksydantów niż inne tkanki.
Wolne rodniki uszkadzają m.in. białka, które w mięśniach występują w dużej ilości. Niezwykle na atak rodnikowy podatna jest budująca włókna mięśniowe, aktyna.
Wolne rodniki uszkadzają błony komórkowe, bywa to przyczyną uszkodzeń włókien mięśniowych po bardzo intensywnych treningach.
Zalecany jest umiarkowany wysiłek fizyczny – doprowadza do homeostazy (stanu równowagi organizmu), a wolne rodniki są skutecznie neutralizowane. „[Normalny trening indukuje wzrost aktywności dysmutazy ponadtlenkowej, katalazy i peroksydazy glutationowej w mięśniach zwierząt. Jednym z efektów treningu jest przystosowawczy wzrost stężeń antyoksydantów i enzymów rozkładających RTF [2].

Suplementacja

U koni szczególnie intensywne procesy przemian tlenowych w czasie wysiłku mogą prowadzić do wyczerpania antyoksydantów wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych [6]. Dlatego też pulę przeciwutleniaczy należy stale uzupełniać przez spożywanie odpowiednich produktów. Inne antyoksydanty, jak koenzym Q i antyoksydanty tiolowe, wytwarzana są w tkankach, lecz na ich zawartość w organizmie wpływa sposób żywienia. Zatem bardzo ważny jest prawidłowy stan odżywienia witaminami i związkami mineralnymi, takimi jak witaminy C, E, A, D3, cynk, miedź, mangan, selen. Niedobór witamin i minerałów niezbędnych do usuwania wolnych rodników może prowadzić do nasilonego oddziaływania tych rodników na struktury komórkowe.
Do przeciwutleniaczy, które podwyższają próg wystąpienia stresu oksydacyjnego, należą przede wszystkim witaminy i mikroelementy wchodzące w skład enzymów usuwających RTF.

.”].”]

Normy dla najważniejszych z nich przedstawiają się nastepująco:
Należy jednak pamiętać, że nadmiar witamin i mikroelementów może być toksyczny, np. nadmiar cynku w pożywieniu upośledza wchłanianie miedzi. Niedobór witaminy E obniża wytrzymałość zwierząt na zmęczenie. Natomiast podawanie witaminy E zwiększa wytrzymałość oraz zmniejsza zmiany morfologiczne mitochondriów spowodowane wysiłkiem.

Niektóre antyoksydanty pełnią w organizmie także inne zadania, dlatego powinny być podawane w racjonalnych dawkach. Są także przeciwutleniacze, które można spożywać w dużych ilościach bez konsekwencji dla zdrowia oraz masy i siły mięśni. Najbezpieczniej braki antyoksydantów jest uzupełnić witaminą C. Witamina ta należy do antyoksydantów działających w fazie wodnej, w związku z czym jej nadmiar łatwo usuwany jest z organizmu. Z kolei witaminy A i D3, działające w fazie tłuszczowej w nadmiarze są bardzo toksyczne dla organizmu, gdyż się w nim kumulują.
W okresie treningowym uzasadnione jest większe spożycie witamin i związków mineralnych. Jednak zwiększając w diecie dawkę niektórych antyoksydantów, należy brać pod uwagę stan i zapotrzebowanie organizmu. Najlepiej spożywać odpowiednio dużo naturalnych źródeł większości witamin i mikroelementów.
Zielonki, będące podstawą żywienia koni w okresie letnim, zawierają dużo witamin (E, C, witaminy z grupy B) i prowitamin będących prekursorami witamin np. β-karoten prekursor witaminy A.

Ochrona antyoksydacyjna u koni, zwłaszcza będących w treningu i narażonych na stres, zależna jest od składu i właściwych proporcji dawki pokarmowej.

Agnieszka Kowalska
Katedra Nauk Fizjologicznych
Wydział Medycyny Weterynaryjnej SGGW