Что такое карнозин?

Когда поставленные задачи требуют больших усилий, чем ожидалось, мы очень быстро начинаем чувствовать утомление. К счастью, сейчас существуют пищевые добавки, способные отодвинуть утомление. Истощение запасов креатина фосфата в мышцах приводит к возникновению утомления, дополнительное потребление креатина может увеличить концентрацию креатина фосфата в мышцах. Креатин повышает максимальную мощность и силу, количество работы, выполняемой во время сетов с максимальными мышечными сокращениями, результаты во взрывной активности и работу в повторяющихся циклах высокоинтенсивных нагрузок.
Ученые также выяснили, что отодвинуть момент утомления может потребление углеводов во время тренировки. При этом оказалось, что популярные спортивные напитки, содержащие только углеводы (например, «Gatorade»), не так эффективны, как смесь углеводов с протеином. Ряд исследований показал, что преодолеть утомление также помогает кофеин и бикарбонаты, а результаты последних научных исследований говорят о том, что с утомлением эффективно борется глицин-аргинин-альфакетоизо капроевая кислота («GAKIC»).
Последним оружием в арсенале спортсменов стал бета-аланин, заменимая аминокислота, входящая в состав многих продуктов питания. Исследования показали, что бета-аланин поднимает уровень карнозина в мышцах и тем самым повышает результативность тренировок. В 2005 году, на ежегодной встрече Американского колледжа спортивной медицины были представлены результаты перекрестного исследования, в ходе которого коллектив ученых под руководством д-ра Хилла (C.A.Hill) наблюдал за влиянием потребления бета-аланина (от 4 до 6,5 г в день) на уровень карнозина в мышцах и спортивные показатели нетренированных добровольцев. В среднем карнозин поднялся на 58% к четвертой неделе и еще на 15% к десятой неделе эксперимента.
Кроме того, ученые отметили 16%-ное увеличение общей работы в тестах на велоэргометре на четвертой и десятой неделе. В другом исследовании, представленном доктором Джефом Стаутом (Jeff Stout) на ежегодной конференции Общества спортивного питания в 2005 году, было рассмотрено влияние бета-аланина (1,6-3,2 г в день) на рабочую мощность в районе порога утомления у нетренированных мужчин. В результате было зафиксировано 9%-ное увеличение порога утомления и было выдвинуто предположение о том, что прием бета-аланина отодвигает момент наступления нейромышечного утомления. Мы обратились к ведущему исследователю карнозина доктору физиологии Марку Таллону (Mark Tallon) с вопросами о потенциале бета-аланина, его влиянии на карнозин и роль в мышечном метаболизме. Доктор Таллон работал со многими спортивными командами – от биатлонистов до английской сборной по каратэ. Мы сразу же задали ему вопрос о начале исследований карнозина.
В 1999 году я начал интересоваться исследованиями метаболизма карнозина. Тогда изучение связи карнозина и мышечной работы находилось в самом зародыше и в основном касалось таких патологий, как возрастная потеря мышечной массы. Мы только начинали понимать, что карнозин может играть определенную роль в работе скелетных мышц. Это вещество ранее считали скорее антиоксидантом.

Что такое карнозин?

Это дипептид, состоящий из двух аминокислот – бета аланина и гистидина (4).

Какова роль карнозина в мышечном метаболизме?

Прежде чем мы начнем говорить о карнозине, нужно рассказать о самой мышце, а также о том, что происходит с ней в процессе интенсивных физических упражнений. Тогда мы сможем с полным пониманием дела оценить роль карнозина в ее работе.
Хорошо известно, что увеличение мышечной массы, силы и выносливости в наибольшей степени происходит в результате тренировок, выполняемых до полного утомления. Однако именно во время интенсивных упражнений мы получаем реакцию организма, называемую «метаболическим ацидозом». В этой точке мышцы испытывают сильнейшее утомление и больше не могут сокращаться – мы не можем продолжить тренировку или выполнить еще одно повторение. Обычно это называют «мышечным отказом».
Если бы мы смогли заглянуть в мышечные волокна и кровь в момент интенсивной работы, то стали бы свидетелями цепочки биохимических реакций. Сначала происходит расщепление (гидролиз) АТФ (аденозин трифосфата), который является главным источником энергии для всех клеток, включая мышечные. Затем наступает ацидоз. Эта реакция, следующая за распадом АТФ, провоцирует генерацию протонов или ионов водорода (Н+ в мышечных клетках). Подъем Н+ вызывает падение в крови, и в мышцах уровня рН (20), тем самым повышая в них кислотность.
При продолжительной мышечной активности снижение рН (повышение кислотности) значительно ускоряется, что напрямую связано с мышечным утомлением и в конечном итоге с отказом (8). Кислая среда подавляет энзимы, необходимые для поддержания АТФ, производства энергии и выработки мышцами усилий (13).
Изучая последние данные и работы по изучению действия бета-аланина/гистидина и их способности синтезировать карнозин в скелетных мышцах, я обнаружил доказательства того, что путем связывания ионов водорода и предотвращения падения уровня рН можно добиться значительного улучшения мышечной работы.
(Прим. ред.: кислотность растворов, включая жидкости организма, измеряется шкалой рН и зависит от концентрации ионов водорода (Н+) в растворе. Длина шкалы рН – от 0 до 14, где показатель в семь единиц считается нейтральным, ниже семи – кислым, выше – щелочным. Чем дальше от семи, тем более кислый или щелочной раствор. Ацидоз с это состояние, характеризующееся избыточной кислотностью жидкостей организма.)

Расскажите подробнее о блокировании увеличения уровня ионов водорода и стабилизации рН в мышцах?

Первой линией обороны в мышцах выступают соединения, противостоящие Н+. Обычно их называют буферами. Буферы связываются со свободными ионами водорода в жидкостях (плазма или внутриклеточная жидкость в мышцах), которые вызывают снижение рН. Они удаляют или присоединяют Н+ к другим соединениям, и тем самым поддерживают рН (22). В результате происходит удлинение периода интенсивной работы мышц – в частности, во время физических упражнений (24). Согласно клиническим данным, для скелетных мышц, наиболее эффективным буфером служит дипептид карнозин (бета-аланин/гистидин) (3,4)

Если точнее, каким образом происходит буферизация рН?

Фактор, в большей степени влияющий на буферизационную мощность карнозина, носит название рКа. То, что я собираюсь объяснить, необходимо для оценки роли карнозина в мышечном метаболизме. Величина рКа связана с тем, какое количество этого соединения связывается с Н+ при разных уровнях рН. Нормальная величина рН в нашем организме колеблется в пределах семи единиц. Для того чтобы быть эффективным, рКа тоже должен быть близок к семи. Например, нутриент с рКа, равным 7,0 будет обладать 50%-ной возможностью от своего полного потенциала связываемости с протонами. Оставшиеся 50% могут быть использованы для связывания с другими Н+, которые в избытке вырабатываются в ходе интенсивных упражнений.
Более наглядно можно представить себе карнозин в виде четырехместного автомобиля с двумя людьми, сидящими на передних сиденьях (это ионы водорода). Два задних сиденья свободны для еще двух человек (двух ионов водорода). Поэтому чем больше в мышце карнозина, тем больше ионов водорода он может связать, помогая предотвратить снижение рН. Так получилось, что карнозин обладает рКа 6,83. Близко к нормальному значению для нашего организма (7,0), не так ли? Именно поэтому карнозин (бета-аланин/гистидин) является самым эффективным буфером (стабилизатором рН) в скелетных мышцах человека.

Каким образом мышечные запасы карнозина могут улучшить спортивную результативность?

Из научных исследований мы знаем, что карнозин в основном концентрируется в мышечных волокнах типа II (14). Это даже более очевидно для волокон типа IIХ (23, 26), отличающихся быстросокращающимися характеристиками. Мышечные волокна типа II – это как раз те, которых у профессиональных бодибилдеров больше, чем волокон типа I. Теоретически именно это обстоятельство позволяет им строить значительную мышечную массу быстрее и легче, чем любому из нас.
Мы также знаем, что карнозина больше в тех мышцах, которые обладают низким рН (например, у водных млекопитающих). Снижение рН вовсе не является следствием накопления лактата, как думали раньше, а скорее результатом производства ионов водорода в рамках процесса генерации энергии. Как и у названных млекопитающих, наши собственные системы могут быть поставлены в условия длительного снижения рН, когда мы работаем с высокой интенсивностью. В этом случае происходит значительное возрастание выработки энергии, и в биохимическом смысле это может привести к некоторым осложнениям. Например, при забеге на 800 м или тренировке с тяжестями производство ионов водорода значительно увеличивается. С их высвобождением уровень рН в мышцах начинает падать, что ведет к снижению выработки усилий и в конечном итоге к утомлению (8,20), если мы не сможем предотвратить уменьшения рН. Таким образом, наша цель – создание физиологической среды, повышающей способности человека работать тяжелее и дольше. Степень, в которой карнозин сможет отодвинуть наступление ацидоза (снижение рН), зависит от его концентрации в мышцах, и именно здесь пищевые добавки могут сыграть свою роль.
(Прим. ред.: Изначально мышечные волокна человека подразделялись на тип I, тип IIА и тип IIВ, согласно номенклатуре, использовавшейся в опытах над животными. Однако позже ученые поняли, что ген человеческого типа IIВ очень схож с геном типа IIХ у крыс, поэтому многие современные авторы рекомендуют использовать термин IIХ вместо IIВ. Волокна типа IIХ предназначены для выработки АТФ посредством анаэробных метаболических процессов и обладают высокой скоростью сокращений.)
Хотя лактатный ацидоз, происходящий в результате выполнения упражнений, служил классическим объяснением биохимии ацидоза более 80 лет, теперь становится понятным, что производство лактата на самом деле тормозит, а не вызывает ацидоз. (Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol, 2004 Sept;287(3):R502-16) Как бы то ни было, важно то, что во время выполнения интенсивных физических упражнений мышечный рН начинает снижаться, и это напрямую зависит от утомления мышц. Низкий рН может влиять на способности мышц к генерации усилий несколькими путями. Например, даже незначительное изменение рН может оказать значительное влияние на энзимы и тем самым на клеточный метаболизм.)

В качестве продолжения предыдущего вопроса: может ли карнозин быть полезным в каких либо видах спорта?

Несомненно. Наиболее эффективен он будет для спринтеров или тренирующихся с тяжестями. Мы зафиксировали увеличение запасов карнозина в мышцах, причем, уровень его был настолько высок, что на карнозин можно было списать более половины буферизирующей мощности скелетных мышц (27) (см. рис. 1). Если привести цифры, то это 40-50 ммоль/кг-1dw, что почти в три раза выше показателя нетренированных людей (27). Это говорит о том, что упражнения, требующие значительного производства АТФ, повышают уровень карнозина в мышцах, что положительно отражается на спортивных показателях.
В ходе другого известного исследования д-р Паркхаус (Parkhouse) и его коллеги проанализировали образцы мышц нескольких атлетов. Более высокий уровень карнозина оказался у спортсменов мощностных и спринтерских видов спорта по сравнению с выносливостными. Исследование, проведенное в 2002 году д-ром Сузуки (Suzuki), показало, что концентрация карнозина в мышечных волокнах типа IIХ (быстросокращающихся) напрямую связана с выходом мощности в течение 30-секундного спринтерского велозаезда. Основываясь на этих данных и на том факте, что концентрация карнозина в волокнах типа II почти вдвое выше, чем в волокнах типа I (медленносокращающихся, выносливостных), можно сказать, что карнозин является соединением, идеально подходящим бодибилдерам, спринтерам или любым атлетам, выполняющим высокоинтенсивные упражнения с сопротивлением.
(Прим. ред.: В результате своего исследования в 2002 году д-р Юсухиро Сузуки предположил, что концентрация карнозина в мышцах может быть одним из важнейших факторов, определяющих результативность высокоинтенсивных упражнений.)

Так какие вариации наблюдали и фиксировали у обычных людей и атлетов?

Например, мы брали биопсию у тренированных бодибилдеров и нетренированных людей и наблюдали 50%-ное увеличение мышечного карнозина (27), которого в волокнах типа II было больше. Такие изменения могли бы значительно повлиять на результативность и сопротивляемость утомлению, если бы мы смогли добиться подобных результатов при помощи пищевых добавок. В последней своей работе, о которой уже упоминалось выше, доктор Сузуки сообщил о значительном повышении мощности во время повторяющихся спринтов у атлетов с более высокой концентрацией карнозина в мышцах. Добавлю, что я экспериментировал и на себе в процессе собственных высокоинтенсивных тренировок – результаты фантастические.

Оценивали ли вы работу мышц?

Мы оценивали сократительные возможности мышц, используя электрическую стимуляцию и специально разработанные тренировочные тесты. По пищевой добавке бета-аланин у нас есть серьезные данные, которые мы представили в 2005 году на ежегодной встрече Американского колледжа спортивной медицины в Нэшвилле (Теннесси). Мы доказали, что увеличение содержания карнозина в мышцах, достигнутое благодаря приему бета-аланина, привело к повышению способности выполнять упражнения с максимальными усилиями (18). Участники нашего эксперимента проходили тест на велоэргометре для выяснения уровня в 110% от финального максимального выхода мощности. Далее мы давали им нагрузку в 110% мощности и оценивали степень утомления. Затем участники эксперимента получали или бета-аланин, или плацебо и снова проходили тест в четвертую и десятую недели опыта (см. рис.2). Наше исследование однозначно показало, что «прием бета-аланина повышает результативность мышечной работы и упражнений».

Раньше вы предположили, что увеличение запасов карнозина в мышцах должно улучшить их работу. Как этого можно достичь? Есть ли какие нибудь данные по дозам?

Пищевые добавки с карнозином уже продаются в аптеках Европы, но в качестве антиоксиданта или средства против старения. Да, мы доказали, что в скелетных мышцах можно поднять уровень карнозина, и провели ряд исследований доз – от 3 до 30 г в день. Проблема заключается в цене карнозина. Она достаточно высока, и поэтому в большей части наших экспериментов мы использовали бета-аланин и гистидин. В отличие от гистидина, потенциал бета-аланина по синтезу карнозина впервые был описан исследованием на клеточных культурах еще в 1994 году (4). Работа тех же авторов, которые выявили многие важные функции карнозина, показала, что бета-L-аспартил-L-гистидин служит естественным биологическим предшественником карнозина и метаболизируется точно так же, как карнозин (2).
Для определения доз нам следует обратиться к исследованиям д-ра Марка Даннета (Mark Dunnett), который написал докторскую диссертацию о карнозине. Доктор Даннет продемонстрировал, что прием 100 мг бета-аланина на килограмм веса тела в течение 30 дней в сочетании с гистидином в дозе 12,5 мг на килограмм веса тела увеличил уровень карнозина в мышечных волокнах типа IIВ на 18% (10). Единственный недостаток этого эксперимента в том, что он проводился на лошадях, тем не менее, мы получили некоторые базовые данные.
Позднее, в 2003 году, исследование, представленное Американским колледжем спортивной медицины, показало, что потребление людьми 800 мг бета-аланина четыре раза в день на протяжении пяти недель значительно подняло уровень карнозина в мышцах (15).

Это многое объясняет, но что происходит с биохимией при «загрузке» карнозином?

Когда мы едим пищу, содержащую карнозин, он расщепляется на аминокислоты гистидин и бета-аланин при помощи энзима карнозиназы, активно действующего в крови. Далее эти аминокислоты отправляются в мышцы, где с помощью энзима карнозин синтетазы из них вновь собирается карнозин. Мы еще мало знаем о транспортной системе карнозина и отстаем в этом вопросе от знаний по креатину, но считаем, что карнозин проходит через мышечную плазму, используя сходный с креатином транспорт.

Не могли бы вы рассказать нам об исследованиях концепции синтеза карнозина у человека и подробнее остановиться на исследованиях пищевых добавок, о которых упомянули ранее?

Конечно. Тогда сначала немного об истории карнозина. Диетарные исследования по данному вопросу проводились редко. Начальные сведения по синтезу карнозина были получены при изучении строгих диет или при исключении из рациона одной из аминокислот, составляющих карнозин. В результатах одного из таких экспериментов, где ученые ограничивали поступление карнозина в организм на период от 24 дней до 12 недель, мы обнаружили значительное снижение уровней мышечного карнозина. Это указывает на необходимость потребления карнозина в условиях строгой диеты, но как насчет недефицитных состояний, когда мясо и другие содержащие карнозин/гистидин продукты все же потребляются?
До настоящего времени было проведено четыре эксперимента на людях с целью выяснения путей увеличения запасов карнозина а мышцах. В трех из них исследовался бета-аланин, в одном – карнозин. Эксперименты продолжались от четырех до десяти недель, и в каждом из них был отмечен рост запасов мышечного карнозина при дополнительном приеме бета-аланина или карнозина. К тому же мы узнали, что потребление карнозина или бета-аланина в виде пищевых добавок повышает уровень карнозина в волокнах типа I и II почти одинаково, а это означает возможность эффективного применения данных соединений не только при анаэробных упражнениях, но и при высокоинтенсивной аэробной активности. Однако мы по-прежнему не знаем оптимальных доз и периода приема пищевых добавок, необходимого для максимальной концентрации карнозина, как мы знаем это о креатине. Исследования показывают, что около 3,2 г бета-аланина в день, скорее всего, могут обеспечить желаемые результаты (15), но лишь после четырех недель регулярного использования.

А нельзя ли получать карнозин только из мяса?

Можно, конечно, но учтите, что 1 г бета-аланина дает такое же количество L-карнозина, как 80 г индейки. То есть, для получения минимально эффективной дозы карнозина потребуется съесть как минимум 0,5 кг индейки. Захотите ли вы делать это 3-4 раза в день?
Каковы результаты ваших исследований в данной области?

В настоящий момент мы расширяем базу наших знаний о механизмах синтеза карнозина и ищем новые транспортные системы, способные улучшить его усвоение. Мы также изучаем изменения уровня карнозина в мышцах в связи с физическими нагрузками.
Какие еще нутриенты могут повысить усвоение или утилизацию бета-аланина и гистидина?

Своевременный вопрос, потому что мы только что начали работать как раз в этой области. Если вы знакомы с основами физиологии, то должны знать, что для сокращения мышцы ее должен покинуть кальций, а делается это, в частности, с помощью рецептора.
Считайте рецептор транспортной системой. Рецептор, о котором я говорю, носит название «рианодин рецептор» (RR). Во время выполнения интенсивных упражнений высвобождение кальция может быть затруднено, что снижает способности мышцы к сокращению и выработке усилий (21). Нельзя ли этому противостоять? В теории это означало бы увеличение выработки усилий мышцей. Исследования показывают, что карнозинне только способен на это, но и усиливает свое воздействие в сочетании с кофеином (11). В ходе опытов ученые отметили, что эти два соединения значительно повышают способности мышечных волокон к продолжительной выработке усилий путем повышения высвобождения кальция системой RR.
В дополнение к кофеину, углеводы в виде простых сахаров улучшают транспорт и окисление нутриентов. В недавно поставленном эксперименте (28) сочетание углеводов и кофеина сравнивалась с только углеводами. Оказалось, что утилизация углеводов оказалась выше на 26% в случае приема вместе с кофеином. Такое повышение окисления помогает лучше поддерживать запасы гликогена в печени и мышцах, отодвигая порог утомления и повышая уровень инсулина быстрее, чем просто углеводы. Таким образом, если соединять углеводы с кофеином, можно повысить содержание бета-аланина и гистидина в мышцах и тем самым поднять уровень в них карнозина. (Прим. ред.: Хорошо известно, что кофеин повышает работоспособность. Недавний метаанализ ученых Университета Латтона оценил влияние кофеина на уровень мышечных усилий. Ученые рассмотрели 21 исследование. По сравнению с плацебо кофеин увеличил результативность упражнений на 11,2%. Scand J Med Sci Sports, 2005 Apr;15(2):69-78.)
В каком направлении будут развиваться ваши исследования в дальнейшем?

В нашей лаборатории в Великобритании мы изучаем метаболизм человека и биохимию мышечного утомления, а также продолжаем исследования карнозина в применении к различным видам спорта. Также мы исследуем локализацию и распределение карнозина в отдельных мышечных волокнах.

Я в свою очередь благодарю вас за предоставленную возможность рассказать о своих исследованиях. Я очень воодушевлен той пользой , которую могут принести бета-аланин, гистидин и карнозин для повышения результативности тренировок фитнес-спортсменов, бодибилдеров и других атлетов.