Nahrungsergänzungsmittel und Oxidativer Stress in Breitensport - AKE
Nahrungsergänzungsmittel und Oxidativer Stress in Breitensport - AKE
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<strong>Nahrungsergänzungsmittel</strong> Nahrungserg nzungsmittel <strong>und</strong><br />
<strong>Oxidativer</strong> <strong>Stress</strong> <strong>in</strong> <strong>Breitensport</strong> <strong>und</strong><br />
Wellness<br />
Univ.-Prof. Mag. Dr. Joachim Greilberger<br />
Institut für Physiologische Chemie Zentrum für<br />
Mediz<strong>in</strong>ische Physiologie<br />
Mediz<strong>in</strong>ische Universität Graz
Phospholipide<br />
Apolipoprote<strong>in</strong> B<br />
α-Tocopherol<br />
Cholesterol<br />
Cholester<strong>in</strong>ester<br />
L •<br />
LH<br />
LOOH<br />
Oxidant<br />
O 2<br />
Triglyceride<br />
L •<br />
• NO2<br />
LOO • LNO 2<br />
• NO<br />
LH •NO2<br />
• NO2<br />
L(O)NO 2<br />
• NO<br />
O 2
Belastungen<br />
Sport – Krankheiten – Operationen – <strong>Stress</strong><br />
• E<strong>in</strong>fache Fragen:<br />
• Wie hoch können bzw. dürfen Belastungen se<strong>in</strong><br />
• Inwieweit können Belastungen schädigend bzw. förderlich<br />
se<strong>in</strong><br />
• Wie kann ich mich dafür optimal vorbereiten bzw.<br />
nachbereiten (Nahrungsmittel [s,l,g] , zusätzliche<br />
Supplemente)<br />
• Belastung – Adaptierung - Regeneration
Belastungen<br />
Sport – Krankheiten – Operationen – <strong>Stress</strong><br />
• E<strong>in</strong>fache Fragen:<br />
– Wie kann ich Belastungen messen<br />
• Subjektives Bef<strong>in</strong>den (standardisierte Fragebögen z.B. QLV<br />
oder Ernährung; Tra<strong>in</strong>er; Arzt etc.)<br />
• Objektiv: Diagnostik (abhängig vom Zeitpunkt der<br />
Abnahmen):<br />
– kl<strong>in</strong>isch relevante Parameter: periphäre, <strong>in</strong>trazelluläre Marker<br />
– Spiroergometrische Analysen (pre-operativ; Leistungsdiagnostik,<br />
Lungenfunktion etc.)<br />
– Visuelle Methodiken (PET, CT etc.)<br />
– Wie können Belastungen „optimal“ reduziert werden ?
Belastung = Reduktion der Energie- Energie<br />
Versorgung bzw. wertes = oxidativer<br />
<strong>Stress</strong><br />
• Energiegew<strong>in</strong>nung (aerob):<br />
–½O 2 + H 2 � H 2 O + ATP<br />
• Optimale Energiegew<strong>in</strong>nung:<br />
– Optimales Verhältnis Sauerstoff zu Wassertoff<br />
• Nichtoptimale Energiegew<strong>in</strong>nung (anaerob)<br />
– Zuwenig Sauerstoff bzw. Wasserstoff<br />
–c(O 2 ) < c(H 2 ): Anflutung von 2H + <strong>und</strong> 2e - <strong>in</strong> der <strong>in</strong>neren<br />
Mitochondrienwand (Atmungskette; Komplex<br />
III); Regulation über glykolytische<br />
Energiegew<strong>in</strong>nung.<br />
–c(O 2 ) > c(H 2 ): ? HBO = positive Wirkung<br />
Reaktion von molekulare Sauerstoff ist metastabil<br />
(Ausnahme: Radikalreaktionen z.B.<br />
Lipidperoxidation)
Oxidative Modifikationen<br />
• Naturstoffklassen:<br />
– Nukle<strong>in</strong>säuren (Schädigung der Erbmaterie <strong>und</strong> der<br />
Regulation des Energiestoffwechsels)<br />
– Kohlenhydrate (Störung des Energiestoffwechsels,<br />
Zell<strong>in</strong>teraktionen, Glykoxidation)<br />
–Lipide(Energiestoffwechsel, Membranschädigung)<br />
–Prote<strong>in</strong>e(Störung der Transportfunktion, der Speicherform,<br />
der physiologischen enzymatisch regulierten<br />
Gr<strong>und</strong>reaktionen, des Energiestoffwechsels)
Was ist Prote<strong>in</strong>oxidation<br />
E<strong>in</strong>e kovalente (irreversible)<br />
Modifikation e<strong>in</strong>es Prote<strong>in</strong>s <strong>in</strong>duziiert<br />
durch reaktive Sauerstoff oder<br />
Stickstoff Spezies (RONS) oder<br />
Nebenprodukte des oxidative<br />
<strong>Stress</strong>es.
Welche Arten von oxidativen<br />
Modifikationen entstehen ?<br />
• Schwefel Oxidation (Cys Disulfide, S-Thiolierung; Met: sulfoxide;<br />
Beispiel: Album<strong>in</strong>)<br />
• Prote<strong>in</strong>carbonyle (Seitenkette: Aldehyde, Ketone)<br />
• Tyros<strong>in</strong>e Crossl<strong>in</strong>ks: Chlorierung, Nitrosilierung, Nitrierung;ation,<br />
Hydroxylierung; Beispiel: Nitro-Tyros<strong>in</strong>)<br />
• Tryptophanmodifikationen<br />
• Hydro(pero)xy derivatives von aliphatischen Am<strong>in</strong>osäuren<br />
• Chloram<strong>in</strong>e, Deam<strong>in</strong>ierung<br />
• Konventierung von Am<strong>in</strong>osäuren (z.B., His to Asn; Pro to OH-Pro)<br />
• Lipidperoxidationsaddukte (MDA, HNE, Acrole<strong>in</strong>)<br />
• Am<strong>in</strong>osäurenoxidation von Addukten (p-hydroxyphenylacetaldehyde)<br />
• Glycoxidationaddukte (Carboxymethyllys<strong>in</strong>e)<br />
• Verknüpfungen, Aggregation, Peptideb<strong>in</strong>dungsbruch
Biochemische Konsequenzen durch<br />
Prote<strong>in</strong>oxidation<br />
• Verlust oder Verstärkung der Enzymaktivität<br />
• Verlust der Prote<strong>in</strong>funktionen (e.g., Fibr<strong>in</strong>ogen/Fibr<strong>in</strong> clott<strong>in</strong>g)<br />
• Verlust der Protease<strong>in</strong>hibitoraktivität<br />
(α -1-antitryps<strong>in</strong>, α 2-macroglobul<strong>in</strong>)<br />
• Prote<strong>in</strong>aggregation (, IgG, LDL, a-synucle<strong>in</strong>, amyloid prote<strong>in</strong>, prion<br />
prote<strong>in</strong>)<br />
• Verstärkte Suszeptibilät zur Proteolyse (e.g., IRP-2, HIF-1 α,<br />
Glutam<strong>in</strong>e synthetase)<br />
• Ke<strong>in</strong>e Suszeptibilät zur Proteolyse<br />
• Abnormale zelluläre Aufnahme (LDL)<br />
• Modifizierte Gentranskription (SoxR, IkB)<br />
• Erhöhte Immunogeniciät (ovalbum<strong>in</strong>; HNE- or acrole<strong>in</strong>-LDL)
Krankheiten mit denen Prote<strong>in</strong>oxidation <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung<br />
gebracht werden, werden,<br />
ihre spezifischen Prote<strong>in</strong>e, Prote<strong>in</strong>e,<br />
wenn<br />
bekannt<br />
• Atherosklerose (LDL)<br />
• Rheumatoide Arthritis (IgG, α-1-prote<strong>in</strong>ase <strong>in</strong>hibitor)<br />
• Ischemia-Reperfusion<br />
• Emphysema (α -1-prote<strong>in</strong>ase <strong>in</strong>hibitor, elastase)<br />
• Neurodegenerative Krankheiten<br />
– Alzheimer’s (β-act<strong>in</strong>, creat<strong>in</strong>e k<strong>in</strong>ase)<br />
– Park<strong>in</strong>son’s<br />
– Sporadic amyotrophic lateral sclerosis<br />
• Musculäre Dystrophy<br />
• Neugeborene (bei Ventilation); Bronchopulmonary Dysplasia<br />
• Erwachsenes respiratorisches Distresssyndrome<br />
• Altern (glutam<strong>in</strong>e synthetase, carbonic anhydrase III, aconitase)<br />
• Akute Pankreatitis<br />
• Kataraktogenesis (alpha-crystall<strong>in</strong>s)<br />
• Chronische Alkohol Ingestion<br />
• Krebs
Supplementation with mixed fruit and vegetable juice concentrates attenuates oxidative stress markers <strong>in</strong><br />
tra<strong>in</strong>ed athletes<br />
Manfred Lamprecht 1 , Karl Oettl 1 , Günther Schwaberger 2 , Peter Hofmann 3 and Joachim Greilberger 1<br />
1 = Institute for Physiological Chemistry; Medical University Graz; Austria<br />
2 = Institute for System-Physiology; Medical University Graz; Austria<br />
3 = Institute for Sport Science; Karl Franzens University Graz: Austria<br />
Introduction:<br />
Intensive exercise enhances the formation of free radicals and other reactive<br />
oxygen and nitrogen species (RONS) <strong>in</strong> animals and humans result<strong>in</strong>g <strong>in</strong> the<br />
generation of compo<strong>und</strong>s like malondialdehyde (MDA) and carbonyl-prote<strong>in</strong>s<br />
(CP) (1,2). Reduced formation of these oxidative stress parameters by<br />
supplementation with antioxidants regard<strong>in</strong>g to this type of physical exercise<br />
has not been reported.<br />
Purpose:<br />
To <strong>in</strong>vestigate the <strong>in</strong>fluence of a) supplementation with mixed fruit and<br />
vegetable juice concentrates and b) of exercise duration with a def<strong>in</strong>ed <strong>in</strong>tensity<br />
on the concentrations of MDA and CP after <strong>in</strong>tense mounta<strong>in</strong> bik<strong>in</strong>g for two<br />
hours.<br />
Methods:<br />
5 healthy tra<strong>in</strong>ed men (male; 37±5yrs; VO 2max 55±5mL x kg -1 x m<strong>in</strong> -1 )<br />
supplemented daily with 4 capsules of a phytonutrient preparation from fruits<br />
and vegetables . Subjects performed a two hours last<strong>in</strong>g mounta<strong>in</strong> bike<br />
exercise to the top of a mounta<strong>in</strong> (altitude 1500m, distance 30km) at 75% of the<br />
<strong>in</strong>dividual VO 2max followed by a moderate downhill performance (same route)<br />
at 45% of the <strong>in</strong>dividual VO 2max. Capillary blood was collected from the f<strong>in</strong>gertip<br />
before the exercise, on the top of the mounta<strong>in</strong> immediately after <strong>in</strong>tense<br />
exercise (=two hours) and the third collection at the end of exercise (=three<br />
hours). After collection blood plasma samples were separated by centrifugation<br />
at 4°C and plasma levels of MDA were measured by a HPLC method,<br />
measurement of CP was performed after derivatization with d<strong>in</strong>itrophenylhydraz<strong>in</strong>e<br />
(DNPH) by a chemilum<strong>in</strong>escence technique. A two-sided<br />
Student´s t-test was performed for test<strong>in</strong>g the significance of differences with p<br />
< 0.05 as the criterion for significance.<br />
1. Alessio HM: Exercise-<strong>in</strong>duced oxidative stress. Med. Sci. Sports. Exerc. 25 (2):218-224, 1993.<br />
Figure 1a: Influence of supplementation of a fruit<br />
and vegetable concentrate on MDA.<br />
Figure 1b: Influence of supplementation of a fruit and<br />
vegetable concentrate on CP.<br />
Results:<br />
Both parameters were significantly decreased before exercise (MDA: 2.43±0.39 vs. 1.64 ±0.52 µM;<br />
CP: 0.46±0.05 nmol/mg prote<strong>in</strong> vs. 0.23±0.02 nmol/mg prote<strong>in</strong>), after 2 hours of <strong>in</strong>tense exercise<br />
(MDA: 2.68±0.45 vs. 1.85 ±0.50 µM; CP: 0.55±0.18nmol/mg prote<strong>in</strong> vs. 0.32±0.019nmol/mg prote<strong>in</strong>)<br />
and after prolonged exercise of 3 hours (MDA: 2.47±0.73 to 1.64 ±0.47 µM; CP: 0.51±0.08nmol/mg<br />
prote<strong>in</strong> to 0.33±0.09nmol/mg prote<strong>in</strong>) by supplementation compared to the non supplemented phase.<br />
No significant difference <strong>in</strong> the concentrations of both parameters throughout the time course of<br />
exercise was estimated except the CP values between the first and second blood collection <strong>in</strong> the<br />
supplemented phase (CP: 0.29±0.02 nmol/mg vs. 0.315±0.02 nmol/mg).<br />
Conclusion:<br />
Thus we demonstrate a benefit of the used supplementation with the phytonutrient preparation<br />
concern<strong>in</strong>g oxidative prote<strong>in</strong> damage and lipid peroxidation products <strong>in</strong> human plasma. The chosen<br />
exercise duration at a certa<strong>in</strong> <strong>in</strong>tensity had modest <strong>in</strong>fluence to the concentrations of this oxidative<br />
stress markers.<br />
2. Radak Z, Ogonovszky H, Dubecz J, Pavlik G, Sasvari M, Pucsok J, Berkes I, Csont T, and Ferd<strong>in</strong>andy P: Super-marathon race <strong>in</strong>creases serum and ur<strong>in</strong>ary nitrotyros<strong>in</strong>e and carbonyl levels. Eur. J. Cl<strong>in</strong>.<br />
Invest. 33 (8): 726-730, 2003.<br />
Supported by NSA
Kl<strong>in</strong>ische Studie durch orale<br />
Aufnahme von<br />
Alpha-ketoglutarat<br />
Alpha ketoglutarat <strong>und</strong> 5-HMF 5 HMF<br />
• Studien Protokoll:<br />
• Spiroergometric work up (VO 2max, Watt and O 2-pulse)<br />
• Determ<strong>in</strong>ation of oxidative stress parameters (Carbonyl<br />
prote<strong>in</strong>s and Isoprostane)<br />
• 10 day supplementation with alpha-ketoglutarate + 5-<br />
HMF + dietary protocol vs dietary protocol alone<br />
• Re-Spiroergometric work up<br />
• Re-determ<strong>in</strong>ation of oxidative stress prameters<br />
• Resection treatment (lobectomy + CLND)<br />
• Re-determ<strong>in</strong>ation of oxidative stress parameters on 1st<br />
postOP day<br />
• Record of complications and hospitalization
Figure 1b<br />
VO2 [mL x kg-1 x m<strong>in</strong>-1] (time at <strong>in</strong>clusion = 100%)<br />
140<br />
130<br />
120<br />
110<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
before<br />
supplementation<br />
after supplementation<br />
control group study group<br />
**<br />
Figure 2b<br />
work [watt] (time at <strong>in</strong>clusion = 100%)<br />
140<br />
130<br />
120<br />
110<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
before<br />
supplementation<br />
af t er supplement at ion<br />
**/††<br />
control group study group
Carbonyl Prote<strong>in</strong>s [pmol/mg]<br />
Figure 3<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
control<br />
study group<br />
study beg<strong>in</strong> before SLV after SLV<br />
*<br />
††<br />
**<br />
Figure 4<br />
Isoprostane [pmol/mL]<br />
3<br />
2,5<br />
2<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
0<br />
control<br />
study group<br />
study beg<strong>in</strong> before SLV after SLV<br />
**<br />
*
carbonyl prote<strong>in</strong>s [pmol/mg]<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
Belastung: Operation vs. Sport<br />
(Nahrungsergänzungsoptimierung)<br />
(Nahrungserg nzungsoptimierung)<br />
CP-Bestimmung von Patienten +/- alpha-KG <strong>und</strong> 5-<br />
HMF<br />
control group<br />
Study group<br />
- 1 day before<br />
ELV<br />
after<br />
ELV<br />
** * *<br />
2h postoperativ<br />
6h postoperativ<br />
12h<br />
postoperativ<br />
* **<br />
1.day<br />
post.operativ<br />
7.day<br />
postoperativ<br />
carbonyl prote<strong>in</strong>s [pmol/mg]<br />
CP Bestimmung von Sportlern (Spiroergometrie)<br />
+/- alpha-KG <strong>und</strong> 5-HMF<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
+ alpha-KG <strong>und</strong> 5-HMF - alpha-KG <strong>und</strong> 5HMF<br />
Ruhe Ende 10 20 30<br />
Zeit [m<strong>in</strong>.]
Resultate mit Alpha-<br />
ketoglutarat <strong>und</strong> 5-HMF 5 HMF<br />
• Ke<strong>in</strong>e Komplikationen<br />
• Subjektive besseres Gefühl mit e<strong>in</strong>er<br />
Aktivitätssteigerung der Patienten<br />
• Ke<strong>in</strong>e postOP Komplikationen <strong>in</strong> der Studiengruppe<br />
• Hospitalisation: 6.8 Tage <strong>in</strong> der<br />
Studiengruppe vs 11.8 Tage <strong>in</strong> der Kontrollgruppe<br />
• Reduktion des oxidativen <strong>Stress</strong>es
Metabolische Effekte durch orale Supplementation von<br />
α-Ketoglutars<br />
α-Ketoglutarsäure Ketoglutarsäure ure <strong>und</strong> 5-Hydroxy 55-Hydroxy-methyl-furfural<br />
Hydroxy-methyl methyl-furfural furfural<br />
E<strong>in</strong>e neue orale dietätische<br />
diet tische Supplementation zur<br />
Steigerung der Leistungskapazität Leistungskapazit (Wellness) <strong>und</strong><br />
zur gleichzeitigen Reduktion des oxidativen<br />
<strong>Stress</strong>es <strong>und</strong> dessen Auswirkungen<br />
<strong>Nahrungsergänzungsmittel</strong> Nahrungserg nzungsmittel <strong>und</strong> <strong>Oxidativer</strong> <strong>Stress</strong> <strong>in</strong> <strong>Breitensport</strong> <strong>und</strong> Wellness
Das Team<br />
• Prof. Dr. He<strong>in</strong>z Juan (Biomediz<strong>in</strong>ische Forschung, MedUni-<br />
Graz)<br />
• Prof.Dr. A. Maier, Dr. L<strong>in</strong>denmann, Dr. Matzi <strong>und</strong> Prof. Smolle-<br />
Jüttner (Thoraxchirurgie, MedUni-Graz)<br />
• Prof. Dr. P. Schober (K<strong>in</strong>derkl<strong>in</strong>ik; MedUni-Graz)<br />
• Dr. Ralph Herwig (AKH Wien; Abteilung für Urology)<br />
• Prof. Dr. Re<strong>in</strong>hold W<strong>in</strong>tersteiger (Institut für Pharmakology; Karl-<br />
Franzens–Universität Graz)<br />
• Dr. Philipp Stiegler; Herztransplanationschirurgie<br />
• Ing. P. Moser <strong>und</strong> Ing. C. Bücherl<br />
• Technicians: M. Greilberger
Carbonylprote<strong>in</strong>e<br />
• Carbonyl Gruppen s<strong>in</strong>d relativ stabil Present at low<br />
levels <strong>in</strong> most prote<strong>in</strong> preparations<br />
(~0,1 nmol/mg prote<strong>in</strong> ~ 0.005 mol/mol ~ 1/30000 am<strong>in</strong>o<br />
acids)<br />
• 2 bis 20 fache Erhöhung der Carbonylprote<strong>in</strong>e<br />
entstehen unter den Bed<strong>in</strong>gungen des oxidativen<br />
<strong>Stress</strong>es <strong>in</strong> vivo<br />
• Carbonylprote<strong>in</strong>e entsthen nahezu als allen uns<br />
bekannten Oxidantien <strong>in</strong> vitro<br />
(Seitenkettenspezifische Metalloxidation, γ-<br />
Strahlung, HOCl, Ozon, 1 O 2 , Lipidperoxidationsaddukte;<br />
Glykoxidation)
Am<strong>in</strong>osäuren<br />
Am<strong>in</strong>os uren welche e<strong>in</strong>er metall-katalysierten<br />
metall katalysierten<br />
Oxidation unterliegen <strong>und</strong> Carbonylprodukte<br />
bilden<br />
• Prol<strong>in</strong> (γ-Glutamylsemialdehyd)<br />
• Arg<strong>in</strong><strong>in</strong> (γ-Glutamylsemialdehyd)<br />
• Lys<strong>in</strong> (Am<strong>in</strong>o-Adipicsemialdehyd)<br />
• Threon<strong>in</strong> (Am<strong>in</strong>o-ketobutyrat)
Chemilum<strong>in</strong>eszassay<br />
• Detektiert <strong>in</strong>dividuelle oxidierte Prote<strong>in</strong>e <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Mischung<br />
von Prote<strong>in</strong>en (200 - 400 pmol/mg Prote<strong>in</strong>)<br />
• Diabetes Mellitus: bei K<strong>in</strong>dern 1200 +/- 100 nmol/mg<br />
• Atherosklerose: zwischen 500 <strong>und</strong> 7000 nmol/mg<br />
• Requires ~ 50 ng of prote<strong>in</strong><br />
• Sensitivität of ≤ 1fmol of prote<strong>in</strong> carbonyl<br />
– ~50 ng of a 50 kDa prote<strong>in</strong> oxidized @ 0.0005 mol/mol<br />
• Betrachtung von unterschiedlichen<br />
Modifikationsmöglichkeiten von <strong>in</strong>dividuellen Prote<strong>in</strong>en<br />
bewirkt durch oxidative Modifikationen
Zusammenfassung der Indikationen bei oraler<br />
Supplementation mit Alpha-ketoglutarat<br />
Alpha<br />
5-HMF HMF<br />
ketoglutarat <strong>und</strong><br />
• Pre- and postoperative condition<strong>in</strong>g<br />
• Fast track surgery programs<br />
• Herz- Lungen- Leber- <strong>und</strong> vaskuläre Operationen<br />
• Rehabilitationsprogramme<br />
• Chirurgie<br />
• Kardiologie<br />
• Pulmonologie<br />
• Neurologie<br />
• Traumatologie<br />
• Geriatrie<br />
• Plastische Chirurgie<br />
• Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gsprogramme<br />
• Ges<strong>und</strong>en Menschen<br />
• Professionelle Sportler<br />
• Anti-Ag<strong>in</strong>g (Erhaltung der <strong>in</strong>neren <strong>und</strong> äußeren<br />
Ges<strong>und</strong>heit)