Azotany i Azotyny w kulturystyce

29 grudnia 2016
518 Wyświetleń

Czym są azotany i azotyny?

Azotyny (NO2) i azotany (NO3) stanowią grupę związków chemicznych będących pochodnymi, odpowiednio, kwasu azotowego (III) i (V). Występują naturalnie w glebie i wodzie. Powszechnie używane są w rolnictwie jako środki poprawiające wydajność upraw roślinnych. Efektem nawożenia pól był znaczący wzrost koncentracji azotanów i azotynów w wodzie pitnej i roślinach uprawnych, zwiększający tym samym spożycie tych związków przez konsumentów. Ponad 3 dekady temu rozpoczęło to dyskusję na temat wpływu azotanów na zdrowie ludzi, zwłaszcza w dłuższym okresie czasu. Substancje te mają bardzo niechlubną renomę i szczególnie niepożądane są w wodzie pitnej i żywności, ze względu na ich jakoby rakotwórczy charakter. Rzadziej postrzegane są jako istotne produkty wewnątrzustrojowych przemian tlenku azotu (NO), którego ogromna przydatność w sporcie, a zwłaszcza w kulturystyce, jest Ci, Drogi Czytelniku, z pewnością doskonale znana, szczególnie z funkcji wazodylatacyjnej, czyli rozszerzania naczyń krwionośnych i zwiększania tym samym przepływu krwi przez mięśnie. Z pewnością zatem zainteresuje Cię fakt, iż obie „przypięte” azotanom „etykietki” wcale nie wydają się takie oczywiste, jeśli spojrzy się na aktualny stan wiedzy na temat tych związków. Po pierwsze, „nie taki diabeł straszny, jak go malują”, a po drugie, możliwości użycia azotanów i azotynów w sporcie, tak samo jak ich prozdrowotne działanie, wydają się wykraczać daleko poza wcześniejsze, błędne postrzeganie ich właściwości.

Mimo iż związki te badane są od kilku dekad, dopiero ostatnimi czasy stało się jasne, że azotyny i azotany podlegają w organizmie nieustannym metamorfozom (syntezie i rozpadowi), uczestnicząc w ciągłych przemianach jednej z najbardziej istotnych cząstek sygnałowych w organizmie człowieka – tlenku azotu (NO), jak również i innych bioaktywnych tlenów azotowych. Z tego też powodu jony NO2 i NO3należy postrzegać jako wewnętrzną pulę zabezpieczającą produkcję niezwykle istotnych molekuł sygnałowych, decydujących o prawidłowości przebiegu podstawowych procesów życiowych, zwłaszcza jeśli chodzi o wysiłek sportowy. A najważniejszym wydaje się fakt, iż ścieżka syntezy NO z azotanów jest niezależna od typowej drogi pozyskiwania tej molekuły w organizmie, czyli z L-argininy, z udziałem enzymu syntetazy tlenku azotu (NOS). Dokładnie zostanie to opisane w dalszej części niniejszego tekstu, a teraz skupmy się na tym, ile azotanów jest w Twojej diecie.

Źródła azotanów w organizmie

Azotany obecne w organizmie człowieka pochodzą z dwóch źródeł. Pierwszym z nich jest ich endogenna synteza rozpoczynająca się od wytworzenia NO z L-argininy, katalizowana przez syntetazę tlenku azotu. NO następnie spontanicznie reaguje ze znajdującym się w tkankach tlenem, dając NO3 (1) lub poprzez oddziaływanie z jednym z enzymów osocza biorącym udział w odpowiedzi obronnej na stres oksydacyjny w organizmie – ceruloplazminą, tworząc NO2 (2).

Drugie źródło azotanów dla naszego organizmu to dieta. Dostarczamy te związki głównie z warzyw, zwłaszcza ich części liściastych (Tabela 1; 3), wody pitnej (mimo iż ich poziom jest w wielu krajach ściśle regulowany) oraz mniejszym stopniu z owoców i wędlin. Dzienna ich podaż uzależniona jest od tego, ile produktów określonego typu spożywasz. I tak dla przykładu – porcja zielonych, liściastych warzyw (sałata, szpinak) mieszcząca się na talerzu normalnej wielkości zawiera więcej azotanów, niż nasz organizm jest w stanie wytworzyć przez cały dzień. W przypadku warzyw zaleca się spożywanie ich w ilości 5 porcji dziennie. Jeśli azotany są takie szkodliwe, to dlaczego w zdrowym żywieniu człowieka tak mocno promowany jest trend spożywania produktów, które zawierają ich ogromne ilości? Dla przykładu, stosując popularną dietę DASH, ukierunkowaną na obniżenie zbyt wysokiego ciśnienia tętniczego, bogatą w warzywa i owoce, przekraczamy ponad 5,5 razy zalecenia Światowej Organizacji Zdrowia odnośnie spożycia azotanów (3,7 mg/kg m.c.). Dlaczego więc osoby spożywające duże ilości warzyw są zdrowsze i mniej narażone na rozwój nowotworów? Kierując się założeniem, że azotany są takie szkodliwe, powinno być przecież odwrotnie, a jednak tak nie jest. Odpowiedź na to znajdziesz w dalszej części tekstu.  

pb17_76

Tabela 1: Zawartość azotanów i azotynów w przykładowych produktach spożywczych

Połykasz azotany i co dalej z nimi?

Cząsteczki te natychmiastowo absorbowane są w jelicie cienkim i w większości wydalane wraz z moczem, ale do 25% z nich wychwytywane jest przez nasze ślinianki i po około 20-krotnym zagęszczeniu wydzielane wraz ze śliną do jamy ustnej (4). Dalsze ich losy są ściśle związane z obecnością beztlenowych bakterii występujących w tej części przewodu pokarmowego. W następstwie procesów metabolicznych NO3 redukowane są do NO2 (oczywiście nie wszystkie). To właśnie dzięki obecności tych drobnoustrojów organizmy ssaków mogą w ogóle wykorzystać azotany, same bowiem nie są w stanie efektywnie ich metabolizować. Powstałe NO2, jak i niezredukowane w jamie ustnej NO3, przechodzą do żołądka. W kwaśnym środowisku azotyny spontanicznie rozpadają się do biologicznie czynnego tlenku azotu (NO) i innych biologicznie aktywnych tlenków azotu, które pełnią istotne zdrowotne funkcje w tej części przewodu pokarmowego (szczegółowy opis dalej w tekście). Proces produkcji NO w żołądku jest znacząco nasilany przez związki o właściwościach redukujących, takie jak witamina C czy polifenole, które przecież są powszechne w diecie, zwłaszcza sportowca. Nieprzetworzone NO2 i NO3 przesuwają się wraz z treścią pokarmową do jelita cienkiego, gdzie są wchłaniane i ich obieg rozpoczyna się na nowo.

Po posiłku obfitym w azotany ich poziom we krwi szybko wzrasta, a wysokie stężenie utrzymuje się przez długi czas, bowiem okres półtrwania azotanów w krążeniu wynosi aż 5-6 godzin. Stężenie azotynów oczywiście również się zwiększa.

Azotany dla sportowca

Cały geniusz matki natury, która „wymyśliła” szlak azotanowo-azotynowo-NO, polega na tym, iż ta ścieżka syntezy tlenku azotu przebiega w sposób niezależny od syntetazy tlenku azotu (NOS), w warunkach obniżonej dostępności tlenu. Syntetaza tlenku azotu, aby wytwarzać NO z L-argininy, wymaga udziału tlenu, którego dostępność, wraz z rosnącą intensywnością wysiłku, spada. Organizm nie może się jednak pozbawić tak ważnej molekuły sygnałowej jaką jest NO biorąca udział w regulacji rozszerzenia naczyń krwionośnych, neurotransmisji i kształtowaniu odporności organizmu. Z tego też powodu nasze ciało musi dysponować alternatywną ścieżką syntezy NO, która będzie efektywnie przebiegała w warunkach hipoksji (obniżonej zawartości tlenu w tkankach). I właśnie do tego celu służą azotany. Ich metabolizm ma zapewnić ciągłość przemian metabolicznych w niesprzyjających warunkach. Nie można wyraźnie określić dolnej granicy nasycenia tkanek tlenem, kiedy ścieżka NOS-zależna przestaje funkcjonować. Wraz ze spadkiem stężenia tlenu w tkankach organizmu i krwi, stopniowo jest uruchamiane pozyskiwanie NO w następstwie redukcji NO3/ NO2. Te dwa szlaki – tlenowy i beztlenowy przeplatają się wzajemnie i płynnie przechodzą jeden w drugi, jak znak yin-yang (Rys. 2).

pb17_77

Rysunek 2: Schemat tworzenia NO w organizmach ssaków w następstwie przebiegu dwóch niezależnych, ale wzajemnie uzupełniających się szlaków metabolicznych (zaadoptowano z: Lundberg J.O. et al. The nitrate–nitrite–nitric oxide pathway in physiology and therapeutics. Nature Reviews Drug Discovery 7, 156-167 (February 2008)).

 

Mechanizmem regulującym ilość powstającego NO z NO2 jest stopień wysycenia tlenem hemoglobiny krwinek czerwonych czy mioglobiny komórek mięśniowych. Gdy zaczyna ono spadać, wtedy ilość produkowanego z azotynów NO rośnie. Następuje to w wyniku reakcji NO2 z żelazem wchodzącym w skład hemoglobiny nieniosącej tlenu (deoksyhemoglobiny; jej poziom jest zwiększony w warunkach niedotleniania), efektem czego jest wytworzenie NO i methemoglobiny. Taka sama sytuacja ma miejsce w mięśniach, gdzie odpowiednikiem hemoglobiny jest mioglobina wykazująca znacznie większe powinowactwo do tlenu, ale również ok. 30 x efektywniej reagująca z azotynami, gdy nie zawiera przyłączonego tlenu (warunki hipoksji; 5). W warunkach obniżonej zawartości tlenu w organizmie NO jest zatem produkowany zarówno w samym krwiobiegu, jak i w tkankach wykazujących zwiększone zapotrzebowanie na tlen, jak np. pracujące mięśnie, w tym mięsień sercowy.

Tlenek azotu a mitochondria. To nie takie oczywiste

Powstały w naczyniach krwionośnych NO powoduje relaksację ich mięśni gładkich i rozkurcz, celem zwiększenia efektywności dostaw tlenu do pracujących mięśni. Inne badania pokazują, iż wygenerowany w komórkach mięśniowych (w trakcie hipoksji) tlenek azotu może łączyć się z jednym z enzymów łańcucha elektronowego – oksydazą cytochromu c, redukując efektywność przepływu elektronów i zużycie tlenu przez intensywnie pracującą komórkę mięśniową (5). Znajduje to potwierdzenie w badaniach na ochotnikach, którzy po spożyciu azotynów wykazywali mniejsze zużycie tlenu w trakcie submaksymalnych ćwiczeń, w porównaniu z grupą placebo (6). I w tym miejscu zaczyna się najlepsze. Dlaczego NO hamuje działanie mitochondriów? Matka natura po raz kolejny udowadnia, że życie ponad wszystko. Pamiętajmy, że mitochondria to generatory „pompujące” ogromne ilości elektronów celem wytworzenia ATP. Procesy te obciążone są dużym ryzykiem powstawania tzw. reaktywnych form tlenu (ang. Reactive Oxygen Species- ROS), czyli bardzo aktywnych chemicznie związków, które mogą uszkadzać struktury komórkowe, prowadząc do śmierci komórki (7). Ogromne ilości ROS generowane są w mitochondriach bezpośrednio po okresie niedotlenienia komórki, kiedy poziom tlenu raptownie zaczyna rosnąć. Reaktywne formy tlenu mogłyby w takich warunkach unicestwić komórkę mięśni szkieletowych, czy co gorsza pracujące serce, a tym samym cały organizm. Powstające w warunkach hipoksji NO i NO2 mają zdolność „pochłaniania" ROS, a tym samym działają ochronnie na komórkę, chociaż jednocześnie obniżają efektywność pracy mitochondriów w warunkach rosnącego niedotlenienia. Energetyczny koszt dla organizmu zachodzenia procesu odwracalnego hamowania oddychania mitochondrialnego wydaje się być z powodzeniem rekompensowany przez zmniejszoną generację ROS i obniżone prawdopodobieństwo śmierci komórki w następstwie pohipoksyjnego zwiększenia podaży tlenu do mocno obciążonych metabolicznie tkanek, zwłaszcza mięśniowych.    

Co w tym interesującego dla kulturystów?

Sprawa jest prosta – zwiększając podaż azotanów w diecie, zwłaszcza w okresie przedtreningowym, zapewniamy sobie lepsze krążenie krwi w ciężko pracujących mięśniach. Odpowiada to za utrzymanie tzw. „pompy mięśniowej", zwłaszcza w sytuacji bardzo intensywnych treningów, gdy synteza NO z L-argininy jest mocno upośledzona za sprawą spadającego wysycenia organizmu tlenem. W przypadku suplementacji azotanów – im dłużej ćwiczymy, tym mocniejsze ich działanie wazodylatacyjne (rozszerzające naczynia krwionośne) będziemy odczuwać. Badania pokazują (8), iż efektywność syntezy NO i jego skuteczność działania dramatycznie rośnie w warunkach obniżonego pH krwi, co przecież ma miejsce właśnie wraz z wydłużającym się czasem wysiłku. Godnym odnotowania jest fakt, iż NO działa jedynie lokalnie i w takiej formie nie może być transportowany w organizmie. Jego okres półtrwania wynosi 2-5 sekund (9). Natura jednak znalazła sposób na jego ustabilizowanie i rozprowadzenie w organizmie, a tym sposobem są właśnie NO3 i NO2. Powstały tlenek azotu, w wyniku kontaktu z hemoglobiną, mioglobiną czy związkami rodnikowymi jest utleniany do NO2 lub NO3. Azotany i azotyny można w tym momencie traktować jako cząstki dalekiego oddziaływania, które wraz z krwią transportowane są do odległych tkanek, gdzie mogą być akumulowane i w warunkach hipoksji na powrót konwertowane do NO. Dlatego też działanie azotanów w trakcie treningu kulturystycznego nie ogranicza się wyłącznie do trenowanej grupy mięśniowej, ale uczucie „pompy mięśniowej” jest nader dobrze odczuwalne we wszystkich grupach mięśniowych, wyraźnie zwiększając ich objętość. Co więcej, stan ten utrzymuje się na długo po zakończeniu wysiłku, gdyż, jak już zostało wcześniej wspomniane, okres półtrwania azotanów we krwi wynosi ok. 5-6 godzin.

Wiadomo – sport to nie wszystko

Czy jednak azotany można rozpatrywać pod kątem funkcjonalności prozdrowotnej? Okazuje się, że tak. Oprócz wspomnianego powyżej działania ochronnego w stanach niedokrwienia tkanek czy bezpośrednio po przywróceniu krążenia, NO powstający w żołądku realizuje jeszcze 2 bardzo istotne zadania.

Pierwszym z nich jest działanie bakteriobójcze. Okazuje się, że większość patogenów przewodu pokarmowego jest w stanie przeżyć zaskakująco długo w kwaśnym środowisku żołądka. Ale jeśli w sokach żołądkowych pojawi się NO, to bakterie niszczone są bardzo efektywnie, w tym tak zjadliwe dla człowieka gatunki jak Salmonella, Yersinia, Shigella, doskonale znana wszystkim „wrzodowcom” Helicobacter pylori czy pałeczka ropy błękitnej (10). Drugą niezwykle istotną funkcją wynikającą z właściwości wazodylatacyjnych NO jest zwiększanie przepływu krwi w śluzówce żołądka, a także nasilenie wytwarzania ochronnego śluzu (11). A teraz połączmy fakty – zwiększanie produkcji śluzu + bakteriobójcze działanie na Helicobacter pylori i rysuje się nam obraz bardzo skutecznego, naturalnego środka zapobiegającego rozwojowi choroby wrzodowej. I nie trzeba nic więcej robić, jak spożywać dużo warzyw o wysokiej zawartości tych związków albo… suplementować te związki ku chwale własnego żołądka, ale mięśni przede wszystkim.

Podsumowując prozdrowotne właściwości azotanów i azotynów, możemy wyróżnić wśród nich działanie wazodylatacyjne mające regulujący wpływ na ciśnienie krwi, działanie ochronne na błonę śluzową żołądka, NO pełni funkcje przeciwzapalne, NO2 i NO3 dodatkowo chronią komórki przed rozwinięciem nadmiernego stresu oksydacyjnego, który może być dla nich zabójczy i co najważniejsze, cząstki te stanowią alternatywne źródło jednej z najważniejszych molekuł sygnalizacyjnych – tlenku azotu – zapewniając jej nieprzerwaną syntezę w warunkach obniżenia efektywności podstawowej ścieżki opartej na L-argininie.

Dotychczas omawiane azotany i azotyny pochodziły z ich związków nieorganicznych. Istnieją też ich organiczne odpowiedniki, czyli nitrogliceryna dla NO3 i azotan amylu dla NO2, stosowane jako leki. Ich wazodylatacyjne działanie na organizm jest znacznie silniejsze od soli nieorganicznych, ale za to na te drugie nasz organizm się nie uodparnia wraz z czasem, tak jak na formy organiczne i co ważne – są powszechnie dostępne, i to bez recepty 😉

Azotany i azotyny – realne zagrożenie czy nieuzasadniony strach?

Jak to w końcu jest? Dwa podstawowe zagadnienia leżące u podstaw obaw związanych z dostarczaniem do organizmu nieorganicznych azotanów/azotynów dotyczą ryzyka powstania methemoglobinemii i potencjalnie rakotwórczych właściwości tych związków (12). Oba aspekty w znacznej mierze odnoszą się do NO2, który powstaje w organizmie w wyniku redukcji NO3 i jest od swego prekursora znacznie bardziej reaktywny.

Jony azotynowe (NO2) mogą wchodzić w interakcje z żelazem hemoglobiny (Fe2+) i utleniać je na +3 stopień (Fe3+). W wyniku tej reakcji powstaje methemoglobina (MetHb), która jest niezdolna do przenoszenia tlenu (punkt zapalny, od którego wzięła się zła sława azotanów, po części oczywiście zasłużona). Skutkować to może sinicą i dusznością, ale pojawiającą się dopiero przy poziomie MetHb przekraczającym około 5% (fizjologiczny jej poziom to maksymalnie 2%). Badania na zwierzętach, którym podawano dożylnie NO2 pokazały, że w takich warunkach wzrost poziomu MetHb jest praktycznie niewykrywalny lub jedynie na umiarkowanym poziomie i to przy przedłużonym dawkowaniu (13). EC50 (ang. half maximal effective concentration), czyli takie stężenie substancji w organizmie, które wywołuje odpowiedź ustroju o natężeniu połowy odpowiedzi maksymalnej, w określonej jednostce czasu, dla ludzi w warunkach podania azotynów i tworzenia MetHb wynosi 1 g (14). Na tej podstawie można wnioskować, iż rozwinięcie methemoglobinemii jest mało prawdopodobne nawet w warunkach diety bardzo bogatej w warzywa o wysokiej zawartości NO3/ NO2.

Potencjalnie rakotwórcze właściwości NO2 zostały dokładnie przebadane na zwierzętach i zestawione z danymi z badań epidemiologicznych na ludziach (12). Wyniki analiz były zgodne co to tego, że nie ma przekonujących dowodów na to, iż NO2 wykazują aktywność rakotwórczą, czyli „nie taki diabeł straszny”. Tak naprawdę jest więcej argumentów za tym, że zwiększona podaż azotanów/azotynów w diecie przynosi więcej korzyści niż zagrożeń dla naszego zdrowia. Oczywiście należy wziąć pod uwagę, iż efekt zależy od dawki, a ta od naszej wiedzy i przede wszystkim rozsądku. Korzystajmy zatem z dobrodziejstw natury z umiarem, dostosowując dietę do naszych faktycznych potrzeb, nawet wyczynowych.

Mam nadzieję, iż udało mi się, Drogi Czytelniku, nieco oswoić Cię z tematem azotanów, jeśli dotychczas byłeś do tych związków sceptycznie nastawiony. Chciałbym, abyś zaczął postrzegać NO3 i NO2 jako elementy niezależnej, alternatywnej ścieżki dla klasycznego szlaku L-arginina-NOS, będącego źródłem tlenku azotu w organizmie. Przecież matka natura raczej się nie myli, a tym razem na pewno tego nie zrobiła.      

dr inż. Piotr Kaczka

Bibliografia:

1)       Moncada S. et al. The largininenitric oxide pathway. N. Engl. J. Med. 329, 2002–2012 (1993)

2)       Shiva S. et al. Ceruloplasmin is a NO oxidase and nitrite synthase that determines endocrine NO homeostasis. Nature Chem. Biol. 2, 486–493 (2006)

3)       Wang ZHTX et al. Nitrate accumulation and its regulation by nutrient management in vegetables. In: Balanceable fertilization and high quality vegetables. Beijing, China: China Agricultural University Press, 2000.

4)       Lundberg, J. O. et al. Inorganic nitrate is a possible source for systemic generation of nitric oxide. Free Radic. Biol. Med. 37, 395–400 (2004)

5)       Shiva, S. et al. Deoxymyoglobin is a nitrite reductase that generates nitric oxide and regulates mitochondrial respiration. Circ. Res. 100, 654–661 (2007).

6)       Larsen, F. J. Effect of dietary nitrate on oxygen cost during exercise. Acta Physiol. (Oxf) 191, 59–66 (2007).

7)       Das D. K. Cellular, biochemical, and molecular aspects of reperfusion injury. Introduction. Ann. NY Acad. Sci. 723, xiii–xvi (1994).

8)       Modin A. et al. Nitrite-derived nitric oxide: a possible mediator of ‘acidic-metabolic’ vasodilation.Acta Physiol. Scand. 171, 9–16 (2001).

9)       Balbatun A et al. Dynamics of nitric oxide release in the cardiovascular system.Acta Biochim Pol. 2003;50(1):61-8.

10)    Bjorne H et al. Intragastric generation of antimicrobial nitrogen oxides from saliva — physiological and therapeutic considerations.Free Radic. Biol. Med. 41, 1404–1412 (2006).

11)    Bjorne H et al. Nitrite in saliva increases gastric mucosal blood flow and mucus thickness. J. Clin. Invest. 113, 106–114 (2004).

12)    Mensinga T et al.Health implications of exposure to environmental nitrogenous compounds. Toxicol. Rev. 22, 41–51 (2003)

13)    Pluta R et al. Nitrite infusions to prevent delayed cerebral vasospasm in a primate model of subarachnoid hemorrhage. Jama 293, 1477–1484 (2005)

14)    National Toxicology Programe. Toxicology and carcinogenesis studies of sodium nitrite (CAS NO. 7632-00-0) in F344/N rats and B6C3F1 mice (drinking water studies). Natl Toxicol. Program Tech. Rep. Ser. 495, 7–273 (2001).