Микроэлементы с антиоксидантными свойствами в питании спортсменов: физиолого-биохимические и гигиенические аспекты

По современным представлениям, для нормального функционирования организма человека большое значение имеет баланс между оксидантами (окислителями), способными при избыточном накоплении оказывать повреждающее действие на клетки, и антиоксидантами, ингибирующими окислительные процессы и защищающими клеточные структуры от окислительного повреждения. Основными оксидантами являются активные формы кислорода, азота и хлора. Среди них различают: 1) свободные радикалы - молекулы или фрагменты молекул, имеющие на внешней оболочке неспаренный электрон (супероксидный радикал, гидроксильный радикал, гидропероксидный радикал, нитроксид) и 2) нерадикальные оксиданты (перекись водорода, синглетный кислород, перекиси липидов, альдегиды, семихиноны, пероксинитрит, гипо-хлорная кислота) [1]. В норме в организме свободные радикалы и нерадикальные оксиданты образуются непрерывно в небольших количествах и играют важную роль в процессах жизнеобеспечения клеток, участвуя в механизмах уничтожения патогенов, в регуляции проницаемости мембран, реакциях окислительного фосфорилирования, в детоксикации ксенобиотиков, межклеточном взаимодействии, обмене белков, нуклеиновых кислот, липидов, в дифференцировке клеток, в процессе апоптоза. Однако под влиянием неблагоприятных факторов химической и физической природы, разнообразных стрессоров, включая чрезмерные физические нагрузки, происходит увеличение продукции свободных радикалов и активация процессов свободнорадикального окисления липидов и других биомолекул. При избыточном накоплении в организме свободные радикалы, обладающие чрезвычайно высокой реакционной способностью, могут приводить к окислительному повреждению, нарушению функций и гибели клеток. Состояние дисбаланса между окислителями и антиоксидантами в пользу окислителей, определяемое как окислительный стресс [2], в настоящее время считается звеном патогенеза многих заболеваний (сердечно-сосудистых, онкологических, воспалительных, эндокринных и других); фактором, способствующим развитию утомления и замедлению восстановительных процессов при длительных интенсивных физических нагрузках; важной составляющей развития переутомления и снижения работоспособности у квалифицированных спортсменов [3].

В противовес активным формам кислорода и другим оксидантам в организме человека и животных существует сложная многокомпонентная антиоксидантная система, включающая широкий спектр химических веществ, снижающих интенсивность окислительных процессов и защищающих клетки организма от окислительного повреждения. В состав этой системы входят антиоксидантные ферменты (супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза) и неферментные антиоксиданты (витамины А, Е, С, каротиноиды, глутатион, флавоноиды, билирубин, мелатонин, метионин, селен и другие), различающиеся по происхождению, химической структуре, механизму действия и точкам приложения [2]. Некоторые из них синтезируются в организме человека (эндогенные антиоксиданты), например, антиоксидантные ферменты, мелатонин, глутатион, а другие поступают в организм с пищей, биологически активными добавками к пище, витаминно-минеральными комплексами (экзогенные антиоксиданты), например, витамины А, Е, С, каротиноиды, флавоноиды, селен и другие.

Одним из ключевых условий нормальной работы антиоксидантной системы является адекватное обеспечение организма человека экзогенными антиоксидантами. При этом среди экзогенных антиоксидантов, имеющих особое значение для поддержания нормального антиоксидантного статуса организма, важная роль принадлежит микроэлементам: селену, железу, меди, цинку.

Большая значимость селена в работе антиоксидантной системы объясняется, прежде всего, его участием в построении и функционировании одного из важнейших антиоксидантных ферментов - глутатионпероксидазы, катализирующей восстановление пероксида водорода до воды и окисленных липидов до спиртов, обеспечивая защиту мембран клеток от повреждающего воздействия перекиси водорода и продуктов перекисного окисления липидов. Этот эссенциальный микроэлемент повышает антиоксидантную активность витамина Е, предохраняет его от преждевременного разрушения; является компонентом ферментов тиоредоксинредуктазы и йодтирониндейодиназы, необходимых для нормального функционирования щитовидной железы, участвует в секреции и метаболизме её гормонов, в осуществлении антиоксидантной защиты тиреоцитов [4, 5]. Имеются данные литературы о способности селена стимулировать активность Т-клеток, макрофагов и выработку иммуноглобулинов, повышать активность естественных клеток-киллеров, которые распознают и уничтожают опухолевые и инфицированные вирусами клетки организма [6]. Селен защищает миокард от воздействия ксенобиотиков; способствует нормализации липидного обмена, снижению риска развития атеросклероза; уменьшению частоты возникновения и тяжести течения инфаркта миокарда, уменьшению частоты возникновения аритмий. Положительное влияние селена на сердечно-сосудистую систему во многом объясняют его антиоксидантными свойствами и мембраностабилизирующим действием на кардиомиоциты [7].

Физиологическая потребность в селене составляет 70 мкг/сутки для мужчин и 55 мкг/сутки для женщин [8]. Основными источниками этого микроэлемента служат крупы, хлебобулочные изделия из цельного зерна и муки грубого помола, орехи, мясо, рыба, говяжьи и свиные субпродукты (почки, сердце, печень), яйца, морепродукты, чеснок, лук [9].

Другим микроэлементом, играющим важную роль в формировании оксидантно-антиоксидантного статуса организма, является железо. Железо необходимо для работы антиоксидантных ферментов каталазы и перокидазы, участвующих в защите организма от активных форм кислорода. Каталаза катализирует разложение токсичного пероксида водорода, образующегося в процессе биологического окисления, на воду и молекулярный кислород, а пероксидаза катализирует восстановление пероксида водорода до воды. Почти всё железо в организме человека находится в связанном с белками состоянии (гемоглобин, миоглобин, трансферрин, ферритин), что необходимо для предотвращения цитотоксических эффектов свободного железа]. Помимо участия в формировании оксидантно-антиоксидантного статуса организма железо выполняет ряд других функций. Входя в состав ферментов и белков, этот микроэлемент участвует в биосинтезе ДНК (рибонуклеотидредуктаза), в детоксикации ксенобиотиков, в процессах образования энергии в клетках организма (цитохромы), в транспорте кислорода (гемоглобин), в депонировании кислорода в скелетных мышцах и миокарде (миоглобин). Железо повышает фагоцитарную активность нейтрофилов, участвует в регуляции продукции иммунными клетками и другими клетками организма белковых сигнальных молекул - цитокинов, необходимых для взаимодействия между иммунокомпетентными клетками и полноценного иммунного ответа организма на различные антигены [10, 11].

Физиологическая потребность в железе составляет 10 мг/сутки для мужчин и 18 мг/сутки для женщин [8]. У спортсменов потребность в этом микроэлементе на 20 % выше, по сравнению с людьми, не занимающимися спортом [11]. Лучшими источниками железа служат пищевые продукты животного происхождения (телятина, говядина, говяжья печень, крольчатина, баранина, свинина), содержащие этот микроэлемент в наиболее легко усвояемой организмом человека форме (гемовое железо). Из продуктов животного происхождения усваивается 22-35 % содержащегося в них железа, а из продуктов растительного происхождения - не более 3-5 %. Ухудшают всасывание железа в пищеварительном тракте фитаты злаков, бобовых, орехов, образующие с железом нерастворимые комплексы; пищевые волокна; полифенольные соединения чая и кофе; кальций, содержащийся в молочных продуктах. Способствуют его всасыванию в кишечнике витамины С и В₁₂ , [9], молочная, лимонная кислоты [10], животные белки, цистеин, лизин, гистидин [11].

Медь входит в состав большого количества ферментов и других соединений, что определяет многогранность её функций. Она является важным компонентом одного из ключевых антиоксидантных ферментов - цинк-медь-содер-жащей супероксиддисмутазы, которая катализирует реакцию взаимодействия двух супероксидных радикалов друг с другом, превращая их в менее токсичный пероксид водорода и молекулярный кислород. Супероксиддисмутаза присутствует во всех клетках, потребляющих кислород, и защищает их от повреждающего действия супероксидных радикалов. Другим медьсодержащим соединением с выраженной антиоксидантной активностью является медьсодержащий белок плазмы крови - церулоплазмин, способный разрушать супероксидные радикалы (’О2-). Церулоплазмин служит основным депо меди в плазме крови (содержит примерно 90 % меди крови) и транспортирует медь по организму. Медь участвует в построении цитохромоксидазы, необходимой для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) в энергетических центрах клеток - митохондриях, что определяет важную роль этого микроэлемента в энергетическом обмене. Присутствие в составе лизилоксидазы, необходимой для синтеза коллагена и эластина, определяет большую значимость меди в процессах биосинтеза этих важнейших белков соединительной ткани, образующей опорный каркас и наружные покровы всех органов. Медьсодержащий фермент тирозиназа катализирует реакции, приводящие к образованию пигмента меланина, который поглощает ультрафиолетовые лучи и тем самым, защищает ткани тела от лучевого повреждения [10]. Медь способствует усвоению железа, участвует в синтезе гемоглобина, тироксина; активирует окисление глюкозы, замедляет распад гликогена в печени; участвует в процессах роста и дифференциации костной ткани; стимулирует выработку гормонов гипофиза; повышает устойчивость организма к некоторым инфекциям [9, 10].

Физиологическая потребность организма взрослого человека в меди составляет 1,0 мг/сутки [8]. Её основными источниками являются: печень животных, мясо, морепродукты, орехи, бобовые, крупы, шоколад, фрукты, овощи. При этом из продуктов животного происхождения она усваивается лучше, чем из продуктов растительного происхождения [9].

Цинк входит в состав более 200 ферментов, в том числе антиоксидантного фермента цинк-медь-содержащей супероксиддисмутазы, РНК- и ДНК-полимераз, обратной транскриптазы, малатдегидрогеназы, являющейся важным фермен-том цикла Кребса - общего пути преобразования органических веществ и основного процесса, обеспечивающего снабжение клеток энергией, ферментов, участвующих в обмене белков, жиров и углеводов; участвует в активации металлотионеинов - белков богатых аминокислотой цистеином, способных нейтрализовать свободные радикалы, препятствовать окислительному стрессу, связывать тяжёлые металлы [2]; способствует всасыванию витамина Е и поддержанию его нормального уровня в крови [9], участвует в стабилизации клеточных мембран, оказывает влияние на процессы апоптоза, принимает участие в процессах деления и дифференцировки клеток, в синтезе нуклеиновых кислот, белков, формировании костной и мышечной тканей, кроветворении, в процессах регенерации кожи, заживления ран, роста волос и ногтей, стимулирует синтез инсулина и входит в его состав, проявляет противо- воспалительные свойства; необходим для нормальной работы иммунной системы [4].

Физиологическая потребность организма взрослого человека в цинке составляет 12 мг/сутки [8]. Основными его источниками являются: мясо, печень, морепродукты (особенно устрицы), рыба, тыквенные семечки, сыр, цельные злаки, орехи, бобовые. Из продуктов животного происхождения цинк усваивается лучше, чем из продуктов растительного происхождения [9].

Как недостаток, так и избыток микроэлементов селена, железа, меди и цинка оказывает негативное влияние на антиоксидантную систему, метаболический статус, работоспособность и состояние здоровья человека. В частности, недостаточность селена в организме сопровождается снижением активности селенопротеинов, включая глутатионпероксидазу, что ослабляет антиоксидантную защиту клеточных структур от оксидантов. Дефицит этого микроэлемента отрицательно влияет на функциональное состояние иммунной, сердечно-сосудистой, эндокринной, репродуктивной систем, процессы образования энергии в клетках [9, 10]. На фоне дефицита селена могут наблюдаться качественные изменения кишечной микробиоты, при которых повышается риск развития воспалительных заболеваний кишечника [12].

Железодефицитные состояния сопровождаются мышечной слабостью, быстрой утомляемостью; снижением уровня гемоглобина в крови (анемия), уменьшением кислородной ёмкости крови, содержания миоглобина в мышцах; угнетением процессов аэробного энергообеспечения тканей; головными болями, головокружением; активизацией процессов свободнорадикального окисления липидов, ослаблением фагоцитарной защиты и механизмов клеточного иммунитета, повышением восприимчивости к возбудителям инфекционных болезней; снижением толерантности к физическим нагрузкам, выносливости, физической работоспособности, замедлением восстановления после физической нагрузки [10, 11].

При дефиците меди снижается активность цинк-медь-содержащей су-пероксиддисмутазы и церулоплазмина, что повышает вероятность развития окислительного стресса [2]; возможны нарушения кроветворения (анемия); ухудшается всасывание железа; повышается риск развития остеопороза, ишемической болезни сердца, атеросклероза, сахарного диабета, ожирения. Пониженное содержание меди в организме также ассоциируется с дисфункциями щитовидной железы, ухудшением состояния соединительной ткани, миелиновых оболочек нейронов, снижением иммунной защиты организма [9, 10].

Дефицит цинка сопровождается снижением активности антиоксидантной системы, усилением выработки активных форм кислорода, вызывающих повреждение клеточных мембран и нарушение продукции энергии (синтеза АТФ) в митохондриях [13]. Из-за ухудшения функционального состояния системы антиоксидантной защиты в условиях дефицита цинка может наблюдаться хронический окислительный стресс, сопровождающийся повреждением мембран иммуноцитов, что играет определённую роль в снижении функций иммунной системы, патогенезе хронических заболеваний, повышении тяжести течения вирусных инфекций [14]. Проявлениями недостаточной обеспеченности организма цинком могут быть: раздражительность, быстрая утомляемость, ухудшение памяти, снижение остроты зрения, уровня инсулина, увеличение частоты и продолжительности простудных заболеваний, анемия [9, 10]; у спортсменов -существенное снижение физической работоспособности. Последнее может быть обусловлено ослаблением энергопродуцирующей функции митохондрий при дефиците цинка; снижением активности цинксодержащего фермента карбоангидразы в эритроцитах, участвующего в связывании и выведении из организма углекислого газа; увеличением скорости накопления молочной кислоты в мышцах при физической работе из-за снижения активности цинксодержащего фермента лактатдегидрогеназы [13].

Несмотря на значимую роль микроэлементов с антиоксидантными свойствами в процессах метаболизма, в осуществлении и регуляции функций организма, избыток каждого из них может привести к неблагоприятными последствиям для здоровья человека.

Избыточное поступление в организм селена сопровождается токсическим эффектом, который может реализоваться посредством селен-зависимой генерации активных форм кислорода [10]. Основными проявлениями избытка селена являются: чесночный запах изо рта, нестабильность эмоционального состояния, тошнота, нарушения функций печени, дерматиты, облысение, ломкость ногтей. Избыток этого микроэлемента в организме ассоциируется с повышением риска развития сахарного диабета второго типа и отдельных нейродеге-неративных заболеваний [9, 10].

Избыток железа сопровождается токсическими эффектами, которые во многом обусловлены способностью свободных ионов железа, как металла с переменной валентностью, катализировать образование наиболее токсичного из активных форм кислорода - гидроксильного радикала (ОН ^ ), повреждающего липиды, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты [2]. Проявлениями избыточного поступления в организм железа могут быть: головные боли, головокружения, повышенная утомляемость; снижение неспецифической резистентности организма, ослабление клеточного звена иммунитета, повышение риска развития иммунодефицитных состояний, инфекционных, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний [3].

Избыток меди, являющейся металлом с переменной валентностью, способствует образованию свободных радикалов, вызывающих окисление биомолекул [2]. На фоне избытка меди в организме наблюдаются интенсификация образования активных форм кислорода с последующим развитием окислительного стресса; ухудшение памяти, бессонница, нарушения функций печени и почек, анемия; повышается риск развития сердечно-сосудистых, онкологических, нейродегенеративных заболеваний [9, 10].

Большинство авторов сходятся во мнении, что при интенсивных физических нагрузках потребность организма спортсменов в микроэлементах с антиоксидантными свойствами повышается вследствие интенсификации метаболических процессов и необходимости приспособления к условиям окислительного стресса. Дисбаланс этих нутриентов в организме спортсменов на фоне больших физических нагрузок может быть фактором, оказывающим негативное влияние на обмен веществ, состояние здоровье и работоспособность спортсменов [10]. В тоже время, данные литературы об обеспеченности организма спортсменов селеном, железом, медью и/или цинком в условиях интенсивных физических нагрузок достаточно противоречивы. Результаты одних исследований свидетельствуют о снижении концентрации микроэлементов с антиоксидантными свойствами в образцах биосубстратов спортсменов при больших нагрузках (иногда до выраженного дефицита), что может быть связано с функциями этих нутриентов, в том числе с участием в антиоксидантной защите [7, 10, 15-20]. В других исследованиях продемонстрировано отсутствие существенных различий, дефицита или избытка тех или иных микроэлементов в организме спортсменов, по сравнению с аналогичными показателями лиц, не занимающихся спортом, или референсными значениями [10]. Имеются также отдельные исследования, указывающие на возможность повышения уровня некоторых микроэлементов в организме спортсменов по сравнению с соответствующими показателями лиц, не занимающихся спортом, или референсными значениями [10, 18, 19].

Так, по данным M. Maynar с соавторами [15] у профессиональных спортсменов, занимающихся различными видами спорта, содержание селена в крови было достоверно ниже, чем у людей ведущих малоподвижный образ жизни. При этом по содержанию меди между спортсменами и людьми, не занимающимися спортом, каких-либо различий обнаружено не было.

Е. П. Исаева с авторами [16] на основании ретроспективного анализа 802 амбулаторных карт и показателей крови членов сборных спортивных команд России в возрасте 13-18 лет по 17 видам спорта, сделали заключение о высокой распространённости латентного дефицита железа (23,2 %) и умеренной распространённости железодефицитной анемии (5,4 %) у юных элитных спортсменов. Частота выявления железодефицитной анемии у девушек была значительно выше (8,9 %), чем у юношей (1,1 %). Наибольшее количество случаев железодефицитной анемии было зарегистрировано у представителей игровых видов.

В исследовании А. Л. Горбачева [11], проведённом с участием юношей-спортсменов (n=31) в возрасте 19-22 лет, проживающих в г. Магадане, у большинства спортсменов (61 %) выявлено высокое содержание железа в волосах, превышающее норму в 7-10 раз, что, по мнению автора, свидетельствует об усиленном метаболизме железа, его выведении из организма и формировании дефицита. При этом у юношей контрольной группы, не занимающихся спортом, достоверных отклонений уровня железа в волосах от нормативных показателей отмечено не было.

По данным Т. Я. Корчиной с соавторами [20], средние показатели содержания селена, меди и цинка в волосах юношей-спортсменов циклических видов спорта (биатлон, лыжные гонки) находились в пределах референсных значений, но были ниже, чем у студентов, не занимающихся спортом. При этом межгрупповые различия по концентрации селена в волосах являлись статистически достоверными.

Исследование Е. М. Степановой, Е. А. Луговой [18] показало, что для пловцов, боксёров и борцов (кандидатов в мастера спорта и мастеров спорта), независимо от спортивной специализации, характерно достоверно пониженное содержание в волосах селена, по сравнению с этим показателем у юношей, не занимающихся спортом (контроль). В тоже время в волосах у пловцов было отмечено повышенное содержание железа и меди, а в волосах единоборцев -цинка, по сравнению с контролем.

В исследовании Е. В. Евстафьевой с соавторами [7], выполненном с участием 23 легкоатлетов 12-15 лет, установлено, что у 90 % юных спортсменов был выраженный дефицит меди.

В исследовании Д. С. Королева с соавторами [19], проведённом с участием 66 спортсменов-борцов, установлено, что содержание меди и кобальта в волосах борцов было выше, по сравнению с аналогичными показателями лиц, не занимающихся спортом. При этом у представителей контрольной группы уровни всех микроэлементов находились в пределах референсных значений.

Результаты исследования Н. П. Петрушкиной с соавторами [17] продемонстрировали, что содержание цинка в образцах волос подростков, занимающихся спортом было существенно ниже по сравнению с таковым у их сверстников, не занимающихся спортом. При этом у всех обследованных школьников, независимо от уровня их физической активности, концентрация цинка в волосах находилась в пределах нормальных значений.

Неадекватная обеспеченность организма спортсменов микроэлементами с антиоксидантными свойствами создаёт предпосылки к нарушениям работы антиоксидантной системы, может быть фактором, способствующим снижению работоспособности, повышению риска развития многих заболеваний и ухудшению спортивных результатов [10]. Поэтому адекватная обеспеченность организма спортсменов такими биоэлементами и другими необходимыми компонентами пищи, является актуальной задачей, требующей решения при организации питания атлетов. Для обеспечения баланса селена, железа, меди и цинка в организме спортсменов приоритетное значение имеет оптимизация питания с использованием в рационах необходимого количества пищевых продуктов с высоким содержанием этих микроэлементов. Усвоению микроэлементов способствует повышенное содержание в рационе белков животного происхождения; препятствуют их усвоению фитаты, пищевые волокна, полифе- нольные соединения чая и кофе, что следует учитывать при составлении рационов питания, как для спортсменов, так и людей, не занимающихся спортом. Принимая во внимание возможность проявления токсических эффектов при избыточном поступлении в организм селена, железа, меди или цинка, применение фармакологических препаратов и биологически активных добавок к пище, содержащих эти микроэлементы может быть рекомендовано только при лабораторно подтверждённом дефиците их в организме спортсменов, по предписанию врача.