Johdanto
Happo on aine, joka pystyy luovuttamaan vetyioneja (H+), ja emäs puolestaan pystyy vastaanottamaan vetyioneja (H+). Happoa vastaa aina emäs. Opimme jo peruskoulussa, että happamuusasteen mittana käytetään pH-asteikkoa. pH on vetyionipitoisuuden negatiivinen logaritmi. Vetyionipitoisuuden suurentuessa pH laskee (liuoksen happamuusaste kasvaa) ja vastaavasti vetyionipitoisuuden pienentyessä pH nousee (liuoksen happamuusaste pienenee).
Solunulkoisen nestetilan pH on normaalisti n. 7,4 ja solunsisäisen n. 7,0, joten solunesteen vetyionipitoisuus on n. 2,5-kertainen kudosnesteeseen verrattuna. Kalvojännite vetää vetyioneja solun sisään, mutta solukalvon antiportit kuljettavat niitä päinvastaiseen suuntaan natriumin ajamana. Näin elimistön nestetilojen pH-arvot pysyvät varsin vakioina. Solunulkoisen nestetilan osalta epänormaalina pidetään jo ± 0,05 pH-yksikön muutosta, joka vetyionipitoisuudessa tarkoittaa n. 10 %:n muutosta. Liian suurta vetyionipitoisuutta (liian matalaa pH-arvoa) kutsutaan asidoosiksi ja vastaavasti liian pientä vetyionipitoisuutta (liian korkeaa pH-arvoa) alkaloosiksi.
Ihmisen metaboliassa eli aineenvaihdunnassa syntyy jatkuvasti erilaisia happoja ja emäksiä, mutta merkittävät muutoksen elimistön nesteiden pH-arvoissa estäisivät solujen normaalit toiminnot. Niinpä elimistössä täytyy olla tehokkaita puskurijärjestelmiä, jotka estävät suuret muutokset pH-arvossa. Liuoksen puskurikapasitetti on suurimmillaan, kun liuoksen pH on yhtä suuri kuin siinä olevan puskuriyhdisteen pKa-arvo, jolloin puskuriyhdisteen happo- ja emäsmuotoa on liuoksessa yhtä paljon. Nyrkkisääntönä voidaan todeta, että puskuriyhdiste on käyttökelpoinen silloin, kun pH = pKa ± 1. Liikuntatieteilijät ovat viime aikoina olleet hyvin kiinnostuneita solunsisäisestä puskuriyhdisteestä karnosiinista, sillä sen pKa-arvo 6,83 on hyvin lähellä kuormitetun lihassolun pH:ta.
Kovatehoinen fyysinen kuormitus saa aikaan lyhytaikaisen metabolisen asidoosin. Ääritapauksissa veren pH voi laskea arvoon 6,8 ja lihassolun pH arvoon 6,4 tai jopa alle. Asidoosi voi heikentää lihasten voimantuottoa monella tapaa. Asidoosin ja lihasväsymyksen välistä yhteyttä on vaikea osoittaa kiistattomasti, mutta tutkijat ovat varsin yksimielisiä siitä, että asidoosilla on tärkeä rooli lihasväsymyksessä.
Lihasten karnosiinipitoisuus ja fyysinen suorituskyky
Karnosiini eli beeta-alanyyli-L-histidiini on solulimaan varastoituva dipeptidi, jota on runsaasti luustolihaksissa ja keskushermostossa. Karnosiinin on ehdotettu olevan erittäin tärkeä solunsisäinen puskuri fyysisen kuormituksen aikana, sillä sen histidiinitähteen imidatsolirenkaan pKa-arvo (6,83) on hyvin lähellä kuormitetun luustolihassolun pH-arvoa. Tätä olettamusta tukevat myös eläinkunnasta otetut lihasnäytteet; eläimet, jotka pakenevat tai metsästävät juoksemalla, omaavat erittäin korkeat karnosiinipitoisuudet luustolihaksissa.
Ihmisen luustolihasten karnosiinipitoisuus on yleensä n. 17-25 mmol/kg kuivamassaa. Säännöllinen liikunta ei näytä vaikuttavan lihasten karnosiinipitoisuuteen (Kendrick 2008 & 2009), joskin pientä nousua yleensä tapahtuu fyysisesti inaktiivisen henkilön alkaessa urheilemaan säännöllisesti. Korkeimmat karnosiinipitoisuudet on havaittu kansallisen tason kilpakehonrakentajilla (Tallon ym. 2005). Tämä havainto saattaa osittain selittyä anabolis-androgeenisten steroidien väärinkäytöllä, sillä androgeenit lisäävät karnosiinisynteesiä. Toinen selittävä tekijä lienee valikoituminen; kilpatasolle ovat nousseet ne, joilla perintötekijät ovat olleet suotuisat. Lihasten korkea karnosiinipitoisuus on omalta osaltaan auttanut kehonrakennustyyppisessä voimaharjoittelussa. Parkhouse ym. (1985) raportoivat pikajuoksijoiden ja soutajien omaavan merkitsevästi suuremmat karnosiipitoisuudet kuin maratoonarien ja kontrollien. Havainto selittynee pääasiassa valikoitumisella.
Suzuki ym. (2002) tarjosivat suoraa näyttöä lihasten karnosiinipitoisuuden tärkeydestä kovatehoisessa urheilusuorituksessa. Heidän tutkimuksessaan karnosiinipitoisuus korreloi merkitsevästi lihasten tuottaman tehon kanssa maksimaalisessa 30 sekunnin kestoisessa polkypyöräergometritestissä. Kuten odotettua, huipputeho saavutettiin ensimmäisten viiden sekunnin aikana ja se jälkeen teho lähti tasaiseen laskuun. Kun ergometrisuoritus jaettiin kuuteen jaksoon, havaittiin, että karnosiinipitoisuus korreloi merkitsevästi tehon kanssa kahdessa viimeisessä jaksossa.
Beeta-alaniinin saatavuus on lihasten karnosiinisynteesin rajoittava tekijä
Karnosiini on beeta-alaniinista ja histidiinistä muodostuva dipeptidi (kaksi aminohappoa sitoutunut yhteen). Karnosiinin puskuriominaisuudet johtuvat histidiinitähteen pKa-arvosta, mutta lihassolut eivät voi varastoida histidiiniä solulimaan sellaisenaan, sillä sitä käytettäisiin muihin reaktioihin (histamiinisynteesi, proteiinisynteesi). Elimistö valmistaa beeta-alaniinia maksassa urasiilista, kun taas histidiiniä saadaan sellaisenaan ruoasta. Molemmat kulkeutuvat veren mukana luustolihassoluun, jossa karnosiinisyntetaasi -niminen entsyymi muodostaa niistä karnosiinia. Ruoasta tai ravintolisistä saatava karnosiini hajoaa nopeasti veressä beeta-alaniiniksi ja histidiiniksi karnosinaasi -nimisen entsyymin toimesta. On kriittistä, että karnosinaasiensyymiä ei esiinny luustolihaksissa; muutoinhan karnosiinin varastointi luustolihassoluihin olisi mahdotonta. Veren beeta-alaniinipitoisuus on hyvin pieni verrattuna veren histidiinipitoisuuteen (<2 mM vs. 50 mM). Beeta-alaniinin Michaelis-Menten-vakio (Km) karnosiinisyntetaasille on korkea (1,0-2.3 mM), joten se muutetaan nopeasti karnosiiniksi. Histidiinin Km karnosiinisyntetaasille on selvästi alhaisempi (16,8 mM), mikä merkitsee karnosiinisyntetaasin alhaista yhtymistaipumusta histidiiniin. Näin ollen on ilmeistä, että beeta-alaniinin saatavuus on lihassolujen karnosiinisynteesin rajoittava tekijä.
Beeta-alaniini ravintolisänä
Harris ym. (2006) vertasivat neljän viikon kestoisen beeta-alaniini- ja karnosiinilisän vaikutuksia luustolihasten karnosiinipitoisuuteen. Tulokset osoittivat, että beeta-alaniinilisä (yht. 145,6 g) nostaa suurin piirtein yhtä tehokkaasti luustolihasten karnosiinipitoisuutta kuin karnosiinilisä (yht. 364 g, vastaten 143,3 g beeta-alaniinia). Karnosiinipitoisuuden lisäys oli beeta-alaniiniryhmässä 64,2 % ja karnosiiniryhmässä 65,8 %. Huomaa, että karnosiinilisän kokonaismäärä oli 2,5-kertainen beeta-alaniinin verrattuna, joten beeta-alaniini oli selvästi tehokkaampaa g vs. g.
Hill ym. (2007) tutkivat kymmenen viikon kestoisen beeta-alaniinilisän (6,4 g/vrk) vaikutuksia lihasten karnosiinipitoisuuteen. Neljän viikon kohdalla nousu oli n. 60 % ja tutkimuksen lopussa n. 80 %. Lihasten karnosiinipitoisuuden maksimointi näyttäisi siis kestävän useita viikkoja. Mielenkiintoista on se, beeta-alaniinin on havaittu lisäävän karnosiinipitoisuuttaa yhtä tehokkaasti sekä matalan että korkean lähtöpitoisuuden omaavilla henkilöillä. Beeta-alaniinilla ei siis näytä olevan varsinaista kattovaikutusta lihasten karnosiinipitoisuuden suhteen. Karnosiinipitoisuuden lasku lähtötasolle beeta-alaniiniin käytön lopettamisen jälkeen kestää useita viikkoja (Baguet ym. 2009).
Useat tuoreet tutkimukset ovat osoittaneet kroonisen (28-90 vrk) beeta-alaniinilisän (2-6,4 g/vrk) parantavan fyysistä suorituskykyä kovatehoisessa urheilussa (kts. Artioli ym. 2010; Derave ym. 2010; Sale ym. 2009). Tällaista vaikutusta kutsutaan tieteellisessä kirjallisuudessa ergogeeniseksi vaikutukseksi. Beeta-alaniinilla ei kuitenkaan ole ollut ergogeenistä vaikutusta suorituksissa, joissa luustolihassolujen pH ei laske merkittävästi. Beeta-alaniinista ei siis ole hyötyä kevyessä liikunnassa.
Beeta-alaniinlisän on raportoitu mm. parantavan uupumukseen johtavaa aikaa maksimaalisessa polkypyöräergometritestissä ja lykkäävän neuromuskulaarista väsymystä nousevalla kuormituksella suoritetussa polkupyöräergometrissä. Beeta-alaniinin on havaittu myös parantavan vääntömomenttia dynaamisessa reisiojennuksessa. Hoffman ym. (2006) raportoivat beeta-alaniini-kreatiini -yhdistelmällä (3,2 g + 10,5 g) olevan suurempi vaikutus kehonkoostumukseen kuin pelkällä kreatiinilla 10 viikon voimaharjoittelujakson aikana, mutta heidän datansa ei kiistattomasti tue tätä johtopäätöstä.
Yksi vaikuttavimmista julkaisuista selvitti beeta-alaniinin vaikutuksia huippusoutajien suorituskykyyn (Baguet ym. 2010). Soutajille annettiin kaksoissokkoutettuna joko beeta-alaniinia (5 g /vrk) tai lumetuotetta seitsemän viikon ajan. Beeta-alaniinilisä nosti karnosiinipitoisuutta 45,3 % leveässä kantalihaksessa (soleus) ja 28,2 % kaksois-kantalihaksessa (gastrocnemius). Beeta-alaniiniryhmän soutajat olivat lisän saannin jälkeen 4,3 sekuntia nopeampia kuin lumetuotetta saaneet soutajat 2000 metrin soutuergometrissä, kun taas ennen beeta-alaniinilisää he olivat 0,3 sekuntia hitaampia kuin lumeryhmä.
Beeta-alaniinin ergogeeninen vaikutus johtunee pääasiassa luustolihassolujen parantuneesta puskurikapasiteetista, mutta syy-seuraussuhdetta on vaikea osoittaa kiistattomasti. Karnosiini vaikuttaa myös lihaksen supistuskoneiston kalsiumioniherkkyyteen (Dutka & Lamb 2004). Sarkoplasman eli lihassolun soluliman kalsiumionipitoisuus (Ca2+) on tärkein lihaksen supistumista säätelevä tekijä. Ca2+:n vapautuminen sarkoplasmisesta retikulumista häiriintyy väsyneessä lihaksessa, joten supistuskoneiston lisääntynyt herkkyys Ca2+:lle saattaa vaikuttaa edullisesti suorituskykyyn.
Beeta-alaniini aiheuttaa harmitonta, joskin monien mielestä epämiellyttävää, ihon kihelmöintiä (parestesia). Tätä sivuvaikutusta voidaan vähentää jakamalla päiväannos useisiin kerta-annoksiin tai käyttämällä hitaasti vapautuvaa beeta-alaniinivalmistetta. Samaan aikaan nautitun hiilihydraatin väitetään myös vähentävän kihelmöintiä. On myös esitetty, että hiilihydraattien aiheuttama insuliinin erityksen lisääntyminen tehostaa beeta-alaniinin siirtymistä lihassoluihin, mutta tätä hypoteesia ei ole testattu kontrolloiduissa kliinisissä tutkimuksissa.
Beeta-alaniinin aiheuttaman parestesian vuoksi on mahdollista, että osa beeta-alaniinitutkimuksiin osallistuneista koehenkilö on tiennyt saaneensa beeta-alaniinia lumetuotteen sijaan. Tätä kutsutaan sokkoutuskoodin rikkoutumiseksi. Jos näin on tapahtunut, tutkimuksen tulokset ovat virheellisiä tai vähintäänkin epätarkkoja. Beeta-alaniini ei voi kuitenkaan nostaa lihassolujen karnosiinipitoisuutta pelkän lumevaikutuksen voimalla ja karnosiinin rakenteen perusteella voidaan päätellä, että se toimii tehokkaana puskurina lihassolujen sisällä. Näin ollen on epätodennäköistä, että beeta-alaniinin ergogeeninen vaikutus johtuisi lumevaikutuksesta.
Beeta-alaniinin vaikutuksia tutkittu myös Suomessa
Jyväskylän yliopiston liikuntabiologian laitoksen tutkijat Saana Saltevon johdolla selvittivät Manninen Nutraceuticals Oy:n markkinoiman BetaPure -beeta-alaniinivalmisteen vaikutuksia huippujalkapalloilijoilla maalis-huhtikuussa 2008 (Saltevo 2008). Tutkimus koostui kahdesta mittauskerrasta, alku- ja loppumittauksesta. Mittausten välissä oli neljän viikon harjoittelu- ja latausjakso, jonka aikana koehenkilöt harjoittelivat normaalisti ja nauttivat joko beeta-alaniinia (2 x 1,5 g/vrk) tai lumetuotetta. Koehenkilöt naukkailivat tuotteita nesteeseen sekoitettuna aamulla, päivällä ja illalla. Fyysinen harjoittelu jatkui koehenkilöillä joukkueen harjoitusohjelman mukaisesti. Tutkimuksen päämuuttujana oli 400 metrin juoksu. Tutkijoilla oli kuitenkin hieman epäonnea, sillä lumeryhmässä kolme koehenkilöä ei voinut suorittaa juoksutestiä loukkaantumisten vuoksi, joten tilastolliset analyysit eivät menneet suunnitelmien mukaan. Lainaan suoraan Saana Salveton julkaisua:
"Tutkimuksessa 400 m:n juoksuajat eivät kuitenkaan parantuneet tilastollisesti merkitsevästi beeta-alaniini- ja kontrolliryhmän välillä, mutta beeta-alaniinia nauttineilla muutos alku- ja loppumittausten välillä oli tilastollisesti suuntaa-antava. Jalkapalloilijoille kaikki kentällä voitetut sekunnit pallon kanssa ovat tärkeitä. Tilastollisesti tulosta heikentää se, että ainoastaan kolme koehenkilöä kontrolliryhmästä pystyivät juoksemaan 400 m sekä alku- että loppumittauksissa loukkaantumisten takia. Beeta-alaniiniryhmässä kaikki kahdeksan koehenkilöä suorittivat juoksun molemmissa mittauksissa, ja heistä seitsemän pystyi parantamaan tulostaan; osa jopa yli kolmella sekunnilla."
Eli beeta-alaniiniryhmässä juoksuajat olivat keskimäärin parempia kuin lumeryhmässä, mutta loukkaantumisten vuoksi ero ei saavuttanut tilastollista merkitsevyyttä. Mitä vähemmän koehenkilöitä on tutkimuksessa mukana, sitä suuremmat erot ryhmien välillä pitää olla, jotta tilastollinen merkitsevyys saavutetaan.
Johtopäätökset
Kovatehoinen fyysinen kuormitus saa aikaan lyhytaikaisen metabolisen asidoosin. Lihassolun pH:n lasku voi heikentää voimantuottoa monella tapaa. Karnosiini on beeta-alaniinista ja histidiinistä muodostunut dipeptidi, joka toimii puskurina solunsisäisessä nesteessä. Beeta-alaniinin saatavuus on lihassolujen karnosiinisynteesin rajoittava tekijä. Beeta-alaniinilisän onkin osoitettu lisäävän selvästi lihassolujen karnosiinipitoisuutta. Useat tuoreet tutkimukset ovat osoittaneet kroonisen (28-90 vrk) beeta-alaniinilisän (2-6,4 g/vrk) parantavan fyysistä suorituskykyä kovatehoisessa urheilussa. Ergogeeninen vaikutus näyttäisi olevan suurimmillaan suorituksissa, joissa luustolihassolujen pH laskee merkittävästi. Vaikutus johtunee pääasiassa luustolihassolujen parantuneesta puskurikapasiteetista. Sopiva päiväannos on n. 3-6 g ja annos kannattaa jakaa vähintään kahteen kerta-annokseen.
Kirjallisuutta
Artioli GG ym. Role of beta-alanine supplementation on muscle carnosine and exercise performance. Med Sci Sports Exerc. 2010 Jun;42(6):1162-73.
Baguet A ym. Carnosine loading and washout in human skeletal muscles. J Appl Physiol. 2009 Mar;106(3):837-42.
Derawe W ym. Muscle carnosine metabolism and beta-alanine supplementation in relation to exercise and training. Sports Med. 2010 Mar 1;40(3):247-63.
Dutka TL, Lamb GD. Effect of carnosine on excitation-contraction coupling in mechanically-skinned rat skeletal muscle. Muscle Res Cell Motil. 2004;25(3):203-13.
Harris RC ym. The absorption of orally supplied beta-alanine and its effect on muscle carnosine synthesis in human vastus lateralis. Amino Acids. 2006 May;30(3):279-89.
Hill CA ym. Influence of beta-alanine supplementation on skeletal muscle carnosine concentrations and high intensity cycling capacity. Amino Acids. 2007 Feb;32(2):225-33.
Hoffman J ym. Effect of creatine and beta-alanine supplementation on performance and endocrine responses in strength/power athletes. Int J Sport Nutr Exerc Metab. 2006 Aug;16(4):430-46.
Kendrick IP ym. The effects of 10 weeks of resistance training combined with beta-alanine supplementation on whole body strength, force production, muscular endurance and body composition. Amino Acids. 2008 May;34(4):547-54.
Kendrick IP ym. The effect of 4 weeks beta-alanine supplementation and isokinetic training on carnosine concentrations in type I and II human skeletal muscle fibres. Eur J Appl Physiol. 2009 May;106(1):131-8.
Portington KJ ym. Effect of induced alkalosis on exhaustive leg press performance. Med Sci Sports Exerc. 1998 Apr;30(4):523-8.
Robergs RA ym. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004 Sep;287(3):R502-16.
Saltevo S. Beeta-alaniinin nauttimisen vaikutukset veren pH- ja laktaattiarvoihin sekä fyysiseen suorituskykyyn. Liikuntafysiologian kandidaattitutkielma. Jyväskylän yliopisto, Liikuntabiologian laitos, 2008.
Suzuki Y ym. High level of skeletal muscle carnosine contributes to the latter half of exercise performance during 30-s maximal cycle ergometer sprinting. Jpn J Physiol. 2002 Apr;52(2):199-205.
Tallon MJ ym. The carnosine content of vastus lateralis is elevated in resistance-trained bodybuilders. J Strength Cond Res. 2005 Nov;19(4):725-9.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti