فعالیت بدنی و پارادوکس رادیکال‌های آزاد

مقدمه

سلول‌ها به عنوان بخشی از فرایندهای متابولیکی به طور دائم رادیکال آزاد و گونه های اکسیژن واکنشی[۱] تولید می‌کنند. رادیکال‌های آزاد توسط یک سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی دقیق مرکب از آنزیم‌هایی مانند کاتالاز، سوپراکساید دیسمیوتاز، گلوتاتیون پراکسیداز، و آنتی‌اکسیدان‌های غیر آنزیمی مانند ویتامین‌هایA ، E،C ، گلوتاتیون، یوبیکوئینون[۲]، و فلاوونویدها[۳] خنثی می‌شوند.

ورزش می‌تواند عدم تعادل بین ROS ها و آنتی اکسیدان‌ها به وجود بیاورد، که به عنوان فشار اکسایشی از آن یاد می‌شود. فعالیت بدنی تولید رادیکال‌های آزاد را از چند راه افزایش می‌دهد. در شرایط عادی ۲ تا ۵ درصد اکسیژن استفاده شده در میتوکندری‌ها به صورت رادیکال آزاد از آن خارج می‌شود. ورزش مصرف اکسیژن بدن را به ۱۰ تا ۲۰ برابر حالت استراحتی می‌رساند. با افزایش فسفوریلاسیون اکسایشی در پاسخ به ورزش، افزایش همزمانی در تولید رادیکال‌های آزاد به وجود می‌آید. کاتکولامین‌هایی که در طول فعالیت آزاد می‌شوند نیز می‌توانند موجب تولید رادیکال‌های آزاد شوند. برخی دیگر ازمنابع افزایش رادیکال‌های آزاد عبارتند از؛ متابولیسم پروستانوئید[۴]، مسیرهای آنزیمی زانتین اکسیداز، NOX2[5]، و چندین منبع ثانویه دیگر از جمله رهایش رادیکال‌های آزاد توسط ماکروفاژها .

تجدیدنظری در باب فشار اکسایشی و رادیکال‌های آزاد

با نگاهی اجمالی به پژوهش هایی که در زمینه “فشار اکسایشی” و “آنتی‌اکسیدان‌ها” انجام  شده است، متوجه می‌شویم که همگی به زیان‌بار بودن اکسیدان‌ها اشاره کرده‌اند. ورزشکاران برای خنثی کردن فشار اکسایشی ناشی از ورزش از مکمل‌های ورزشی استفاده می‌کنند و معتقدند با بالا رفتن شدت ورزش نیاز به آنتی‌اکسیدان‌ها در رژیم غذایی افزایش می‌یابد. ROS ها به خاطر شکل رادیکالی خود قابلیت آسیب زدن به همه انواع مولکول‌ها را دارند. در این بین واکنش با DNA که موجب سرطان می‌شود، یا با لیپوپروتئین‌ها که به عنوان یک واکنش مولد آترواسکلروز شناخته می‌شود، بیشترین توجه را به خود معطوف کرده‌ است.

با این حال، شواهد فزاینده‌ای وجود دارند که نشان می‌دهند ROS ها نه تنها سمی نیستند، بلکه برای داشتن یک زندگی سالم به آن ها نیازمند هستیم. بهترین مثال، تولید سوپراکساید توسط بیگانه خوارها برای کشتن باکتری‌ها، یا تنظیم مثبت سیستم دفاعی بدن برای نابودی زنوبیوتیک‌ها یا عوامل سرطان‌زا است.

هیدروژن پراکساید[۶] تولیدی در میتوکندری ها، از زمان کشف به عنوان یک نارسایی ساختاری بزرگ در زنجیره ی تنفسی محسوب می‌شد، اما اکنون به عنوان تنظیم کننده ی مسیرهای مرگ سلولی شناخته می‌شود.

هم چنین، آنیون سوپراکساید اکنون به عنوان یک متابولیت فیزیولوژیکی آنزیم NOX2 بیگانه خوار ‌ها شناخته می‌شود که اهمیت زیادی در دفاع در برابر عفونت‌های میکروبی دارد.

بر این اساس، تولید ROS ها یا همان فشار اکسایشی، تهدیدی برای زندگی هوازی محسوب نمی‌شود، بلکه پدیده‌ای است که هوموستاز زندگی طبیعی را شکل می‌دهد.

پارادوکس ROS

تا این جا متوجه شدیم که دو دیدگاه کاملا متفاوت و تا حدی متناقض در مورد تولید ROS ها در نتیجه ی ورزش وجود دارد. از دیدگاه سنتی ROS ها در هر حالت برای بدن سمی هستند و تاثیرات زیان باری بر سلول‌ها می‌گذارند. اما دیدگاه مدرن آن ها را نه تنها سمی نمی‌داند، که برای داشتن یک زندگی سالم ضروری هم می‌داند. بر اساس دیدگاه مدرن ROS ها می‌توانند پاسخ‌های سازگاری عضلانی به تمرین را بهبود بخشند؛ در مقابل، دیگران معتقدند که  ROS ها تاثیری مهار کننده بر ریکاوری عضله دارند و مصرف آنتی‌اکسیدان را برای خستگی عضله توصیه می‌کنند. این موضوعات جای بحث دارند و به طوری که خواهیم دید همه نسبی هستند. استدلال‌های اساسی در حمایت از زیان ‌بار بودن ROS ها عبارتند از:

• آسیب زدن به DNA، پراکسیداسیون لیپیدها و اکسایش پروتئین‌ها

ها همان گونه که از نام شان بر‌می‌آید، به شدت واکنش‌پذیر بوده و از این رو می توانند به همه درشت‌مولکول‌ها از جمله لیپیدها، پروتئین‌ها و اسید نوکلئیک‌ها آسیب برسانند. یکی از شناخته‌شده‌ترین تاثیرات سمی رادیکال‌های اکسیژن آسیب به غشاهای سلولی است که از راه فرایندی به نام “لیپید پراکسیداسیون” آغاز می‌شود. هدف متعارف این فرایند اسید‌های چرب اشباع نشده موجود در فسفولیپیدهای غشا هستند، اما آبشارهای اکسایشی به وجود آمده در این فرایند DNA و پروتئین‌ها را نیز بی‌نصیب نمی گذارد و با آسیب رساندن به آن ها سرانجام موجب پیر شدن سلول یا آپوپتوز آن می‌شود.

• تحلیل بردن عضله از طریق تحریک بیان پروتئوزوم

 ROS ها از راه فعال کردن NF-κβ[۷]  می‌توانند مسیر پروتئوزوم را که در تجزیه ی پروتئین‌ها نقش دارد تحریک کند.

• نقش پیشنهاد شده ROS ها در خستگی از راه مهار حساسیت به کلسیم

 یکی از رویکردهای تعیین سازوکار ‌های خستگی عضلانی استفاده از تارهای عضلانی منفرد پر از یک شاخص کلسیم است. در این روش، افت نیروی ایزومتریک در جریان انقباض (خستگی) را می‌توان به سه عامل مختلف نسبت داد. ۱) تغییر در حداکثر نیروی فعال شده به واسطه ی Ca²⁺، ۲) تغییر در مقدار کلسیم درون‌سلولی در طول تحریک کزازی، و ۳) کاهش حساسیت سیستم انقباضی به Ca²⁺. در دمای اتاق هر سه این عوامل در خستگی به وجود آمده در عضله به طور نسبی سهم دارند. این احتمال وجود دارد که افزایش غلظت فسفات غیرآلی و اسیدوز عضله مسئول کاهش حداکثر نیروی فعال شده توسط کلسیم، و کاهش حساسیت به کلسیم باشد. پیش از این گفته شده بود که اسیدوز درون عضلانی در کاهش حساسیت به کلسیم نقش دارد، اما آزمایش مربوط به آن ادعا در دمای اتاق انجام شده بود، و هنگامی که آزمایشاتی در دمای ۳۷ درجه انجام گرفت، مشخص شد اسیدوز در این شرایط تاثیر ناچیزی بر حساسیت به کلسیم یا خستگی عضله دارد. به همین ترتیب مشخص شد با نزدیک‌تر شدن دما به دمای فیزیولوژیک، تاثیر غلظت فسفات و دیگر متابولیت‌ها در خستگی عضلانی کمتر می‌شود. هم چنین بروز سریع تر خستگی در دمای ۳۷ درجه نسبت به دماهای پایین‌تر، این احتمال را برانگیخت که سازوکارهای دیگری باید در خستگی عضلانی دخالت داشته باشند و با توجه به ۱)تولید سریع‌تر ROS ها به هنگام فعالیت انقباضی، ۲) تسریع بروز خستگی همگام با تخلیه ی آنتی‌اکسیدان‌ها و ۳)کاهش روند گسترش خستگی با مصرف آنتی‌اکسیدان‌ها به این نتیجه رسیدند که به احتمال زیاد ROS ها در خستگی دخالت دارند. سپس با استفاده از نشانگر کلسیم مشخص شد سازوکار تاثیر ROS ها در خستگی عضلانی، کاهش حساسیت سیستم انقباضی به کلسیم است.

در خصوص جنبه‌های مثبت و نقش‌های ضروری ROS ها شواهد پژوهشی نشان می دهد غلظت‌های پایین تا متوسط اکسیدان‌ها، که به هنگام ورزش تولید می‌شوند، بر توسعه استقامت، روند پیری و سندرم متابولیک تاثیر مثبتی می گذارد. به هنگام ورزش عضله لاکتات را تولید و مصرف می‌کند. لاکتات از راه حامل لاکتات/پیروات میتوکندریایی، یعنی مونوکربوکسیلات ترنسپورتر[۸]، به درون میتوکندری انتقال می‌یابد. لاکتات در درون میتوکندری تنفس سلولی و به دنبال آن تولید ROS را تحریک می‌کند. ROS نیز به نوبه ی خود می‌تواند سیگنالینگ سلولی را آغاز کرده و از راه اعمال تغییرات مستقیم در پروتئین‌های هدف یا تغییر وضعیت ردوکس درون سلولی، تغییراتی را در بیان ژنی به وجود آورد. برای مثال پیشنهاد شده است ROS ها در مسیرهای سیگنالینگ عوامل رشدی نقش دارند.

ارتباطات مولکولی موجود بین تولید ROS و پاسخ سازگاری فراوان است، اما سیستم NFκβ و Keap1/Nrf2 بیش از همه مورد مطالعه قرار گرفته‌ است. Nrf2 فعال کننده ی پاسخ آنتی‌اکسیدانی است، اما خودش توسط اکسایش گروه سولفیدریل خود فعال می‌شود (یعنی یک اکسیدان باید آن را فعال کند). از این نظر فشار اکسایشی ملایمی را که توسط ورزش اعمال می شود می‌توان نوعی واکسن محسوب کرد که در برابر چالش اکسایشی زیان‌آور از ارگانیسم محافظت می‌کند.

هم چنین، پیشنهاد شده است ROS‌ ها در پاسخ به تمرین بتوانند مایوکاین‌ها را تحریک ‌کنند. پژوهش های مداخله‌ای انسانی از این ایده حمایت می‌کند؛ پس از مصرف همزمان آنتی‌اکسیدان‌ها (ویتامین‌های A، C، E) تولید IL-6 عضلانی به طور کامل متوقف می شود، نتیجه‌ای که نشان می‌دهد تحریک IL-6 در پاسخ به ورزش به ROS وابسته است. در پژوهشی دیگر نیز نشان داده شد مصرف مکمل‌های ویتامین C  و E رهایش IL-6 از عضله ی اسکلتی در حال انقباض انسان را مهار می‌کند.

هم چنین، غیرفعال کردن نیتریک اکسید سینتاز توسط مهارکننده‌ای به نام L-NAME به کاهش تحریک IL-6 ، IL-8  و کاهش بیان ژن پیروات دهیدروژناز کیناز ناشی از ورزش انجامید. در مقابل، تزریق وریدی نیتروگلیسیرین، که موجب افزایش رادیکال‌های نیتروژن می‌شود، بیان همان ژن‌ها را به طور چشمگیری افزایش داد. این موضوع نشان می‌دهد این ها همگی ژن‌های هدفی بوده‌اند که توسط NO در پاسخ به ورزش تحریک می‌شوند.

در مجموع، این داده‌ها بر نقش ROS به عنوان یک محرک تولید مایوکاین و هم چنین میانجی سیگنالینگ سلولی در عضله تاکید می‌گذارد.

نتیجه‌گیری

به رغم پیشرفت‌های عینی صورت گرفته، هنوز فاصله زیادی تا به دست آوردن تصویر جامعی از بیولوژی مرتبط با ROS در انسان وجود دارد. نتیجه‌گیری کلی در زمینه تولید ROS ناشی از ورزش و تاثیرات آن این است که فشار جسمانی ملایم زیان‌بار نیست و چنانچه ROS توسط سیستم آنتی‌اکسیدانی درونی بدن در حالت تعادل حفظ شود، از راه تنظیم سیگنالینگ سلولی نقشی مهم در سازگاری عضله ایفا خواهد کرد. تنها هنگامی که فرد کاملا غیرآماده شروع به انجام ورزش تا حد خستگی کند، فعالیت می‌تواند مساله ساز شود. این بدان معناست که باید آستانه‌ای را که شرایط فیزیولوژیک به شرایط پاتوفیزیولوژیک تبدیل می‌شود، درک کنیم.