Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СИНТЕЗА МЫШЕЧНЫХ ПРОТЕИНОВ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и программе повышения синтеза мышечных протеинов. Более конкретно, изобретение относится к повышению синтеза мышечных протеинов у лиц, занимающихся физическими упражнениями.

Уровень техники

Физические упражнения изменяют активность протеинов, участвующих во «включении» синтеза протеинов (то есть сигнальных молекул), которые помогают определить, какие мышечные протеины должны образовываться и когда. Аналогично ответным молекулярным реакциям изменения в синтезе протеинов после однократного занятия физическими упражнениями в значительной степени характерны для задачи тренировки, так, например, повышение синтеза протеинов, участвующих в усилии (то есть миофибриллярных), при нагрузках с сопротивлением и повышение синтеза протеинов, участвующих в обеспечении энергией (то есть митохондриальных), при аэробных нагрузках (Coffey VG, and Hawley JA. The molecular bases of training adaptation. J Sports Sci 2007). Однако помимо чистых тренировок на выносливость/аэробных нагрузок и чистых тренировок с сопротивлением современный уровень знаний свидетельствует об отсутствии каких бы то ни было представлений о том, какие протеины будут синтезироваться после тренировки из повторяющихся спринтерских нагрузок, аналогичных тем, которые выполняют спортсмены командных видов спорта на тренировках и во время соревнований.

В период после физических нагрузок эти изменения в активности сигнальных молекул и синтезе мышечных протеинов суммируются в течение от нескольких недель до нескольких месяцев (то есть при тренировках) в физиологические адаптации, которые делают спортсмена более приспособленным к конкретной спортивной задаче/событию.

Имеется очень мало данных о том, что и как может поддержать питание и как оптимизировать эти тренировочные адаптации. Действительно, в упомянутом большом обзоре тренировочных адаптаций 2007 г. «Молекулярные основы тренировочных адаптаций» ("The molecular bases of training adaptation") не обсуждается роль, которую играет питание в поддержании или усилении адаптации к тренировкам. Кроме того, некоторые спортивные задачи включают как резистивный, так и аэробный компонент (например, задачи спринтерского типа «рывок-остановка», часто встречающиеся в командных видах спорта), и, следовательно, совершенно неизвестно, какие изменения происходят в молекулярной сигнализации, а также в синтезе различных мышечных протеинов.

Существуют три основных типа режимов спортивных тренировок, которые включают:

1) упражнения с сопротивлением, 2) анаэробные или повторяющиеся упражнения спринтерского типа и 3) упражнения на выносливость. Для каждого из этих режимов спортивных тренировок характерна расходящаяся ответная реакция на тренировку.

1) Упражнения с сопротивлением заключаются в том, что люди выполняют резкие движения по подъему веса с продолжительными периодами отдыха, и они обеспечиваются главным образом за счет фосфокреатиновых и гликолитических энергетических систем. Такая система может быстро нарабатывать энергию, но она быстро истощается. Первичные адаптации включают увеличение мышечной массы (гипертрофию) за счет возрастания площади поперечного сечения мышцы благодаря повторяющимся упражнениям по подъему веса. См., например, работу К.Хаккинена «Нейромышечные и гормональные адаптации во время силовых и пауэр тренировок (Hakkinen К. Neuromuscular and hormonal adaptations during strength and power training, обзор, J Sports Med Phys Fitness 29: 9-26, 1989), или работу К.Хаккинена и коллег «Зависимость между объемом тренировок, физической результативностью и концентрацией гормонов в сыворотке при продолжительных тренировках у элитных тяжелоатлетов (Hakkinen К. et. all. Relationships between training volume, physical performance capacity, and serum hormone concentrations during prolonged training in elite weight lifters. Int J Sports Med 8 Suppi 1: 61-65, 1987).

2) Повторяющиеся тренировки спринтерского типа по своей природе являются анаэробными, они включают нагрузки высокой интенсивности с ограниченными периодами восстановления, в ходе таких тренировок задействован почти исключительно углеводный метаболизм с существенным распадением гликогена в мышцах (производство гликолитической энергии). Во время этих ситуаций анаэробного производства энергии, таких как скоростные тренировки высокой интенсивности, или занятий спортом, включающих повторяющиеся спринтерские упражнения, увеличившаяся нагрузка на мышцы обеспечивается усиленным возбуждением волокон типа IIа. Наконец, при очень высоких нагрузках, активируются гликолитические мышечные волокна типа IIb для покрытия высокой потребности в энергии посредством анаэробного обеспечения энергией. При этом во время таких ситуаций высокая скорость анаэробного производства энергии превышает скорость, с которой она может быть окислена аэробно внутри митохондрий, и это приводит к очень высокому уровню выработки лактатов, зафиксированному во время этих типов тренировочных ситуаций (Spriet LL, Hewlett RA, and Heigenhauser GJ. An enzymatic approach to lactate production in human skeletal muscle during exercise. MedSci Sports Exerc 32: 756-763, 2000).

В ходе недавно проведенных исследований изучали адаптацию к повторяющимся спринтерским тренировкам и установили, что происходит увеличение волокон типа IIa , наряду с повышением в митохондриях и некоторой гипертрофией и повышением концентрации переносчиков лактатов 2 (Gibala MJ, et al. Short-term sprint interval versus traditional endurance training: similar initial adaptations in human skeletal muscle and exercise performance. J Physiol 575: 901-911, 2006).

3) Тренировки на выносливость характеризуются тем, что люди выполняют упражнения низкой интенсивности в течение длительного времени (например, > 15 мин). Энергетическая система, задействованная при тренировках на выносливость, включает аэробную систему, которая в первую очередь использует аэробный метаболизм жиров и углеводов для наработки необходимой энергии внутри митохондрий в присутствии большого количества кислорода. Первичные адаптации включают увеличение запасов гликогена в мышцах и экономию гликогена при суб-максимальных нагрузках за счет увеличения окисления жира, ускорение кинетики лактатов и морфологические изменения, включающие большее количество волокон I типа на площадь мышцы и увеличение плотности капилляров и митохондрий (Holloszy JO, and Coyle EF. Adaptations of skeletal muscle to endurance exercise and their metabolic consequences. J Appi Physiol 56: 831-838, 1984 и Holloszy JO, Rennie MJ, Hickson RC, Conlee RK, and Hagberg JM. Physiological consequences of the biochemical adaptations to endurance exercise. AnnNYAcadSci 301: 440-450, 1977).

Кроме того, неизвестно, как питание может усилить эти адаптации после нагрузок спринтерского типа. Существует необходимость исследовать для его понимания немедленное воздействие добавки в виде питательных веществ на молекулярную сигнализацию и синтез протеина после повторяющихся спринтерских нагрузок, таких, какие проводят спортсмены большинства командных видов спорта, типа футбола.

Имеющиеся на данный момент рекомендации по питанию во время и после нагрузки для спринтерских видов спорта предусматривают прием соответствующего количества углеводов для пополнения запасов гликогена в мышцах.

Существует потребность в определении важности других питательных веществ и времени приема для усиления адаптации мышц к нагрузкам спринтерского типа/типа «рывок-остановка».

Настоящее изобретение нацелено на решение вышеописанных проблем. Изобретение также направлено на другие цели и, более конкретно, на решение других проблем, как будет изложено в остальной части настоящего описания.

Сущность изобретения

По первому аспекту изобретение предоставляет способ усиления синтеза мышечных протеинов после физических упражнений, включающий прием человеком композиции, содержащей протеины или основные аминокислоты и углеводы за 30 минут или меньше до, во время или в течение 30 минут после выполнения повторяющихся спринтерских упражнений, которые обычно проводятся в большинстве командных видов спорта.

Удивительным образом было обнаружено, что введение протеинов или основных аминокислот при повторяющихся спринтерских нагрузках обладает способностью усиливать синтез миофибриллярного протеина. Миофибриллярный протеин является определенным протеином, ответственным за гипертрофию (рост) мышц.

Физические нагрузки дают телу стимул, который запускает каскад молекулярных сигналов, который приводит к изменениям в экспрессии генов и синтезе протеинов, специфических стимулу нагрузки. Считается, что физическая адаптация, возникшая в ответ на длительные тренировки, является результатом накопления этих протеинов после многочисленных сильных физических нагрузок.

Явный положительный эффект был показан на анаболическом сигнализировании и синтезе мышечных протеинов после повторяющихся спринтерских нагрузок при приеме питательных элементов. Рекомендации заключались в приеме протеинов и углеводов в период, близкий по времени к напряженным тренировкам. Документально зафиксированы преимущества приема питательных элементов после тренировок с сопротивлением и тренировок на выносливость, но не при повторяющихся спринтерских нагрузках.

Было также установлено, что отсутствие приема питательных элементов в непосредственной близости со спринтерскими упражнениями высокой интенсивности по всей видимости ослабляло последующие адаптации к тренировкам, поскольку синтез мышечных протеинов во время восстановления был почти на 50% выше при приеме питательных элементов по сравнению с вариантом плацебо, при котором не было поступления питательных элементов (см. примеры).

Также было обнаружено, что если питание может улучшить адаптацию к одной тренировочной сессии только на небольшой процент на несколько недель или месяцев, это может оказывать выраженное влияние на адаптации к тренировкам и, следовательно, на результативность.

По второму аспекту, программа для повышения мышечной адаптации, являющейся результатом повторяющихся тренировок спринтерского типа, которая включает прием нутриентов и руководство по тренировкам спортсмена с целью улучшения синтеза мышечных протеинов, причем эта программа включает:

- обеспечение композиции, содержащей протеины или основные аминокислоты и углеводы; и

- обеспечение инструкций по приему, включающих рекомендации по количеству композиции для приема не более чем за 30 минут до нагрузки или более чем через 30 минут после прекращения нагрузки на основании режима тренировок спортсмена, и

- обеспечение инструкций по режиму тренировок.

По еще одному аспекту изобретение относится к питательному набору, включающему множество композиций, содержащих протеины или основные аминокислоты и углеводы, и инструкциям, рекомендующим спортсмену принимать композицию в течение определенного периода времени, предшествующего тренировке, и в течение определенного периода времени во время восстановления после повторяющихся спринтерских нагрузок. Изобретение также относится к применению композиции, содержащей протеины или основные аминокислоты и углеводы, для улучшения синтеза мышечных протеинов, причем ее применение связано с повторяющимися спринтерскими нагрузками.

Кроме того, как было сказано выше, повторяющиеся усилия спринтерского типа по своей природе являются анаэробными, и в них задействован почти исключительно углеводный метаболизм с существенным распадением гликогена в мышцах. Соответственно, рекомендации по питанию включают прием по меньшей от 1 до 1,5 г углеводов на кг массы тела (всего от ~50 до 75 г углеводов) в течение первых нескольких часов после тренировки этого типа.

Краткое описание чертежей

Другие особенности, преимущества и задачи настоящего изобретения станут очевидными для специалиста в этой области после ознакомления со следующим подробным описанием вариантов осуществления настоящего изобретения при рассмотрении совместно с фигурами на приложенных рисунках.

Фигура 1 показывает темп синтеза миофибриллярного протеина в результате повторяющихся спринтерских усилий.

Фигура 2 показывает концентрацию в плазме основных аминокислот (ЕАА, график А), аминокислот с разветвленной цепью (ВСАА, график В) и общую концентрацию аминокислот (график С) в покое и после повторяющихся спринтерских усилий на велосипеде после предварительного приема плацебо или напитка с питательными элементами за 30 мин перед упражнениями.

Фигура 3. р70 S6K ^thr389 (график А) показывает фосфорилирование в покое и после максимальных усилий при повторяющихся упражнениях спринтерского типа на велосипеде после предварительного приема плацебо или напитка с питательными элементами за 30 мин перед упражнениями.

Раскрытие изобретения

По изобретению прием питательных элементов усиливает анаболическое сигнализирование и синтез миофибриллярных протеинов после повторяющихся спринтерских упражнений.

Обычно рекомендуется, чтобы спортсмены, занимающиеся спринтерскими упражнениями, принимали достаточное количество углеводов для усиления ресинтеза гликогена и восстановления энергии. Наши данные впервые демонстрируют важность приема протеинов в непосредственной близости со спринтерскими упражнениями для повышения синтеза миофибриллярного протеина до максимального уровня, что не происходит при приеме только углеводов. Действительно, мы обнаружили увеличение синтеза миофибриллярного протеина на 48% после приема смеси протеин + лейцин по сравнению с приемом изокалорийной порции углеводов в одном испытании. Кроме того, содержание протеинов, участвующих во «включении» синтеза протеинов, также повышалось при приеме протеинов после упражнений, что показывает явную связь между сигналами, активизирующими синтез протеинов, и последующим ответом синтеза мышечных протеинов (например, увеличение ~300% применительно к р70S6 киназе и увеличение ~100% применительно к 4Е-ВР1). Было показано, что активация р70S6 киназы является важной для резкого повышения синтеза мышечных протеинов и длительного усиления роста мышц при тренировках. Поэтому результатом этого постоянного определенного по времени приема протеина при спринтерских упражнениях будет более выраженный рост мышц и мышечной силы при тренировках; это является очень благоприятной адаптацией для спортсменов, занимающихся этими видами упражнений/спорта.

С целью повышения синтеза мышечных протеинов до максимального уровня и усиления адаптации к упражнениям спринтерского типа (например, «рывок-остановка» в командных видах спорта) спортсменам рекомендуется принимать продукт, который содержит 20-35, предпочтительно от 20 до 30 г протеинов с добавлением лейцина (до 5 г) в непосредственной близости к занятиям (то есть за 30-60 мин до и/или 0-120), предпочтительно в пределах 0-30 мин от упражнений. Эти инструкции по питанию применимы к лицам, занимающимся тренировками типа «рывок-остановка», и командными видами спорта, которые характеризуются периодами спринтерских усилий высокой интенсивности, перемежающимися с периодами восстановления с усилиями низкой интенсивности (например, футбол, теннис, хоккей на льду, баскетбол и тому подобные).

Предпочтительно, чтобы композиция содержала углеводы и протеины или основные аминокислоты в соотношении углеводы к протеинам в диапазоне от 1:1 до 3:1, предпочтительно в соотношении 2:1.

Предпочтительная рекомендация по приему углеводов для повышения ресинтеза гликогена до максимального уровня после тренировки составляет от 1 до 1,5 г СНО/кг.

Предпочтительная композиция содержит общую дозу протеина от 10 до 50 г протеина, предпочтительно от 20 до 30 г. При применении по изобретению это количество является предпочтительным.

В одном из вариантов осуществления изобретения протеин или аминокислоты составляют от около 20% до около 40 масс.% сухих веществ в конечном продукте. В другом варианте осуществления изобретения протеин или аминокислоты составляют около 30 масс.% продукта.

Более того, композиция может быть приготовлена так, чтобы на одну дозу приходилось соответствующее и исчисляемое количество протеинов, например от около 2 г до около 4 г на дозу.

Предпочтительно композиция содержит протеины или основные аминокислоты от около 2 г до около 2,5 г.

Композиция может быть в виде твердого продукта, геля, жидкости или порошка, готового для смешивания.

Продукт на основе протеинов также может содержать отдельно заданное количество жира в одном или нескольких продуктах для обеспечения спортсмена соответствующим количеством энергии. Например, каждый из продуктов может обеспечивать прием жира до 9 г/300 кал. В другом примере продукты могут обеспечивать введение 11 г/360 кал. Каждый из продуктов может обеспечивать прием насыщенных жиров в количестве до 4 г/300 кал или более. В одном из вариантов осуществления изобретения доля энергии (например, в форме калорий), поступающей с жирами, может составлять до около 25%.

В одном из вариантов осуществления изобретения продукт на основе протеинов содержит количество жира, составляющее от около 10% до около 40 масс.% продукта на основе протеинов. Предпочтительно продукт на основе протеинов содержит количество жира, составляющее около 30 масс.% продукта на основе протеинов.

Может быть использован любой подходящий отдельный протеин, аминокислота или смесь протеинов. Например, продукт на основе протеинов может содержать смесь протеинов, включающую изоляты соевого протеина, изоляты сывороточного протеина и казеинат кальция. Примером смеси протеинов является смесь протеинов Tri-source™.

Преимущество присутствия протеинов и/или жиров в пищевом продукте по настоящему изобретению состоит в том, что спортсмен может получать более полное питание при выступлениях. В качестве источников протеина могут использоваться любые подходящие пищевые протеины, такие как, например, протеины животного происхождения (например, протеины молока, протеины мяса и протеины яиц); растительные протеины (например, протеины сои, протеины пшеницы, протеины риса и протеины гороха); смеси свободных аминокислот или их сочетания. Предпочтительными являются протеины молока, такие как казеин и протеины молочной сыворотки, а также протеины сои.

Протеины могут быть интактными или гидролизированными, или смесью интактных и гидролизированных протеинов. Может быть желательным принимать частично гидролизированные протеины (степень гидролиза от 2 до 20%), например, для спортсменов, у которых существует риск развития аллергии на коровье молоко. Обычно, по меньшей мере частично гидролизированные протеины легче и быстрее вовлекаются в метаболизм организмом. Более конкретно, это справедливо для аминокислот. В одном из вариантов осуществления изобретения продукт на основе протеинов содержит одиночные/основные аминокислоты, такие как, например, лейцин, валин и/или изолейцин.

По предпочтительному варианту осуществления изобретения основные аминокислоты содержат добавленный лейцин. В данном контексте лейцин является основной аминокислотой (ЕАА), относящейся к группе аминокислот с разветвленной цепью (ВСАА). Прием основных ЕАА стимулирует синтез протеинов скелетных мышц, причем аминокислоты с разветвленной цепью: лейцин, изолейцин и валин предположительно играют основную роль в этой ответной реакции. Из числа ВСАА исследовали анаболические свойства лейцина в ряде тканей, включая мышечную ткань. Было установлено на культуре клеток и на модели крыс, что лейцин усиливает образование и, следовательно, активацию специфических протеинов, которые участвуют во «включении» синтеза протеинов.

Предпочтительно, общая доза основных аминокислот составляет от 5 до 25 г смеси ЕАА, которые воспроизводят ЕАА в протеинах высокого качества, предпочтительно в продукте по изобретению используют 10 г ЕАА. Возможно предпочтительное применение лейцина в общей дозе до 25 г.

Преимущество источника жира заключается в том, что он создает более приятные ощущения во рту. Для этого подходит любой источник жира. Например, можно применять животные или растительные жиры. Для повышения пищевой ценности источник жира может содержать n3-ненасыщенные и n6-ненасыщенные жирные кислоты. Источник жира также может содержать жирные кислоты с длинной цепью и/или жирные кислоты со средней цепью. Например, можно применять молочный жир, масло канолы, миндальное масло, арахисовое масло, кукурузное масло и/или масло подсолнечника с высоким содержанием олеиновой кислоты.

Повторяющиеся спринтерские упражнения по изобретению являются частью спортивной программы в рамках постоянных тренировок в этом виде спорта или собственно в рамках соревнований.

Пример 1

Для изучения влияния принимаемого в определенное время питания (прием протеина + лейцин) на изменения активности сигнальных молекул и синтеза мышечных протеинов после повторяющихся упражнений спринтерского типа было проведено описанное ниже клиническое исследование.

В опыте была использована рандомизированная, перекрестная двойная слепая схема, включающая диету и выполнение упражнений. Испытуемые выполняли одинаковый протокол спринтерских упражнений в виде двух отдельных сессий с видоизмененным приемом питательных элементов (протеины против плацебо), причем каждая сессия тестирования была отделена от другой двухнедельным восстановительным периодом.

Испытуемые принимали 500 мл напитка, содержащего 24 г протеина сыворотки, 4,8 г лейцина, 50 г мальтодекстрина (питательные элементы) или некалорийного напитка плацебо за 30 мин до начала протокола упражнений. Анализ движений во времени при выступлениях спортсменов в некоторых основных командных вида спорта указывает на то, что максимальная спринтерская активность наступает каждые ~50-100 сек, причем продолжительность спринта не превышает 6 сек. Соответственно, чтобы сделать модель лабораторных упражнений по возможности максимально «соответствующей спорту», испытуемые совершали сверхмаксимальные спринтерские усилия 10×6 сек в начале каждых 60 сек при нагрузке, эквивалентной 0,075 кгс/кг массы тела (ВМ) на велоэргометре с электронным торможением.

Испытуемые удобно отдыхали, лежа на спине, в течение 3 час. после завершения серии упражнений. Была взята биопсия мышц из Vastus lateralis (бедро) для измерения активации (оценивали по изменениям в фосфорилировании) протеинов, участвующих во «включении» синтеза протеинов (то есть регулирующих трансляцию м-РНК) в соответствии со стандартными методами вестерн-блоттинга. Измеряли также синтез мышечного (то есть миофибриллярного) протеина методом примированной постоянной инфузии стабильного изотопа аминокислоты (например, [кольцо-13С6]фенилаланин).

Результаты

На фигуре 1 показана фракционная скорость синтеза (FSR) миофибриллярного протеина (график А) во время восстановления (15-240 мин) после 10×6 сек максимальных усилий при повторяющихся велосипедных спринтерских упражнениях после предварительного приема 500 мл напитка плацебо или напитка с питательными элементами за 30 мин до упражнений. Приведены показатели ± стандартное отклонение.

На фигуре 2 показано концентрация в плазме основных аминокислот (ЕАА, график А), аминокислот с разветвленной цепью (ВСАА, график В) и общая концентрация аминокислот (график С) в покое и после 10×6 сек максимальных усилий при повторяющихся велосипедных спринтерских упражнениях после предварительного приема 500 мл напитка плацебо или напитка с питательными элементами за 30 мин до упражнений. Приведены показатели ± стандартное отклонение; достоверные различия (Р<0,05) в сравнении (а) покой, (b) 0 мин, (с) 30 мин, (d) 60 мин, (е) 90 мин и (*) между вариантами в соответствующий момент времени.

На фигуре 3 показано фосфорилирование р70 S6K^thr389 (график А) в покое и после 10×6 сек максимальных усилий при повторяющихся велосипедных спринтерских упражнениях после предварительного приема 500 мл напитка плацебо или напитка с питательными элементами за 30 мин до упражнений. Приведены показатели ± стандартное отклонение (n=7); достоверные различия (Р<0,05) в сравнении (а) покой, (с) 240 мин и (*) между вариантами в соответствующий момент времени.

Содержание аминокислот в крови (см. фигуру 2).

Была отмечена взаимосвязь времени и условий эксперимента для концентрации в плазме основных аминокислот (ЕАА), аминокислот с разветвленной цепью (ВСАА) и общей концентрации аминокислот (фигура 2). Концентрация ЕАА в плазме была существенно повышена по сравнению с концентрацией в покое сразу после выполнения упражнений (~85%) при приеме питательных элементов, эффект был также выражен после 60-90 мин восстановления (~50-60%) (Р<0,05; фигура 2А). Более того, увеличение концентрации ЕАА при приеме питательных элементов было выше, чем в варианте с плацебо сразу после выполнения упражнений и в течение 30-90-минутного периода восстановления (Р<0,05). Аналогично, концентрация ВСАА в плазме повышалась по сравнению с концентрацией в покое сразу после выполнения упражнений и оставалась на высоком уровне в течение 90 мин в период восстановления при приеме питательных элементов, но не в варианте с плацебо (~60-120%, Р<0,05; фигура 2В). Увеличение концентрации ВСАА после выполнения упражнений при приеме питательных элементов было также выше, чем в варианте с плацебо в соответствующие моменты времени (Р<0,05).

Фигура 3: была отмечена существенная взаимосвязь времени и условий эксперимента для фосфорилирования р70 S6K^thr389 (P<0,05; фигура 3А). Фосфорилирование р70 S6K значительно возросло по сравнению с таковым в состоянии покоя при приеме питательных элементов (~300%, Р<0,01), но не в варианте с плацебо (~95%) через 15 мин после прекращения упражнений, что в результате дало значительный эффект условий эксперимента (Р<0,05). Несмотря на небольшое повышение фосфорилирования р70 S6K^thr389 после 240 мин восстановления эти изменения существенно не отличались от состояния покоя (40-70%; фигура 3А).

Фигура 1: результатом повторяющихся спринтерских упражнений было повышение скорости синтеза миофибриллярного протеина при приеме питательных элементов перед упражнениями по сравнению с вариантом с плацебо в течение 15-240 мин периода восстановления (~48%, 0,083±0,023 по сравнению с 0,056±0,031%-час^-1, Р<0,05; фигура 1).