1
Voorwoord Nu we in de zesde klas zitten van het Christelijk Gymnasium Utrecht moeten we er toch echt aan geloven; het profielwerkstuk. We wisten al snel dat we ons profielwerkstuk voor het vak biologie wilden doen, maar het was enorm lastig om een specifiek onderwerp uit te kiezen. Na enige tijd te hebben gebrainstormd, waren we er achter dat voeding en sport twee onderwerpen waren die ons erg veel interesseren. Helaas hebben deze onderwerpen ons niet direct tot een onderzoeksgevraag geleid. Uiteindelijk zijn we tot het onderwerp superfoods gekomen. Het onderwerp superfoods sprak ons aan, omdat het een erg actueel onderwerp is. Sommige superfoods worden beschreven als ware wondermiddelen. Vroeger was er eten. Nu is er eten dat food heet. Anders dan anders. Beter. Super. Want gewoon gezond is niet gezond genoeg. Superfood is tegen kanker, maar voor een stralende huid. Het helpt tegen ouderdom en maakt dat je tegen de wind in kunt fietsen. Super voor alles. Na al deze geweldige claims, was de keuze snel gemaakt; wij wilden onderzoek doen naar superfoods. Natuurlijk wilden we dit combineren met onze andere interesse; sport. Doordat we vaak lazen dat superfoods zouden zorgen voor geweldige sportprestaties zonder dat je achteraf ergens last van zou hebben, kwamen we steeds dichter bij een specifieke onderzoeksvraag. Uiteindelijk hebben we besloten dat we wilden onderzoeken of het superfood tarwegras er inderdaad voor zou zorgen dat sport inspanningen makkelijker zouden verlopen dan voorheen en of je na de inspanningen ook minder last van zou hebben. Onze onderzoeksvraag is geworden: In hoeverre heeft de dagelijkse inname van tarwegras invloed op het herstel van belaste spieren na een inspanning? Via onze begeleidster Ingrid Vos kwamen we bij het tarwegrasbedrijf Grass2Juice. Ingrid kent de oprichter van Grass2Juice, Nick Sluijter. Nadat we Nick hadden verteld over het onderzoek dat we wilden doen, bleek dat hij erg enthousiast was en openstond voor ons onderzoek. Hij heeft ons voorzien van alle middelen die nodig waren om de proef zo goed mogelijk uit te kunnen voeren met tarwegras. We willen Nick Sluijter, Ingrid Vos en onze geweldige proefpersonen uit de vierde en vijfde klas daarom ook heel erg bedanken. Zonder hun medewerking hadden wij dit onderzoek niet kunnen doen. Tessa Spaapen en Manon Witteman Utrecht, 16 januari 2015 2
Inhoudsopgave Theorie 4 1. Werking en opbouw van spieren 4 2. Spieren tijdens inspanning 12 3. Spierpijn en herstel 17 4. Antioxidanten en vrije radicalen 19 5. Tarwegras 26 Proefopzet 32 Onderzoeksvraag 32 Parameter 32 Hypothese 32 Materialen 32 Werkwijze 33 Resultaten 37 Conclusie 47 Discussie 47 Bronvermelding en bibliografie 49 3
Theorie In het eerste deel van de theorie zullen de werking en opbouw van spieren behandeld worden. Er zal ook behandeld worden hoe het dwarsgestreept spierweefsel samentrekt en hoe dwarsgestreept spierweefsel functioneert tijdens inspanning. In het tweede deel zal dieper worden ingegaan worden op overbelaste spieren tijdens inspanning, op spierpijn en op het herstel van de spieren na een zware inspanning. In deel drie zullen antioxidanten en vrije radicalen behandeld worden. Er wordt afgesloten met specifieke informatie over tarwegras. Weefsels Alle cellen van het lichaam vinden hun oorsprong in een primaire moedercel. Bij de achtereenvolgende celdelingen behouden deze cellen niet dezelfde eigenschappen. Zij evolueren en differentiëren in vorm en samenstelling om zich aan te passen aan de verschillende functies die zij zullen vervullen. Hierdoor ontstaan de verschillende weefsels waaruit een organisme bestaat. We onderscheiden de verschillende typen weefsels naar vorm, samenstelling, ligging en functie van de cellen. 1. dekweefsel 2. steunweefsel - bindweefsel - kraakbeenweefsel - botweefsel 3. spierweefsel - hartspierweefsel - glad spierweefsel - dwarsgestreept spierweefsel/ skeletspierweefsel 4. zenuwweefsel - zintuigweefsel 1 1. Werking en opbouw van spieren Spierweefsel Spierweefsel is gespecialiseerd om zich samen te trekken. Bij contracties van de spiercellen vindt een chemische reactie plaats tussen de filamenten van myosine en actine. Ze zijn zodanig gerangschikt dat de gehele cel samentrekt wanneer de filamenten met elkaar reageren. Er zijn drie typen spierweefsel in het lichaam. Het contractiemechanisme is in alle typen spierweefsel hetzelfde, maar de wijze waarop de myosine en actine filamenten gerangschikt zijn verschilt. Ook is er een verschil in het aantal celkernen per cel, de aanwezigheid van dwarse streping, of de spier autonoom of animaal is, de vermoeibaarheid van de spier, de krachtleverantie van de spier en de mitotische capaciteit. 2 3 Hartspierweefsel Hartspierweefsel bevindt zich uitsluitend in het hart. Evenals het skeletspierweefsel is hartspierweefsel dwarsgestreept. Een uitzonderlijke hartspiercel is veel kleiner dan een skeletspiervezel en heeft meestal slechts één celkern. Hartspiercellen zijn onderling verbonden door intercalaire schijven, dit zijn speciale aanhechtingsplaatsen die gap junctions en desmosomen bevatten (zie figuur 1.1 4). Desmosomen zorgen ervoor dat de hartspiercellen onderling verankerd zijn en een gap junction is een kanaal dat twee elektrisch actieve celen met elkaar verbindt. Ze zorgen ervoor dat de actiepotentialen in de cellen gelijk zijn. Het is dus een 1 Hendriks, E., Vink, J., & Helsper, H. (2002). Leerboek sportmassage. Houten: Bohn Stafleu Van Loghum. 2 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) Anatomie en fysiologie. Amsterdam: Pearson Education Benelux BV 3 http://www.zowerkthetlichaam.nl/3730/histolgie-weefsels-bouw-en-functie-verschillende-soorten-spierweefsel/ (02-01-2015) 4 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) 4
soort elektrische koppeling tussen de cellen. 5 Hartspiercellen zijn vertakt en vormen een netwerk dat de kracht en prikkel voor de samentrekking van het hart efficiënt van het ene gedeelte van het hart naar het andere kan overbrengen. Hartspiercellen zijn niet afhankelijk van zenuwactiviteiten om een samentrekking te beginnen. In plaats daarvan zorgen gespecialiseerde pacemakercellen voor een regelmatig ritme van samentrekking. Hoewel het zenuwstelsel de snelheid van de activiteit van de pacemakercellen kan wijzigen, kunnen de afzonderlijke hartspiercellen niet door de wil worden beïnvloed. Daarom wordt hartspierweefsel gestreept, onwillekeurig (autonoom) spierweefsel genoemd. De cellen van het hartspierweefsel zijn kort, vertakt en gestreept, meestal met één enkele celkern; cellen zijn onderling door intercalaire schijven verbonden. De functie van de hartspiercellen is het rondpompen van het bloed en het handhaven van de bloeddruk. 6 Figuur 1.1 Glad spierweefsel Glad spierweefsel wordt aangetroffen in de wanden van de inwendige organen zoals het maagdarmstelsel, de blaas en de uterus, maar ook in de irisspieren van het oog en in de wanden van de bloedvaten. Glad spierweefsel is in bijna elk orgaan te vinden, het vormt bundels of scheden rond andere weefsels. In het beenderstelsel, spierstelsel, zenuwstelsel en hormoonstelsel reguleren gladde spieren rond bloedvaten de bloedstroom door vitale organen. In het spijsverteringsstelsel en het uitscheidingsstelsel reguleren ringen van gladde spieren, de zogenoemde sluitspieren, de verplaatsing van stoffen door inwendige transportbuizen. Het weefsel wordt glad genoemd, omdat onder de microscoop in het cytoplasma van deze kleine cellen geen dwarse streping kan worden waargenomen (zie figuur 1.2 7). Glad spierweefsel onderscheidt zich van dwarsgestreept weefsel, doordat de actine en myosine filamenten niet strikt in myofibrillen met sarcomeren zijn gerangschikt, maar in de lengterichting verspreid in de cel voorkomen. Gladde spiercellen zijn ongeveer even groot als hartspiercellen. Evenals hartspiercellen bevat elke spoelvormige gladde spiercel één centraal gelegen celkern. De duur van de enkelvoudige contractie van gladde spiercellen is lang, zodat het zenuwstelsel met een zeer lage prikkelfrequentie de spanning in bijvoorbeeld een bloedvatwand kan handhaven. 8 9 Dwarsgestreept spierweefsel/ skeletspierweefsel zal worden behandeld onder het kopje microscopische anatomie skeletspieren. 5 http://www.ronaldschulte.nl/files/hartspierweefsel-met-intercalaire-schijven---de-wereld-onder-de-microscoop.pdf (27-12-2014) 6 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) 7 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) 8 Morree, J. J.., Jongert, T., & Poel, G.. (2006). Inspanningsfysiologie, oefentherapie en training. Houten: Bohn Stafleu Van Loghum. 9 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) 5
Figuur 1.2 Functies skeletspieren Skeletspieren zijn spieren die voornamelijk uit spierweefsel bestaan, ze bevatten echter ook bindweefsel, zenuwen en bloedvaten. Deze spieren zijn direct of indirect aan de beenderen van het skelet gehecht. Het spierstelsel bestaat uit circa zevenhonderd skeletspieren die de volgende functies hebben: 1. Bewegen van skeletdelen. Contracties van skeletspieren trekken aan pezen, waardoor de beenderen worden verplaatst. Deze contracties kunnen tot een eenvoudige beweging leiden, zoals het strekken van de arm of tot zeer complexe bewegingen, zoals zwemmen, skiën of typen. 2. Handhaven van houding en lichaamspositie. De lichaamshouding wordt voortdurend door spiercontracties gehandhaafd. Zonder deze constante activiteit zouden we niet rechtop kunnen zitten. 3. Ondersteunen van weke delen. De buikwand en de bodem van de bekkenholte bestaan uit lagen skeletspierweefsel. Deze spieren dragen het gewicht van de organen in de buik en bekkenholte en beschermen inwendige weefsels tegen beschadiging. 4. Openen en sluiten van in- en uitgangen. De toegang naar het spijsverteringskanaal en naar de urinewegen zijn met ringen van skeletspierweefsel omgeven. Dankzij deze spieren kunnen we het slikken, de stoelgang en het plassen bewust aansturen. 5. Handhaven van de lichaamstemperatuur. Voor spiercontracties is energie nodig en telkens wanneer in het lichaam energie wordt gebruikt, wordt een deel van deze energie in warmte omgezet. Door de warmte die werkende spieren afgeven, blijft de lichaamstemperatuur binnen de grenzen die nodig zijn om normaal te functioneren. 10 Macroscopische anatomie skeletspieren Elke spier bestaat uit drie lagen bindweefsel: het epimysium, het perimysium en het endomysium (zie figuur 1.3 11). De spier als geheel is omgeven door het epimysium, een laag collageenvezels die de spier scheidt van omringende weefsels en organen. De bindweefselvezels van het perimysium verdelen de skeletspieren in afzonderlijke bundels van spiervezels; zo n bundel wordt fasciculus of spierbundel genoemd. Behalve collagene en elastische vezels, bevat het perimysium bloedvaten en zenuwen die naar de bindweefselvliezen rond de spier toelopen. Binnen een spierbundel is elke skeletspiervezel omgeven door een endomysium, een gezamenlijk bindweefselvlies rond een aantal aangrenzende spiervezels. Stamcellen die verspreid liggen tussen de vezels, spelen een rol bij het herstel van beschadigd spierweefsel. Aan het einde van de spier komen de collagene vezels van alle drie de lagen samen en vormen ze een bundel, een zogenaamde pees. Pezen zijn banden van collagene vezels waarmee skeletspieren aan beenderen zijn aangehecht. De vezels van de pees zijn met het beenvlies van het bot verweven, 10 11 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) Eroschenko, V. P., & Fiore, M. S. H. (2008). DiFiore's atlas of histology with functional correlations. Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. 6
waardoor een stevige hechting ontstaat. Elke samentrekking van de spier oefent een trekkracht op zijn pees uit en op zijn beurt op het aangehechte bot. Figuur 1.3 Het bindweefsel van het epimysium en het perimysium vormt een doorgang voor de bloedvaten en zenuwen die noodzakelijk zijn voor het functioneren van de spiervezels. Voor spiercontracties is enorm veel energie nodig. Een uitgebreid netwerk van bloedvaten levert de noodzakelijk zuurstof en voedingsstoffen en voert de afvalstoffen af die door de actieve skeletspieren bij de stofwisseling zijn gevormd. Skeletspieren trekken alleen samen wanneer ze door het centraal zenuwstelsel worden gestimuleerd. Axonen lopen door het epimysium heen, vertakken zich door het perimysium en komen het endomysium binnen om de uitzonderlijke spiervezels aan te sturen. 12 Microscopische anatomie skeletspieren Zoals net is gezegd, omringt het endomysium een bundel spiervezels. Elke aparte spiervezel wordt omringt door het sarcolemma. Een spiervezel bestaat uit verschillende myofibrillen en die bestaan op hun beurt weer uit sarcomeren. Wanneer een sarcomeer microscopisch wordt uitvergroot zijn er twee verschillende soorten filamenten zichtbaar; myosine en actine filamenten. Deze myosine en actine filamenten zijn in een spiervezel systematisch gerangschikt in sarcomeren. De sarcomeren zijn verantwoordelijk voor het dwarsgestreepte patroon dat in microscopische preparaten van dwarsgestreept spierweefsel zichtbaar is ( zie figuur 1.4). De cellen in het skeletspierweefsel zijn lang, cilindervorming en hebben meerdere celkernen per cel. 13 14 12 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) 13 http://www.biodoen.nl/biodoenlite.php?idorder=0705063201 (02-01-2015) 14 Kuks, J. B. M., & Snoek, J. W. (2007). Klinische neurologie. Houten: Bohn Stafleu van Loghum. 7
Figuur 1.4 Sarcomeer Eén myofibril is opgebouwd uit meerdere sarcomeren en één sarcomeer is opgebouwd uit verschillende filamenten. Een sarcomeer wordt onderverdeeld in de volgende vijf kenmerkende onderdelen (zie figuur 1.5 15): 1. De A-band: (het donkere deel van het sarcomeer) bestaat uit dikke myosine filamenten en is de plaats waar myosine filamenten actine filamenten overlappen. 2. De H-zone: is de plaats waar alleen dikke myosine filamenten aanwezig zijn. Hier overlappen de filamenten elkaar dus niet. Wanneer een spier samentrekt wordt de H-zone minder breed. 3. De I-band: (het lichte deel van het sarcomeer) bestaat uit dunne actine filamenten, die niet worden overlapt door myosine filamenten. 4. De M-lijn: loopt door het centrum van de H-zone. 5. De Z-schijf: is het donkere deel in het midden van de lichte I-band. Het is de scheiding tussen twee aparte sarcomeren. 16 Figuur 1.5 15 http://mejoraterapias.files.wordpress.com/2010/08/vezel-en-sarc.gif (02-01-2015) 16 Stevens, A., Lowe, J., & Aarts, W. (1997). Histologie van de mens. Houten: Bohn Stafleu Van Loghum. 8
Stappen van het contractie mechanisme Het contractie mechanisme maakt gebruik van de bouw van het sarcomeer. De myosine en actine filamenten reageren als een spier wordt gestimuleerd om samen te trekken. Door een actie potentiaal gebeurt het volgende; Een actine filament bevat tropomyosine en troponine. Het myosine filament wil binden aan het actine filament, maar tropomyosine zorgt ervoor dat de bindingsplaatsen van het actine filament geblokkeerd worden. Het myosine kan dus niet binden (zie figuur 1.6 a 17). Stap 1. Nadat een actiepotentiaal aankomt bij de spieren wordt Ca2+ vrijgemaakt door een deel van het sarcoplasmatisch reticulum; vanuit de terminal cisternae. Nadat Ca2+ is vrijgekomen bindt het aan het troponine (zie figuur 1.6 b). Het gevolg hiervan is dat het troponine-tropomyosine complex wordt verschoven, waardoor de bindingsplaatsen van het actine filament vrij komen (zie figuur 1.6 c). Tropomyosine blokkeerde eerst namelijk de actine bindingsplaatsen, waardoor er geen binding kon plaatsvinden tussen de myosine- en actine filamenten. Stap 2. Myosine bindt nu aan het actine filament. Het ATP (adenosinetrifosfaat) aan het myosine filament wordt nu door middel van hydrolyse omgezet tot ADP en een anorganisch fosfaat (zie figuur 1.6 d). Wanneer het ADP molecuul het myosine molecuul verlaat, zorgt dit voor een verandering van de structuur van het myosine filament. Wanneer ADP (adenosinedifosfaat) het myosine filament loslaat, buigt het myosine filament. Het gevolg hiervan is dat het actine filament langs het myosine filament glijdt (zie figuur 1.6 e). Stap 3. Vervolgens bindt ATP weer aan het myosine filament, wat ervoor zorgt dat de binding tussen het myosine en actine filament wordt verbroken (zie figuur 1.6 h). Als laatste wordt de binding tussen troponine en Ca2+ verbroken, wat ervoor zorgt dat het troponine-tropomyosine complex weer verplaatst naar zijn voormalige plek. Hij blokkeert nu dus weer de bindingsplaatsen van het actine filament (zie figuur 1.6 i). Hierna kan het hele proces weer van voor af aan beginnen. 18 17 18 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/muskel-molekulartranslation.png (07-01-2015) http://www.interactive-biology.com/2133/043-the-details-of-muscle-contraction/ (07-01-2015) 9
a b i c h d g e f 10 Figuur 1.6
Verschillende typen spiervezels Het menselijk lichaam bevat twee verschillende typen skeletspiervezels: snelle vezels en trage vezels, ook wel witte en rode vezels genoemd. De vezels bezitten verschillende hoeveelheden myoglobine en maken gebruik van verschillende energiebronnen. Ook de functie van de vezels is verschillend. Langzame spiervezels (type I-vezels of rode spiervezels) Langzame vezels bevatten veel myoglobine. De aanwezigheid van myoglobine verklaart de rode kleur en duidt op de aanwezigheid van zuurstof. Langzame spiervezels zijn goed uitgerust om hun energie door middel van de aerobe glycolyse te verkrijgen.19 Dit komt door de volgende aanpassingen; 1. Zuurstoftoevoer. Trage vezels bevatten een veel groter netwerk van haarvaten dan de meeste snelle spiervezels, waardoor de zuurstoftoevoer aanzienlijk groter is. 2. Zuurstofopslag. Trage spiervezels bevatten het rode pigment myoglobine, een eiwit dat qua bouw aan hemoglobine verwant is. Hemoglobine is het pigment dat in bloed zuurstof vervoert. Doordat myoglobine ook zuurstofmoleculen bindt, bevatten rustende trage spiervezels zuurstofreserves die tijdens een contractie kunnen worden gemobiliseerd. 3. Zuurstofverbruik. Trage spiervezels bevatten in verhouding een groter aantal mitochondriën dan snelle spiervezels. Langzame spiervezels hebben meer tijd nodig om tot de maximale contractie te komen. Ze doen er na prikkeling drie keer zo lang over als snelle vezels om samen te trekken. Ze kunnen ook minder kracht leveren dan snelle spiervezels, doordat de diameter van de vezels maar half zo groot is als die van snelle vezels. 20 II-B (snel glycolytisch) I (langzaam oxidatief) II-A (snel oxidatief/glycolytisch) contractiesnelheid snel langzaam snel vermoeibaarheid hoog gering middelmatig mitochondriën weinig veel middelmatig capillairen weinig veel middelmatig glycolytische activiteit hoog laag variabel myoglobinegehalte laag hoog middelmatig Figuur 1.7 Snelle spiervezels (type II-vezels of witte vezels) De meeste spiervezels in het lichaam worden snelle vezels genoemd, omdat ze na prikkeling in 0,01 seconde of minder kunnen samentrekken. Snelle vezels hebben een grotere diameter en bevatten dicht opeengepakte myofibrillen, grote glycogeenreserves en relatief weinig mitochondriën. De trekkracht die een spiervezel voortbrengt is recht evenredig met het aantal myofibrillen. 21 Spieren met snelle vezels zorgen dus voor krachtige contracties, ze zijn in staat om tijdens korte, intensieve inspanningen zeer hoge contractie krachten te leveren. Maar ze zijn ook sneller vermoeid. Dit komt doordat de spiervezels overwegend ATP gebruiken tijdens deze contracties, dus anaeroob verbranden; dit is logisch wanneer je bedenkt dat snelle spiervezels maar weinig mitochondriën bevatten. Er zijn twee verschillende type II-vezels, namelijk II A-vezels en II B-vezels. Type II A-vezels kunnen zich door bepaalde training gaan gedragen als type Ivezels, terwijl II-B vezels vooral worden geprikkeld bij snelle en explosieve bewegingen. 22 Type II A-vezels zitten tussen de type II-B vezels en de type I-vezels in (zie figuur 1.7). 19 Gestel, J. L. M., Hoeksema-Bakker, C. M. C., Keizer, H. A., & Groot, M. C. H. (1997). Training van spierkracht en spierfunctie. Houten: Bohn Stafleu Van Loghum. 20 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) 21 Martini, F. & Bartholomew, E. (2008) (zie noot 2) 22 Gestel, J. L. M., Hoeksema-Bakker, C. M. C., Keizer, H. A., & Groot, M. C. H. (1997) (zie noot 19) 11
2. Spieren tijdens inspanning Lichaamscirculatie Vanuit de linkerkamer wordt het bloed naar de organen en spieren gepompt. Tijdens inspanning zal de bloedstroom naar niet-actieve regio s, bijvoorbeeld darmen en inactieve spiergroepen, afnemen en naar actieve regio s toenemen. In actieve spiergroepen zal tijdens inspanning de vraag naar voedingsstoffen, brandstoffen zoals vetten en glucose, toenemen, alsmede de vraag naar zuurstof om deze brandstoffen te oxideren (verbranden) voor de vrijmaking van de energie uit deze brandstoffen. De afgifte van nutriënten (voedingsstoffen) en zuurstof is afhankelijk van diverse factoren. Spiermetabolisme Tijdens inspanning gaat het lichaam selectief om met zijn energievoorraden en energiesystemen. Welke voorraden en systemen worden aangesproken wordt voornamelijk bepaald door het te leveren vermogen. De verbranding van vetten en suikers is afhankelijk van veel enzymstappen en verloopt voor het leveren van hoge vermogens vaak te traag. Zeker als er een explosieve actie wordt geleverd, zoals snel een trap oplopen, een zak cement optillen of een kort sprintje trekken naar de bijna vertrekkende trein. Als iemand rustig aan het fietsen is levert de vetverbranding de daarvoor benodigde energie, maar als hij ineens krachtig aanzet om tegen een steile brug op te fietsen, levert vetverbranding niet genoeg vermogen voor die krachtsexplosie. Toch valt deze fietser niet stil. De verklaring hiervoor is dat in spieren direct inzetbare energie aanwezig is in de vorm van energierijke fosfaten, adenosinetrifosfaat (ATP) en creatinefosfaat (CP). Deze stoffen zijn de drijvende kracht achter het grootste deel van alle lichaamsprocessen. De voorraad energierijke fosfaten in de spieren is echter beperkt. Zelfs zo beperkt, dat cellen er in rust hooguit een paar minuten op kunnen leven. De voorraad is toereikend voor acht seconden maximale sprint (sprint, basketbal) of voor minder dan een halve minuut acties bij een veldsport zoals voetbal. Allereerst is de zuurstofvraag van het spierweefsel afhankelijk van de intensiteit van de inspanning. Bij inspanning met een lage intensiteit wordt een ander type spiervezel gerecruteerd dan bij inspanning met een hoge intensiteit. Er zijn verschillende routes om energie vrij te maken voor de spiercontractie. Deze stofwisselingsroutes hebben alle het doel om ATP te produceren. 23 Drietrapsraket De energievoorziening tijdens inspanning kan gezien worden als een drietrapsraket. Het lichaam beschikt over verschillende energiebronnen, namelijk: ATP, CP, glucose in het bloed, glucose dat is opgeslagen in de lever en de spier (glycogeen), eiwitten en vetten. Deze energiebronnen komen in verschillende hoeveelheden in het lichaam voor en bezitten een verschillend vermogen om in een bepaalde tijd energie te kunnen leveren. De eiwitverbranding tijdens inspanning is verwaarloosbaar. Bij aanvang van inspanning wordt allereerst de zogenaamde fosfaatpool aangesproken. Deze pool bestaat uit de energierijke fosfaten ATP en CP in de spier (tabel 2.1 24, vergelijking 1 en 2). Deze stofwisselingsroute kan veel energie in een korte tijd vrijmaken. Deze fosfaatpool is echter vrij snel uitgeput. Bij aanvang van intensieve inspanning wordt, reeds na 10 tot 20 seconden, de anaerobe glycolyse de belangrijkste leverancier van energie (tabel 2.1, vergelijking 4). Bij anaerobe glycolyse wordt, zonder zuurstof, energie vrijgemaakt uit de afbraak van glucose en spierglycogeen. De zuurstofopname is tijdens inspanning na 2 tot 3 minuten helemaal op gang. Het hart en de longen hebben zich na deze tijd zo goed mogelijk aangepast aan de situatie waarin het lichaam verkeert. Dit wordt de steady state genoemd. Het aerobe energiesysteem (verbranding van vetten en koolhydraten) is de voornaamste energieleverancier tijdens duurinspanning. Met behulp van zuurstof worden bij duurinspanning vetten, glucose en glycogeen verbrand (tabel 2.1, vergelijking 5). Bij deze energieroute kan langdurig energie worden vrijgemaakt (capaciteit). De hoeveelheid vrijgemaakte energie per tijdseenheid (vermogen) is 23 Morree, J. J.., Jongert, T., & Poel, G.. (2006). (zie noot 8) 24 T. Takken. Algemene Inspanningsfysiologie. Pagina: 12-26. In: Takken, T., & Brussel, M. (2008). Inspanningsfysiologie bij kinderen. Houten: Bohn Stafleu van Loghum. 12
echter beperkt. We hebben voldoende vetvoorraden om dagen achter elkaar te kunnen lopen met een lage intensiteit, terwijl we maar een korte tijd een zeer intensieve sprint kunnen volhouden. Figuur 2.1 25 is een weergave van het samenspel tussen de verschillende energiesystemen. Tabel 2.1 Reactievergelijkingen voor energieproductie in de skeletspier. 1. ATP-hydrolysereactie ATP ADP + Pi + energie 2. creatinekinasereactie + ADP + CP + H ATP + Cr 3. adenylaatkinase- / AMP-deaminasereacties 2 ADP ATP + AMP / AMP + H2O NH3 + IMP + 2 Pi 4. glycolyse (anaeroob) glycogeen(n) + 3 Pi + 3 ADP glycogeen(n-1) + 2 lactaat + 2 H2O+ 2 ATP + - + glucose + 2 ADP + 2 NAD + e + H pyruvaat + NADH + H + 5. oxidatieve fosforylering (aeroob) glycogeen(n) + 6 O2 + 37 Pi + 37 ADP glycogeen(n-1) + 6 CO2 + 42 H2O + 37 ATP glucose + 6 O2 + 36 Pi + 36 ADP 6 CO2 + 42 H2O + 36 ATP C16H32O2 (vetzuur; palmitaat) + 23 O2 + 129 (ADP + Pi) 129 ADP + 16 CO2 + 145 H2O (O2 = zuurstof; Pi = anorganisch fosfaat; ADP = adenosinedifosfaat; CO2 = koolstofdioxide; H2O = water; + ATP = adenosinetrifosfaat; CP = creatinefosfaat; H = waterstof; Cr = creatine; AMP = + adenosinemonofosfaat; NH3 = ammoniak; IMP = inosinemonofosfaat; NAD = nicotinamide adenine dinucleotide; e = elektron.) Figuur 2.1 De energiesystemen tijdens inspanning. 25 T. Takken. Algemene Inspanningsfysiologie. Pagina: 12-26. In: Takken, T., & Brussel, M. (2008). Inspanningsfysiologie bij kinderen. Houten: Bohn Stafleu van Loghum. 13
Zuurstofgebruik tijdens en na intensieve belasting Tijdens intensieve inspanning is voor het te leveren vermogen vaak meer zuurstof (O2) nodig dan kan worden aangevoerd. Zeker in het begin van de inspanning is er te weinig zuurstofaanvoer. In figuur 2.2 26 is het zuurstofverbruik in drie belastingen van verschillend niveau weergegeven. In het begin is er onvoldoende O2-aanvoer om de behoefte te dekken; de horizontale lijn in de grafieken geeft steeds de O2-behoefte aan die het vermogen vereist. Na enige minuten ontstaat in de bovenste grafieken (A en B) een steady state. Bij de onderste grafiek (C) is dat nooit het geval. Naast het maximale aerobe vermogen met de bijbehorende zuurstofopname is er een gedeelte van het vermogen dat door de glycolyse wordt gedekt. Als de activiteiten worden beëindigd, is er nog langere tijd een verhoogde O2-opname te zien. Een verhoogde hartslag en ventilatie zorgen ervoor dat er in deze verhoogde behoefte kan worden voorzien. Men noemt deze aanhoudende verhoogde opname van O2 het zuurstoftekort van die prestatie of de zuurstofschuld. Verwarrende termen, aangezien er sprake is van een verhoogd zuurstofgebruik na beëindigen van de prestatie. Zuurstofschuld is in het Engels EPOC, excess postexercise oxygen consumption. Het blauwe oppervlak linksboven in de curve in figuur 2.2 is de extra zuurstofbehoefte waaraan niet wordt voldaan bij begin van de inspanning, maar dat wordt opgelost tijdens de inspanning. De extra O2-behoefte, de EPOC, die tijdens de herstelperiode wordt opgenomen, is als een donkerblauw oppervlak rechts van de curven weergegeven. 27 Figuur 2.2 O2-opname tijdens inspanning en het daaropvolgende Bij testen werd vaak gekeken hoeveel extra zuurstof er werd herstel. A: lichte inspanning. Na een opgenomen totdat de rustwaarde weer bereikt was. Die korte aanpassing, waarbij een licht hoeveelheid werd als maat voor de zuurstofschuld genomen, zuurstoftekort ontstaat, treedt een waarbij werd aangenomen dat de gearceerde oppervlakken links evenwicht (steady state) op. B: en rechts even groot zouden zijn. Hierbij worden echter enkele middelzware inspanning. Ook hier treedt een evenwicht op. C: maximale inschattingsfouten gemaakt. Er is niet alleen zuurstof nodig om inspanning. Hierbij treedt geen steady de hoeveelheid ATP en CP aan te vullen, om het lactaat om te state op. De O2-aanvoer schiet zetten in CO2 en H2O of lactaat terug te vormen in glycogeen, blijvend tekort tot uitputting optreedt. maar er is meer nodig. Er is een hoeveelheid O2 nodig die weer Na de inspanning is het O2-verbruik nog lang verhoogd (EPOC). aan myoglobine wordt gebonden in de spieren, er is extra O2 nodig voor de verhoogde metabole activiteit van de ademspieren en het hart, voor het verhoogde metabolisme door de hogere lichaamstemperatuur en het hogere adrenalinegehalte. Deze factoren zullen het metabolisme een tijd lang verhoogd houden en de O2opname hiervoor heeft niets te maken met de inlossing van de zuurstofschuld. 28 Er wordt gebruikt gemaakt van de term lactaat in plaats van de onjuiste en verouderde term melkzuur. De term melkzuur leidt tot verwarring. Lactaationen zijn geen zuur. De H+-ionen die voor dreigende verzuring zorgen, zijn niet van lactaat afkomstig. H+ komt vrij in de eerste stappen van de glycolyse. De splitsing van ATP tijdens spiercontracties levert ook veel H+-ionen op (ATP + H2O > ADP + P + H+ + energie). Lactaationen worden pas verderop in de reactieketen, bij de reactie 26 Morree, J. J.., Jongert, T., & Poel, G.. (2006). Inspanningsfysiologie, oefentherapie en training. Houten: Bohn Stafleu Van Loghum. 27 Morree, J. J.., Jongert, T., & Poel, G.. (2006). (zie noot 26) 28 Hulzebos, E., Loo, H.., & Borghouts, L. B. (2002). Paramedische trainingsbegeleiding: Trainingsleer en inspanningsfysiologie voor de paramedicus. (Paramedische trainingsbegeleiding). Houten: Bohn Stafleu Van Loghum. 14
tussen H+ en pyruvaat, gevormd. De vorming van lactaat vangt juist vrije H+-ionen weg. Het pyruvaat-lactaatevenwicht is een buffer die de spiercellen juist beschermt tegen verzuring. 29 Zuurstofschuld (EPOC) en naverbranding Zoals hierboven is beschreven, wordt tijdens inspanning een zuurstofschuld opgebouwd, doordat in het begin van inspanning anaeroob ATP wordt geproduceerd. Hierbij ontstaat lactaat. Na inspanning moet extra zuurstof worden opgenomen om dit lactaat weg te werken. Het effect van deze zuurstofschuld is dat de verbranding na inspanning extra hoog zal zijn om het gevormde lactaat weg te werken. Om het lactaat weg te werken zal metname de vetverbranding na inspanning toenemen. Dit is echter niet het hele verhaal. Het wegwerken van het lactaat na inspanning is de snelle component van de zuurstofschuld. Er is echter ook nog een trage component van de zuurstofschuld en deze is afhankelijk van de inspanningsintensiteit. 30 Hoe hoger de inspanningsintensiteit des te groter de trage component en dus de naverbranding en vetverbranding na intensieve inspanning. De trage component van de zuurstofschuld wordt bepaald door de hoeveelheid adrenaline en noradrenaline die vrijkomen tijdens inspanning en de hoeveelheid spierschade die ontstaat tijdens inspanning. Bij intensieve inspanning komt er meer adrenaline en noradrenaline vrij en ontstaat er meer spierschade. Adrenaline en noradrenaline vergroten de verbranding en vetverbranding, wat gunstig is tijdens inspanning. Na inspanning blijven deze hormonen nog in het bloed en verhogen ook de verbranding en vetverbranding tot wel 24 uur na inspanning. Ook is de verbranding na intensieve inspanning hoger, omdat de ontstane spierschade hersteld moet worden. Bij intensieve inspanning zal de vetverbranding tijdens inspanning wat lager zijn, maar de verbranding en vetverbranding na inspanning zal des te groter zijn in vergelijking met inspanning van lage intensiteit. 31 Aanpassing van spieren op lange termijn Spieren passen zich na een langdurige belasting aan. Hiervan maakt men gebruik in trainingen waarbij met een grote regelmaat een bepaalde zware taak aan het spierstelsel wordt opgelegd. De aanpassing bestaat uit een verdikking van de spiervezels (hypertrofie) of uit een toename van het aantal spiervezels (hyperplasie). De soort aanpassing wordt bepaald door de trainingsprikkels, de zwaarte van de inspanning en het bewegingstype: Statistisch 1. Isometrische ofwel statistische bewegingen: bij een isometrische contractie is de kracht die de skeletspier genereert even groot als de kracht die de last heeft. Het gevolg is dat de spierlengte gelijk blijft. Wanneer je bijvoorbeeld tegen een muur aanduwt, blijft de spierlengte van je spieren gelijk. Dynamisch 2. Bij een concentrische contractie is de kracht die de skeletspier genereert groter dan de kracht die de last heeft. Het gevolg is dat de spier verkort. Wanneer je bijvoorbeeld een boek optilt van een tafel verkort je biceps. 3. Bij een excentrische contractie is de kracht die de skeletspier genereert kleiner dan de kracht die de last heeft. Het gevolg is dat de spier verlengt. Wanneer je bijvoorbeeld een boek rustig op een tafel neerlegt verlengt je biceps. Anaerobe training leidt vooral tot een toename van het aantal snelle spiervezels en het aantal myofibrillen per spiervezel. Aerobe training veroorzaakt een verdikking van vooral langzame spiervezels. Op het niveau van de energie leverende processen ontstaat een versterking van de oxidatieve fosforylering en de ademhalingsketen. Ook het gehalte van het myoglobine neemt toe. 29 Morree, J. J.., Jongert, T., & Poel, G.. (2006). (zie noot 26) 30 William D. McArdle, Victor L. Katch, & Frank I. Katch (2014) Exercise Physiology, Nutrition, Energy, and Human Performance, LWW Philadelphia 31 William D. McArdle, Victor L. Katch, & Frank I. Katch (2014) (zie noot 30) 15
Behalve in de spieren, treden er ook belangrijke veranderingen in het hart op door aerobe training. 32 Voorbeeld van een oefening met de drie verschillende bewegingstypen: de squat Bij een excentrische contractie wordt er minder kracht geleverd dan de weerstand, wat resulteert in het langer worden van de spier. Dit is wanneer je langzaam naar beneden zakt tijdens een squat oefening. Bij een isometrische contractie wordt er kracht geleverd, maar er is geen beweging, dus de spier wordt niet langer, maar ook niet korter. Dit is de korte fase tijdens de squat voordat je weer naar boven gaat. Bij een concentrische contractie wordt er meer kracht geleverd dan de weerstand, wat resulteert in het verkorten van de spier. Dit is tijdens de fase wanneer je terugkeert naar de positie waarin je begonnen was. 33 32 Bouman, L. N., Bernards, J. A., & Boddeke, H. W. G. M. (2008). Medische fysiologie. Houten: Bohn Stafleu van Loghum. 33 http://www.fitsociety.nl/basisregels-fitness/delayed-onset-muscle-soreness/ (08-01-2015) 16
3. Spierpijn en herstel Wat is spierpijn Spierpijn (of myalgie) is een gevoel van pijn aan een spier. Spierpijn kan door een groot aantal oorzaken ontstaan. Een veel voorkomende oorzaak is overbelasting van spieren zoals die bij een fysieke inspanning of sportprestatie optreedt. Spierpijn kan bij het sporten ontstaan in meerdere periodes: Vroege spierpijn (Immediate Soreness) is een brandend gevoel dat ontstaat tijdens of direct na de inspanning. De pijn wordt veroorzaakt door lactaat dat de vrije zenuwuiteinden prikkelt. Verlate spierpijn (Delayed Onset Muscle Soreness, DOMS) treedt pas na 24-48 uur op, is vooral merkbaar na 24 uur en heeft een hoogtepunt 48 uur na de inspanning. De spieren doen pijn en zijn minder belastbaar. De oorzaak zijn microscheurtjes in de spiervezels van de spier en het celmembraan. 34 Jarenlang werd gedacht dat de opbouw van lactaat de belangrijkste oorzaak was van spierpijn. Nu weet men dat lactaat, na een inspanning, snel wordt verwijderd uit de spier en uit het bloed. Er wordt verondersteld dat de pijn wordt veroorzaakt door een influx (instroming) van calcium ionen in de spiercellen. Calcium is essentieel voor spiercontracties. Calcium stimuleert namelijk de contractie van een spiervezel en wordt na de contractie weer snel terug gepompt in het sarcoplasmatisch reticulum (als het ware een calcium opslag ruimte). Calcium lekt uit het sarcoplasmatisch reticulum wanneer spiervermoeidheid optreedt. Dit calcium wordt verzameld in de mitochondriën en onderdrukt de ATP productie. De opeenhoping van calcium ionen in de spiervezel zorgt voor de vrijlating van proteasen. Proteasen zijn eiwitafbrekende enzymen en zorgen voor de afbraak van spiervezels. De formatie van deze afgebroken eiwit componenten zorgt hoofdzakelijk voor spierpijn. 35 Als reactie op het beschadigde weefsel begint het lichaam met een schoonmaakfase door neutrofielen en macrofagen (typen witte bloedcellen) naar de aangetaste regio te sturen. Ondanks dat deze witte bloedcellen het beschadigde weefsel opruimen, spelen ze ook een rol in de productie van vrije radicalen. Vrije radicalen kunnen het herstel proces verlengen/ vertragen en verdere schade aan de spieren veroorzaken. Antioxidanten zijn chemicaliën die de cellen beschermen tegen oxidatieve schade veroorzaakt door vrije radicalen. Antioxidanten zijn belangrijk omdat zij deze vrije radicalen kunnen verwijderen, wat kan leiden tot minder, door inspanning veroorzaakte, spiervermoeidheid. De precieze werking van vrije radicalen en antioxidanten zal later nog worden behandeld. 36 Spierpijn DOMS Sommige consequenties, zoals pijn, zwelling en de vrijlating van intracellulaire enzymen ontstaan niet direct. Deze vertraging wordt vertegenwoordigd door de natuurlijke tijdspanne van een ontstekingsreactie op een verwonding/ letsel/ blessure en is ongeveer 24 tot 48 uur na een intensieve inspanning. DOMS wordt gedefinieerd als een spierspannings blessure gepaard gaande met gevoeligheid en stijfheid van de spieren tijdens een beweging. De pijn stimulus die geassocieerd wordt met DOMS omvat kramp, bindweefsel schade, lactaatzuren, spierschade, en een enzym efflux. Met de (actieve) efflux wordt de snelheid of mate bedoeld waarin een stof door middel van actief transport de cel wordt uitgepompt. 37 34 http://www.fitsociety.nl/basisregels-fitness/delayed-onset-muscle-soreness/ (08-01-2015) 35 Hendriks, E. R. H. A. (1992). Leerboek sportgeneeskunde. Houten: Bohn Stafleu Van Loghum. 36 Hendriks, E. R. H. A. (1992). (zie noot 35) 37 Houtman, I. L. D., Schlatmann, H. F. P. M., & Poel, G.. (2000). Fysiologie voor de sportpraktijk. Maarssen: Elsevier gezondheidszorg. 17
Herstel spierpijn Spierpijn kan worden gezien als een soort beschermingsmechanisme van het lichaam. Wanneer je de spieren zwaar (excentrisch) hebt belast, wil het lichaam zich herstellen en versterken voor de volgende belasting. Wanneer je last van spierpijn krijgt dan is dat een teken dat je kleine scheurtjes in je spieren hebt veroorzaakt door de inspanning en dat je lichaam dit probeert te herstellen. Het lichaam herstelt de beschadigde spiervezels, de spierscheuringen, zelf. Daarnaast vindt er ook supercompensatie plaats. Supercompensatie houdt in dat het lichaam zich herstelt boven het oorspronkelijke niveau. Zo worden ter voorbereiding op de volgende zware belasting onder andere je spiervezels dikker, worden er meer bloedvaatjes rondom de spier gevormd en wordt de samenwerking tussen de spiervezels verbetert. Kortom na een herstelperiode heeft het spierweefsel zich aan de nieuwe belasting kunnen aanpassen waardoor de volgende keer dezelfde belasting minder inspannend zal zijn.38 (zie figuur 3.1 39) (De invloeit van een orgaan of weefsel is het terug gaan naar de oude toestand na een fysiologisch proces, als je na de inspanning je spieren niet blijft trainen dan zullen deze ook niet verder ontwikkelen.) Figuur 3.1 Herstel spieren na inspanning. Visueel Analoge Schaal (VAS) Het meten van (spier)pijn is lastig. Een instrument om pijn te meten bestaat niet. Zelf ben je de enige die kan vertellen of je pijn hebt en hoe erg die pijn is. Veel mensen vinden het moeilijk om uit te leggen hoeveel pijn zij hebben. Dat is begrijpelijk. Het geven van een cijfer kan hierbij helpen. De Visueel Analoge Schaal (VAS) is een aspecifieke meetschaal, die voor vele doeleinden gebruikt kan worden. De schaal maakt het mogelijk om een kwalitatief gevoel om te zetten in een kwantitatieve score. Met behulp van de VAS kun je aangeven in welke mate je pijn ervaart. De opbouw is afhankelijk van de versie. Het meest gebruikelijke is een verdeling van 0 tot 100, waarbij 0, ik voel helemaal niks, de minimumscore en 100, "de grootst mogelijke pijn die ik me kan voorstellen", de maximumscore is. De VAS is een subjectieve pijnmeting omdat je zelf de mate van pijn moet aangeven. Hierdoor is er wel kritiek op de meting van pijn met behulp van de VAS, omdat men de puntenscores niet tussen groepen kan vergelijken. Iedereen beoordeelt pijn immers anders. Een hoge score in het ene onderzoek, kan een hele andere score opleveren in het andere onderzoek. 40 41 38 https://www.dietcetera.nl/ziektes-en-aandoeningen/spierpijn (08-01-2015) 39 http://www.fitsociety.nl/basisregels-fitness/delayed-onset-muscle-soreness/ (08-01-2015) 40 https://www.amc.nl/web/zorg/patient/opname-voor-meerdere-dagen/intensive-care-unit/patienteninformatie/pijn- pijnmeting-en-pijnbestrijding.htm (11-01-2015) 41 http://www.ergonomiesite.be/arbeid/vas.htm (11-01-2015) 18
4. Antioxidanten en vrije radicalen Inleiding Vrije radicalen zijn uiterst reactieve moleculen die een elektron te veel of te weinig hebben in hun buitenste elektronen schil. De productie van deze vrije radicalen wordt in planten onder andere veroorzaakt door UV-licht. In onze eigen lichaamscellen hebben we vooral met zuurstofradicalen te maken. Deze ontstaan tijdens het metabolisme bij de elektronentransportketen in onze cellulaire energiecentrales; de mitochondriën. De vrije radicalen beschadigen de macromoleculen in de cel (DNA, eiwitten, koolhydraten en lipiden). Er wordt verondersteld dat deze schade soms slechts gedeeltelijk wordt hersteld. Als niet alle toegebrachte schade wordt hersteld dan betekent dat dat de niet herstelde schade zich steeds meer ophoopt, wat kan bijdragen aan ouderdomsziekten. Ook wordt er gedacht dat de schade die toegebracht is door vrije radicalen verantwoordelijk is voor het verouderingsproces. Om schade te voorkomen heeft ons lichaam mechanismen ontwikkeld om onze cellen te beschermen tegen deze vrije radicalen. Hiervoor worden antioxidant-enzymen gebruikt, zoals superoxide dismutase (SOD), catalase en lichaamseigen antioxidanten, welke de vrije radicalen bij de bron van hun ontstaan onschadelijk maken. Dat gebeurt door een elektron af te staan aan (of op te nemen van) het vrije radicaal. Hierdoor wordt het vrije radicaal geneutraliseerd. Wanneer een antioxidant een vrij radicaal neutraliseert wordt het door elektronen overdracht zelf een (minder reactief) vrij radicaal. Normaal gesproken gebruikt een antioxidant een aantal andere moleculen om dit neutralisering proces in goede banen te leiden, waardoor het antioxidant uiteindelijk ook niet meer reactief is. In samenwerking met andere moleculen kan het zijn antioxiderende werking op verantwoorde wijze uitvoeren. 42 Opbouw van een vrij radicaal Een vrij radicaal wordt gedefinieerd als een atoom, dat één of meer ongepaarde elektronen bevat in de buitenste schil (zie figuur 4.2 43), die de mogelijkheid hebben om te reageren. Vrije radicalen kunnen ontstaan als gevolg van een homolytische, heterolytische (zie figuur 4.1 44) of een redox reactie en ze bevatten meestal reactieve zuurstof of stikstof atomen. De vrije radicalen vallen onder een grotere groep; namelijk de reactieve oxygen species (ROS). Figuur 4.1 Figuur 4.2 7 Ontstaan van vrije radicalen Er zijn twee verschillende oorzaken voor de aanwezigheid van vrije radicalen in het lichaam; 1. Endogene oorzaken, vrije radicalen die zijn ontstaan door lichaamseigen processen en reacties. Bijvoorbeeld door de verbranding of activiteit van witte bloedcellen (zie tabel 1.1). 2. Exogene oorzaken, vrije radicalen die ontstaan als het gevolg van het inademen van vervuilde lucht, roken of te lange blootstelling aan de zon. Sommige medicijnen zijn een grote bron van vrije radicalen (zie tabel 1.2). 42 Wijk, R., Aakster, C. W., & Wijk, E. P. A. (2009). Jaarboek Integrale Geneeskunde 2009. Harderwijk: Boekenservice. 43 http://diehardbrain.blogspot.nl/2012/03/free-radicals-and-antioxidants.html (08-01-2015) 44 http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/en/ch/12/oc/vlu_organik/radikale/radikale_einfuehrung.vlu.html (08-01- 2015) 19
20
Functies van vrije radicalen Wanneer vrije radicalen in te grote getale aanwezig zijn, kunnen ze schade aanrichten aan verschillende lichaamseigen stoffen, zoals DNA, eiwitten, koolhydraten en lipiden. Vrije radicalen hebben echter geen schadelijke werking wanneer het lichaamseigen verdedigingssysteem met antioxidanten ervoor zorgt dat de concentratie vrije radicalen laag blijft. De ROS en vrije radicalen vervullen een zeer grote rol in het overgeven van signalen binnen het lichaam. Het geven van signalen door de cellen wordt meestal gestimuleerd door hormonen, groeifactoren, cytokines en neurotransmitters. De meeste cellen brengen een kleine oxidatieve explosie teweeg nadat ze zijn gestimuleerd. Dit resulteert in een lage concentratie ROS, welke onmisbaar is voor de signaaltransductie. De ROS vervullen ook een belangrijke rol binnen het afweersysteem. Cellen van het afweersysteem zijn instaat om een hoge concentratie ROS af te geven, die binnendringende pathogenen uit kunnen schakelen. ROS hebben een leidende rol binnen de celdifferentiatie en spelen een belangrijke rol bij het ouder worden. Ook bij autofagie zijn ROS van belang; autofagie is het proces waarbij de cellen intracellulaire proteïnes en organellen in de lysosomen afbreken en verteren. Dit proces is belangrijk voor het verwijderen en hergebruiken van beschadigde proteïnes en organellen. Het antioxidant beschermingssysteem van het lichaam Het beschermingssysteem van het lichaam bevat lichaamseigen antioxidanten en antioxidanten die zijn ingenomen door het consumeren van eten of drinken. Er zijn drie categorieën antioxidanten: 1. oxidatieve enzymen 2. chain-breaking antioxidanten 3. metaal binding proteïnen De belangrijkste antioxidanten zijn superoxide dismutase, catalase en peroxidases, welke van nature al in het lichaam aanwezig zijn. Chain-breaking antioxidanten zijn antioxidanten die een kettingreactie, in gang gezet door een vrij radicaal, kunnen blokkeren/ stoppen. Sommige van deze antioxidanten verkrijgen we door voeding; het zijn stoffen als carotenoïden, flavonoïden en vitaminen. Lichaamseigen proteïnen zoals ferritine en transferrine zijn ook belangrijke antioxidanten doordat ze in staat zijn om metaalionen zoals koper en ijzer te binden, zodat er minder vrije radicalen worden gecreëerd. (zie figuur 4.3 voor de rangschikking van verschillende antioxidanten) Figuur 4.3 21
Chain-breaking antioxidanten Chain-breaking antioxidanten zijn kleine moleculen die in staat zijn kettingreacties, die door vrije radicalen in gang zijn gezet, te stoppen. Er zijn lichaamseigen chain-breaking antioxidanten, maar ze worden ook veel door het consumeren van eten en drinken opgenomen in het lichaam. Ze zorgen hiervoor door een elektron op te nemen van, of af te geven aan, andere onstabiele moleculen, zodat deze weer stabiel worden. Chain-breaking antioxidanten kunnen opgedeeld worden in twee categorieën: wateroplosbaar en vetoplosbaar. Het belangrijkste wateroplosbare antioxidant is vitamine C. Het belangrijkste vetoplosbare antioxidant is vitamine E, wat voorkomt in acht verschillende vormen. Verschillende bronnen van antioxidanten Er zijn veel verschillende vitaminen, mineralen en andere stoffen die een antioxidatieve werking hebben. (Voor een overzicht van alle soorten antioxidanten, zie figuur 4.4). De volgende antioxidanten zullen nu even kort besproken worden; vitamine C, vitamine E, koper, zink en bètacaroteen. Flavonoïden zullen behandeld worden bij het hoofdstuk over tarwegras. Figuur 4.4 Vitamine C Vitamine C is een in water oplosbare vitamine, die noodzakelijk is voor normale groei en ontwikkeling. Een teveel aan deze vitamine verlaat het lichaam via de urine. Dat betekent dat de dagelijkse behoefte aan aan vitamine C continue aangevuld moet worden via de voeding. Dit komt ook doordat in water oplosbare vitaminen, in tegenstelling tot in vet oplosbare vitaminen, moeilijk in het lichaam kunnen worden opgeslagen. 45 Vitamine C is nodig voor de groei en het herstel van weefsels in alle delen van het lichaam. Het is noodzakelijk voor het vormen van collageen, wat als belangrijkste functie de ondersteuning van de huid heeft. Vitamine C is essentieel voor de genezing van wonden en voor de reparatie en het onderhoud van kraakbeen, botten en tanden. Bovendien zorgt vitamine C ervoor dat ijzer uit de voeding beter wordt opgenomen en speelt het een rol bij het in stand houden van de weerstand. Vitamine C is namelijk één van de vele antioxidanten en die in staat is om schadelijke vrije radicalen te neutraliseren.46 45 Dasgupta, A., & Klein, K. (2014). Antioxidants in food, vitamins and supplements: Prevention and treatment of disease. Burlington: Elsevier Science. 46 http://mens-en-gezondheid.infonu.nl/gezonde-voeding/64998-vitamine-c-tekort-symptomen-te-veel-overdosis-fruit.html (12-01-2015) 22
Er wordt gezegd dat er een plateau wordt bereikt in het bloed, bij een inname van 70 tot 100 mg vitamine C per dag. Wanneer er echter gekeken wordt naar de statistieken waarop deze adviezen zijn gebaseerd, is te zien dat er geen sprake is van een plateau, maar van een eigen interpretatie van een doorgetrokken lijn in een grafiek, waarin gegevens ontbreken. Opname van vitamine C door het lichaam verloopt in een stijgende lijn naarmate meer wordt ingenomen. Dus hoe hoger de inname hoe hoger de opname. De grens ligt bij de opnamecapaciteit van de darmen. 47 48 Ongeveer 70-90% van de vitamine C wordt door het lichaam opgenomen, wanneer er 30-180 mg per dag wordt ingenomen. Wanneer er meer dan 1 gram per dag wordt ingenomen, daalt de opname naar zo n 50%, de rest wordt uitgescheiden via de urine. Hoge concentraties vitamine C worden vooral gevonden in cellen en weefsels en zijn het hoogst in de leukocyten, in de ogen, in de bijnieren, in de hypofyse en in de hersenen. 49 Vitamine C heeft een aantal belangrijke interacties met andere vitaminen, mineralen en voedingsstoffen: - Vitamine C bevordert de opname van plantaardig ijzer. - Vitamine C remt de opname van koper. - Vitamine C heeft een positieve invloed op de opname van seleen. - Vitamine C bevordert de opname van vitamine B11. 50 Vitamine E Vitamine E, ook wel tocoferol genoemd, is een in vet oplosbare vitamine. Het bevindt zich in het vet van een product. Vitamine E kent acht natuurlijke vormen. Vitamine E in natuurproducten bestaat uit één of meer van de vier tocoferolen en vier tocotriënolen. De vier tocoferolen zijn alfa-, bèta-, gamma- en delta-tocoferol. De vier tocotriënolen zijn alfa-, bèta-, gamma- en deltatocotriënol. Deze vallen allemaal onder vitamine E. Tocoferolen en tocotriënolen zijn in vet oplosbare stoffen.51 De lever heeft een voorkeur om de vorm vitamine E, alpha-tocoferol, op te nemen. De andere vormen worden grotendeels uitgescheiden.52 Vitamine E is een in vet oplosbare antioxidant. Dit houdt in dat het lichaam in staat is om een voorraad aan te leggen van vitamine E. Vitamine E lost op in het vet dat zich in voedsel bevindt. Ongeveer 30% van de totale hoeveelheid vitamine E wordt opgenomen. 70% gaat met de ontlasting verloren. In het orgaanvet en in de lever worden reserves van vitamine E opgeslagen. Bij voldoende opname komt vitamine E voor in alle lichaamsweefsels. Vitamine E is noodzakelijk voor de aanmaak van rode bloedcellen. Daarnaast helpt vitamine E om spieren en andere weefsels in stand te houden. Bovendien is vitamine E belangrijk voor de weerstand. Koper Koper is noodzakelijk voor de vastlegging van ijzer in hemoglobine. Het eiwit hemoglobine is verantwoordelijk voor het transport van zuurstof van de longen naar de organen en weefsels. Ook activeert koper enzymen (oxidasen) die zuurstof overdragen in de cel. Enzymen helpen om bepaalde processen in het lichaam (sneller) uit te voeren. Om die reden speelt koper een rol in het zuurstoftransport van het lichaam. Koper heeft niet alleen de functie om enzymen te activeren, het is ook een onderdeel van enzymen die helpen om botten en bindweefsel te vormen. Bovendien heeft koper ook een antioxidatieve werking. 25-75% van het koper in de voeding wordt opgenomen in de maag en dunne darm. Koper wordt aan een eiwit gekoppeld in de lever. Vervolgens gaat het met het bloed naar de weefsels. In het lichaam is ongeveer 50 à 120 milligram koper aanwezig. Ruim de helft bevindt zich in de spieren, 25% in de botten, 10% in de lever en 47 http://www.dieetcare.nl/news_article.php?cod=400 (11-01-2015) 48 http://lpi.oregonstate.edu/sp-su97/intake.html (11-01-2015) 49 http://ods.od.nih.gov/factsheets/vitaminc-healthprofessional/ (11-01-2015) 50 http://www.vitamine-info.nl/nieuwsartikel/article/interacties-tussen-vitamines-en-mineralen-112/#.vlpoeieg6aa (11-01- 2015) 51 https://www.dietcetera.nl/voedingsstoffen/vitamine-e-tocoferol (11-01-2015) 52 http://ods.od.nih.gov/factsheets/vitamine-healthprofessional/ (11-01-2015) 23