Karnosiini urheilussa ja kuntoilussa

Karnosiini on urheilijan ja kuntoilijan ihanteellinen ravintolisä. Se lisää lihasvoimaa ja kestävyyttä ja nopeuttaa palautumista kuormituksen jälkeen. Karnosiinin käyttö on sallittua kilpaurheilussa.

– Olen testannut kreatiinia, monohydraatteja ja pyruvaattia sekä rautaa, mutta tätä nykyä olen kaikkein innostunein tohtori Matti Tolosen Sport-Carnosinista. Se on tosi mielenkiintoinen aine ja sen vaikutukset huomaa heti, jos sitä käyttää. Jos se syystä tai toisesta jää ottamatta, eron huomaa hyvin dramaattisesti. Ei olekaan niin terävänä eivätkä maitohapot blokkaannu niin hyvin kuin pitäisi. Uskon tähän tuotteeseen tosi voimakkaasti. – Olen käyttänyt Sport-Carnosinia syksystä 2008 lähtien. Otan sitä yleensä illalla nukkumaan mennessä kaksi tablettia, mutta jos on pelipäivä, nappaan kaksi myös aamulla. Muutoin otan aamuisin vain yhden.
– Pasi Nielikäinen, jääkiekkoilija, Jokerit (2009)

Huipputuloksiin tähtäävällä urheilijalla ei ole enää varaa olla käyttämättä karnosiinia. Se puskuroi maitohappoa, vetyinoneja (prototeja) ja lisää lihasvoimaa sekä kestävyyttä, nopeuttaa palautumista ja hoitaa ylikuntoa. Karnosiini täydentää ja tehostaa lihaksen omaa bikarbonaattiin perustuvaa puskurijärjestelmää. Karnosiini ei kuulu dopingaineisiin, eikä sen käyttö ole muutoinkaan ole kiellettyä urheilussa. Karnosiini (4 g/vrk) antaa urheilijalle suojaa hapatusstressiä vastaan (Slowinska-Lisowska ym. 2014). Monet Suomenkin huippu-urheilijoista käyttävät ravintolisänään Sport-Carnosinia.

Ultrajuoksijat Viljanen ja Montonen käyttävät Sport-Carnosinia
Jukka Viljanen kertoo 100 km juoksustaan Antarktiksella

Tohtori Tolosen Sport-Carnosin valittiin 2008 vuoden urheiluravinteeksi!

Karnosiini löytyi lihaksesta vuonna 1900

Venäläiset tiedemiehet löysivät karnosiinin lihaksesta vuonna 1900 (liha = carne). Vuonna 1953 venäläinen fysiologi Sergei E. Severin osoitti, että karnosiini puskuroi lihastyön tuottamaa maitohappoa ja pitää kuormittuvan lihaksen pH:n lähes neutraalina, kun se muutoin maitohapon vaikutuksesta laskee ja lihas väsyy (Biokhimiya 1992;1285-95). Hän ei kuitenkaan tuolloin itse oivaltanut keksintönsä merkitystä urheilu- ja työfysiologiassa, mutta Severinin työt innoittivat muita fysiologeja ja urheilulääkäreitä jatkamaan karnosiinitutkimuksia. Myöhemmin on käynyt ilmi mm., että karnosiini tehostaa kreatiinin vaikutusta lihaksissa. Erityisesti japanilaiset urheilulääkärit ja -fysiologit ovat tutkineet paljon karnosiinia ja suosittavat sitä maitohapon ja vetyionien puskurointiin sekä vapaiden radikaalien ja niiden myrkyllisten aineenvaihduntatuotteiden (hapetusstressin) torjuntaan (katso viitteet lopussa).

Karnosiinin käytön lopettamisen jälkeen lihasten karnosiinin pitoisuus vähenee 2–4 % viikossa. Lihassoluissa (myosiiteissa) ei ole karnosiinia hajottavaa entsyymiä, karnosinaasia. Mitä enemmän kuntoilevan naisen lihaksisto sisältää karnosiinia, sitä parempi on hänen fyysinen suorituskykynsä, osoittaa uusi tutkimus (Varanoske ym. 2017).

Ergometritestit todistavat karnosiinin tehon suorituskyvyn kohentajana

Japanin urheilutieteen laitoksen tutkimukset ovat antaneet vakuuttavaa näyttöä karnosiinin tehosta raskaassa liikuntasuorituksessa (Suzuki ym. 2002, Suzuki ym. 2006, Maemura ym. 2006). Karnosiinin pitkäaikainen päivittäinen käyttö, annoksella 1200 mg päivässä, ehkäisee maitohapon muodostusta lihaksessa, happopulssia (protoneja) ja lihaksen happamoitumista ja samalla suorituskyky kasvaa merkittävästi, etenkin loppukirissä: Kuukauden mittaisessa kaksoissokkotutkimuksessa testattiin kahta kahdeksan miehen ryhmää, joista toinen sai päivittäin karnosiinia (ja sen sukulaisainetta anseriinia) sisältävää juomaa (200 ml), ja toinen lumejuomaa. Aktiivijuoma sisälsi 100 ml kohti 600 mg karnosiinia. [Vertailun vuoksi: 100 g pihvilihaa sisältää 124 mg karnosiinia.] Tulokset olivat vakuuttavat.

Toiseen testiin osallistui 11 tervettä koehenkilöä, joita rasitettiin maksimaalisesti polkupyöräergometrillä. Heistä otettiin levossa lihasbiopsia (vastus lateraliksesta) ja lihaksen karnosiinipitoisuus mitattiin aminohappoautoanalysaattorilla. Sitten koehenkilöt polkivat täysillä 30 sekunnin sprintin ergometrillä. Lihaksen karnosiinipitoisuus korreloi postitiivisesti lihaksen IIX-kuitutyyppiin ja henkilön lihasvoimaan. Tutkijat päättelivät, että lihaksen karnosiinipitoisuudella on tärkeä merkitys raskaassa lihaskuormituksessa kuten huippu-urheilussa. Mitä enemmän lihaksissa oli karnosiinia, sitä enemmän sprinttivoimaa (Suzuki ym. 2002). Pelkkää kananrintauutettakin syömällä saatiin jonkinlainen puskurivaikutus maitohappoon, mutta koehenkilöiden suorituskyky ei noussut (Suzuki ym. 2006).

Karnosiini ja sen esiasteen beeta-analyysin yhdistelmä, 2 g/vrk, paransi merkitsevästi reissilihasten voimaa ja suorituskykyä ja nopeutti palautumista uupumukseen asti tehdyn kyykkyhyppytestin jälkeen, osoittivat italaialaiset tutkijat (Invernizzi ym. 2015).

Amerikkalainen urheilufysiologiryhmä tutki karnosiinilisän vaikutusta 10 kilpapyöräilijällä ja 10 harjaantumattomalla verrokilla (Kraemer ym. 1995). Kaikilta koehenkilöiltä otettiin verikoe, josta mitattiin happo-emästasapainoa. Karnosiinilisä ei vaikuttanut siihen, mutta nopeutti pyöräilijöiden palautumista raskaan suorituksen jälkeen. Testatussa karnosiinituotteessa oli mukana fosforia. Uudemmassa tutkimuksessa karnosiinin esiasteella, beeta-alaniinilla, aikaan saatu karnosiinipitoisuuden lisäys lihaksissa lisäsi merkittävästi kilpapyöräilijöiden sprinttikykyä pitkäkestoisessa ajossa (van Thienen ym. 2009).

Englantilaisen Chichesterin yliopiston urheilulääketieteen laitoksen tutkimuksessa fyysinen suorituskyky lisääntyi sitä mukaa kun lihasten karnosiinipitoisuus kasvoi annettaessa beeta-alaniinia (Hill ym. 2006). Uudempi brittitutkimus osoitti terveillä vapaaehtoisila koehenkilöillä, että karnosiinin ja sinkin yhdistelmä vähensi suolen läpäisevyyttä (vuotavaa suolta) ja ehkäisi siten kovaan treeniin liittyviä vatsavaivoja (Davison ym. 2016).

Lihasten kaksi puskurijärjestelmää

Bikarbonaattijärjestelmä
Voimakas lihastyö kuluttaa lihasten adenosinitrifosfaatin (ATP), fosfokreatiinin (PCr) ja glukogeenin varastoja. Samalla lihassoluihin kertyy aineenvaihdunnan tuotteita (ADP:tä, epäorgaanista fosfooria (P), vetyioneja eli protoneja (H+) ja magnesiumia (Mg+), jotka kaikki myötävaikuttavat lihaksen väsymiseen. Protonien kertyminen lihakseen alentaa sen pH:ta eli lihas happamoituu ja väsyy. Urheilijan protonien puskurikapasiteettia voidaan nostaa lisäämällä energiasubstraattia, jolloin väsyminen saattaa hidastuu ja viivästyy. Kun suorituksen kesto ja intensiteetti ovat kyllin korkeat, puskuroi bikarbonaatti (HCO3-) protoneja, jotka poistuvat lihaksesta. Dynaamisessa treenauksessa bikarbonaattijärjestelmä huolehtii suoraan puskuroinnista ja se saa apua muusta fysikokemiallisesta puskuroinnista, johon osallistuvat fosfaatti, peptidien (mm. katnosiinin) ja proteiinien histidiinijäänteet ja se vähäinen bikarbonaattimäärä, mikä lihaksessa oli ennen suorituksen alkua. Kuitenkin lyhyissä intensiivisissä spurteissa – tyypillisesti jääkiekossa – fysikokemiallinen purskurointi voittaa bikarbonaattijärjestelmän dynaamisen puskurointikyvyn, jolloin lihaksen fosfaatit ja peptidit (mm. karnosiini) kuluvat.

Karnosiini
Karnosiini on tärkeä soluliman puskuri, joka toimii bikarbonaattijärjestelmän ulkopuolella. Sitä on lihaksessa paljon ja korkean pKa-arvonsa (6.83) ansiosta se eliminoi protoneja tehokkaammin kuin bikarbonaatti (pKa 6.37) tai epäorgaaninen fosfori (pKa 7.2). Kun lihaksessa on runsaasti karnosiinia, sen merkitys puskurina on suurempi kuin muiden puskureiden. Lihaksen karnosiinipitoisuutta voidaan lisätä syömällä karnosiinia purkista.

Mihin karnosiinin vaikutus lihaksissa perustuu?

Voimakas fyysinen lihastyö lisää lihaksissa karboksyylihapporyhmien, pääasiassa maitohappo- eli laktaatti-ionin (Lac-) tuotantoa lihaksissa adenosiinitrifosfaatin (ATP) tuottaessa energiaa. Tällöin lihakseen kehittyy metabolinen asidoosi (happamuustila). Mitä enemmän protoneja tuotetaan, sitä nopeammin lihas happamoituu ja väsyy.  Lac- vastaa 94 % luurankolihaksen vetyinonin (H+) tuotannosta. Lihas siis happamoituu, sen pH vähenee noin 7,0:sta (levossa) jopa 6,3:een (kuormituksessa). Silloin lihas menee ”hapoille”, ja se väsyy. Tarkemmin sanoen, H+ ehkäisee fosforyylikretaiinin elpymisen ja sen kyvyn puskuroida ADP:n kertymistä, ja se (H+)  estää lihaksen supistumiskyvyn elpymisen. Loppukirissä väsyvä juoksija nousee pystyyn ja ”hyytyy”. Urheilija tarvitsee siis lihaksen happamoitumista ehkäiseviä puskureita, kuten karnosiinia.

Lihassoluilla on siis oma puolustusmekanisminsa happamoitumista vastaan – protonien puskurointijärjestelmä (katso Begum ym. 2005). Se toimii pääasiassa imidatsoli-ryhmän sisältävien proteiinien avulla, joihin karnosiini kuuluu. Imidatsoliryhmät puskuroivat tehokkaasti protoneja, koska niiden pH on lähellä solunsisäistä pH:ta. Toinen imidatsolirenkaan kahdesta typpiatomista protonoidaan fysiologisessa pH:ssa. Tätä ilmiötä kutsutaan happo-emästasapainon alfastaattisäädöksi (alphastat regulation). Sen tehtävänä on pitää -imidatsoli suhteellisen vakaana [toisin sanoen ei-protonoitu imidatsoli/(ei-protonoitu imidatsoli + protonoitu imidatsoli)]. Alfastaattisäätö osallistuu myös lämmön säätelyyn, joka voi olla ratkaiseva pitkäkestoisissa urheilulajeissa (pitkänmatkanjuoksu ja hiihto, triathlon ym.). Lihaksen sisäiseen puskurointiin osallistuvat myös fosfaatit (se selittää, miksi kreatiini on tehokasta), bikarbonaatti ja valkuaisaineet, joista karnosiini on tärkeimpiä. Karnosiini auttaa sinua treenaamaan kovemmin pitempään.

Oxfordin yliopiston protonityöryhmän tutkimus osoittaa, kuinka karnosiini ehkäisee ja hoitaa asidoosia soluissa (Vaughan-Jones ym. 2005).

Kuva 5. Karnosiini kuuluu solunsisäisiin liikkuviin puskuroiviin dipeptideihin, jotka suojaavat lihasta hapenpuutteen aiheuttamien happopulssien haitoilta. Karnosiini puskuroi maitohappoa (laktaattia + vetyinonia eli protonia) ja säätää siten solunsisäistä pH:ta, osoittavat Oxfordin yliopiston tutkimukset ( Proton Transport Group lead by Prof Richard D. Vaughan-Jones).

Karnosiinilisä vähentää lihasten väsymistä raskaissa suorituksissa vaikuttamalla edullisesti myös kalsiumin ja magnesiumin aineenvaihduntaan.In vitro -tutkimuksissa on havaittu, että karnosiini lisää lihassäikeiden herkkyyttä kalsiumiumioniin (Ca2+) ja parantaa lihaksen sarkoplasmisen retikulumin kalsiumin vapautumista tapahtumassa, jota fysiologiassa kutsutaan “Severinin ilmiöksi". Kun karnosiinia lisätään liuokseen, jossa on täysin väsytetty sammakon lihaspreparaatti, lihaksen supistusvoima lisääntyy välittömästi moninkertaiseksi (Severin 1953, ks. Rubtsov 2001). Karnosiini vähentää lihaksen supistumiseen tarvittavan kalsiumin määrää.

Severinin havainnon innoittamina lihastutkijat kiinnostuivat karnosiinin vaikutuksesta lihastyöhön. Kävi ilmi, ettei karnosiini pelkästään palauta väsyneen lihaksen supistuskykyä vaan myös ehkäisee sen väsymistä (Dupin 1986, ks. Rubtsov 2001).

.

Kuva 1. Karnosiini (30 nM) lisää lihaksesta vapautuvan kalsiumin (Ca2+) määrää merkittävästi. Mustat pylväät = karnosiinia annettu. Valkoiset pylväät = ilman karnosiinia, jolloin maitohapon kertyminen lihakseen (ja pH:n laskeminen 6:een) täysin tukkii kalsiumkanavat (ks. Rubtsov 2001).

Karnosiini ehkäisee urheilijan lihasvaurioita ja nopeuttaa palautumista rasituksesta. Kova lihastyö (huippu-urheilu) tuottaa vapaita radikaaleja, mikä kuluttaa lihaksen karnosiinivarastoja. Vapaat radikaalit härskiinnyttävät lihaksen rasvoja (lipidiperoksidaatiossa) ja karbonyloivat proteiineja. Kuten edellä jo todettiin, karnosiini ehkäisee näitä reaktioita, edellyttäen että sitä on lihaksessa riittävästi. Mikä sitten on riittävästi?

Tutkimusten mukaan lihaksen karnosiinipitoisuuden tulee olla vähintään 2,5 mM, jotta lipidioksidaatio estyy ja 1 nM, jotta proteiinien karbonylaatio estyy. Kun eräässä kokeessa rotille syötettiin 13 vrk:n ajan karnosiinia, niiden luurankolihasten karnosiinipitoisuus kasvoi merkittävästi ja samalla lihaksen lipidiperoksidaatio ja proteiinien karbonylaatio vähenivät. Tämä pätevästi tehty tutkimus vahvistaa sen käsityksen, että karnosiini todella estää fysiologisissa oloissa (terveiden urheilijoiden) lihasten lipidiperoksidaatiota ja proteiinien karbonylaatiota (Nagasawa ym 2001).

Australialainen raportti kertoo yksityiskohtaisesti, kuinka karnosiini tehostaa lihaksen supistusvoimaa ja kestävyyttä ja kuinka se nopeuttaa palautumista kuormituksen jälkeen (Dutka ja Lamb 2004). Vuonna 1983 Bate-Smith havaitsi, että karnosiinin ja sen sukulaisaineen anseriinin pK-arvot (6,9 ja 7,1, vastaavasti) ovat ihanteellisia puskureita fysiologisissa pH-lukemissa. Hän osoitti myös, että 40 % nopeiden lihassyiden puskurikapasiteetista johtuu näistä kahdesta dipeptidistä ja loput 60 % muista, liikkumattomista (immobiileista) lihaksen proteiineista (ks. Boldyrev 2000). Karnosiini on lihaksissa ja sydämessä ns. liikkuva puskuri, kuten tuonnempana lähemmin ilmenee. Uusi vakuuttava näyttö karnosiinin kuntoa nostavasta vaikutuksesta tulee Japanin Urheilutieteen laitokselta

Nopeat ja hitaat lihassyyt

Tyypin 1 lihassyyt ovat punaisia, ne sisältävät runsaasti myoglobiinia ja mitokondrioita, ne ovat nopeita supistumaan, ja ne kykenevät pitkäkestoiseen supistukseen (alaraajojen isot lihakset). Tyypin 2 lihassyyt ovat valkeita, niissä on vähän myoglobiinia ja mitokondrioita, niissä on runsaasti glykogeenia ja ne kykenevät lyhytkestoiseen voimakkaaseen supistukseen (esim. hauis).

Kuva 2. Karnosiinia on kaksi kertaa enemmän tyypin 2 nopeissa kuin tyypin 1 hitaissa lihassäikeissä.

Karnosiinin pitoisuus lihaksissa

Lihaksen karnosiinin pitoisuuden määrää ennen muuta (eläin)laji: Nopeasti jouksevilla eläimillä pitoisuus on suurempi kuin esimerkiksi ihmisellä. Ihminen voi lisätä lihaksen karnsoionin pitoisuutta nauttimalla ravintolisänä karnosiina tai sen esiastetta beeta-alaniinia. Kumpikin suurentaa pitoisuutta yhtä (equal molar quantity). Ravintilisän käytön lopettamisen jälkeen lihaksen karnosiinin pitoisuus alenee takaisin lähtötasoon. Pitoisuuden arvioitu puoliintumisaika on 5–15 viikkoa. Tavallista suurempi karnosiinipitoisuuksia on mitattu säännöllisesti harjoittelevilla hyväkuntoisilla ihmisillä, mutta sitä ei tiedetä, johtuuko se trenaamisesta sinänsä, lihassäikeissä tapahtuneista sekundaarisista muutoksista, beeta-alaniinin, karnosiinin tai mahdollisesti anabolisten steroidien käytöstä.

Äkillinen kova harjoitus (tai kilpailu) ei alenna lihaksen karnosiinin pitoisuutta, mutta hevosilla on todettu että harjoitukseen liittyvä lihasvaurio voi suurentaa plasman karnosiinin pitoisuutta. Ihmisillä ruokavaliomuutosten vaikutuksen vaikutuksesta lihasten karnosiinipitoisuuksiin ei ole vielä tutkittua tietoa (Harris ym 2012).

Nopeaan juoksuun tottuneiden eläinlajien (kuten hevosten ja kamelien) lihaksissa on enemmän karnosiinia (100–150 mmol/kg) kuin hitaasti juoksevien (Dutka ja Lamb 2004). Myös Wise ym. (2007) ovat mitanneet eri eläinlajien lihasten karnosiinipitoisuuksia ja havainneet niissä evoluution vaikutuksen: mitä nopeammin eläimen on päästävä pakoon, sitä suurempi pitoisuus. Fasaanien rintalihasten pitoisuus on ~ 220, kanan ~ 225, kalkkunan ~ 275, hevosen ~ 110, koiran ~ 82, kilpakamelien ~ 70 mmol/kg. Ihmisten lihaksissa karnosiinia on keskimäärin ~ 20 mmol/kg, mikä on 10 kertaa enemmän kuin esimerkiksi rotan ja 30 kertaa suurempi kuin hiiren lihaksessa. Siksi hiiri- tai rottakokeita ei voida karnosiinin osalta suoraan soveltaa ihmiseen. Pitkänmatkan juoksijoiden (maratoonareiden) lihasten karnosiinipitoisuus ja maitohapon puskurikapasiteetti ovat huomattavasti pienempiä kuin sprinttereillä, soutajilla ja ei-urheilevilla verrokeilla (Parkhouse ym. 1985). Ihmisillä on mitatu seuraavia pitoisuuksia: bodarit ~ 44, tavallisilla kaikkiruokaisilla ~ 23, vegetariaaneilla ~ 13 mmol/kg.

Yli 65-vuotiaat
Yli 65-vuotiaiden ihmisten lihaksissa on yli puolta vähemmän karnosiinia kuin 20–35-vuotiaiden. Tämä selittää osittain lihaskunnon ja kestävyyden heikkenemistä iän myötä. Suun kautta nautittu karnosiini lisää sen pitoisuutta lihaksissa. Rotalla karnosiinin anto suun kautta pohjelihaksen nostaa (m. gastrocnemius) karnosiinipitoisuuden kaksinkertaiseksi ja pohkeen soleus-lihaksen peräti viisinkertaiseksi, kun eläimen ruokavalio sisältää 1,8 % karnosiinia, kun taas vähäinen päiväannos, 0,1 % ei lisännyt lihasten karnosiinimäärää. (Maynard ym. 2001). Tulos vahvistaa muiden tutkijoiden havaintoja.
Graafinen esitys

Tutkimuksia lihasten karnosiinipitoisuuksista
Mannionin työryhmä on mitannut useassa eri tutkimuksessa karnosiinipitoisuuksia ihmisten reisilihaksista erilaisissa harjoituksissa.Vuonna 1992 se mittasi karnosiinia 50 vapaaehtoisen ihmisen reisilihaksen lateraaliosasta (Mannion ym. 1992). Pitoisuus oli keskimäärin 20 mmol/kg (kuivaa lihasmassaa). Miesten lihaksissa oli huomattavasti enemmän karnosiinia (21 mmol/kg) kuin samanikäisten ja yhtä lailla harjoitelleiden naisten (17,5 mmol/kg). Vaihteluväli eri yksilöiden kesken oli suuri, 7,2– 30,7 mmol/kg. Tässä aineistossa karnosiini puskuroi 7 % lihakseen kertyneestä maitohaposta. Sillä voi olla vaatimaton merkitys arkielämssä, mutta urheilussa ero saattaa olla ratkaiseva. Vuonna 1994 mitattiin 23 urheilijan reisilihasten karnosiinia isometrisessä 60 %:n kuormituksessa 16 viikon treenauksen aikana (Mannion ym. 1994). Karnosiinipitoisuus ei muuttunut treenauksen vaikutuksesta. Vuonna 1995 otettiin lihasnäytteet 18 koehenkilöstä, 12 miehestä ja 6 naisesta, levossa ja 60 % isometrisen ja uupumukseen johtaneen dynaamisen kuormituksen jälkeen. Koehenkilöt olivat harjoitelleet kuormitustestejä, joten lihakset olivat tottuneet suorituksiin. Karnosiinipitoisuus oli keskimäärin 22 mmol/kg, vaihteluväli 13–29 mmol/kg. Myös laktaattia mitattiin (Mannion ym. 1995). Työryhmä ei ole vakuuttunut lihaksen happamoitumisen (asidoosin) suorasta vaikutuksesta väsymiseen. Vaikutus sataa olla epäsuora, sanovat tutkijat. [Huom! Mannionin töissä ei annettu karnosiinia ravintolisänä.]

Chichesterin yliopiston tutkijat antoivat vuonna 2006 urheilijoille beeta-alaniinia, joka on karnosiinin rakenneosa (esiaste); sen seurauksena sekä nopeiden että hitaiden lihassyiden karnosiinipitoisuus lisääntyi 80 % ja koehenkilöiden fyysinen suorituskyky huikeat 16 %. Jo ensimmäisen kuukauden aikana suorityskyky nousi 13 %. Muidenkin raporttien mukaan lihasten puskurikapasiteetin lisääminen karnosiinilla parantaa anaerobista suosituskykyä ja nopeuttaa palautumista (Parkhouse ja McKenzie 1984, Dutka ja Lamb 2004, Begum ym. 2005, Maemura ym. 2006).

Kehonrakennus
Kehonrakentajien lihaksisto sisältää kaksi kertaa tavallista enemmän karnosiinia. Syynä ovat todennäköisesti karnosiinin käyttö ravintolisänä ja/tai elimistön tarve vastustaa pH:n laskua kovassa lihasharjoittelussa. Karnosiini lisää tyypin 2 lihassyiden tehoa ehkä 20–30 %. Havainto tukee Suzukin työryhmän havaintoa karnosiinin suotuisasta merkityksestä kovassa lihastyössä. Karnosiini vähentää lihasrevähdyksen riskiä ja edistää niiden paranemista. Vaikutuksen uskotaan perustuvan kantasolujen muodostuksen stimulointiin (Bickford ym. 2006).

Karnosiinin vaikutuksesta lihaksen biokemiaan

Pitkäkestoinen kuormitus (pitkänmatkan juoksu tms.) tuottaa kudoksiin hapettavia vapaita radikaaleja (Maemura ym. 2006) ja niiden metaboliitteja, mm. malonidialdehydiä (MDA) (Eur J Clin Nutr 2006) ja vetyinoneja eli protoneja. Karnosiini ehkäisee näitä hapetusstressin aiheuttamia ja sen aineenvaihduntatuotteiden kertymistä kudoksiin. Se ei kuitenkaan selitä kaikkia karnosiinin myönteisiä vaikutuksia.

Kuva 3. Karnosiinin ottaminen ravintolisänä ad 500 mg/vrk vähentää virtsan malonidialdehydiä (MDA). Kuvassa näkyy selvä annos-vaste-suhde. Yli 500 mg:n annokset eivät enää lisää tehoa tässä muuttujassa, mutta voivat lisätä sitä muissa suhteissa.

Karnosiini auttaa lihaksen sarkolasmisen retikulumin kalsiumpumppua toimimaan ja kalsiumkanavia (ks. kuva alla) pysymään auki (happamassa ympäristössä ja lipidiperoksidaation ja malonidialdehydin kertymisen vuoksi kalsiumpumppu lakkaa toimimasta ja kalsiumkanavat sulkeutuvat). Venäläisen hiirikokeen mukaan karnosiini näyttää olevan hyödyksi liiallisen rasituksen ehkäisyssä (Seifulla ym. 2005). Karnosiini ehkäisee kaikkia haitallisia kovaan fyysiseen kuormitukseen liittyviä reaktioita (mm. ylikuntoa), joten sen erinomaisia ominaisuuksia voidaan käyttää hyväksi urheilussa ja kuntoilussa (Holecec ym. 2004). Selostan vähän tarkemmin kuinka karnosiini toimii biokemiallisesti lihaksessa.

:

Kuva 4. Solun sisällä sijaitseva endoplasminen kalvosto (reticulum, ER) muodostuu kahdesta vastakkain olevasta fosfolipidikerroksesta. ER jakaantuu karkeapintaiseen ja sileäpintaiseen kalvostoon. Kalsiumioneja kulkeutuu kalvossa sijaitsevien kanavien kautta kalvoston ulkopuolelle. Ellei kalsiumpumppu toimi, vähenevät lihassolujen aktomyosiinikompleksit ja lihasvoima heikkenee. Karnosiini pitää sitä kunnossa.

Verrattain lyhyessäkin kuormituksessa – jossa hapenottokyky on noin 50–60 % maksimista – alkaa lihakseen kertyä maitohappoa glykogeenin anaerobisen hajoamisen tuloksena. Maitohappo väsyttää tunnetusti lihaksia (ne menevät "hapoille"). Glykogeeni ja yksinkertaiset sokerit muuntuvat Embden-Meyerhofin reaktiotien (glykolyysin) ensi vaiheessa fruktoosidifosfaatiksi (Harden-Youngin esteri). Reaktiotien seuraavassa vaiheessa muodostuu trioosifosfaatteja – aluksi dihydroksiasetonia ja glyseryylialdehydi-3-fosfaattia. Näistä yhdisteistä syntyy sivutuotteena myrkyllisiä yhdisteitä, glyoksaalia ja metyyliglyoksaalia (ks. kaavakuva). Trioosifosfaateista muodostuu palorypälehappoa (pyruvaattia) (tai maitohappoa). Reaktiot ovat siihen saakka anaerobisia, mutta pyruvaatista lähtien ne jatkuvat aerobisena. Karnosiini ehkäisee glyoksaalien ja niistä syntyvien vanhentavien AGE-tuotteiden tuotantoa kudoksissa. Karnosiini lisää bikarnonaatista riippumatonta maitohapon puskurointia (nonbicabonate bufferin) (Suzuki ym. 2006).

Maitohapon pH on 3,86. Loppukirissä maitohapon pitoisuus nousee 13-18 mmol/l:aan (ilman karnosiinilisää). Ennen puhuttiin pääasiassa maitohapon osuudesta lihaksen happamoitumisessa ja väsymisessä (lihakset menevät "hapoille"), mutta nyt tiedetään, että solun sisäisessä miljöössä maitohappo dissosioituu laktaatiksi ja protoniksi (vetyioniksi). Nykykäsityksen mukaan lihasvoiman heikkeneminen johtuu pääasiassa protonien (vetyionien) lisääntymisestä lihassoluissa. Urheilijan ravitsemuksessa tulisikin siis keskittyä hillitsemään protonien syntyä ja niiden aiheuttamaa pH:n laskua, lihaksen happamoitumista eli asidoosia. Matalan pH:n vallitessa (asidoosissa) Ca-ATPaasi toimii heikosti, jolloin solun mitokondriot eivät kykene tuottamaan riittävästi energiaa. Karnosiini on tehokas vetyinonien liikkuva puskuri, joka etsii lihaksesta vetyinonit ja neutraloi ne (kuva alla).

Kuten edelä jo oli puhetta, on soluilla periaatteessa oma puolustusmekanisminsa happamoitumista vastaan – protonien puskurointijärjestelmä (katso Begum ym. 2005). Se toimii pääasiassa imidatsoli-ryhmän sisältävien proteiinien avulla, joihin karnosiini kuuluu. Imidatsoliryhmät puskuroivat tehokkaasti protoneja, koska niiden pH on lähellä solunsisäistä pH:ta. Toinen imidatsolirenkaan kahdesta typpiatomista protonoidaan fysiologisessa pH:ssa. Tätä ilmiötä kutsutaan happo-emästasapainon alfastaattisäädöksi (alphastat regulation). Sen tehtävänä on pitää -imidatsoli suhteellisen vakaana [toisin sanoen ei-protonoitu imidatsoli/(ei-protonoitu imidatsoli + protonoitu imidatsoli)]. Alfastaattisäätö osallistuu myös lämmön säätelyyn, joka voi olla ratkaiseva pitkäkestoisissa urheilulajeissa (pitkänmatkanjuoksu ja hiihto, triathlon ym.). Lihaksen sisäiseen puskurointiin osallistuvat myös fosfaatit (se selittää, miksi kreatiini on tehokasta), bikarbonaatti ja valkuaisaineet, joista karnosiini on tärkeimpiä.

Karnosiini eliminoi (puskuroi) lihaksesta protoneja eli vety-ioneja (H+), joitä syntyy kovassa lihastyössä adenosiinitrifosfaatin (ATP) tuottaessa energiaa. Tällöin lihaksen kehittyy metabolinen asidoosi (happamuustila). Mitä enemmän protoneja tuotetaan, sitä nopeammin lihas happamoituu ja väsyy. Karnosiinilisä auttaa sinua treenaamaan kovemmin pitempään.

Oxfordin yliopiston protonityöryhmän tutkimus osoittaa, kuinka karnosiini ehkäisee ja hoitaa asidoosia soluissa (Vaughan-Jones ym. 2005).

Kuva 5. Karnosiini kuuluu solunsisäisiin liikkuviin puskuroiviin dipeptideihin, jotka suojaavat lihasta hapenpuutteen aiheuttamien happopulssien haitoilta. Karnosiini puskuroi maitohappoa (laktaattia + vetyinonia eli protonia) ja säätää siten solunsisäistä pH:ta, osoittavat Oxfordin yliopiston tutkimukset ( Proton Transport Group lead by Prof Richard D. Vaughan-Jones).

Happopulssi (protoniryöppy) voi tulla lihassolun ulkopuolelta tai sen sisältä. Yllä olevassa kuvassa se tulee terveeseen soluun ulkopuolelta, esim. toisesta, hapenpuutteen vaurioittamasta lihassolusta. Happopulssi laskee soluliman normaalia pH:ta (joka on 7,1–7,3), jolloin tämäkin solu vaurioituu, ellei mikään puskuroi happohyökkäystä. Jos kyseessä on sydänlihassolu, vaurio voi levitä ja sen laajuus ratkaisee kuinka vaarallinen se on.

Jos solulima sisältää runsaasti karnosiinia, sen pH ei laske eikä solu vahingoitu. Solun suojaamisessa tarvitaan sekä kiinteitä (fixed) että liikkuvia puskureita (mobile buffers). Kiinteitä puskureita ovat suuret proteiinimolekyylit, jotka eivät kykene liikkumaan solukalvoilla eivätkä solusta toiseen. (Tiesitkö, että solukalvoilla on ~ 1 000 erilaista proteiinia?) Niinpä ne eivät kykene liikkumaan kaikkialle, mihin happopulssi etenee. Tällöin tulevat avuksi liikkuvat puskurit, joihin karnosiini kuuluu. Se hakee nopeasti laktaatti- ja protonipesäkkeet ja neutraloi ne ennen kuin vaurio ehtii vaurioittaa solua ja levittää sitä naapurisoluihin. Mitä suurempi solunsisäinen karnosiinipitoisuus on, sitä suurempi on sen liikkuva puskurikapasiteetti (ß-mob). Kokonaispuskurikapasiteetti (ß-tot) = ß-fix + ß-mob). Solun suojautumiskyky asidoosia vastaan riippuu siis suuresti solunsisäisestä karnosiinipitoisuudesta.

Kuva 6. Monokarboksyylihappokuljettaja (monocarboxylic acid transporter, MCT) "heittää" maitohappoa ja protoneja (vetyioneja) ulos solusta. Karnosiini ei siis kuljeta happoa ulos solusta, vaan puskuroi (neutraloi sitä solun sisällä). Solulla on siis erilaisia suojautumismekanismeja asidoosia vastaan.

Jyväskylän yliopistossa tehdyssä rottakokeessa ilmeni, että kova kestävyyssuoritus (uiminen) kuluttaa sydänlihaksen antioksidanttivarastoja. Syynä on lisääntynyt hapen käyttö ja siitä aiheutuva vapaiden happiradikaalien tuotanto, mikä kuluttaa antioksidantteja (Kihlström ym. 1989).

Karnosiini edistää kudoksissa typpioksidin (NO) tuotantoa (Alaghband-Zadeh ym. 2001, Tomonaga ym. 2005). Mitä kovempaa lihastyötä ihminen tekee, sitä enemmän hän tarvitsee typpioksidia. Tämä molekyyli lähettää viestejä valtimoiden sisäseinämän (endoteelin) soluille, ja saa valtimon seinämän lihakset rentoutumaan. Valtimo kykenee laajenemaan ja kuljettamaan enemmän verta ja happea lihaksistoon. Karnosiini on typpioksidisyntetaasin (NOS) substraattia; tämä entsyymi tuottaa kudoksissa NO:ta. Tämän vaikutusmekansmin kautta karnosiini ehkäisee myös verenpaineen liiallista kohoamista.

Karnosiini ruoassa ja ravintolisänä

Entä lisääntyvätkö luuranko- ja sydänlihasten karnosiinipitoisuudet lihaa tai karnosiinia syömällä? Kyllä vain. Ihminen käyttää hyväkseen 100 grammasta naudanlihaa noin 125 mg karnosiinia, joten esimerkiksi 375 mg:n karnosiiniannos vastaa 300 g:n ylimääräistä pihviä (Park ym. 2002). Urheilijan karnosiin tarve on kuitenkin niin suuri (1200-4800 mg/vrk), ettei sitä voi saada pelkästään lihaa syömällä.

Rottakokeessa soleuslihaksen karnosiinipitoisuus nousi viisinkertaiseksi ja histidiinin pitoisuus kaksinkertaiseksi 8 viikon kuluessa, kun rotille annettiin ruuassa 1,8 % karnosiinia (Maynard ym. 2001). Pitoisuus noussee ihmisen lihaksissa (myös sydämessä) yhtä lailla. Karnosiini lisää merkittävästi sydämen lyöntivoimaa ja tekee valtimoiden seinämät joustaviksi, mikä alentaa kohonnutta verenpainetta. Onko kenelläkään urheilijalla varaa olla käyttämättä karnosiinia? Se ei ole dopingaine.

Annostelusta:

Paljonko urheilijan tulisi ottaa karnosiinia päivässä? Suosittelen 600–1200 mg harjoituspäivinä ja kilpailupäivinä tarvittaessa 2–3 kertaa enemmän. Karnosiini on yleensä täysin turvallista suurinakin annoksina. Esimerkiksi Indianan yliopiston sisätautiopin professori Gary Zaloga kertoi minulle antavansa potilailleen jopa 5 gramman kerta-annoksia, eikä niistä ole ilmaantunut mitään sivuvaikutuksia.

Tsekkilääkärit suosittavat karnosiinia urheilijoille

Aikajärjestyksessä urheilufysiologian kannalta relevantteja karnosiinitutkimuksia (uusimmat luettelon lopussa):

Gulewitch W, Amiradgibi S. Ueber das Carnosin, eine neue organische Base des Fleischextraktes. Ber. Deut. Chem. Ges. 1900;33;1902-3

Davey C. The significance of carnosine and anserine in striated skeletal muscles." Archives of Biochemistry and Biophysics 1960; 89:303-308.

Parker CJ, Ring EA. Acomparative study of the effect of carnosine on myofibrillar-ATPase activity of vertebrate and invertebrate muscles. Comparative Biochemistry and Physiology 1970; 37:413-419.

Bate-Smith EC. The buffering of muscle in rigor: protein, phosphate and carnosine. J Physiol (London) 1983;92:336–43

Leibovitz, G. The biochemical powers of carnosine. Muscular Development 1989; 26(10):19-20.

Parkhouse W, McKenzi D, et al. "Buffering capacity of deproteinized human vastus lateralis muscle." Journal Applied Physiology 1985; 58:14-17 PubMed

Dupin AM, Stvolinskii SL. [Changes in carnosine levels in muscles working in different regimens of stimulation] Biokhimiia. 1986;51(1):160-4. Russian. PubMed

Kohen R, Yamamoto Y, Cundy KC, Ames BN. Antioxidant activity of carnosine, homocarnosine, and anserine present in muscle and brain. . Proc Natl Acad Sci U S A. 1988 May; 85(9): 3175-3179 Free Full Text

Mannion AF, Jakeman PM, Dunnett M et al. Carnosine and anserine concentrations in the quadriceps femoris muscle of healthy humans. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1992;64(1):47-50. PubMed

Mannion AF, Jakeman PM, Willan PL. Effects of isokinetic training of the knee extensors on high-intensity exercise performance and skeletal muscle buffering. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1994;68(4):356-61 PubMed

Mannion AF, Jakeman PM, Willan PL. Skeletal muscle buffer value, fibre type distribution and high intensity exercise performance in man. Exp Physiol. 1995;80(1):89-101. Free Full Text

Zaloga GP, Roberts PR, Black KW. et al. Carnosine is a novel peptide modulator of intracellular calcium and contractility in cardiac cells. Am J Physiol. 1997;272(1 Pt 2):H462-8. PubMed

Dunnett M, Harris RC. Influence of oral beta-alanine and L-histidine supplementation on the carnosine content of the gluteus medius. Equine Vet J Suppl. 1999;30:499-504. PubMed

Stuerenburg HJ, Kunze K; Concentrations of free carnosine (a putative membrane- protective antioxidant) in human muscle Biopsies and rat muscles. Archives of Gerontology and Geriatrics, 1999, 29: 107-113.

Boldyrev AA. Problems and Perspectives in Studying the Biological Role of Carnosine. Biochemistry (Mosc) 2000;65:7 Abstract

Skulachev VP. Centenary of Gulewitsch´s discovery. Biochemistry (Mosc) 2000;65(7):749-50 Full Free Text

Nagasawa T, Yonekura T, Nishizawa N, Kitts DD. In vitro and in vivo inhibition of muscle lipid and protein oxidation by carnosine. Mol Cell Biochem. 2001;225(1-):29-34. PubMed

Maynard ML, Bossonneault GA, Chow CK, Bruckner GA: High levels of dietary carnosine are associated with increased concentrations of carnosine and in rat soleous muscle. J Nutr 2001;131: 287-290 Free Full Text

Alaghband-Zadeh J, Mehdizadeh S, Khan NS, et al.The natural substrate for nitric oxide synthase activity. Cell Biochem Funct. 2001;19(4):277-80. PubMed

Dunnett M, Harris RC, Dunnett CE, Harris PA. Plasma carnosine concentration: diurnal variation and effects of age, exercise and muscle damage. Equine Vet J Suppl. 2002;(34):283-7. PubMed

Suzuki Y, Ito O, Mukai N, Takahashi H, Takamatsu K. 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;52(2):199-205. PubMed

Nordsborg N, Mohr M, Pedersen LD, et al. Muscle interstitial potassium kinetics during intense exhaustive exercise - effect of previous arm exercise. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003 Mar 27 epub ahead of print

Dutka TL, Lamb GD. Effect of carnosine on excitation-concentration coupling in mechanically-skinned rat skelatl muscle. Journal of muscle reasearch and cell motiliy. 2004;25:203–213 [Free full text]

Zaloga GP, Siddiqui RA. Biologically active dietary peptides. Mini Rev Med Chem. 2004 ;4(8):815-21. PubMed

Holecek V, Liska J, Racek J, Rokyta R. [The significance of free radicals and antioxidants due to the load induced by sport activity] Cesk Fysiol. 2004;53(2):76-9. PubMed

Seifulla NR, Kovalev IE, Rozhkova EA, Paniushkin VV. [Effect of carnosine and its combination with essentiale on lipid peroxidation and work capacity of experimental animals] Eksp Klin Farmakol. 2005 Sep-Oct;68(5):44-6. Russian. PubMed

Begum G, Cunliffe A, Leveritt M. Physiological role of carnosine in contracting muscle. Review. Int J Sport Nutr Exerc Metab. 2005;15(5):493-514. Free Full Text, pdf

Tomonaga A, Tachibanaa T, Takahasia H, et al. Nitric oxide involves in carnosine-induced hyperactivity in chicks. European Journal of Pharmacology 2005;524 (1-3, 7) 84-88 Abstract

Hill CA, Harris RC, Kim HJ et al. Influence of beta-alanine supplementation on skeletal muscle carnosine concentrations and high intensity cycling capacity. Amino Acids. 2006 Jul 28; PubMed Plus

Tallon MJ, Harris RC, Maffulli N, Tarnopolsky MA. Carnosine, taurine and enzyme activities of human skeletal muscle fibres from elderly subjects with osteoarthritis and young moderately active subjects. Biogerontology. 2006 Sep 12; PubMed

Suzuki Y, Nakao T, Maemura H., et al. Carnosine and anserine ingestion enhances contribution of nonbiocarbonate buffering. Med Sci Sport Exerc. 2006;38:334–8. Abstract

Maemura H, Goto K, Yoshioka T, et al. Effects of carnosine and anserine supplementation on relatively high intensity endurance performance. International journal of sport and health science 2006;4:86–94 Free Full Text

Aoi W, Naito Y, Yoshikawa T. Exercise and functional foods. Nutrition Journal 2006, 5:15 doi:10.1186/1475-2891-5-15 Free Full Text

Wise JA, Harris RC, Hill CA. Comparative and evolutionary adaptation of muscle buffering capacity in species subject to varying degrees of acidosis. FASEB J. 2007 21:965.5 Meeting Abstract

Harris RC, Jones G, Hill CA, et al. The Carnosine Content of V Lateralis in Vegetarians and Omnivores. FASEB J. 2007 21:769.20 Meeting Abstract
Harris RC, Kendrick IP, Kim C, et al. The Effect of Whole Body Physical Training on the Carnosine Content of V Lateralis FASEB J. 2007 21:769.16 Meeting Abstract

Dutka TL, Lamboley CR, McKenna MJ, Murphy RM, Lamb GD. Effects of carnosine on contractile apparatus Ca²⁺ sensitivity and sarcoplasmic reticulum Ca²⁺ release in human skeletal muscle fibers. Journal of Applied Physiology. 2012 Mar;112(5):728-36. Abstract / Free full text (pdf

Caruso J, Charles J, Unruh K, et al. Ergogenic Effects of β-Alanine and Carnosine: Proposed Future Research to Quantify Their Efficacy. Nutrients. 2012 July; 4(7): 585–601. Free Full Text pdf
Tallon MJ, Harris RC, Child R. Acute changes in plasma carnosine , creatine and markers of purine degradation following exercise FASEB J. 2007 21:lb544 Meeting Abstract

van Thienen R, van Proeyen K, Eynde BV, Puype J, Lefere T, Hespel P. beta-Alanine Improves Sprint Performance in Endurance Cycling. Med Sci Sports Exerc. 2009 Mar 7. PubMed

Harris RC, Wise JA, Price KA,, et al. Determinants of muscle carnosine content. Amino Acids. 2012 Feb 11. Free Full Text pdf
Slowinska-Lisowska M, Zembron-Lacny A, Rynkiewicz M, et al. Influence of l-carnosine on pro-antioxidant status in elite kayakers and canoeists. Acta Physiologica Hungarica. 2014 Sep 8:1-10. [Epub ahead of print]
Invernizzi PL, Limonta E, Riboli A, et al. Effects of Acute Carnosine and β-Alanine on Isometric Force and Jumping Performance. International Journal of Sports Physiology and Performance. 2015 Aug 26. [Epub ahead of print]
Lancha Junior AH, de Salles Painelli V, Saunders B, Artioli GG. Nutritional Strategies to Modulate Intracellular and Extracellular Buffering Capacity During High-Intensity Exercise. Sports Medicine. 2015 First online Nov 9. Free Full Text pdf
Davison G, Marchbank T, March DS, ert al. Zinc carnosine works with bovine colostrum in truncating heavy exercise-induced increase in gut permeability in healthy volunteers. American Journal of Clininical Nutrition. 2016 Jun 29. pii: ajcn134403. [Epub ahead of print]
Varanoske AN, Hoffman JR, Church DD, et al. Influence of Skeletal Muscle Carnosine Content on Fatigue during Repeated Resistance Exercise in Recreationally Active Women. Nutrients. 2017 Sep 7;9(9). pii: E988. doi: 10.3390/nu9090988. Free Full Text