OPUS 14
Wpływ długotrwałej adaptacji do intensywnego treningu szybkościowo-siłowego i wytrzymałościowego na stężenie wolnych aminokwasów w osoczu: w spoczynku, podczas stopniowanego wysiłku i w okresie restytucji powysiłkowej
The effect of long-lasting adaptation to intensive speed-power and endurance training on plasma free amino acids concentration at rest, during graded exercise and post-exercise recovery
Grant NCN - OPUS 14 (panel NZ7_3), nr 2017/27/B/NZ7/02828
Okres | Period: 2018 ‒ 2023
Jednostka realizująca | Implementing unit: Akademia Wychowania Fizycznego w Poznaniu, Zakład Lekkiej Atletyki i Przygotowania Motorycznego
Współpraca | Cooperation: Uniwersytet Medyczny w Poznaniu, Katedra i Zakład Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Kierownik projektu | Principal investigator: prof. AWF dr hab. Krzysztof Kusy
Zespół badawczy | Research team: prof. dr hab. Jan Matysiak, prof. dr hab. Zenon Kokot, prof. dr hab. Jacek Zieliński, dr hab. Agnieszka Klupczyńska-Gabryszak, dr Monika Ciekot-Sołtysiak, dr Paweł Dereziński, dr Szymon Plewa, dr Ewa Zarębska
Kwota finansowania | Funding amont: 979 800 PLN
W projekcie zrealizowaliśmy trzy główne cele:
1. Jako pierwsi bezpośrednio porównaliśmy wpływ dwóch przeciwstawnych typów treningu sportowego (szybkościowo-siłowy i wytrzymałościowy) na stężenie kilkudziesięciu aminokwasów w osoczu, odzwierciedlające długotrwałe adaptacje metaboliczne.
2. Jako pierwsi określiliśmy wpływ długotrwałego treningu na zmiany stężenia aminokwasów w osoczu w spoczynku, w czasie narastającego wysiłku i bezpośrednio po nim w czterech kolejnych okresach rocznego cyklu treningowego (przejściowy, przygotowania ogólnego, przygotowania specjalnego, startowy).
3. Jako pierwsi pokazaliśmy relację pomiędzy stężeniem aminokwasów w osoczu a intensywnością wysiłku z uwzględnieniem masy mięśni szkieletowych.
Zbadaliśmy kilkudziesięciu sportowców wyczynowych na poziomie międzynarodowym (reprezentantów Polski) w rocznym cyklu treningowym. Przeszli oni szczegółowe badania wykonane za pomocą nowoczesnych, bardzo precyzyjnych metod: (1) skład ciała mierzony techniką rentgenowską, (2) test wysiłkowy do wyczerpania na bieżni mechanicznej z kilkunastokrotnym poborem krwi żylnej co 3 minuty oraz dokładną rejestracją i analizą wskaźników krążeniowo-oddechowych za pomocą systemu ergospirometrycznego, (3) oznaczenie wskaźników hematologicznych, mleczanu i amoniaku we krwi oraz, co najważniejsze, (4) oznaczenie 42 aminokwasów w osoczu za pomocą wysublimowanej techniki chromatografii cieczowej sprzężonej z tandemową spektrometrią mas. Badaliśmy zmiany stężeń nie 20 aminokwasów tworzących białka w organizmie oraz 22 aminokwasów niebiałkowych, których rola w wysiłku i treningu nie została jeszcze dobrze poznana. Dodatkowo, dla lepszej interpretacji wyników głównych, wyjaśniliśmy kwestie związane ze wskaźnikami hematologicznymi i energetyką krwinki czerwonej, zmianami składu ciała i wydolności tlenowej w rocznym cyklu oraz różnicami międzypłciowymi w wydolności w sporcie wyczynowym.
Wykazaliśmy, że poziomy stężenia aminokwasów w osoczu podczas wysiłku są generalnie wyższe u sportowców wytrzymałościowych (długodystansowcy) niż szybkościowo-siłowych (sprinterzy). Reakcja aminokwasów na wysiłek zależy więc od adaptacji metabolicznej typowej dla dyscypliny sportu. Różnice te są bardziej widoczne, gdy stężenia aminokwasów uwzględniają masę mięśni szkieletowych. Nasze wyniki pokazują, że podczas wysiłku intensywność przemian i dostępność krążących aminokwasów dla tkanek i narządów jest większa u zawodników sportów wytrzymałościowych. Stężenia aminokwasów podczas i bezpośrednio po wysiłku zmieniają się zgodnie z regularnymi wzorcami, charakterystycznymi dla poszczególnych aminokwasów. Stężenia aminokwasów niebiałkowych, pomimo wielokrotnie niższych stężeń niż białkowych, także silnie reagują na progresywny wysiłek, wskazując ich istotną, ale dotąd słabo poznaną rolę w metabolizmie wysiłkowym. Co ważne, stwierdziliśmy, że nie tylko pojedynczy wysiłek, ale i długotrwały cykl treningowy wpływa znacząco na odpowiedź aminokwasów osocza na wysiłek, a zakres i wzorzec odpowiedzi jest silnie związany z typem treningu i rodzajem stosowanych obciążeń treningowych w cyklu rocznym.
Wyniki naszych badań pozwalają na lepsze zrozumienie roli aminokwasów w adaptacjach metabolicznych do długotrwałych programów treningowych. Wiedza ta może być użyteczna w fizjologii i medycynie sportu oraz praktyce treningowej w sporcie wyczynowym. Znajomość typowych wzorców zmian stężenia aminokwasów w osoczu pod wpływem wysiłku o zmieniającej się intensywności i rozumienie wpływu obciążeń treningowych związanych z typem treningu może pomóc w bardziej racjonalnym i skutecznym planowaniu i realizacji programów treningowych, a także diety lub suplementacji u zaawansowanych sportowców lub u innych ponadprzeciętnie aktywnych i sprawnych fizycznie osób (służby mundurowe, ratownicy, pracownicy fizyczni). Szeroki zakres aminokwasów włączonych do naszych badań pokazuje możliwość i zasadność tworzenia pełnego profilu aminokwasowego, w tym identyfikację prawidłowych lub nieprawidłowych reakcji wysiłkowych czy niedoboru określonych aminokwasów. Pokazujemy ponadto, że specjaliści i praktycy sportu powinni zwracać uwagę nie tylko aminokwasy białkowe, ale także niebiałkowe, które odgrywają ważną rolę w wielu szlakach metabolicznych związanych z wysiłkiem fizycznym.
Rezultaty naszych badań mogą być także użyteczne w medycynie ogólnej, naukach o zdrowiu, farmaceutycznych, biologicznych i chemicznych, gdzie kwestia metabolizmu aminokwasów jest nierzadko istotna zarówno dla osób zdrowych, jak i chorych w diagnostyce lub leczeniu.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
In the project, we accomplished three main goals:
1. We were the first to directly compare the effects of two contrasting types of sports training (speed-power vs endurance) on plasma concentrations of dozens of amino acids, reflecting long-term metabolic adaptations.
2. We were the first to determine the effect of long-term professional training on the changes in plasma amino acid concentrations at rest, during incremental exercise, and immediately after in four successive periods of the annual training cycle (transition, general preparation, special preparation, competition).
3. We were the first to show the relationship between plasma amino acid concentrations and exercise intensity taking into account skeletal muscle mass.
We studied dozens of competitive athletes at the international level (members of Polish national teams) in a one-year training cycle. They underwent detailed examinations performed using modern, high-precision methods: (1) body composition measured by X-ray technique, (2) exercise test to exhaustion on a mechanical treadmill with several venous blood draws every 3 minutes and detailed analysis of cardiopulmonary indices using an ergospirometric system and, (3) determination of hematological indices, lactate, and ammonia in blood and, most importantly, (4) determination of 42 amino acids in plasma using a sublime liquid chromatography technique coupled with tandem mass spectrometry. We studied changes in the concentrations of 20 proteinogenic amino acids and 22 non-proteinogenic amino acids, the role of which in exercise and training is not yet well understood. In addition, for a better interpretation of the main results, we have clarified issues related to hematological indicators and red blood cell energetics, changes in body composition and aerobic capacity over the annual cycle, and sex differences in physical capacity in highly trained athletes.
We have shown that the levels of plasma amino acid concentrations during exercise are generally higher in endurance athletes (long-distance runners) than in speed-power athletes (sprinters). Thus, the amino acid response to exercise depends on the metabolic adaptation typical of the sport. These differences are more pronounced when amino acid concentrations are related to skeletal muscle mass. Our results show that during exercise the intensity of metabolism and availability of circulating amino acids to body tissues and organs is greater in endurance athletes. Amino acid concentrations during and immediately after exercise change according to regular patterns specific to individual amino acids. Concentrations of non-proteinogenic amino acids, despite concentrations many times lower than those of proteinogenic amino acids, also respond strongly to progressive exercise, indicating their important but so far poorly understood role in exercise metabolism. Importantly, we found that not only a single exercise bout, but also a long-term training cycle significantly influences the plasma amino acid response to exercise, and that the extent and pattern of the response are strongly related to the type of training and the type of training loads applied over an annual cycle.
Our findings provide a better understanding of the role of amino acids in metabolic adaptations to long-term training programs. This knowledge can be useful in sports physiology and medicine, as well as training practice in competitive sports. Awareness of typical patterns of change in plasma amino acids concentration resulting from exercise of changing intensity and understanding the effect of different training loads associated with the type of training can help in more rational and effective planning and implementation of training programs, as well as diet or supplementation in advanced athletes or in other exceptionally active and physically fit individuals (e.g. uniformed services, rescue workers, manual laborers). The wide range of amino acids included in our study demonstrates the feasibility and validity of creating a complete amino acid profile, including identification of normal or abnormal exercise responses or deficiencies of specific amino acids. Moreover, we show that professionals and sport practitioners should pay attention not only to proteinogenic but also to non-proteinogenic amino acids, which play an important role in many metabolic pathways associated with exercise.
The results of our research may also be useful in general medicine, health sciences, pharmaceutical, biological, and chemical sciences, where the issue of amino acid metabolism is often relevant to both healthy and diseased individuals for diagnosis or treatment.
Publikacje wyników projektu | The results were published in:
- Trinschek J, Zieliński J, Kusy K (2020) Maximal oxygen uptake adjusted for skeletal muscle mass in competitive speed-power and endurance male athletes: Changes in a one-year training cycle. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(17):6226.
- Rodziewicz E, Król-Zielińska M, Zieliński J, Kusy K, Ziemann E (2020) Plasma concentration of irisin and brain-derived-neurotrophic factor and their association with the level of erythrocyte adenine nucleotides in response to long-term endurance training at rest and after a single bout of exercise. Frontiers in Physiology, 11:923.
- Trinschek J, Zieliński J, Zarębska EA, Kusy K (2023) Male and female athletes matched for maximum oxygen uptake per skeletal muscle mass: equal but still different. Journal of Sports Medicine and Physical Fitness, 63(1), 95‒103.
- Kusy K, Matysiak J, Kokot Z, Ciekot-Sołtysiak M, Klupczyńska-Gabryszak A, Zarębska EA, Plewa S, Dereziński P, Zieliński J (2023) Exercise-induced concentration of 42 plasma free amino acids in endurance- and sprint-trained athletes. In: Proceedings of the conference "Modern pharmaceutical and biomedical analytics in health care", Poznan, Oct 23-24 2023. Book of abstracts, p. 33. Available online: http://analityka2023.bok-ump.pl/teksty.php?plik=ksiazka_streszczen.php
- Plewa S, Klupczyńska-Gabryszak A, Ciekot-Sołtysiak M, Zarębska EA, Zieliński J, Matysiak J, Kusy K (2023) Plasma free amino acids quantitation in highly trained athletes during exercise and during post-exercise recovery. In: Proceedings of the conference "Modern pharmaceutical and biomedical analytics in health care", Poznan, Oct 23-24 2023. Book of abstracts, p. 101. Available online: http://analityka2023.bok-ump.pl/teksty.php?plik=ksiazka_streszczen.php
- Ciekot-Sołtysiak M, Kusy K, Podgórski T, Pospieszna B, Zieliński J (2024) Changes in red blood cell parameters during incremental exercise in highly trained athletes of different sport specializations. PeerJ 12:e17040.
- Kusy K, Ciekot-Sołtysiak M, Matysiak J, Klupczyńska-Gabryszak A, Plewa S, Zarębska EA, Kokot ZJ, Dereziński P, Zieliński J (2024) Changes in plasma free amino acid profile in endurance athletes over a 9-month training cycle. Metabolites, 14(7):353.
- Kusy K, Matysiak J, Kokot ZJ, Ciekot-Sołtysiak M, Klupczyńska-Gabryszak A, Zarębska EA, Plewa S, Dereziński P, Zieliński J (2024) Exercise-induced response of proteinogenic and non-proteinogenic plasma free amino acids is sport-specific: A comparison of sprint and endurance athletes. PLOS ONE, 19(8):e0309529.
- Kusy K, Matysiak J, Zarębska EA, Klupczyńska-Gabryszak A, Ciekot-Sołtysiak M, Plewa S, Kokot ZJ, Dereziński P, Zieliński J (2024) Changes in plasma concentration of free proteinogenic and non-proteinogenic amino acids in high-performance sprinters over a 6-month training cycle. Journal of Clinical Medicine, 13(17):5300.