Advances in Clinical and Experimental Medicine

Title abbreviation: Adv Clin Exp Med
JCR Impact Factor (IF) – 2.1
5-Year Impact Factor – 2.2
Scopus CiteScore – 3.4 (CiteScore Tracker 3.7)
Index Copernicus  – 161.11; MNiSW – 70 pts

ISSN 1899–5276 (print)
ISSN 2451-2680 (online)
Periodicity – monthly

Download original text (EN)

Advances in Clinical and Experimental Medicine

2012, vol. 21, nr 3, May-June, p. 313–320

Publication type: original article

Language: English

The Effect of Exhaustive Exercise on Oxidative Stress Generation and Antioxidant Defense in Guinea Pigs

Wpływ wyczerpujących ćwiczeń na wywoływanie stresu oksydacyjnego i obronę antyoksydacyjną u świnek morskich

Ljiljana M. Popovic1,, Nebojsa R. Mitic1,, Ivan Radic1,, Dijana Miric2,, Bojana Kisic2,, Biljana Krdzic3,, Tomislav Djokic1,

1 Department of Pathophysiology, University of Pristina Medical School, Kosovska Mitrovica, Serbia

2 Department of Biochemistry, University of Pristina Medical School, Kosovska Mitrovica, Serbia

3 Department of Internal medicine, University of Pristina Medical School, Kosovska Mitrovica, Serbia

Abstract

Background. Exercise induces a multitude of physiological and biochemical changes in blood that can affect its redox status. Exercise causes an increase in oxygen consumption by the whole body and particularly by the exercising muscle. As a result of this process there is a rise in the production of reactive oxygen species (ROS), which are capable to trigger a chain of damaging biochemical and physiological changes known as lipid peroxidation and oxidative stress. Since the early work of Dillard et al. in 1978, and findings of increased lipid peroxidation following acute aerobic exercise, the topic of exercise-induced oxidative stress has received considerable attention.
Objectives. The aim of this study was to examine how swimming to the point of exhaustion affects oxidative stress generation and nonenzymatic antioxidant activity in an animal model.
Material and Methods. The experiments were conducted on 10 male Dunkin-Hartley guinea pigs, and the swimming program used in the study, described as swimming to exhaustion, was defined by Dawson and Horvath. Peripheral blood samples were taken at rest and immediately after the exercise test, and the following parameters were evaluated: total plasma peroxide concentration (TPPC), total plasma thiols (TPT), plasma xanthine oxidase activity (XOD), plasma antioxidant capacity and total plasma proteins.
Results. No significant difference was found between TPPC measured at rest and immediately after exercise swimming test (p = 0.138). Two other parameters – TPT and XOD activity – showed significant differences before and after the swimming exercise test: After the test the TPT value decreased significantly (p = 0.022), while XOD activity increased significantly (p = 0.039). Comparing antioxidant activity in plasma before and after the exercise test, although the value decreased, the difference was not statistically significant (p = 0.755).
Conclusion. The results of this study show that exercise to exhaustion induces the generation of oxidative stress primarily by oxidative modification of protein molecules. The results also indicated that the prooxidative enzyme xanthine oxidase is an important source of ROS during exercise-induced oxidative injury.

Streszczenie

Wprowadzenie. Ćwiczenia fizyczne wywołują wiele zmian fizjologicznych i biochemicznych we krwi, które mogą mieć niekorzystny wpływ na stan oksydoredukcyjny. Ćwiczenia powodują wzrost zużycia tlenu przez cały organizm, a szczególnie przez ćwiczące mięśnie. W wyniku tego procesu wzrasta wydzielanie reaktywnych form tlenu (RFT), które są w stanie wywołać łańcuch biochemicznych i fizjologicznych uszkodzeń zwanych peroksydacją lipidów i stresem oksydacyjnym. Już od czasów pracy Dillard et al. w 1978 r. i ustalenia, że zwiększona peroksydacja lipidów jest następstwem forsownych ćwiczeń aerobowych, tematowi stresu oksydacyjnego wywołanego przez wysiłek fizyczny poświęcono wiele uwagi.
Cel pracy. Zbadanie, jak pływanie aż do wyczerpania sił wpływa na wywoływanie stresu oksydacyjnego i nieenzymatyczną aktywność przeciwutleniającą w modelu zwierzęcym.
Materiał i metody. Badania przeprowadzono na 10 świnkach morskich szczepu Dunkin-Hartley płci męskiej, a program pływania zastosowany w badaniu, określony jako pływanie aż do wyczerpania, został opisany przez Dawsona i Horvatha. Pobrano próbki krwi obwodowej w spoczynku i bezpośrednio po próbie wysiłkowej oraz oceniono następujące wskaźniki: całkowite stężenie nadtlenku w osoczu (TPPC), całkowite stężenie tioli w osoczu (TPT), aktywność oksydazy ksantynowej w osoczu (XOD), potencjał antyoksydacyjny osocza i całkowitą zawartość białka w osoczu.
Wyniki. Nie stwierdzono istotnej różnicy między TPPC mierzonym w spoczynku i bezpośrednio po teście pływania (p = 0,138). Dwa pozostałe parametry – TPT i aktywność XOD – wykazały istotne różnice przed i po próbie wysiłkowej. Po wysiłku wartość TPT znacznie zmniejszyła się (p = 0,022), a aktywność XOD znacznie wzrosła (p = 0,039). Porównując działanie antyoksydacyjne w osoczu przed i po teście wysiłkowym, wartość zmniejszyła się, ale różnica nie była istotna statystycznie (p = 0,755).
Wnioski. Wyniki tego badania wykazują, że ćwiczenia aż do wyczerpania wywołują powstawanie stresu oksydacyjnego głównie przez oksydacyjną modyfikację cząsteczek białka. Wyniki wskazują również, że prooksydacyjny enzym oksydaza ksantynowa jest ważnym źródłem RFT podczas powysiłkowego uszkodzenia oksydacyjnego.

Key words

swimming exercise, guinea pigs, free radicals, oxidative stress

Słowa kluczowe

pływanie, świnki morskie, wolne rodniki, stres oksydacyjny

References (33)

  1. Lamprecht M, Greilberger J, Oettl K: Analytical aspects of oxidatively modified substances in sports and exercises. Nutrition 2004, 20(7–8), 728–730.
  2. Nikolaidis MG, Jamurtas AZ: Blood as a reactive species generator and redox status regulator during exercise. Arch Biochem Biophys 2009, 490(2), 77–84.
  3. Dillard CJ, Litov RE, Savin WM, Dumelin EE, Tappel AL: Effects of exercise, vitamin E, and ozone on pulmonary function and lipid peroxidation. J Appl Physiol 1978, 45(6), 927–932.
  4. Martinovic J, Dopsaj V, Kotur-Stevuljevic J, Dopsaj M, Stefanovic A, Kasum G, Vujovic A: Are oxidative stress and antioxidant defense status associated with energy expenditure in athletes of various sports. Serb J Sport Sci 2010, 4(2), 75–81.
  5. Fisher-Wellman K, Bloomer RJ: Acute exercise and oxidative stress: a 30 year history. Dyn Med 2009, 8, 1, doi: 10.1186/1476–5918–8–1.
  6. Belviranlı M, Gökbel H: Acute exercise induced oxidative stress and antioxidant changes. Eur J G en Med 2006, 3(3), 126–131.
  7. Ratych RE, Chuknyiska RS, Bulkley GB: The primary localization of free radical generation after anoxia/reoxygenation in isolated endothelial cells. Surgery 1987, 102, 122–131.
  8. Taysi S, Okumus S, Ezrmik S, Uzun N, Yilmaz A, Akyuz M, Tekelioglu U, Dirier A, Al B: The protective effect of L-carnitine and vitamin E in a rat lenses in irradiation induced oxidative injury. Adv Clin Exp Med 2011, 20(1), 15–21.
  9. Droge W: Free radicals in the physiological control of cell function. Physiol Rev 2002, 82(1), 47–95.
  10. Hellsten Y, Frandsen U, Orthenblad N, Sjodin B, Richter EA: Xanthine oxidase in human skeletal muscle following eccentric exercise: a role in inflammation. J Physiol 1997, 498(Pt 1), 239–248.
  11. American Physiological Society: Guiding principles for research involving animals and human beings. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2002, 283, R281–R283.
  12. Dawson CA, Nadel ER, Horvath SM: Cardiac output in the cold-stressed swimming rat, Am J Physiol 1968, 214(2), 320–325.
  13. Aydin C, Ince E, Koparan S, Cangul IT, Naziroglu M, Ak F: Protective effects of long term dietary restriction on swimming exercise-induced oxidative stress in the liver, heart and kidney of rat. Cell Biochem Funct 2007, 25(2), 129–137.
  14. Nourooz-Zadeh J, Tajaddini-Sarmadi J, Wolff SP: Measurement of plasma hydroperoxide concentration by the ferrous oxidation-xylenol orange assay in conjunction with triphenylphosphine. Anal Biochem 1994, 220, 403– 409.
  15. Beutler E, Duron O, Kelly BM: Improved method for the determination of blood glutathione. J Lab Clin Med 1963, 61, 882–888.
  16. Roussos GG: Xanthine oxidase from bovine small intestine. Methods Enzymol 1967, 12A, 5–16.
  17. Benzie IFF, Strain JJ: The Ferric Reducing Ability of Plasma (FRAP) as a Measure of “Antioxidant Power”: The FRAP Assay. Anal Biochem 1996, 239, 70–76.
  18. Urso ML, Clarkson PM: Oxidative stress, exercise, and antioxidant supplementation. Toxicology 2003, 189(1–2), 41–54.
  19. Gochman E, Reznick AZ, Avizohar O, Ben-Amotz A, Levy Y: Exhaustive exercise modifies oxidative stress in smoking subjects. Am J Med Sci 2007, 333(6), 346–353.
  20. Marin E, Hanninen O, Muller D, Klinger W: Influence of acute physical exercise on glutathione and lipid peroxides in blood of rat and man. Acta Physiol Hung 1990, 76(1), 71–76.
  21. Kretzschmar M, Muller D, Hubscher J, Marin E, Klinger W: Influence of aging, training and acute physical exercise on plasma glutathione and lipid peroxides in man. Int J Sports Med 1991, 12(2), 218–222.
  22. Vincent HK, Morgan JW, Vincent KR: Obesity exacerbates oxidative stress levels after acute exercise. Med Sci Sports Exerc 2004, 36(5), 772–779.
  23. Stadtman ER: Metal ion-catalyzed oxidation of proteins: Biochemical mechanism and biological consequences, Free Rad Biol Med 1990, 9(4), 315–325.
  24. Bloomer RJ, Davis PG, Consitt LA, Wideman L: Plasma protein carbonyl response to increasing exercise duration in aerobically trained men and women. Int J Sports Med 2007, 28(1), 21–25.
  25. Goldfarb AH, Patrick SW, Bryer S, You T: Vitamin C supplementation affects oxidative-stress blood markers in response to a 30-minute run at 75% VO2max. Int J Sport Nutr Exerc Metab 2005, 15(3), 279–290.
  26. Vina J, Gimeno A, Sastre J, Desco C, Asensi M, Pallardo FV, Cuesta A, Ferrero JA, Terada LS, Repine JE: Mechanism of free radical production in exhaustive exercise in humans and rats; role of xanthine oxidase and protection by allopurinol. IUBMB Life 2000, 49(6), 539–544.
  27. Veskoukis AS, Nikolaidis MG, Kyparos A, Kokkinos D, Nepka C, Barbanis S, Kouretas D: Effects of xanthine oxidase inhibition on oxidative stress and swimming performance in rats. Appl Physiol Nutr Metab 2008, 33, 1140–1154.
  28. Suzuki M, Grisham MB, Granger DN: Leukocyte-endothelial cell adhesive interactions: role of xanthine oxidasederived oxidants. J Leukoc Biol 1991, 50(5), 488–494.
  29. Groussard C, Machefer G, Rannou F, Faure H, Zouhal H, Sergent O, Chevanne M, Cillard J, Gratas-Delamarche A: Physical fitness and plasma non-enzymatic antioxidant status at rest and after a wingate test. Can J Appl Physiol 2003, 28(1), 79–92.
  30. Ashton T, Rowlands CC, Jones E, Young IS, Jackson SK, Davies B, Peters JR: Electron spin resonance spectroscopic detection of oxygen-centred radicals in human serum following exhaustive exercise. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 1998, 77(6), 498–502.
  31. Laaksonen DE, Atalay M, Niskanen L, Uusitupa M, Hanninen O, Sen CK: Increased resting and exerciseinduced oxidative stress in young IDDM men. Diabetes Care 1996, 19(6), 569–574.
  32. Sen CK, Rankinen T, Vaisanen S, Rauramaa R: Oxidative stress after human exercise: effect of N-acetylcysteine supplementation. J Appl Physiol 1994, 76(6), 2570–2577.
  33. Reichhold S, Neubauer O, Hoelzl C, Stadlmayr B, Valentini J, Ferk F, Kundi M, Knasmuller S, Wagner KH: DNA damage in response to an Ironman triathlon. Free Rad Res 2009, 43(8), 753–760.