Эффективность функционирования газотранспортной системы крови и ее резервы во многом определяются интенсивностью физических нагрузок. Тренированные люди имеют более развитую систему микроциркуляции и утилизации кислорода. В то же время известно, что адаптация к физическим нагрузкам, а также энергообеспечение мышечной деятельности генетически детерминированы [2]. На сегодняшний день одним из наиболее информативных генетических маркеров спортивной результативности и успешности в разных видах спорта считается I/D полиморфизм гена ангиотензин-превращающего фермента (АПФ) [1]. К числу количественных признаков, развитие, формирование и проявление которых контролируется геном АПФ, относятся аэробные и анаэробные возможности человека [2].
Установлено, что от генетического фактора зависит до 66 % разнообразия статуса спортсмена [1]. Помимо этого, на жизнедеятельность спортсменов влияют психологическое состояние, сбалансированность тренировок и т.д., оказывающие друг на друга моделирующий эффект. У людей, профессионально не занимающихся спортом, вклад средовых факторов может быть более существенным. В этой связи представляет интерес изучение особенностей взаимодействия полиморфизмов гена АПФ и средовых факторов у людей, различающихся по интенсивности повседневной физической нагрузки и другим факторам, сопутствующим их повседневной жизнедеятельности. Учитывая, что фенотипическое проявление аэробных и анаэробных возможностей организма в значительной мере определяется эффективностью функционирования системы доставки кислорода тканям, цель данной работы состояла в определении влияния генотипической детерминанты у лиц разного социального статуса на кислородный гомеостаз.
Материалы и методы исследования
Обследовано 120 юношей 20-22 лет, клинически здоровых по результатам ежегодного диспансерного осмотра. При формировании групп учитывался генотип обследованных (II, ID, DD) полиморфизмы гена АПФ, уровень двигательной активности (ДА), психоэмоциональное состояние (согласно результатам опросника Спилбергера-Ханина), а также факт и интенсивность курения. Кроме того, учитывались бытовые условия жизни.
Первую группу составили студенты очной формы обучения (n = 40), имеющие ограниченную (низкую) ДА (НДА), проживающие в домашних условиях. Согласно результатам психологического тестирования все обследуемые данной группы имели низкий и умеренный уровень реактивной тревожности.
Вторую группу представили военнослужащие (ВС) сухопутных родов войск (n = 40), пребывающие в активном физическом состоянии согласно программе [7] в среднем не менее 5 часов в сутки. Уровень их ДА охарактеризован как умеренный (УДА). Основными средовыми факторами отобранной группы ВС выступили: территориальная удаленность от привычной среды проживания; казарменное содержание, регламентирующее режим, питание; наличие психоэмоционального стресса; наличие вредных привычек (частота встречаемости курящих лиц, потребляющих более 10 сигарет в день, достигает здесь 85 %) [5].
Третья группа составлена из студентов факультета физической культуры («спортсмены») (n = 40), имеющие на момент обследования первый взрослый спортивный разряд по легкой атлетике. Соответственно, их ДА можно оценить как высокую (ВДА). Жизнедеятельность спортсменов с точки зрения средовых факторов можно охарактеризовать как упорядоченную (стабильный режим и питание) на фоне систематических физических нагрузок при отсутствии фактора курения (согласно анкетным данным) и эмоционального стресса в момент исследования (межсоревновательный период).
Как в группе ВС, так и у спортсменов, преобладали нагрузки аэробного характера.
Для генетического анализа использовали ДНК, выделенную из лимфоцитов крови методом фенольно-хлороформной экстракции [9]. Амплификация проводилась с помощью ПЦР на термоциклере «Терцик» производства компании «ДНК технология». В капиллярной крови с помощью автоматического анализатора «RAPIDLAB865» фирмы «BAYER» (Германия) определяли: парциальное давление кислорода (рО2), кислородную сатурацию (satО2), содержание оксигенированного (HbO2), фетального – (FetНв), карбокси – (HbCO) гемоглобина.
Статистическую обработку результатов проводили с помощью программного обеспечения «Statistica 5.5 for Windows» методом двухфакторного дисперсионного анализа: фактор 1 представлен генотипическим признаком с градациями II, ID, DD полиморфизмов гена АПФ; фактор 2 – уровнем ДА с градациями НДА, УДА, ВДА, которые соответствует социальным группам: студенты, ВС, спортсмены.
Результаты исследования и их обсуждение
Оценить физиологические механизмы реализации действия генов, обусловливающих аэробные и анаэробные возможности организма на уровне функционирования кислородтранспортной системы (КТС) крови, позволяет анализ газового состава крови и гемоглобинового профиля. Ключевыми параметрами, определяющими состояние кислородного гомеостаза, являются рО2 и сатурация кислорода в крови, отражающие диффузионную способность легких и крови экстрагировать кислород, с одной стороны, и косвенно характеризующие степень утилизации кислорода клетками – с другой.
В результате проведенного дисперсионного анализа выявлено достоверное сочетанное влияние на уровень рО2 (рис. 1) генотипа и степени ДА (р = 0,002), а также ДА (р = 0,001).
Примечательно, что различия, минимально проявляющиеся у лиц с разным генотипом при НДА, возрастают с увеличением интенсивности и продолжительности физической нагрузки, достигая максимальных величин у спортсменов. Следовательно, фенотипические проявления дифференцированы не только по генетической составляющей, но и по степени включенности физической активности в повседневную жизнедеятельность юношей. При этом, достоверные отличия рО2 между группами с разными уровнями ДА обнаружены при наличии аллели D в генотипе (рис. 2).
В наибольшей степени варьирование признака проявляется в группе с гетерозиготным генотипом: минимальный уровень рО2 зафиксирован в группе студентов (72,2 ± 1,9), что ниже референтных значений этого параметра; у ВС соответствующего генотипа рО2 достигает физиологической нормы, а спортсмены имеют повышенный уровень рО2 (96,2 ± 2,4).
В то же время у лиц разных социальных категорий с генотипом II, характеризующимся наибольшим аэробным потенциалом, существенных различий рО2 в крови в зависимости от уровня ежедневных физических нагрузок не выявлено. При этом у спортсменов и ВС с генотипом II зафиксирован более низкий уровень рО2 по сравнению с лицами с тем же уровнем ДА, но имеющими аллель D (ID, DD). Более того рО2 значимо не отличается от величины показателя у юношей, не занимающихся спортом (студентов). Обнаруженный факт может быть связан с усиленной утилизацией кислорода мышцами вследствие способности организма к быстрому включению компенсаторных реакций в условиях возникающей гипоксии. Hagberg [8] установил ассоциацию аллели II с высокими значениями максимального потребления кислорода, что, по нашему мнению, обусловливает значимое падение уровней рО2, а также satO2 и HbO2 у спортсменов и ВС.
Рис. 1. Влияние генотипа и физической активности на рO2 в группах юношей
Рис. 2. Уровень рО2 в группах с разными вариантами полиморфизма гена АПФ в зависимости от двигательной активности
Увеличение скорости потребления клетками O2 в аэробных условиях сопровождается ростом образования CO2 клетками, что может быть оценено по варьированию в крови уровня рСО2 (рис. 3). Как и следовало ожидать, при генотипе II у лиц с высокой ДА (ВС, спортсмены) рСО2 в крови не превышают этот показатель у юношей, ведущих малоактивный образ жизни (студенты). Что касается аллели D в генотипе молодых людей (ID, DD) разных социальных групп, то здесь возрастание уровня двигательной активности не вызывает увеличения образования СО2.
Можно допустить, что при активации физических нагрузок у ВС и спортсменов с генотипом II имеет место интенсификация внутриклеточного окисления субстратов за счет аэробных механизмов, сопровождающееся значительным увеличением уровня рСО2, что, в свою очередь, стимулирует увеличение вентиляции легких. Данная стратегия, опосредованная геном АПФ, свидетельствует об увеличении экономичности дыхания и рациональном пути адаптации сердечнососудистой и дыхательной систем к физическим нагрузкам у лиц с полиморфным вариантом II [1].
Минимальный уровень рСО2 у спортсменов – гомозигот по аллели D, в свою очередь, подтверждает факт преобладания анаэробных механизмов окисления субстрата у обладателей данного полиморфизма гена АПФ [3]. Очевидно, у юношей с генотипом DD повышение интенсивности физических нагрузок сопровождается активизацией гликолитического пути метаболизма, ведущее к увеличению образования и аккумуляции молочной кислоты, что, согласно результатам исследования Dhamrait S.S. [4], вызывает увеличение легочной вентиляции.
Рис. 3. Влияние генотипа и физической активности на pCO2 в группах юношей (фактор ДА: р = 0,01)(по данным дисперсионного анализа)
Рис. 4. Влияние генотипа и физической активности на SatO2 в группах юношей (фактор ДА р = 0,008)(по данным дисперсионного анализа)
Рис. 5. Влияние генотипа и физической активности на FetHb (фактор ACE: р = 0,04; совместное влияние р = 0,001)
При анализе уровня сатурации крови кислородом (рис. 4) у лиц с генотипом ID или DD наибольший уровень данного параметра установлен у спортсменов. В то же время satO2 в группе студентов и ВС значимо не различается. У лиц с генотипом II минимальное значение выявлено в группе ВС, а у студентов и спортсменов satO2 статистически не различается. При сравнении групп юношей, испытывающих умеренные и высокие физические нагрузки (ВС и спортсмены), видно, что носители аллели I характеризуются более низкими уровнями как рО2, так и satO2, чем обладатели аллели D. Данный факт вполне закономерен, так как рассмотренные параметры кислородного гомеостаза являются критериями соответствия потребления тканями кислорода и их потребностями в нем. Вместе с тем, в группе ВС, гомозиготных по аллели I, значение satO2 оказалось ниже не только по отношению к аналогичному параметру в группах ВС с другими вариантами полиморфизма гена АПФ, но и в сравнении с группой студентов с низкой ДА.
Объяснение выявленной особенности кроется, очевидно, во влиянии такого средового фактора, как интенсивность курения. В данной группе установлена высокая степень потребления табака в повседневной жизни, влекущая существенное повышение уровня HbCO в крови [5]. При этом максимально «страдает» кислородный гомеостаз у лиц с генетически детерминированной предрасположенностью к аэробной выносливости (генотип II), то есть, с более высоким уровнем клеточного запроса в кислороде. Ранее нами установлено [6], что сочетанное влияние курения и физической активности приводит к развитию напряжения компенсаторных функций организма за счет интенсификации работы системы кровообращения для поддержания эффективного обеспечения тканей кислородом.
Можно допустить, что к числу физиологических механизмов, причастных к поддержанию адекватного транспорта кислорода, относится варьирование в крови содержания фетального Hb, обладающего повышенным сродством к кислороду. Сравнение уровня FetHb у юношей с разным генотипом выявило значимое влияние степени ДА на активацию реэкспрессии гена FetHb. У лиц с полиморфным вариантом ID максимальное значение плодного гемоглобина определяется у студентов и минимальное – у спортсменов, среднее значение по выборке – у ВС (рис. 5).
У лиц с генотипом DD наиболее высокие уровни FetHb обнаруживаются у ВС (4,3 ± 0,89). У гомозигот по аллели I наблюдается аналогичная картина распределения концентраций FetHb: максимальный уровень – у ВС (5,77 ± 1,03), самый низкий – у студентов (2,87 ± 1,07).
В свою очередь, сравнение доли FetHb в однородных по ДА группах обследованных не выявило достоверной разницы в содержании FetHb между обладателями разных полиморфных вариантов гена АПФ при НДА. При УДА и ВДА уровень FetHb оказался выше у носителей генотипа II, причем, у ВС по сравнению, как с ID, так и с DD. Таким образом, повышение интенсивности физических нагрузок сопровождается ростом синтеза фракции FetHb прежде всего у носителей генотипа II.
Установленная картина закономерна с точки зрения характера фенотипических проявлений генотипов. Так, у лиц с II полиморфизмом АПФ- гена, ассоциирующемся, главным образом, с «аэробным характером» работы клеток, при возрастании ДА запрос и потребление кислорода клетками выше по сравнению с носителями DD полиморфизма гена. В силу этого рО2, характеризующее скорость экстракции О2 из кровотока, у лиц с данным генотипом значительно ниже в социальных группах, отличающихся относительно высокой физической активностью.
Уровень рО2 в крови, как известно, является триггером синтеза белка гипоксии гипоксия-индуцибельный фактор (HIF) [10]. По всей видимости, усиленная утилизация О2 для осуществления аэробных процессов в мышцах при интенсивных физических нагрузках запускает у спортсменов с генотипом II каскад реакций по ресинтезу увеличенных количеств FetHb. При более низкой потребности клеток в кислороде у лиц с аллелью D включение дополнительных резервов молекулярно-генетического уровня не требуется, несмотря на физические нагрузки, сопоставимые по интенсивности у всех спортсменов с разными полиморфизмами гена АПФ.
Таким образом, полученные экспериментальные данные наглядно демонстрируют неоспоримое влияние на состояние кислородного гомеостаза средовых факторов на фоне очевидной генотипической детерминанты. У студентов с зафиксированным низким уровнем физической активности в повседневной жизни отсутствуют видимая ассоциация кислородного гомеостаза с полиморфизмом гена АПФ.
В данном аспекте интересна группа ВС, испытывающих влияние на кислородный гомеостаз разноплановых средовых факторов. Служба в рядах Вооруженных Сил, сопряженная интенсификацией систематических физических нагрузок, психоэмоционального напряжения, а также процесса курения (курящих до 85 %) [5], нарушает нормальное соотношение фракций гемоглобина, главным образом, за счет доли HbCO и снижает эффективную кислородную емкость крови. Взаимодействие разнонаправленных факторов среды ВС, приводящее к повышенным потребностям тканей в кислороде, реализуются, в том числе, через «количественную» стратегию, путем синтеза дополнительных белков (FetHb). Очевидно, повышение уровня фетального гемоглобина в крови является эффективным механизмом адаптации организма к дефициту кислорода в условиях снижения оксигенации крови.
Заключение
В проведенном исследовании установлено, что реакция КТС крови на интенсивные физические нагрузки при разных вариантах гена АПФ реализуется через разные механизмы. У лиц, профессионально занимающихся спортом (интенсивные и систематические физические нагрузки), при наличии аллели D возрастают как поступление кислорода в кровь (рО2), так и ее насыщение (satO2). При генотипе II, который характеризуется наибольшими кислородными запросами, для адекватного обеспечения клеток кислородом при интенсификации физических нагрузок включается молекулярно-генетический механизм синтеза дополнительных белков (FetHb), увеличивающих афинность крови к кислороду. Малоактивный образ жизни минимизирует генетически детерминированный характер влияния полиморфизмов гена АПФ на кислородный гомеостаз.
Важнейшим средовым фактором помимо физической нагрузки является курение. У ВС с генотипом II совместное воздействие физической активности и курения вызывает значительное возрастание FetHb, свидетельствующее о чрезмерном напряжении газотранспортной функции. Данный факт является предиктивным признаком напряжения адаптационного статуса юношей.