Широко известным фактом является зависимость выносливости спортсменов от показателей функции внешнего дыхания и максимального потребления кислорода. В то же время возможность человека переносить физические нагрузки в значительной мере зависит от индивидуальных особенностей физиологической реактивности, скорости включения и эффективности деятельности механизмов срочной адаптации. Индивидуальные различия в степени таких адаптационных изменений во многом обусловлены генетическими факторами, определяющими наследственную предрасположенность к выполнению физических нагрузок различной интенсивности и длительности [1]. Вместе с тем остаются малоизученными особенности генетической детерминации у людей с разным уровнем повседневной активности, так как при мышечной деятельности требования к КТС организма возрастают.
Исследование спектра генетических маркеров, ассоциированных с развитием и проявлением физических качеств, показало, что к их числу относится I/D полиморфизм гена ангиотензин-превращающего фермента (АПФ), участвующего в регуляции сосудистого тонуса посредством синтеза ангиотензина II [1; 4].
В этой связи представляет интерес изучение влияния полиморфизма гена АПФ на показатели газотранспортной системы организма в зависимости от двигательной активности человека.
Материалы и методы исследования
Обследовано 93 клинически здоровых юноши 20-22-летнего возраста. Гематологические исследования проводили с помощью анализатора ADVIA 60 производства BAYER (Германия). В крови определяли количество эритроцитов, концентрацию гемоглобина (Hb), гематокрит (Ht), средний объем эритроцитов (MCV) и среднюю концентрацию Hb в эритроците (MCHC). На аппарате RAPIDLAB865 фирмы BAYER (Германия) измеряли pO2 и pCO2, кислородную сатурацию (satO2), а также содержание оксигемоглобина (HbO2), фетального Hb (FetHb) и карбокси Hb – (HbCO).
ДНК была выделена из периферической крови человека стандартным методом фенольно-хлороформной экстракции. Анализ полиморфного локуса АПФ (I/D) осуществляли методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) синтеза ДНК с помощью соответствующих праймеров. Продукты амплификации анализировались электрофоретически в 7%-ном полиакриламидном геле. Генотипирование проводилось на кафедре генетики БГПУ им. М. Акмуллы под руководством проф. В.Ю. Горбуновой.
При изучении влияния уровня двигательной активности (ДА) на состояние КТС выборку обследованных разделили на три группы, в соответствии с рекомендациями ВОЗ: 1-ю группу составили студенты с низкой двигательной активностью (31 чел), занимающиеся физическими упражнениями менее 150 минут в неделю; 2-ю – с умеренной ДА (33 чел), занимающиеся спортом 150–300 минут в неделю; и 3-ю студенты – спортсмены, организованно занимающиеся спортом (29 чел).
Физическую выносливость оценивали путем расчета кардиореспираторного индекса - КРИС (в модификации М. Самко). У испытуемых последовательно проводили измерение артериального давления. Затем с помощью сфингомонометра определяли максимальное давление выдоха, с помощью спирометра - жизненную емкость легких, оценивали максимальную задержку дыхания.
Формула для расчета кардиореспираторного индекса:
КРИС=((ЖЕЛ*10)+ МДВ+ МЗД+В) / (САД+ДАД+ЧСС),
где САД - систолическое артериальное давление (мм. рт. ст.), ДАД - диастолическое артериальное давление (мм. рт. ст.), ЧСС - частота сердечных сокращений (уд./мин), ЖЕЛ - жизненная емкость легких (л), МЗД - максимальная задержка дыхания (сек), МДВ - максимальное давление выдоха (мм. рт. ст.), возраст - полное количество лет.
КРИС определялся в адинамической (КРИС ад.) и динамической фазах – после выполнения пятиминутной физической нагрузки на велотренажере (дистанция составляла 1600 метров).
Процент снижения индекса (КРИС%) после выполняемой нагрузки рассчитывали по формуле:
КРИС%= ((КРИС ад.-КРИС д.)*100%) / КРИС ад,
где КРИС ад. - показатель физической выносливости в адинамической фазе; КРИС д.- величина индекса после динамической фазы.
Снижение индекса до 5% говорит о хорошей физической форме человека и высокой выносливости; от 6 до 17% означает, что испытуемый практически здоров, но не тренирован. Падение от 15 до 30% свидетельствует о плохой физической форме и свыше 35% - о наличии патологий дыхательной и сердечно-сосудистой систем.
Статистическую обработку результатов проводили методом двухфакторного дисперсионного анализа с помощью программного обеспечения Statistica 5.5 for Windows. В работе оценивалось влияние на КТС юношей двух факторов. Первый фактор - наследственная предрасположенность – представлен тремя градациями: D/D - 1, I/D - 2 и I/I - 3. Во втором факторе – двигательная активность - выделили также три градации: 1-я – низкая ДА (4), 2-я – умеренная ДА (5), и 3-я – высокая ДА (6). Достоверность различий средних величин вычисляли по критерию Стьюдента.
Результаты исследования
Наиболее изученным генетическим маркером физической работоспособности является I/D полиморфизм гена АПФ. Известно, что I/I генотип предъявляет наиболее высокие требования к КТС, и носители данного генотипа демонстрируют высокую физическую выносливость. D/D генотип распространен у спортсменов, которым в процессе их профессиональной деятельности требуются силовые и скоростные качества [1; 4; 7].
Результаты проведенного нами исследования показывают, что различие в кислородном обеспечении тканей генетически детерминировано, однако фенотипическое проявление наблюдается только при определенном уровне двигательной активности. Эта закономерность отчетливо демонстрируется на примере таких важных показателей, как pO2 и HbO2, характеризующих функционирование системы внешнего дыхания – легочной вентиляции и газообмена.
На рис. 1 представлены результаты оценки влияния двух факторов на HbO2, рO2 и SatO2.
Видно, что при низкой ДА показатели pO2, HbO2 и SatO2 у обладателей изученных полиморфных вариантов АПФ практически не отличаются. Разница проявляется при умеренной и усиливается при высокой двигательной активности. Причем у лиц с генотипом I/I величина pO2 достоверно (р<0,05) ниже, чем при генотипе I/D. Учитывая, что генотип I/I ассоциирован с высокими аэробными потребностями организма, обнаруженный нами более низкий уровень в крови pO2, SatO2 и HbO2, может говорить о том, что это обусловлено усиленной утилизацией кислорода мышцами.
а) б)
в)
Рис. 1: а) влияние генотипа и физической активности на рO2 (фактор ДА р=0,001; совместное влияние р=0,002); б) HbO2 (фактор ACE p=0,04 и ДА p=0,000037); в) на SatO2 (фактор ДА р=0,008) (по данным дисперсионного анализа)
По мнению Ахметова И.И. (2010), повышение максимального потребления кислорода у спортсменов - носителей аллеля *I в процессе тренировок сопровождается снижением объема вентилируемого воздуха, что обеспечивает увеличение экономичности дыхания и рациональный путь адаптации сердечно-сосудистой и дыхательной систем к физическим нагрузкам.
Рис. 2 демонстрирует влияние гена АПФ и двигательной активности на pCO2. Причем уровень pCO2 значимо различается в группах обследованных: у носителей генотипа I/I он достоверно выше, чем при D/D (р<0,05).
Рис. 2. Влияние генотипа и физической активности на pCO2 (фактор ДА: р=0,01)
(по данным дисперсионного анализа)
Увеличение скорости потребления клетками O2 приводит к росту выделения pCO2, вызывая следующую цепочку событий: увеличивается pCO2 и уменьшается pO2 в альвеолах, снижается уровень оксигенации крови в капиллярах легких, снижается SatO2 [3].
Существуют разные механизмы повышения эффективности транспорта O2 при возрастании потребностей в кислороде клеток. К их числу относится синтез дополнительных молекул фетального гемоглобина, обладающего повышенным сродством к O2. Концентрация в крови FetHb, как нами было показано ранее, при возрастании уровня ДА отрицательно коррелирует как с pO2, так и SatO2 [6].
Из рис. 3, иллюстрирующего результаты дисперсионного анализа, видно, что если при низкой ДА влияние генетического фактора практически не сказывается на уровне FetHb, то при возрастающей мышечной деятельности его влияние становится очевидным. Причем у юношей с генотипом I/I, характеризующихся умеренной и высокой ДА, отмечается статистически значимо более высокий уровень FetHb по сравнению с обладателями генотипа I/D и D/D (p>0,05).
Рис. 3. Влияние генотипа и физической активности на FetHb. Фактор ACE: р=0,04; совместное влияние р=0,001 (по данным дисперсионного анализа)
Анализ распределения соотношения юношей с разным уровнем FetHb подтверждает данное заключение: доля лиц с повышенным уровнем FetHb существенно выше среди обладателей генотипа I/I, чем у носителей генотипа D/D.
Синтез FetHb обеспечивает, как известно, длительную и стабильную адаптацию к кислородному дисбалансу. Очевидно, у лиц с высокой двигательной активностью при возрастающей потребности клеток в кислороде функционирование этого механизма способно восстановить баланс между доставкой и потреблением O2.
Таким образом, индивидуальная выраженность компенсаторной реакции со стороны КТС имеет генетически обусловленный механизм регуляции, который проявляется в условиях повышенного кислородного запроса при активной физической деятельности. В этой связи представляет интерес изучение влияния генетического фактора на толерантность организма к физическим нагрузкам, оцениваемую по снижению величины кардиореспираторного индекса после выполнения дозированной физической нагрузки. Выяснилось, что по данному показателю генетическая детерминация также проявляется только у лиц, занимающихся спортом (рис. 4).
Рис. 4. Влияние генотипа и физической активности на КРИС% (фактор ДА р=0,015)
При этом лица с генотипом I/I АПФ характеризуются наиболее выраженной способностью переносить физические нагрузки, а D/D, напротив, имеют самую низкую толерантность, представители I/D варианта занимают промежуточное положение. В ряду генотипов АПФ I/I → АПФ I/Д → АПФ D/D происходит повышение КРИС%, что согласуется с литературными данными о связи между I/D полиморфизмом и физической работоспособностью человека [8].
Вывод. Анализ полученных результатов свидетельствует о наличии генетической предрасположенности людей к выполнению физических нагрузок различной интенсивности. Причем фенотипическое проявление наблюдается только при высокой двигательной активности: возрастающие при аэробной деятельности потребности клетки в O2 обеспечиваются компенсаторными реакциями системы кислородообеспечения, направленными на преодоление кислородного дефицита в клетках.
Рецензенты:Ибрагимов Р.И., д.б.н., профессор кафедры биохимии и биотехнологии, ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет», г. Уфа;
Новоселова Е.И., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой экологии, ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет», г. Уфа.