МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА ПРИ АДАПТАЦИИ К МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

МЕДИКО-
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СПОРТА

Abstract

METABOLIC REACTIONS OF ORGANISM DURING ADAPTATION TO MUSCULAR ACTIVITY

N.D. Golberg, Ph. D., lecturer

V.I. Morozov, Dr. Biol., senior scientific employee

V.A. Rogozkin, Dr. Biol., professor

St.-Petersburg scientific research institute of physical culture, Saint Petersburg

Key words: muscular activity, steroids receptors, polyamines, muscle damage, proteins glycation, angiotensin converting enzyme, gene polymorphysm.

Some biochemical mechanisms of the adaptation to physical loads were investigated during the last ten years in the laboratory of sports biochemistry of the St.-Petersburg scientific research institute of physical culture.

The main results of these researches are the following. 1. The aerobic physical exercise with short bouts of the maximal intensity leads to the increase in lipid mobilization and fatty acid transport in skeletal muscles. 2. The muscular activity results on cytosolic androgen and glucocorticoid binding in skeletal muscle and adipose tissue due to the intensity of exercise and tissue specifity. 3. Poliamines synthesis increases in skeletal muscles during a physical exercise and training and androgens supplementation. 4. The aerobic physical loads, native metabolites and vitamines B1, B6 and C are the factors protecting proteins glycation in blood of control and diabetic rats. 5. I/D polymorphysm of angiotensin converting enzyme is one of the genetic markers of athletic performance.

МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА ПРИ АДАПТАЦИИ К МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Кандидат биологических наук, доцент Н.Д. Гольберг
Доктор биологических наук, старший научный сотрудник В.И. Морозов
Доктор биологических наук, профессор В.А. Рогозкин

Санкт-Петербургский НИИ физической культуры, Санкт-Петербург

Ключевые слова: мышечная деятельность, рецепторы стероидов, полиамины, повреждение мышц, гликирование белков, полиморфизм гена АПФ.

На протяжении последних лет научные интересы сотрудников и аспирантов сектора биохимии спорта СПбНИИФКа фокусировались на изучении биохимических механизмов адаптации к мышечной деятельности по следующим основным направлениям: особенности липидного обмена при физических нагрузках (ФН) различного характера, регуляция метаболизма скелетных мышц и жировой ткани на уровне рецепции стероидных гормонов и их метаболического эффекта, молекулярные механизмы повреждения скелетных мышц, неферментативное гликирование белков и выявление генетической предрасположенности к выполнению ФН различного характера с применением ДНК-технологий.

Важную роль в энергетическом обеспечении мышечной деятельности (МД) аэробного характера, как известно, играют липидные источники как самих скелетных мышц, так и жировой ткани. Однако взаимоотношения между мобилизацией и утилизацией внутримышечных и жировых запасов триглицеридов при адаптации организма к однократным и систематическим ФН остаются до конца не изученными. Другим важным вопросом является повышение возможностей организма к использованию этих энергетически емких резервов без применения таких традиционных активаторов липидного метаболизма, как относящийся к допинговым веществам кофеин. Для решения этих вопросов на лабораторных животных были поставлены эксперименты с однократными и систематическими ФН различного характера, в ходе которых проводили определение активности ключевого фермента жирового обмена - триглицеридлипазы [14] и содержание белка, связывающего жирные кислоты (БСЖК) в цитоплазме мышц. В ходе наших исследований было установлено, что при включении в однократные нагрузки аэробного характера коротких отрезков максимальной интенсивности (ускорений) наблюдается повышение активности липазы не только в жировой ткани, но и в скелетных мышцах различного метаболического профиля, что позволяет организму более эффективно использовать внутримышечные источники энергии. Как показано в исследованиях на спортсменах и на лабораторных животных, активации липидного метаболизма при выполнении аэробно-анаэробных ФН способствует и однократный прием щелочного напитка, приводящий к нормализации параметров кислотно-основного равновесия крови, активации липазы жировой ткани и повышенной мобилизации свободных жирных кислот [13]. При адаптации к систематической МД аэробного характера происходит повышение липазной активности тканей, причем при включении в тренировочные нагрузки ускорений степень выраженности этих изменений оказывается существенно выше в функционально более активных скелетных мышцах оксидативного профиля [3, 13].

Как установлено в последнее время, транспорт как внутриклеточных, так и приносимых с альбумином крови жирных кислот в цитоплазме мышечных клеток осуществляется низкомолекулярным (14 кДа) белком - БСЖК. Нами было установлено, что содержание БСЖК в скелетных мышцах оксидативного и смешанного типов повышается под влиянием систематической МД аэробного характера, более выраженное при выполнении животными нагрузок с включением коротких отрезков максимальной интенсивности [3].

Таким образом, при однократных и систематических ФН с аэробной направленностью метаболических процессов наблюдается усиление липидного метаболизма как жировой ткани, так и скелетных мышц. Повышение интенсивности аэробных ФН приводит к увеличению мобилизации внутримышечных триглицеридов и утилизации жирных кислот в работающих мышцах за счет активизации процессов их транспорта.

Известно, что одним из аспектов адаптации к систематической МД является повышение чувствительности органов-мишеней к метаболическому действию гормонов, определяемой наличием специфических белков-рецепторов. В нашей лаборатории изучались различные аспекты гормон-рецепторного связывания андрогенов и глюкокортикоидов с цитоплазматическими рецепторами скелетных мышц и жировой ткани [7, 8, 21]. В экспериментах на лабораторных животных было установлено, что в этих тканях обнаруживаются рецепторные белки с высокой аффинностью и селективностью, связывающие соответствующие стероидные гормоны и обладающие всеми свойствами, присущими данным рецепторам в специфических органах-мишенях (простате и печени). Введение животным тестостерона или 19-нортестостерона вызывает фазовые изменения уровня рецепции андрогенов в цитозоле скелетных мышц и жировой ткани с минимальным снижением уровня связывания через 30-60 мин после андрогенизации животных. Было обнаружено двукратное повышение рецепторного связывания андрогенов в цитозоле скелетных мышц через 6 часов после введения гормона и доказано, что приблизительно на 50% этот эффект обеспечен синтезом рецепторных белков de novo [21]. Однократное введение животным кортикостерона также сопровождается фазовыми изменениями уровня рецепции глюкокортикоидов в жировой ткани с минимальным связыванием через 1 час и максимальным, в 3 раза превышающим контрольные значения, через 8 часов после инъекции [7, 8]. Полученные результаты свидетельствуют о регуляции стероидными гормонами уровня собственной рецепции в органах-мишенях по механизму отрицательной обратной связи.

Однократные ФН оказывают воздействие на рецепцию андрогенов и глюкокортикоидов в цитозоле органов-мишеней, аналогичное однократному введению гормонов и находящееся в противофазе с концентрациями тестостерона и кортикостерона в крови [7, 8, 21]. Нами впервые было установлено, что при систематической МД наблюдаются тканеспецифические изменения рецепции стероидных гормонов. Наибольшее повышение рецепторного связывания андрогенов в цитозоле скелетных мышц наблюдается при тренировке животных ФН анаэробно-гликолитической направленности, тогда как в подкожной жировой ткани этот эффект выражен при аэробной МД.

Андрогены реализуют свой метаболический эффект через индукцию синтеза некоторых андрогензависимых ферментов, к которым относятся и ферменты синтеза полиаминов - орнитиндекарбоксилаза и S-аденозилметиониндекарбоксилаза. Было показано, что концентрация полиаминов и активность ферментов их синтеза коррелируют с интенсивностью анаболических процессов. Результаты экспериментов, проведенных в нашей лаборатории, показали, что активность этих ферментов и содержание полиаминов выше в скелетных мышцах оксидативного профиля. Однократные ФН приводят к активации синтеза полиаминов в скелетных мышцах: аэробные - преимущественно в оксидативных волокнах, анаэробные - в гликолитических. Систематическая МД аэробной направленности сопровождается снижением количества полиаминов в скелетных мышцах, тогда как включение ускорений и ФН анаэробного характера приводит к увеличению их концентрации в ткани. Однократное и систематическое введение анаболического стероида 17a-метилтестостерона вызывает активацию системы синтеза полиаминов с пиком активности к 8 часу действия гормона и более выраженное в обоих случаях в мышечных волокнах оксидативного профиля [17, 22]. Полученные результаты свидетельствуют об участии полиаминов в процессах адаптации к МД и их роли в реализации анаболического эффекта андрогенов.

Изменение проницаемости клеточных мембран, вызываемое МД, оказывает существенное влияние на метаболические процессы в клетках мышечных волокон, что в конечном итоге сказывается на их работоспособности. В секторе биохимии разработан метод определения величины проницаемости искусственных и нативных бимолекулярных липидных мембран для стероидных гормонов [1]. В последующих опытах показано, что нативные мембраны обладают большей проницаемостью для стероидных гормонов, которая носит насыщающий характер и выше для тестостерона, чем для кортикостерона. Эффект систематических ФН аэробной направленности заключается в повышении величины проницаемости плазматических мембран мышечных клеток для тестостерона и в ее снижении для кортикостерона [1]. Эти результаты подтверждают ранее установленные факты о разнонаправленных изменениях рецепции стероидов в скелетных мышцах при адаптации организма к систематической МД аэробного характера и расширяют имеющиеся представления о гормональной регуляции метаболизма скелетных мышц.

Значительные усилия были направлены и на изучение механизма повреждения скелетных мышц при интенсивных ФН. Были изучены две составляющие этого механизма: уровень перекисных процессов в скелетной мышце и вовлечение лейкоцитов в процесс повреждения. Исследовали также и значение изменений интенсивности лейкопоэза в развитии ответа организма на ФН. В качестве модели ФН использовали интенсивное повторное плавание (1 мин плавания через 1,5 мин отдыха) крыс с дополнительным грузом 8% от массы тела и общей длительностью 40 мин. Было показано, что ФН вызывает усиление перекисных процессов в скелетных мышцах при снижении активности основного фермента антиоксидантной защиты - супероксиддисмутазы [9]. Последнее обстоятельство создает дополнительные возможности для развития перекисного окисления - важнейшего фактора, приводящего к повреждению целостности мембран миоцитов. Результатом повреждения клеточной мембраны является изменение ее проницаемости и выход в кровь как цитоплазматических (миоглобин, аспартатаминотрансфераза), так и структурных (тропомиозин) белков скелетной мышцы, что было показано ранее в работах, выполненных в секторе биохимии.

Повреждение ткани вследствие развития процесса перекисного окисления при восстановлении кровотока (реперфузия) может стимулировать привлечение в очаг повреждения лейкоцитов. Исследование этого механизма позволило показать, что ФН вызывает приток лейкоцитов, мигрирующих в ишемизированные участки мышечной ткани [20]. Динамика миграции была изучена по изменению концентрации в мышечной ткани маркерного фермента нейтрофилов - миелопероксидазы (МПО), которую определяли с помощью иммунорадиометрического анализа [10]. После ФН в скелетных мышцах было обнаружено прогрессивное увеличение концентрации МПО. Через одни сутки она была выше контрольного значения примерно в 7 раз и на этом уровне сохранялась в течение последующих 3 суток, затем начинала снижаться, превышая, однако, контрольный уровень и через 7 суток восстановления [20]. Предварительная тренировка животных приводила к снижению уровня инфильтрации нейтрофилами скелетных мышц после ФН, о чем свидетельствовала и более низкая концентрация МПО в мышечной ткани.

Интересно, что ФН стимулировала лейкопоэз в костном мозге, что могло определить повышение резистентности организма к внешним воздействиям. Это предположение было исследовано в экспериментах с гамма-облучением крыс в различные сроки отдыха после ФН [4]. Через сутки после ФН была выявлена повышенная радиорезистентность животных, о чем свидетельствовало повышение выживаемости в 2,5 раза. В основе этого феномена лежит выявленное ускорение восстановления содержания нейтрофилов и моноцитов в крови.

Таким образом, ФН вызывает развитие асептического воспаления в скелетных мышцах, развивающегося в очагах ишемии/реперфузии. В разрушении поврежденных мышечных клеток участвуют протеазы и, по-видимому, другие ферменты нейтрофилов. Воспалительный процесс является одним из механизмов мышечного утомления, снижающего способность мышц к выполнению новой ФН. Наряду с участием лейкоцитов в процессе элиминации поврежденных миоцитов усиление лейкопоэза под влиянием ФН создает состояние повышенной устойчивости, способное снизить даже степень лучевого поражения организма.

Адаптация организма к МД происходит с участием ферментов, катализирующих многочисленные реакции химических превращений веществ. Вместе с тем в последние годы стало очевидным, что в организме помимо реакций, катализируемых ферментами, протекают и неферментативные процессы по механизму химических реакций первого порядка. К таким реакциям относится гликирование белков, в ходе которого взаимодействуют свободные аминогруппы белковой молекулы и альдегидная группа глюкозы или другого редуцирующего сахара. В результате этой реакции формируются продукты раннего гликирования: Шиффово основание и продукт Амадори. В ходе дальнейших преобразований образуется гетерогенная по химическому строению группа соединений, получивших название конечных продуктов глубокого гликирования. Усиление процессов гликирования белков в организме способствует развитию различных патологических состояний. Наиболее интенсивно процессы гликирования протекают при сахарном диабете. Выявлены два фактора, влияющие на скорость реакции гликирования белков. Первый связан с уровнем глюкозы, а второй с периодом полужизни белков. В этой связи понятен интерес исследователей многих стран к изучению процессов накопления и распределения продуктов гликирования в организме. Следует отметить, что основное внимание в этих работах фокусируется на процессах гликирования белков крови и внеклеточного матрикса, а гликирование тканевых белков практически не исследовано. Конечной целью исследований является поиск путей подавления реакций неферментативного гликирования белков в организме.

Для реальных подходов к решению этой проблемы мы использовали два разных методических приема: во-первых, для усиления утилизации глюкозы в метаболических процессах в организме применили систематические ФН аэробной направленности; во-вторых, поиск веществ, способных конкурировать с глюкозой в реакции взаимодействия со свободными аминогруппами белка. Как показали наши исследования, среди веществ, способных подавлять процесс гликирования, наибольшим ингибирующим эффектом обладают естественные метаболиты - карназин, креатин, витамины В₁, В₆и С [5, 6, 11]. Проведение исследований на животных с индуцированным диабетом, выполнявших систематические ФН, позволило выявить картину изменений в углеводном, липидном и белковом метаболизме [12]. Установлено значительное снижение уровня конечных продуктов гликирования в крови и тканях диабетических животных, выполнявших ФН аэробного характера.

Адаптация к систематической МД аэробной направленности у диабетических животных не только сопровождается изменениями в углеводном, липидном и белковом обмене, регулируемом ферментами, но и оказывает влияние на процессы неферментативного взаимодействия веществ, в том числе на реакции гликирования. ФН аэробной направленности обладают протекторным действием на процессы неферментативного гликирования и снижают интенсивность гликирования белков в организме.

Успехи в расшифровке генома человека значительно расширили диапазон исследований по выявлению генетической предрасположенности к выполнению МД различной интенсивности и длительности. Одним из наиболее важных для спорта достижений молекулярной генетики является разработка методов ДНК-диагностики, позволяющих выявить участки ДНК, ответственные за генетическую детерминацию определенных метаболических и функциональных признаков, и среди них - за формирование, развитие и проявление двигательной функции. Как показали результаты исследований последних лет, среди генов предрасположенности к МД, наиболее тесные ассоциации выявлены у гена ангиотензинпревращающего фермента (АПФ) - важнейшего регулятора кровяного давления [16, 18, 19]. Под действием этого фермента происходит генерация ангиотензина II - наиболее активного сосудосуживающего гормона и распад брадикинина- важного сосудорасширяющего гормона. Наличие полиморфизма гена АПФ связано с инсерцией (I) или делецией (D) 287 пар нуклеотидов в 16-v интроне этого гена, локализованного в 17-q хромосоме человека. На основе распределения I- и D-аллелей выделяют три варианта полиморфизма: гомозиготный I/I и D/D, а также гетерозиготный I/D. Анализ уровня АПФ в плазме у лиц с разными генотипами показал, что гомозиготы по аллелю D обладают максимальной активностью АПФ. Следует подчеркнуть, что ангиотензин II не только регулирует состояние гемодинамики человека, но и как фактор роста усиливает синтез структурных белков в клетках миокарда, что приводит к гипертрофии сердечной мышцы.

Анализ связей полиморфизма гена АПФ с проявлением различных физических качеств и распределением различных генотипов этого полиморфизма среди спортсменов разных специализаций позволил выявить несколько факторов [2, 15]. Так, носители генотипа I/I имеют большую предрасположенность к выполнению длительной физической работы, их мышечная выносливость в несколько раз выше, чем у других людей, и адаптация к ФН не сопровождается выраженной гипертрофией миокарда. Носители генотипа D/D, наоборот, имеют меньшую предрасположенность к ФН на выносливость, и в процессе адаптации происходит отчетливая гипертрофия левого желудочка. Эта группа лиц в большей степени предрасположена к развитию двигательных качеств со скоростно-силовыми компонентами. Носители гетерозиготного генотипа I/D занимают промежуточное положение, но у них отчетливо выявляется склонность к умеренной гипертрофии сердца.

Использование этого генетического маркера позволило получить информацию о предрасположенности к выполнению различных ФН у учащихся училищ олимпийского резерва г. Санкт-Петербурга, студентов Академии физической культуры им. П.Ф. Лесгафта и факультета физического воспитания РГПУ им. А.И. Герцена.

В настоящее время в секторе биохимии спорта проводятся исследования по выявлению других генов предрасположенности к формированию, развитию и проявлению физических качеств у спортсмена.

В заключение следует отметить, что, очевидно, нет генов быстроты, силы, выносливости и ловкости. Развитие и проявление человеком физических качеств во время выполнения разных по интенсивности и длительности ФН - чрезвычайно сложный процесс, и здесь не может быть простых и быстрых решений.

Литература

1. Байкова С.К. Влияние физических нагрузок аэробной направленности на величину проницаемости плазматических мембран мышечных клеток крыс для тестостерона и кортикостерона: Автореф. канд. дис. СПб., 2000. - 27 с.

2. Бундзен П.В., Загранцев В.В., Назаров И.Б. и др. Генетическая и психофизическая детерминация квантово-полевого уровня биоэнергетики организма спортсменов // Теория и практика физ. культуры. 2002, № 6, с. 40-44.

3. Гольберг Н.Д., Рогозкин В.А., Фельдкорен Б.И. Активность триглицеридлипазы и транспорт жирных кислот при предельных физических нагрузках крыс, адаптированных к мышечной деятельности // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2000, т. 86, № 10, с. 1331-1336.

4. Джалалов И.М. Биохимические и гематологические реакции в механизме повышения радиорезистентности организма под влиянием физической нагрузки: Автореф. канд. дис. СПб., 2000. - 22 с.

5. Карпусь О.В. Влияние систематической мышечной деятельности и углеводов рациона на содержание гликозилированных белков в крови крыс: Автореф. канд. дис. СПб., 1995.

6. Карпусь О.В., Рогозкин В.А., Мельгунова Е.А. и др. Влияние систематических физических нагрузок и высокоуглеводного рациона на уровень гликозилированных белков в крови крыс // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 1993, т. 79, № 12, с. 39-43.

7. Косарева О.О. Влияние физической нагрузки и введения креатина на рецепцию глюкокортикоидов и андрогенов в жировой ткани: Автореф. канд. дис. СПб., 2000. - 20 с.

8. Косарева О.О., Рогозкин В.А. Влияние физической нагрузки на связывание глюкокортикоидов в цитозоле жировой ткани // Рос. физиол. журн. им И.М. Сеченова. 2000, т. 86, № 12, с. 1681-1685.

9. Логоша С.А., Морозов В.И., Рогозкин В.А. Влияние углеводного рациона и физической нагрузки на активность супероксиддисмутазы и концентрацию диеновых конъюгатов в крови и цитозоле скелетной мышцы крыс // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 1996, т. 82, № 1, с. 55-60.

10. Морозов В.И., Цыпленков П.В., Кокряков В.Н. и др. Выделение и характеристика миелопероксидазы лейкоцитов перитонеального экссудата крысы // Биохимия. 1997, т. 62, с. 729-737.

11. Пантелеева И.Г. Влияние естественных метаболитов и мышечной деятельности на гликирование белков крыс с индуцированным диабетом: Автореф. канд. дис.СПб., 2002. - 16 с.