Фетальный гемоглобин - маркер кислородного дефицита клеток при гиподинамии Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 612.1

ФЕТАЛЬНЫЙ ГЕМОГЛОБИН - МАРКЕР КИСЛОРОДНОГО ДЕФИЦИТА КЛЕТОК ПРИ ГИПОДИНАМИИ

© В. Г. Шамратова, Е. Е. Исаева*, С. Р. Усманова

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

*Email: [email protected]

Изучено влияние гиподинамии на показатели кислородтранспортной системы организма студентов. Выявлены выраженные изменения в гемоглобиновом профиле крови (возрастает доля фетального гемоглобина) и кислородном режиме (уменьшается парциальное давление кислорода и степень кислородной сатурации). С помощью факторного анализа установлено, что активация экспрессии гена фетального гемоглобина у взрослого человека служит универсальной ответной реакцией компенсаторного характера, направленной на преодоление кислородного дисбаланса в организме при низком уровне двигательной активности.

Ключевые слова: двигательная активность, кислородтранспортная система организма, гипоксия, фетальный гемоглобин, факторный анализ.

Для большинства клеток организма человека снабжение кислородом, адекватное их потребностям, является необходимым условием жизни. При кислородном голодании тканей развивается гипоксия, сопровождающаяся нарушением клеточного метаболизма и, прежде всего, состояния энергозависимых процессов. Как ответная реакция, необходимая для сохранения жизнедеятельности организма в условиях дефицита кислорода, эволюционно сформировались как центральные, так и клеточные механизмы поддержания внутриклеточного уровня кислорода.

Эти механизмы функционируют таким образом, что отклонения от нормы в одном его звене увеличивают компенсаторные возможности другого звена. Так, при ослаблении оксигенации крови доставка кислорода тканям может быть улучшена увеличением мощности работы сердца (резерв кровотока); повышением легочной вентиляции (респираторный резерв); увеличением содержания эритроцитов и гемоглобина (эритропоэтический резерв) др. [1].

Вместе с тем мобилизация тех или иных параметров кислородтранспортной системы (КТС) нередко сопровождается напряжением функционирования связанных с ним компонентов. В частности, активизация эритроцитарного ростка и рост гема-токрита при дефиците кислорода в организме вызывают нарушения как центральной гемодинамики (за счет увеличения вязкости цельной крови), так системы микроциркуляции вследствие ухудшения реологических свойств крови и, тем самым, в целом снижают уровень доставки кислорода клеткам. Кроме того, резервы систем кислородообеспечения ограничиваются при патологии органов внешнего дыхания, кровообращения и др., а также исчерпываются при длительном кислородном голодании. В этих случаях большое значение приобретают альтернативные механизмы поддержание кислородного гомеостаза. Так, при легочной и сердечной недостаточности, проживании в горной местности и экологически неблагоприятной обстановке кислородный баланс сохраняется благодаря модуляции

сродства Hb к кислороду протонами водорода (эффект Бора) и 2.3ДФГ — побочным продуктом гликолиза в эритроцитах. Они способствуют уменьшению сродства гемоглобина к кислороду, его дезок-сигенации и, в конечном счете, увеличивают поступление кислорода в ткани. Этот механизм эффективен не только при заболеваниях легких (астма, эмфизема), но и у заядлых курильщиков, у которых гипоксия обусловлена избыточным образованием карбоксигемоглобина при поступлении угарного газа с табачным дымом [2].

Напротив, возрастание сродства, повышающего степень насыщения гемоглобина кислородом, может достигаться за счет усиления синтеза фетального гемоглобина (FetHb), что актуально при снижении рО2 в крови (например у плода, в горах).

В последние десятилетия было показано, что регуляция многих процессов, ответственных за транспорт кислорода осуществляется на транскрипционном уровне и модулируется гипоксия — индуцируемым фактором (hypoxia-inducible factor -HIF-1), который действует как прямой кислородный сенсор [4-6]. Он представляет собой гетероди-мерный белок, кислородчувствительная субъединица которого HIF-1a, содержит пролил-гидроксилазу (ПГ), «определяющую» внутриклеточное содержание кислорода. Эта оксигеназа является негемовым железосодержащим ферментом, использующем молекулярный кислород в реакциях гидроксилирования и поэтому осуществляющем прямую связь между наличием молекулярного кислорода и регуляцией HIF-1. При снижении уровня кислорода в клетке происходит инактивация ПГ, что способствует стабилизации HIF-1a, его переходу в ядро с последующим образованием тран-скрипционно-активного комплекса.

Мишенями HIF-1 является около 180 генов, экспрессирующих спецефические белки, необходимые в условиях сниженного снабжения кислородом. К ним относится в, частности, ангиотензин -конвертирующий фермент, другие модуляторы сосудистого тонуса, эритропоэтин и другие индукто-

102

БИОЛОГИЯ

ры эритропоэза. Под его влиянием также усиливается экспрессия гена, контролирующего синтез у-цепей НЬ в эритробластах, и возрастание в крови доли FetHb.

Принимая во внимание эти факты мы предположили, что FetHЬ можно использовать как индикатор гипоксического состояния не только при патологических, но и физиологических состояниях, сопровождающихся снижением уровня доставки О2 тканям. В настоящее время человек сталкивается с этой проблемой в связи с ограничением двигательной активности (ДА) — гиподинамией, которая является отягощающим фактором урбанизации и технизации жизнедеятельности современного общества [7]. По оценке ВОЗ физическая активность около 60% населения Земли не достигает уровня, необходимого для поддержания и сохранения здоровья. Особые опасения вызывает возрастание доли лиц с ограниченной ДА среди молодежи. С этой точки зрения наиболее уязвимыми являются студенты, которые в силу особенностей самого процесса обучения, как правило, ведут малоподвижный образ жизни. Учитывая это, мы изучили особенности функционирования некоторых звеньев КТС и их взаимодействия у студентов при разном уровне ДА, который выявляли по общепринятым критериям [8].

Методы исследования

В исследовании приняли участие студенты обоего пола Башкирского государственного университета в возрасте 18—22 лет, клинически здоровые по результатам ежегодного диспансерного осмотра. Выборка обследованных (60 юношей и 50 девушек) была разделена на 3 группы, согласно рекомендациям ВОЗ: 1-ю группу составили студенты с низкой ДА, занимающиеся физическими упражнениями менее 150 минут в неделю; 2-ю — с умеренной ДА, занимающиеся спортом 150—300 минут в неделю; и 3-ю — студенты с высокой ДА (спортсмены), организованно занимающиеся спортом.

Показатели красной крови: общее число эритроцитов (RBC), содержание гемоглобина (НЬ), средний объем отдельного эритроцита (MCV), гемато-крит (Щ), среднее содержание и концентрация гемоглобина в эритроците (МСН и МСНС, соответственно) определяли с помощью автоматического гематологического анализатора «ADVIA 60» (Германия). Показатели кислородного режима: парциальное давление кислорода (рО2) и степень кислородной сатурации ^аЮ2); содержание FetHb определяли на автоматическом анализаторе «RAPШLAB865» (Германия). С помощью автоматического тонометра определяли артериальное давление (систолическое -САД и диастолическое - ДАД), частоту сердечных сокращений (ЧСС), рассчитывали периферическое сопротивление сосудов (ПСС), двойное произведение (ДП), ударный объем крови (УОК), минутный объем кровообращения (МОК).

Обработка данных производилась в программе Statistika 5.5. Для определения достоверности различий между сравниваемыми группами использовали ^критерий Стьюдента. Взаимосвязи учтенных в эксперименте показателей изучали с помощью факторного анализа.

Результаты и их обсуждение

Проведенное исследование показало, что состояние красной крови существенно не отличается у лиц с разным уровнем ДА, а обнаруженные различия индивидуальных характеристик эритроцитов отражают адаптационные реакции к физическим нагрузкам у спортсменов, которые имеют гендер-ные особенности. Снижение среднего объема эритроцитов у юношей-спортсменов по сравнению с физически нетренированными лицами способствует улучшению реологических свойств крови при достаточно высоком уровне гематокрита. Возрастание численности крупных молодых клеток у девушек-спортсменок, имеющих более низкую общую дыхательную поверхность эритроцитов по сравнению с юношами позволяет при значительных физических нагрузках обеспечивать необходимый уровень транспорта кислорода.

В системе кровообращения также не выявляется значимых отличий показателей гемодинамики и резервных возможностей сердечно-сосудистой системы (ССС) между лицами с низкой и умеренной ДА. При этом достоверное снижение артериального давления и ЧСС у спортсменов обоего пола развивается в ходе тренировочного процесса, увеличивая кислородтранспортные резервы системы кровообращения при возрастании мышечных нагрузок в период соревнований.

На этом фоне отчетливо проявляется изменения газового режима крови: рО2 и кислородная сатурация ^аЮ2) при гиподинамии существенно ниже чем при умеренной и высокой ДА (рис. 1).

Снижение этих показателей, отражающих функцию внешнего дыхания, свидетельствует об уменьшении вентиляционной и диффузионной способности легких, обусловленном, очевидно, ослаблением функциональных возможностей мышц, в том числе и дыхательных. В силу этого снижается поступление О2 из альвеол в капилляры и насыщения им гемоглобина. Обращает на себя внимание факт наличия у лиц с умеренной и высокой ДА гендерных отличий, связанных с более развитой мускулатурой, в частности дыхательной, у юношей. При гиподинамии эти половые различия нивелируются.

В то же время, ограничение ДА сопровождается практически двукратным возрастанием доли FetHЬ, указывая на развитие тканевой гипоксии. Известно, что у взрослого человека наряду с основной фракцией HЬA, содержащей Р-цепи, присутствует FetHЬ, у которого вместо Р-цепей синтезируются уцепи. В норме у взрослого человека доля FetHЬ не превышает 3%. У плода эта фракция, имеющая зна-

2

группы

а б

Рис. Кислородная сатурация гемоглобина (а) и содержание фетального гемоглобина (б) у студентов с разным уровнем ДА (1 гр. - студенты с низкой ДА, 2 гр. - с умеренной ДА, 3 гр. - с высокой ДА).

96

95

94

93

92

чительно более высокое сродство к кислороду, является доминирующей, что способствует связыванию О2 при значительно более низком рО2 в крови. Доля этой фракции может увеличиваться при заболеваниях, сопровождающихся развитием гипоксии. Наиболее ярким примером является серповидноклеточная анемия, когда содержание FetHb может достигать 25—30% от общей концентрации, способствуя восстановлению формы эритроцита из серповидной в дисковидную. Нами показано, что ослабление функции внешнего дыхания при пневмонии и железоде-фицитная анемия также вызывают повышение содержания FetHb до 5 % [3].

Получить более полное представление о вкладе различных систем транспорта кислорода и взаимодействии разных механизмов позволяет фактор-

ный анализ (табл.), проведенный по матрице показателей красной крови, системы кровообращения, газового состава и гемоглобинового спектра.

Выяснилось что ДА как у юношей, так и у девушек включается в ведущий фактор, описывающий состояние всех учтенных компонентов КТС. При этом уменьшение двигательной активности однонаправлено коррелирует со снижением рО2 и резервных возможностей системы кровообращения, а также ростом доли FetHb.У девушек кроме того показатели красной крови реципрокно связаны с УОК ^2), свидетельствуя о наличии компенсаторного механизма со стороны сердечно-сосудистой системы при ослаблении функциональной активности эритроцитарного звена КТС. Таким образом, как реально наблюдаемые показатели кисло-

Таблица

Факторная структура показателей кислородного статуса общей группы юношей и девушек_

Показатели Юноши Девушки

F1 1 F2 | F3 F1 1 F2 | F3

КБС

НЬ

№

МСУ

мснс

рО2

satO2

НЬО2

FetНb

САД

ДАД

ЧСС

ПСС

ДП

УОК

МОК

рСО2

ДА

Дисперсия, %

-0.75

0.63 0.73

-0.75

-0.72 22

0.61 0.61

0.63

0.63

19

-0.61 -0.59 -0.67

-0.64 16

0.86 0.84 0.83 -0.85

-0.66

-0.68

0.87

24

-0.71 -0.67

-0.69 -0.63 0.65

20

-0.60

-0.69 11

Примечание: представлены наиболее емкие факторы и указаны только достоверные корреляции переменных с факторами.

104

БИОЛОГИЯ

родтранспортной системы, так и система их взаимосвязей свидетельствует о существенной роли снижения двигательной активности в развитии гипоксии и весомом вкладе молекулярно-генетичес- 5 кого механизма в поддержание кислородного го-меостаза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рябов Г. А. Гипоксия критических состояний. М.: Медицина, 1988. С. 145(288). 7

2. Шамратова В. Г., Усманова С. Р. Биохимические и физиологические механизмы влияния курения на кислородный статус организма юношей с различным уровнем физической активности // Вестник Башкирского университета. 8 2013. №4. С. 1050-1052.

3. Шамратова В. Г., Исаева Е. Е., Крапивко Ю. К. Оценка функционирования кислородтранспортной системы крови у студентов // Вестник Башкирского университета. 2007. Т. 12. №4. С. 38-40.

Huang L. E. Inhibition of hypoxia-inducible factor 1 activation by carbon monoxide and nitric oxide. Implications for oxygen sensing and signaling // J. Biol. Chem. 1999. Vol. 274. No. 13. Pp. 9038-9044.

Lando D, Gorman J. J, Whitelaw M. L, Peet D. J. Oxygen-dependent regulation of hypoxia-inducible factors by prolyl and asparaginyl hydroxylation // Eur J Biochem. 2003. Vol. 270(5). Pp. 781-790.

Masson N., Ratcliffe P. J. HIF prolyl and asparaginyl hyroxyl-ases in the biological response to intracellular O2 levels // J. Cell Sci. 2003. Vol. 116. Pp. 3041-3049. Киршина Е. Д. Взаимосвязь учебной и двигательной деятельности старшеклассников во время обучения // Вестник Томского государственного университета. 2009. №319. С. 169-172.

Глобальные рекомендации по физической активности для здоровья Всемирная организация здравоохранения, 2010. URL: http://whqlibdoc.who.int/publications/2010/9789244599 976_rus.pdf

Поступила в редакцию 05.12.2014 г.

ISSN 1998-4812

BecTHHK BamKHpcKoro yHHBepcureTa. 2015. T. 20. №1

105

FETAL HEMOGLOBIN IS A MARKER OF OXYGEN DEFICIENCY OF CELLS WITH PHYSICAL INACTIVITY

© V. G. Shamratova, E. E. Isaeva*, S. R. Usmanova

Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

*Email: [email protected]

For most of human cells the oxygen supply is a prerequisite for life. When oxygen starvation tissue hypoxia accompanied by a violation of cellular metabolism and, above all, the state energy-dependent processes. Currently a person is faced with this problem due to physical inactivity, which is an aggravating factor of urbanization and mechanization of life in modern society. The WHO estimates that physical activity is about 60% of the population does not reach the level required for the maintenance and preservation of health. Special concern is the increase in the proportion of people with limited physical activity (PhA) among young people. From this point of view, the most vulnerable are the students who because of the nature of the learning process, as a rule, lead a sedentary lifestyle. With this in mind, we have studied the peculiarities of some parts of oxygen transport system (OTS) and their interaction among students at different levels of PhA. The study involved 110 students aged 18-22 years. PhA of students evaluated according to WHO recommendations: low - physical exercise are less than 150 minutes per week; moderate - 150-300 minutes a week; high (athletes) - systematic sports. Using the hematology analyzer "ADVIA 60" (Germany) we determined total number of red blood cells in the blood of students, hemoglobin content, average corpuscular volume, hematocrit, average corpuscular hemoglobin concentration. Indicators of oxygen regime: the partial pressure of oxygen and CO2, the degree of oxygen saturation and content of fetal hemoglobin (FetHb) were measured on an automated analyzer "RAPIDLAB865" (Germany). For those same students blood pressure, heart rate, stroke and minute volume of blood circulation were measured, peripheral vascular resistance was calculated. It is shown that physical inactivity does not occur significant changes in quantitative, qualitative and corpuscular characteristics of red blood cells, as well as hemodynamic parameters compared with their level of students with moderate to PhA. However, restriction of muscle activity is accompanied by a decrease of oxygen partial pressure and the oxygen saturation level of blood on the background of a significant increase in the proportion FetHb, having a higher affinity for oxygen. These facts indicate the formation of a body of students of compensatory reactions of molecular-genetic level, aimed at optimizing the operation of the OTS to maintain adequate blood cell needs oxygen. This conclusion is confirmed by the results of the factorial analysis, with which it was established that activation of gene expression in the adult FetHb aimed at overcoming oxygen imbalance in the body at low PhA, the dominant mechanism is the adaptation to hypoxia.

Keywords: physical activity, oxygen-body system, hypoxia, fetal hemoglobin, factor analysis.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Ryabov G A. Gipoksiya kriticheskikh sostoyanii [Hypoxia of critical states]. Moscow: Meditsina, 1988. Pp. 145(288).

2. Shamratova V. G, Usmanova S. R. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2013. No. 4. Pp. 1050-1052.

3. Shamratova V. G, Isaeva E. E., Krapivko Yu. K. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2007. Vol. 12. No. 4. Pp. 38-40.

4. Huang L. E. J. Biol. Chem. 1999. Vol. 274. No. 13. Pp. 9038-9044.

5. Lando D, Gorman J. J, Whitelaw M. L, Peet D. J. Eur J Biochem. 2003. Vol. 270(5). Pp. 781-790.

6. Masson N., Ratcliffe P. J. J. Cell Sci. 2003. Vol. 116. Pp. 3041-3049.

7. Kirshina E. D. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. 2009. No. 319. Pp. 169-172.

8. Global'nye rekomendatsii po fizicheskoi aktivnosti dlya zdorov'ya Vsemirnaya organizatsiya zdravookhraneniya, 2010. URL: http://whqlibdoc.who.int/publications/2010/9789244599976_rus.pdf

Received 05.12.2014.