CC BY
156
34 Медико-биологические проблемы спорта
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ АНГИОГЕНЕЗ КАК ФАКТОР АДАПТАЦИИ СПОРТСМЕНОВ К ФИЗИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ С РАЗЛИЧНЫМ МЕХАНИЗМОМ
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
Л.М. ГУНИНА, И.А. ЛИСНЯК, В.О. БУРМАК, НИИ Национального университета физического воспитания
и спорта Украины, г. Киев
Аннотация
В статье представлены результаты исследования изменений содержания фактора роста эндотелия сосудов при оксидативном стрессе, вызванном физическими нагрузками, у представителей видов спорта с разными механизмами энергообеспечения мышечной работы. Наибольшая концентрация в сыворотке крови фактора роста эндотелия сосудов отмечалась в большей степени у представителей тех видов спорта, физическая работа у которых происходит в условиях максимальной активизации аэробного обмена и тканевой гипоксии. Резюмируется, что ангиогенез является одним из механизмов адаптации к тканевой гипоксии при физических
нагрузках.
Ключевые слова: физические нагрузки, ангиогенез, оксидативный стресс, клеточные мембраны.
Abstract
In the article the results of investigation of vascular endothelial growth factor’s maintenance changes at the oxidative stress caused by physical activities, for the representatives of types of sport with the different mechanisms of energy providing of muscular work are presented. A most concentration in blood serum of vascular endothelial growth factor was marked in a greater degree for the representatives of those types of sport, physical work at that takes place in the conditions of maximal activation of aerobic exchange and tissue hypoxia. It summed up, that an angiogenesis is one of mechanisms of adaptation to the tissue hypoxia at physical activities.
Key words: physical activities, angiogenesis, oxidative stress, cellular membranes.
Введение
В современном спорте высших достижений интенсивные физические нагрузки приводят к разнонаправленным изменениям в организме, в частности, способствуют развитию универсальных биохимических и физиологических явлений - хронического оксидативного стресса (ОС) и связанной с ним тканевой гипоксии [5, 9, 13, 14]. Поэтому изучение механизмов многогранного влияния на организм ОС с присущей ему экспрессией гипоксия-индуцибельных генов является одним из аспектов поиска критериев оценки и прогнозирования физической работоспособности.
Исследования последних лет показали, что в процессах поддержания баланса между потребностью клетки в кислороде и его доставкой ведущую роль играет кислород-чувствительный протеиновый комплекс, обладающий транскрипционной активностью - гипоксия-индуцибельный фактор (HIF-1) [7]. Он считается ведущим транскрипционным регулятором генов млекопитающих, ответственных за реакцию на недостаток кислорода, и активируется в физиологически важных местах регуляции кислородных путей, обеспечивая быстрые и адекватные ответы на гипоксический стресс, и в том числе экспрессию генов, регулирующих процесс ангиогенеза [8, 9, 12, 14].
В ответ на гипоксию через активацию HIF-1 и последующую индукцию вследствие экспрессии соответствующего гена основного ростового фактора - фактора
роста эндотелия сосудов (ФРЭС) - запускается компенсаторный ангиогенез, т.е. ФРЭС является стресс-индуцированным белком [10, 11]. ФРЭС-A (основная активная форма фактора) непосредственно отвечает за процесс ангиогенеза, увеличивает просвет кровеносных сосудов, а также обеспечивает хемотаксис макрофагов и гранулоцитов, принимает участие в вазодилатации [10].
Известно, что ФРЭС обладает способностью повышать проницаемость стенки кровеносных сосудов (причем эта способность в 1000 раз выше, чем у гистамина), способствуя пропотеванию белков плазмы в околососудистое пространство, индуцирует экспрессию эндотелиальной NO-синтазы и образование NO, что, в свою очередь, способствует вазодилатации и стимулирует экспрессию протеаз [10] с последующим формированием новых сосудов.
Ангиогенез индуцируется тогда, когда метаболические потребности превышают перфузионную способность существующих сосудов. По-видимому, механизм этого адаптивного ответа заключается в том, что относительный недостаток кислорода приводит к повышению ангиогенных стимулов [11]. Спорт и физические нагрузки в этом аспекте являются чрезвычайно интересным предметом для исследования [6].
Исследования последних лет позволили определить физиологический ангиогенез как адаптационный ответ при гипоксии или острой гипогликемии [8, 11]. Учитывая, что ФРЭС - это стресс-индуцированный белок, его
ФНЦ ВНИИФК
Медико-биологические проблемы спорта
35
регуляция сравнивается с другими кислород- и глюкозорегулируемыми белками, поэтому физиологический и ростовой ангиогенез можно рассматривать как адаптационный ответ на дефицит кислорода [9]. Более того, поскольку экспрессия генов, которые кодируют процесс ангиогенеза, определяется интенсивностью физических нагрузок [12], это подтверждает точку зрения, высказанную в работах [3, 5], что ангиогенные факторы являются маркерами физической работоспособности. Более того, для обеспечения высокого уровня физической работоспособности спортсменов важным является поддержание оптимального, характерного для представителей того или иного вида спорта содержания этого фактора ангиогенеза [2, 4, 14].
Цель работы - проследить наличие взаимосвязи между выраженностью ОС и содержанием ФРЭС при интенсивной физической нагрузке с различным (преимущественно аэробным, преимущественно анаэробным или смешанным) механизмом энергообеспечения.
Материалы и методы
Объект исследования
Исследования были проведены у представителей разных видов спорта с различным механизмом энергообеспечения физической работы. Нами было проведено 500 обследований в динамике тренировочных нагрузок у 250 спортсменов высокой квалификации, в том числе у 17 борцов, 35 легкоатлетов (бег на средние дистанции), 21 тяжелоатлета, 30 прыгунов в воду, 35 хоккеистов, 40 лыжников, 35 гребцов, 26 футболистов (пляжный футбол) и у 11 фристайлистов. По уровню спортивного мастерства, возрасту и полу выборки были репрезентативны, поэтому основным фактором, влияющим на изменения содержания ФРЭС в динамике, являлась интенсивность физической нагрузки и механизм ее энергообеспечения. Для сравнения исследование содержания ФРЭС проводили у 14 здоровых нетренированных лиц аналогичного пола и возраста (доноры).
Иммуноферментные и биохимические исследования
Содержание ФРЭС определяли двухэтапным иммуноферментным методом с помощью тест-систем на основе поликлональных антител к ФРЭС и конъюгатов этих антител с пероксидазой хрена. Измерение содержания ФРЭС в сыворотке крови спортсменов проводили на фотометре “Multiscan-P 2» (Thermo Fisher Scientific Inc., Финляндия) при длине волны 492 нм с расчетом концентрации фактора по калибровочной кривой [3].
Для оценки выраженности ОС рассчитывали про-оксидантно-антиоксидантный коэффициент (Кпа) [1] как соотношение интенсивности процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и антиоксидантной защиты в клеточных мембранах согласно изменениям содержания малонового диальдегида (МДА) и восстановленного глутатиона (ВГЛ) [5] по формуле:
содержание МДА па содержание ВГЛ
Для исследования выраженности ОС в клеточных мембранах использовали отмытые тени эритроцитов, которые, по сути, являются их мембранной фракцией [7]. Исследования содержания субстратов проводили спектрофотометрически на СФ-46 (Россия) в односантиметровой кювете.
Статистическую обработку полученных данных содержания ФРЭС проводили с использованием точного метода Фишера при помощи пакетов прикладных программ “Sigma Pbt 5.0”, а результатов исследования прооксидантно-антиоксидантного баланса (ПАБ) -с помощью программы “Excel 97” на персональном компьютере. Достоверность полученных данных оценивали с учетом критерия Стьюдента.
Результаты и их обсуждение
Проведение иммуноферментных исследований в сыворотке крови здоровых нетренированных лиц показало, что уровень ФРЭС у них колеблется в пределах от 27 до 63 пг х мл-1, составляя в среднем 38,8±10,6 пг х мл-1 (см. таблицу), что соответствует данным литературы [13].
Содержание ФРЭС у представителей разных видов спорта в динамике тренировок
Группы обследованных Содержание ФРЭС, пг х мл 1 (M±S)
Начало нагрузок Окончание нагрузок
Доноры 38,8±10,6
Представители видов спорта:
Борьба (n = 17) 89,0±7,3* 95,3±5,8**
Легкая атлетика (n = 35) 85,3±5,8* 122,8±3,4**
Тяжелая атлетика (n = 21) 54,8±3,4* 74,8±3,4**
Прыжки в воду (n = 30) 46,3±4,1* 78,5±5,2**
Хоккей (n = 35) 88,5±5,2* 102,4±4,9**
Лыжные гонки (n = 40) 100,4±4,9* 125,3±5,8**
Гребля (n = 35) 102,2±3,4* 126,2±4,1**
Пляжный футбол (n = 26) 88,6±4,2* 90,8±3,2**
Фристайл (n = 11) 61,0±5,4* 67,0±4,1**
* По сравнению с данными у доноров.
** По сравнению с данными до начала нагрузок.
Следует отметить, что для этого ангиогенного фактора характерными являются существенные индивидуальные колебания в величине его содержания в сыворотке крови, что и определяет значительное среднее отклонение при статистической обработке данных.
Что касается спортсменов, то, согласно полученным данным, среди всех обследованных самое высокое содержание ФРЭС в начале нагрузки и максимальный прирост на момент окончания нагрузки наблюдаются у легкоатлетов-бегунов на средние дистанции, лыжников, гребцов, хоккеистов и футболистов. Нужно подчеркнуть,
ФНЦ ВНИИФК
36
Медико-биологические проблемы спорта
что исходно содержание ФРЭС в целом у спортсменов, даже до начала текущих нагрузок, выше, чем у здоровых нетренированных людей, что, с нашей точки зрения, может быть объяснено сформировавшимися адаптационными механизмами, в том числе хроническим ОС, в ответ на длительные физические нагрузки.
Одним из наиболее значимых метаболических проявлений ОС является именно преобладание окислительных процессов над степенью антиоксидантной защиты, что, в свою очередь, выражается увеличением значения Кпа. Полученные данные свидетельствуют, что у здоровых нетренированных людей этот показатель составляет 2,0 усл. ед. При интенсивных нагрузках Кпа возрастает у представителей всех видов спорта, только в разной степени, что является мерой активации окислительных процессов в организме (рис. 1).
Рис. 1. Изменения величины Кпа у представителей разных видов спорта
В результате проведения многофакторного корреляционного анализа установлено, что существует статистически значимая положительная корреляция между изучаемыми показателями: чем выше у спортсменов Кпа, тем больший у них уровень ФРЭС в сыворотке крови (г = 0,85, p < 0,05).
Для таких видов спорта, как бег на средние дистанции, лыжные гонки и гребля, характерны нагрузки преимущественно аэробной направленности, а для хоккея и пляжного футбола - смешанный механизм энергообеспечения, но с существенным преобладанием аэробного пути. Борцы и представители фристайла имеют также смешанный механизм энергообеспечения, но с преобладанием анаэробного. Для тяжелоатлетов и прыгунов в воду в большей степени характерны чисто анаэробные нагрузки [6]. В связи с различной выраженностью протекающих в организме окислительно-восстановительных реакций при различных механизмах энергообеспечения мышечной работы для более углубленного анализа значений величин ФРЭС и Кпа представители всех изученных нами видов спорта были распределены на три группы -с преимущественно аэробным или анаэробным, а также смешанным энергообеспечением (рис. 2).
А
Рис. 2. Значения содержания ФРЭС в сыворотке крови (А) и Кпа (Б) у представителей видов спорта с различным механизмом энергообеспечения
Как известно, около 95 % кислорода, который поступает в организм, во время окислительного фосфорилирования восстанавливается в митохондриях до воды. Остальной кислород в результате, как правило, ферментативных реакций превращается в активные формы кислорода (АФК), которые обладают высокотоксичным действием на клетки. Нарушение обмена веществ на фоне накопления повреждающих агентов (свободные радикалы, прооксиданты, АФК) определяет суть оксидативного стресса и, таким образом, является основополагающим моментом в активации физиологического ангиогенеза у спортсменов [3, 5]. Именно этим можно объяснить полученные нами наиболее высокие показатели содержания ФРЭС представителей видов спорта с преобладающим аэробным механизмом энергообеспечения (см. рис. 2).
Для тех спортсменов, для которых в большей степени характерны анаэробные гликолитические нагрузки, помимо замедления транспорта кислорода в ткани наблюдается также образование большого количества лактата, поступающего из миоцитов в кровь. Это сдвигает рН крови в кислую сторону и запускает целый каскад разнообразных метаболических и физиологических процессов (в частности, ПОЛ, изменение агрегатного состояния крови в сторону гиперкоагуляции, активацию через фактор Хагемана гуморальных систем регуляции сосудистого тонуса - калликреин-кининовой и ренин-ангиотензиновой и т.д.), приводящих через различные пути к нарушению гомеостаза и развитию гипоксии [15]. Следовательно, тканевая гипоксия присуща представи-
ФНЦ ВНИИФК
Медико-биологические проблемы спорта
37
телям видов спорта как с аэробным, так и с анаэробным механизмами энергообеспечения; при этом различия заключаются только в степени выраженности гипоксических явлений.
Таким образом, ОС и сопутствующая тканевая гипоксия являются определяющими факторами для акти-
вации процессов физиологического ангиогенеза при физических нагрузках, выраженность которого зависит от интенсивности этих нагрузок и направленности механизмов энергообеспечения мышечной работы, что позволяет расценивать ангиогенез как один из маркеров адаптации к мышечной работе.
Литература
1. Гоголь С.В. Исследование действия экзогенного церулоплазмина при химиотерапии злокачественных новообразований в эксперименте и клинике: дис. ... канд. биол. наук. - Киев: ИЭПОР НАНУ, 2001. - 148 с.
2. Гунина Л.М., Бурмак В.О. Содержание фактора роста эндотелия сосудов и выраженность оксидативного стресса у представителей разных видов спорта // Медицина для спорта: Матер. I Всероссийского конгресса. - М., 2011. - С. 146-149.
3. Гунина Лариса, Лисняк Иван. Фактор роста эндотелия сосудов у представителей разных видов спорта: связь с оксидативным стрессом // Наука в олимпийском спорте. - 2008. - № 1. - С. 46-50.
4. Гунина Л.М., Лисняк И.А. Роль ангиогенеза в повышении физической работоспособности спортсменов // Современный олимпийский и паралимпийский спорт и спорт для всех: Матер. XII Международного конгресса. - М.: Физическая культура, 2008. - С. 213-214.
5. Гутна Л.М., Олшник С.А., 1ванов С.В. Змши показнигав кровi та прооксидантно-антиоксидантного балансу в мембранах еритроципв при штенсивному фiзичному навантаженш // Медична хiмiя. - 2007. -Т. 9. - № 1. - С. 91-99 (на укр.).
6. Платонов В.Н. Система подготовки спортсменов в олимпийском спорте. Общая теория и ее практическое приложение. - Киев: Олимпийская литература, 2004. -С. 152-217.
7. Семко Г.А. Структурно-функциональные изменения мембран и внешних примембранных слоев эритроцитов при гиперэпидермопоэзе // Укр. биохим. журн. -1998. - Т. 70. - № 3. - С. 113-118.
8. Серебровская Т.В. Гипоксия-индуцибельный фактор: роль в патофизиологии дыхания (обзор) / Т.В. Се-
ребровская // Украинский пульмонологический журнал. - 2005. - № 3. - С. 77-81.
9. GungaH.C., Kirsch K, RockerL. Vascular endothelial growth factor in exercising humans under different environmental conditions // Eur. J. Appl. Physiol. Occup. Physiol. -1999. - V. 79. - № 6. - P. 484-490.
10. Ferrara N, Davis-Smyth T. The Biology of Vascular Endothelial Growth Factor // Endocrine rewies. - 1997. -V. 18. - № 1. - P. 1-25.
11. Hansen A.H., NielsenJJ, Saltin B, Helsten Y. Exercise training normalizes skeletal muscle vascular endothelial growth factor levels in patients with essential hypertension // J. Hypertens. - 2010. - V. 28. - № 6. - P. 1176-85.
12. Doring S, Onur A., Fischer M.R., Boulay L, Perusse T, Rankinen R., Rauramaa B., Wolfarth C., Bouchard F. A common haplotype and the Pro582Ser polymorphism of the hypoxia-inducible factor-1alpha (HIF1A) gene in elite endurance athletes // J. Appl Physiol. - 2010. - V. 108. -№ 6. - P. 1497-1500.
13. Laufs U, Urhausen A., Werner N. Running exercise of different duration and intensity: effect on endothelial progenitor cells in healthy subjects // Eur. J. Cardiovasc. Prev. Rehabil. - 2005. - V. 12. - № 4. - P. 407-414.
14. Pugh C.W., Ratcliffe P.J. Regulation of angiogenesis by hypoxia: role of the HIF system // Nature Medicine. -2003. - № 9. - Р. 677-684.
15. Saas C, Govers-Riemslag J.W.P, Bouma B, Schiks B, Hazenberg B.P.C., Henk M.L., Hammarstrom P, ten Cate H, de Groot P.G., Bouma B.N., Gebbink M.F.B.G. Misfolded proteins activate Factor XII in humans, leading to kallikrein formation without initiating coagulation // J. Clin. Invest. -2008. - V. 118. - № 9. - Р. 3208-3218.
References
1. Gogol’ S.V. Research of action of exogenous ceruloplas-mine at the chemotherapy of malignant new formations in an experiment and clinic: thesis of candidate’s dissertation in biology sciences / S.V. Gogol’. - Kiev, 2001. - 148 p. (in Ukrainian).
2. Gunina L.M., Burmak V.O. Table of contents of factor of height of vessels endothelia and expressed of oxidative stress for the representatives of different types of sport // Medicina dlya sporta: materialy I Vserossijskogo congres-sa. - M., 2011. - P. 146-149 (in Russian).
3. Gunina L.M., Lisnjack I.A. Vascular endothelia growth factor in different sports athletes: interrelation with oxidative stress // Nauka v olimpijskom sporte. - 2008. - № 1. -P. 46-50.
4. Gunina L.M., Lisnjack I.A. Role of angiogenesis in the increase of physical capacity of sportsmen // Modern olympic and paralympic sport and sport for all: materials of XII International congress. - M.: Physical culture, 2008. -P. 213-214 (in Russian).
5. Gunina L.M., Olijnick S.A., Ivanov S.V. Changes of indexes of blood and prooxidation-antioxidation balance in the membranes of red blood cells at intensive physical activity // Medical Chemistry. - 2007. - Vol. 9. - № 1. -P. 91-99 (in Ukrainian).
6. Platonov V.N. The system of preparation of sportsmen in olympic sport. General theory and her practical application. - Kiev: Olympic literature, 2004. - P. 152-217 (in Russian).
ФНЦ ВНИИФК
38
Медико-биологические проблемы спорта
7. Semko G.A. Structural & functional changes of membranes and external layers near a membrane of erythrocytes at hyperephidermopoesis // Ukrainian Biochemistry J. -1998. - Vol. 70. - № 3. - P. 111-118 (in Russian).
8. Serebrovskaja T.V. Hypoxia inducting factor: role in the pathophysiology of breathing (review) // Ukrainian Pulmonologist J. - 2005. - № 3. - P. 77-81 (in Russian).
9. Gunga H.C., Kirsch K, Rocker L. Vascular endothelial growth factor in exercising humans under different environmental conditions // Eur. J. Appl. Physiol. Occup. Physiol. - 1999. - V. 79. - № 6. - P. 484-490.
10. Ferrara N, Davis-Smyth T. The Biology of Vascular Endothelial Growth Factor // Endocrine rewies. - 1997. -V. 18. - № 1. - P. 1-25.
11. Hansen A.H., Nielsen JJ, Saltin B, Helsten Y. Exercise training normalizes skeletal muscle vascular endothelial growth factor levels in patients with essential hypertension // J. Hypertens. - 2010. - V. 28. - № 6. - P. 1176-85.
12. Doring S, Onur A., Fischer M.R., Boulay L, Perus-se T, Rankinen R, Rauramaa B, Wolfarth C, Bouchard F.
A common haplotype and the Pro582Ser polymorphism of the hypoxia-inducible factor-1alpha (HIF1A) gene in elite endurance athletes // J. Appl Physiol. - 2010. - V. 108. -№ 6. - P. 1497-1500.
13. Laufs U, Urhausen A., Werner N. Running exercise of different duration and intensity: effect on endothelial progenitor cells in healthy subjects // Eur. J. Cardiovasc. Prev. Rehabil. - 2005. - V. 12. - № 4. - P. 407-414.
14. Pugh C.W., Ratcliffe P.J. Regulation of angiogenesis by hypoxia: role of the HIF system // Nature Medicine. -2003. - № 9. - Р. 677-684.
15. Saas C, Govers-Riemslag J.W.P, Bouma B, Schiks B, Hazenberg B.P.C., Henk M.L., Hammarstrom P, ten Cate H, de Groot P.G., Bouma B.N., Gebbink M.F.B.G. Misfolded proteins activate Factor XII in humans, leading to kal-likrein formation without initiating coagulation //
J. Clin. Invest. - 2008. - V. 118. - № 9. - Р. 3208-3218.
Работа была поддержана грантом Министерства образования и науки молодежи и спорта Украины (№ 2.24 от 12.12.2011 г.).
ФНЦ ВНИИФК
