CC BY
80
УДК 612.117.7+616.155.392
В. Б. Матюшичев, В. Г. Шамратова
ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭРИТРОЦИТОВ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Электрокинетический потенциал эритроцитов как чуткий и объективный индикатор изменений во внутренней среде организма [8] представляет значительный интерес для изучения адаптационных процессов в системе красной крови [2]. Сдвиги, компенсирующие возросшие при чрезмерных функциональных нагрузках энергетические затраты и потребности тканей в кислороде, могут привести к ухудшению реологических свойств как отдельных эритроцитов, так и крови в целом. Однако сохранению ее суспензионной стабильности и нормальной микроциркуляции в капиллярах в свою очередь способствуют адаптационные реакции, направленные на поддержание устойчивости поверхностного заряда эритроцитов и тесно связанной с ней ЭФП этих клеток. Поэтому анализ поведения эритроцитарных популяций в ситуациях, вызывающих значительное напряжение физиологических функций организма, может оказаться полезным для выяснения общих закономерностей регуляции электрокинетического гомеостаза. Ранее [3] нами показано, что при интенсивных психофизических нагрузках поддержание стабильности среднего уровня ЭФПЭ в общем виде обеспечивается за счет изменения в совокупности объектов соотношения субпопуляций с различными электрокинетическими свойствами. Было необходимо уточнить, какие механизмы стоят за подобным явлением. В этой связи в настоящей работе мы изучали динамику поведения ЭФПЭ при изменении специфики предъявляемых организму воздействий.
Материал и методика исследований. Обследовали группу из 18 спортсменов-пятиборцев в возрасте 16-19 лет во время установочных (индивидуально малозначимых) и отборочных соревнований по четырем видам — фехтованию, плаванию, стрельбе и кроссу. Контролем служила группа клинически здоровых лиц того же пола и возраста, находившихся в дни соревнований в состоянии эмоционального и физического покоя (п = 15). Выбор спортивной дисциплины определялся тем, насколько она позволяет последовательно сравнить между собой последствия влияний на организм количественно и качественно различных нагрузок при использовании одних и тех же объектов. В каждом виде до и после состязаний у обследуемых производили забор капиллярной крови (0,02 мл) и разводили ее 1:200 фосфатным буфером, рН ~ 7,4. Определения ЭФПЭ проводили при 25 °С на установке «Пармоквант-2». На основе 150 показаний зафиксированной при микроэлектрофорезе подвижности отдельных клеток в каждой пробе крови, производили расчеты характеристик распределения ЭФПЭ. Помимо средних значений подвижности — средняя арифметическая (Мх) и медиана (Ме) — для каждой аликвоты оценивали характеристики формы распределения — стандартное отклонение (ББ), коэффициенты Л8 и Ех. Сводные результаты обрабатывали с помощью корреляционного и факторного анализа.
Результаты исследований и их обсуждение. Выяснилось, что в период установочных соревнований в контрольной группе суммарная кривая встречаемости значений ЭФПЭ характеризуется отрицательной асимметрией и положительным эксцессом — гистограмма островершинна и ее вершина сдвинута вправо относительно центра распределения. При
© В. Б. Матюшичев, В. Г. Шамратова, 2008
сопоставлении средних значений ЭФПЭ до и после каждого вида соревнований отмечено, что достоверное отклонение этого показателя от контрольных цифр впервые за серию наблюдений появилось лишь перед кроссом и сохранилось до завершения забега. Перед стрельбой средние показатели незначительно снизились по сравнению с уровнем нормы и более заметно по отношению к цифрам других видов состязаний. Но в целом оказалось, что ЭФПЭ реагирует на предъявляемую нагрузку даже в тех случаях, когда достоверных изменений средних величин нет: перестраивается сама структура совокупности.
Так, согласно значениям коэффициентов Л8 и Ех, до соревнований гистограммы ЭФПЭ либо симметричны, либо их вершины в той или иной мере сдвинуты в область низких величин ЭФПЭ и преимущественно островершинны (положительный Ех). При этом популяция эритроцитов довольно однородна по электрокинетическим свойствам клеток, но во все дни соревнований дисперсия признака выше, чем в контроле, т. е. варьирование индивидуальных значений ЭФПЭ перед соревнованиями выражено сильнее. После соревнований в популяции эритроцитов происходит перераспределение клеток с разной подвижностью, направленность которого зависит от вида спортивной нагрузки. В частности, на соревнованиях по фехтованию и стрельбе, судя по росту положительной Л8 распределения, заметно увеличивается доля клеток с пониженным электрокинетическим потенциалом. При плавании и беге после выполнения нагрузки доля субпопуляций с низкой подвижностью клеток, напротив, становится меньше, чем до начала состязаний (уменьшение Л8). Другими словами, на соревнованиях, связанных с ростом энергетических потребностей организма, изменение структуры популяции предшествует выполнению нагрузки, что позволяет говорить об упреждающей адаптационной реакции системы красной крови.
На отборочных (более ответственных) соревнованиях доминируют те же тенденции, что и на менее индивидуально значимых. Различия проявляются лишь в большей выраженности сдвигов, тем не менее означающей, что контроль ЭФПЭ в обоих случаях осуществляется сходным путем.
Информация о соотношении различных субпопуляций дополняется сведениями, которые дает прецизионный анализ распределения показателей по критическим интервалам варьирования Л8 эритрограмм [4]. Из таблицы видно, что в первый день соревнований перед фехтованием существенного по сравнению с контролем перераспределения субпопуляций эритроцитов не происходит. Однако при этом намечается тенденция к уменьшению доли клеток с более высоким, чем в среднем, электрокинетическим потенциалом и к увеличению доли клеток с более низкой подвижностью. В последующие дни наметившийся сдвиг в соотношении субпопуляций клеток с различными электроповерхностными свойствами сохраняется.
Частота встречаемости различных типов распределения ЭФПЭ, М±т
Интервал варьирования Л8
« отрицательный» «нейтральный» «положительный»
1 2 3 4
Контроль 29,0±7,6 55,0±8,2 16,0±6,1
Фехтование 1 2 12 02 99 44,4±5,3 23,0±7,0*> 22,2±6,9 63,0±8.0*>
Плавание 1 2 8,7±4,6* 14,3±5,8 43,3±8,2 47,6±8,3 47,8±8,3* 38,1±8,1*
Стрельба 1 2 6,3±4,0* 20,0±6,7 68,2±7,7 30,0±7,6*> 25,0±7,2 50,0±8,3>
1 2 3 4
Кросс 1 13,6±5,7 59,1±8,2 27,3±7,4
2 22,2±6,9 66,7±7,8 11,1±5,2
В среднем 1 13,6±5,7 52,3±8,3 34,1±7,9*
2 14,6±5,8 42,7±8,2 42,7±8,2*
Примечание. 1 — показатель до соревнований, 2 — показатель после соревнований; * — достоверное отличие от контроля; > — достоверное отличие от показателя до соревнований, р < 0,05.
Для выяснения механизмов, обеспечивающих изменение баланса субпопуляций клеток с различной ЭФПЭ, и уточнения закономерностей такого перераспределения нами использован факторный анализ, примущество которого состоит в возможности свести совокупность конкретно наблюдаемых в эксперименте параметров к реально существующим, но скрытым, глубинным переменным, более емким, чем исходные показатели состояния системы, и в силу этого дающим надежные критерии для оценки относительной значимости изучаемых признаков.
В корреляционные матрицы вносились средние ЭФПЭ (Мх и Ме) и параметры ее распределения — ББ, Л8, Ех, отражающие состояние эритроцитарной популяции с разных сторон. В результате обработки данных были выделены факторные структуры, ответственные за поддержание устойчивости ЭФПЭ, интерпретированные нами как «внутренние» механизмы саморегуляции подвижности эритроцитов. В контроле они описываются двумя независимыми факторами (Б1 и Б2), охватывающими соответственно 54 и 33 % общей дисперсии матрицы. Б1, включающий с высоким положительным весом Мх и Ме, а с отрицательным — Л8 распределения, очевидно, контролирует стабильность подвижности эритроцитов за счет баланса субпопуляций с разным уровнем биоэлектрических свойств. Второй фактор учитывает взаимоотношения с ним параметров электрокинети-ческих эритрограмм, характеризующих степень гетерогенности клеточной популяции (Ех и ББ). Судя по коэффициентам корреляции между рассматриваемыми переменными, сдвиг вершины гистограммы вправо сочетается с увеличением средних величин ЭФПЭ, а сдвиг влево — с их уменьшением. Следовательно, при тенденции к любому по знаку изменению величины ЭФПЭ даже в норме происходит перераспределение долей эритроцитов с различной подвижностью — в пределах некоего интервала возможных значений. В итоге формируются своего рода «границы» варьирования ЭФПЭ, что и находит отражение в структуре фактора Б1, контролирующего таким путем биоэлектрические свойства популяции клеток. Вклад в общую дисперсию фактора поддержания устойчивости ЭФПЭ за счет изменений качественного разнообразия эритроцитов (Б2), как и степень выраженности связей между соответствующими показателями, в этом блоке данных существенно ниже.
В свою очередь, в первый день установочных состязаний, перед и после фехтования, регуляция электрокинетических свойств эритроцитов осуществляется, судя по соответствующей факторной структуре, в основном за счет варьирования гетерогенности популяции. После соревнований эта особенность выражена отчетливей — фактор с удельным весом 47 % от суммарной дисперсии включает Мх, Ме с положительным участием и Ех распределения с отрицательным вкладом.
Перед соревнованиями по плаванию система корреляций между параметрами ЭФПЭ характеризуется возрастанием взаимовлияния средних ЭФПЭ и показателей формы распределения. Как и в контрольной группе, сформировавшиеся связи направлены на то, чтобы «ограничивать» тенденции как к увеличению, так и к снижению подвижности
эритроцитов (описывается Р1,36~% общей дисперсии). Параллельно здесь функционирует и механизм контроля гетерогенности популяции (Р2,32~% дисперсии). После плавания корреляции между средними величинами и показателями формы распределения ЭФПЭ заметно ослабевают.
Из корреляций показателей ЭФПЭ перед стрельбой следует, что тенденция к снижению уровня электрокинетического потенциала популяции эритроцитов в целом и ее преобладающей субпопуляции в частности сопровождается увеличением разнородности свойств клеток. В этой ситуации за контроль ЭФПЭ отвечает единственный фактор (62 % дисперсии), объединяющий ее средний уровень и все расмотренные параметры формы распределения (Л8, Ех, ББ).
Перед соревнованиями по кроссу средние ЭФПЭ объединены жесткой корреляционной связью, тесно скоординированы и изменения параметров, характеризующих степень функциональной разнородности популяции — Ех и ББ. После бега, связанного со значительными энергетическими затратами и физическим перенапряжением спортсменов, устойчивость ЭФПЭ контролируется, судя по включению в фактор Ме и ББ с положительным знаком, в первую очередь путем возрастания анизоцитоза (Р1,40 % дисперсии). При этом в системе корреляций показателей усиливается связь между медианой распределения и дисперсией. При всем разнообразии структуры выявленных взаимосвязей, описывающих ковариации показателей ЭФПЭ крови спортсменов, в них можно отметить и общие закономерности: корректировка оптимального уровня электрокинетического потенциала эритроцитов осуществляется главным образом двумя путями — «ограничением» накопления клеток с чрезвычайно высокими и низкими значениями показателя и за счет регуляции неоднородности циркулирующих клеток.
На ответственных соревнованиях по фехтованию система взаимосвязей показателей ЭФПЭ близка к контрольной. На соревнованиях по плаванию (до и после) характер интеркорреляций тождествен тенденциям, отмеченным на установочных соревнованиях для большинства спортивных дисциплин: возрастание ЭФПЭ происходит на фоне увеличения гетерогенности популяции эритроцитов, предотвращающего чрезмерное накопление клеток с высокой ЭФП. Вместе с тем перед стрельбой, а также до и после кросса, в отличие от малозначимых соревнований, связи такого рода не выявляются. Более того, в этих случаях увеличение доли клеток с пониженной подвижностью коррелирует не с ростом, как в контроле и на установочных соревнованиях, а с уменьшением разнородности популяции по электрокинетическим свойствам (увеличение Ех).
Таким образом, степень и вид физической нагрузки на спортсменов, уровень их подготовленности, а также личностная значимость выступлений влияют не только на численные показатели кривых распределения ЭФПЭ, но и на качественные особенности связей между его статистическими характеристиками. Это означает, что наблюдаемые в ходе изменения функционального состояния организма модификации в системе интеркорреляций «биоэлектрических» параметров популяций эритроцитов, по-видимому, можно рассматривать как проявление процессов, направленных на формирование в новых условиях специфической функциональной системы адаптации.
При нагрузках, требующих высокой выносливости (плавание, бег на большие расстояния), в предстартовом периоде активизируются физиологические реакции, подготавливающие организм спортсменов к значительным энергетическим затратам. Это предположение согласуется с более отчетливым проявлением эффекта на установочных соревнованиях, где физическая форма спортсменов еще недостаточна по сравнению с ответственными стартами в конце сезона, когда уровень функциональной готовности
организма гораздо выше. Если же определяющим является психоэмоциональное, а не физическое перенапряжение организма, как, например на соревнованиях по стрельбе, ответная реакция выражается в относительном замедлении подвижности эритроцитов. Как показало проведенное нами психологическое тестирование (по опроснику Леонгарда), стрельба по движущейся мишени характеризуется высокой степенью эмоционального напряжения. Причем эффект выражен отчетливей и отличается большей устойчивостью во время отборочных соревнований, на которых дополнительное волнение спортсменов связано с повышенной личной значимостью выступления. В данном случае сопутствующий стресс, видимо, выступает в качестве основной причины снижения средней величины ЭФПЭ.
Напротив, бег — вид, отличающийся самым низким уровнем возбужденности спортсменов, сопровождается повышением средних значений подвижности. Конечно, уточнить степень конкретного вклада эмоциональной составляющей в наблюдаемые эффекты можно только в дополнительных сериях наблюдений, с другой схемой исследования и своей системой контролей. В данном же случае подобная сторона ситуации нас не интересовала, поскольку основной задачей при организации «опытов» было обеспечить для процедуры тестирования набор априори различных нагрузок на организм. Именно это в итоге и позволило сделать основной вывод настоящей работы, состоящий в том, что электрокинетические свойства системы красной крови реагирут на такие нагрузки избирательно и, по-видимому, адекватно.
Вопрос о том, какие первичные процессы вызывают наблюдаемый отклик ЭФПЭ, предполагает вовлеченность в них широкого спектра возможностей. Так, предстартовое повышение ЭФПЭ на соревнованиях по фехтованию, плаванию и кроссу может быть вызвано мобилизацией энергетических и метаболических ресурсов организма, связанной с нейрогуморальными изменениями и биохимическими сдвигами в крови, направленность которых определяется видом и интенсивностью выполняемых упражнений [1]. В частности, в условиях сочетания физического и эмоционального стресса в крови спортсменов повышается уровень общих липидов, активизируются процессы глюконеогенеза и Р-окисления жирных кислот, способствующие накоплению макро-эргических соединений [5]. Одновременно, как отмечается у волейболисток высокой квалификации, возрастает креатинфосфатный и анаэробно-гликолитический потенциал циркулирующей крови. В свою очередь накопление молочной кислоты при выполнении спортивной нагрузки влияет через активацию синтеза эритропоэтина на эритропоэз [8]. Есть все основания связать наблюдаемые реакции не только с системными влияниями (в принятных нами условиях наблюдения, видимо, в основном за счет резервов кровяного депо), но и с мобилизацией собственных ресурсов эритроцитов in situ [6,7], с разнообразными гормональными влияниями, а также с действием ряда других факторов, определяющих физико-химические и биохимические свойства плазмы, а также самих клеток красной крови [9].
Summary
Matyushiсhev V. B., Shamratova V. G. Changes of electrokinetic properties of human blood erythrocytes in modifying physical loading.
The changes of the erythrocyte population structure by their electrokinetic properties occurring in sportsmen during competitions are studied. It is stated that optimization of electrokinetic potential of totality is basically realized by means of accumulation limitation of cells with high and low mobility and at the expense of regulation of the heterogeneity level of the circulating erythrocyte pool. At the same time the degree and kind
of psychophysical loading as well as the organism functional state influence not only on numerical indices of electrokinetic erythrograms but also on the qualitative features of correlations between its parameters.
Литература
1. Казеннов А. М., Маслова М. Н. Активность Na+, К+-АТФазы в мембранных препаратах эритроцитов и почках спонтанно-гапергешивных крыс // Физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 1993. № 8. С. 66-72.
2. Коробов В. Н., Струбицкий И. В. Влияние гипоксии на фракционный состав эритроцитов периферической крови крыс // Физиол. человека. 1989. № 4. С.515-521.
3. Матюшичев В. Б., Шамратова В. Г Картина электрофоретической подвижности эритроцитов крови при больших физических нагрузках и психическом напряжении // Физиол. человека. 1995. № 4. С. 123-127.
4. Матюшичев В. Б., Шамратова В. Г., Ахунова А. Р. Влияние строфантина на электрофоретическую подвижность эритроцитов крови взрослых и детей // Рос. физиол. журн. им. И. М.Сеченова. 2001. № 2. С. 248-253.
5. Назаров С. Б., Горожанин Л. С. Изменения эритроцитарной ситстемы у белых крыс при тренировке к динамическим мышечным нагрузкам // Физиол. журн. СССР им. И. М. Сеченова. 1987. № 9.
С. 1216-1220.
6. Овчаренко Ф. Д., Ульберг З. Р., Духин А. С., КарамушкаВ. И., Грузина Т. Г. Особенности электро-поверхностных явлений в клеточных суспензиях // Усп. совр. биол. 1991. № 2. С. 276-281.
7. Степанов А. Е., Краснопольский Ю. М., Швец В. И. Физиологически активные липиды. М., 1991.
8. Чижевский А. Л. Биофизические механизмы реакции оседания эритроцитов. Новосибирск, 1980.
9. Шамратова В. Г. Регуляция электрокинетических свойств эритроцитарных популяций при различном функциональном состоянии организма: Автореф. докт. дис. Казань, 2002. 32 c.
