CC BY
49
УДК [574.2:612.017.2:612.12]-057.875(470./.2)
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ И ЕЕ КОРРЕКЦИИ У СТУДЕНТОВ МЕДИЦИНСКОГО ВУЗА НА ЕВРОПЕЙСКОМ СЕВЕРЕ
© 2007 г. С. Н. Игнатьева
Северный государственный медицинский университет, г. Архангельск
Работа посвящена изучению состояния клеточного энергообмена у студентов медвуза на Европейском Севере. Проведенные исследования выявили различие в уровне энергообеспечения клеток у студентов в динамике учебного года, определяющее функциональные и адаптационные возможности организма. Профилактическое применение метаболита глицина оказывает положительный эффект на процессы энергопродукции, психологический статус студента, что оптимизирует адаптивные реакции организма. Ключевые слова: студенты, сукци-натдегидрогеназа, биоэнергетическая гипоксия, энергообмен.
Проблема взаимодействия человека и среды его обитания является одной из важнейших в экологии и медицине. Комплекс неблагоприятных природно-климатических, антропогенных и социальных факторов на Севере, создавая дискомфортную среду обитания, формирует выраженное напряжение основных регуляторных систем организма. Поэтому изучение механизмов адаптации, резервных возможностей организма при действии экстремальных факторов Европейского Севера, особенно в процессе трудовой деятельности, является одной из важнейших биологических проблем, тесно сопряженной с пониманием общих закономерностей поддержания и восстановления энергетического гомеостаза в организме [1, 3, 8].
Максимальная эффективность использования ресурсов, извлекаемых из субстратов при их окислении, возможна только при оптимальных условиях работы ферментов, включенных в соответствующую метаболическую цепь. Доля участия каждого фермента в энергетическом метаболизме при данном состоянии клетки может быть различной (Ленинджер А., 1976).
Неспецифической основой всех адаптивных реакций являются изменения энергетического обмена. Именно обеспеченность или недостаток энергии определяют дальнейшую цепь регуляторных, метаболических и структурных изменений в организме [2, 8]. Своевременное выявление неблагоприятных сдвигов внутриклеточной энергетики позволит проводить профилактические мероприятия, направленные на предотвращение развития отрицательных сдвигов в состоянии здоровья и оптимизацию процессов адаптации [16, 11]. С этой точки зрения актуальным является назначение препаратов-регуляторов энергетического обмена, препаратов-метаболитов: биотредина (треонин и пиридоксин), лимон-тара (комплекс янтарной и лимонной кислот), глицина, обладающего свойством модулятора здорового процесса [10, 14, 15, 16].
С состоянием обменных процессов, в частности энергетического метаболизма, тесно связана функциональная активность иммунокомпе-тентных клеток. Т. Д. Измайлова и соавторы [6] сообщают, что процессы адаптации организма человека к меняющимся условиям характеризуются изменением ферментативной активности лимфоцитов. Однако остается недостаточно изученной роль окислительно-восстановительных ферментов — дегидрогеназ, участвующих в основных внутриклеточных процессах обмена и отражающих энергетические процессы, происходящие внутри клетки, а также фосфатаз, катализирующих все виды тканевого обмена, протекающие с участием фосфорных соединений [12]. В связи с этим нами был выполнен ряд специальных цитохимических исследований, которые в комплексе отражали состояние метаболических процессов в клетках белой крови обследуемых студентов.
Целью настоящей работы явилось изучение состояния энергопродукции клеток белой крови в динамике учебного года и ее коррекция у студентов медицинского вуза, проживающих на Европейском Севере.
Методика исследования
Были обследованы 630 студентов III курса медицинского университета (324 мужчины и 306 женщин) в возрасте (20,0 ± 0,5) года, являющихся коренными жителями Архангельской области. На день обследования никто из них не имел хронических заболеваний и не предъявлял никаких жалоб. Исследования активности ферментов проводили в сентябре — начало учебного года (контрольные данные); декабре — конец осеннего семестра; январе — зимняя экзаменационная сессия; феврале — начало весеннего семестра; мае
— конец учебного года; июне — летняя экзаменационная сессия и в июле — каникулы.
В лимфоцитах периферической крови определяли активность сукцинатдегидрогеназы (СДГ), глутамат-дегидрогеназы (ГДГ). Дегидрогеназы принадлежат к группе ферментов, катализирующих процессы биологического окисления, сопровождаются переносом водорода от субстрата окисляемого к субстрату «акцептору водорода».
Сукцинатдегидрогеназа — митохондриальный фермент, участвующий в деятельности цикла Кребса и окислительно-восстановительных процессах в дыхательной цепи, является общепринятым маркером интенсивности энергетических реакций [5, 10, 13]. Дегидрогеназы определяли количественным цитохимическим методом [9]. Метод основан на способности солей п-нитротетразолия фиолетового, восстанавливаясь при окислении субстратов, образовывать в местах локализации фермента нерастворимые в воде гранулы формазана. Гранулы имеют округлую форму, фиолетовую окраску и четкие границы. Подсчет гранул производился в 100 клетках. Ферментный статус лимфоцитов после выявления активности дегидрогеназ характеризовали пятью параметрами: средним количеством гранул в одной клетке ^); коэффициентом вариации (V) — разнородность клеток; коэффициентом асимметрии (А) — уравновешенность количества клеток с различной активностью; коэффициентом эксцесса (Е) — достаток клеток с типичной активностью фермента; коэффициентом энтропии информации (Н) — разнообразие клеток по энзиматической активности.
Активность кислой фосфатазы (КФ) и щелочной фосфатазы (ЩФ) нейтрофилов определялись методом азосочетания [17] в модификации Р. П. Нарциссо-ва [9, 10].
Также нами было проведено исследование влияния метаболита глицина на психологические особенности и ферментный статус лимфоцитов у студентов. Было обследовано 52 студента. Студенты были разделены на две группы: контрольную — 29 человек, не принимавшие глицин, и опытную — 23 человека, которые
принимали глицин в дозе 0,1 х 3 в день сублингвально в течение 21 дня.
Результаты и их обсуждение
Оценка ферментного профиля клеток белой крови у студентов показала, что как митохондриальные, так и лизосомальные ферменты имеют различную активность в зависимости от интенсивности нагрузок в динамике учебного года, времени года и действия дестабилизирующих факторов окружающей среды. Это проявляется различной направленностью энергетических процессов, происходящих внутри клеток, что приводит к некоторой дезорганизации цикла Кребса, явлениям биоэнергетической гипоксии, и включением адаптивных изменений на уровне клеточного метаболизма с экономизацией расхода энергии для поддержания гомеостаза [7] (табл. 1, 2, 3).
Так, в декабре, конце осеннего семестра, наблюдалось снижение средней активности СДГ и разнообразия клеток по энзиматической активности, повышение их разнородности по сравнению с началом учебного года и вместе с тем компенсаторное увеличение резерва клеток с типичной активностью в ядре популяции. Средняя активность ГДГ оставалась такой же, как и в контроле, но при этом резерв клеток уменьшался. В то же время увеличивалась активность ЩФ нейтрофилов и оставался высоким уровень активности КФ. Такое регулируемое дегидрогеназами состояние клеточной популяции у студентов в декабре может свидетельствовать о напряжении «работы» клетки, а тем самым и адаптационных возможностей организма.
В феврале по сравнению с декабрем повышались средняя активность СДГ и разнообразие клеток по активности фермента, но наблюдалось некоторое снижение резерва клеток с типичной активностью в ядре популяции. В это же время отмечалось увеличение активности ГДГ, сохранялось разнообразие клеток и проявлялась тенденция к уменьшению резерва клеток в ядре популяции. Активность фосфатаз в феврале уменьшалась. Оптимальные величины средней активности СДГ, уравновешенность пулов по активности ферментов говорят об оптимальной работоспособности клетки, а тем самым и об удовлетворительных адаптационных возможностях организма студента в данный период учебного года.
В мае по сравнению с февралем произошло снижение средней активности СДГ, ферментного разнообразия, повышение разнородности клеток по активности фермента и уменьшение в данной группе резерва лимфоцитов с типичной активностью. Но одновременно увеличивалась средняя активность ГДГ и ферментное разнообразие клеток. Активность фосфатаз нейтрофилов при этом возрастала.
Отсутствие повышения средней активности СДГ на фоне отмечаемых перестроек популяции клеток свидетельствует об углублении неблагоприятных сдвигов клеточной энергетики у студентов к концу учебного года.
Таблица 1
Показатели энзиматической структуры популяции лимфоцитов по активности фермента сукцинатдегидрогеназы студентов в динамике учебного года
Пока- затель Сентябрь 1 Декабрь 2 Январь, до экз. 3 Январь, после экз. 4 Февраль 5 Май 6 Июнь, до экз. 7 Июнь, после экз. 8 Июль 9
N 98 96 54 70 70 70 56 70 52
О 1+ 3 10,34 ± 0,17 р 1-2,3,4,5,6,9 р**1-8 7,85 ± 0,15 р 2-1,3,4,5,6,7,8 12,67 ± 0,35 р 3-1,2,6,7,8,9 р*3-5 12,71 ± 0,30 р 4-1,2,6,7,8,9 р*4-5 13,54 ± 0,16 р 5-1,2,6,7,8,9 р*5-3,4 8,67 ± 0,35 р 6-1,2,3,4,5 р 6-8,9 9,40 ± 0,51 р 7-2,3,4,5,9 9,39 ± 0,26 р 8-2,3,4,5,9 р**8-1 7,87 ± 0,20 р 9-1,3,4,5,8 р 9-6,7
V 1+ 3 45,78 ± 1,12 р 1-3,4,5,7,8,9 47,22 ± 2,02 р 2-3,4,5,6,7,8,9 36,60 ± 1,15 р 3-1,2,6 р**3-4 р 3-5,9 32,15 ± 0,90 р 4-1,2,6,9 р**4-3 33,22 ± 0,71 р 5-1,2,6 р^ 5-8 р 5-3 45,91 ± 1,91 р 6-3,4,5,7,8,9 34,99 ± 1,95 р 7-1,2,6 37,57 ± 1,31 р 8-1,2,4,6 р 8-5 р*8-9 32,01 ± 1,79 р 9-1,2,6 р 9-3,8
Е +1 < 0,53 ± 0,03 р 1-4,5 р*1-2 0,64 ± 0,04 р***2-4,5 р 2-3,7 р*2-1 0,37 ± 0,08 р**3-2 р*3-8 0,21 ± 0,05 р 4-1,2,6,7,8 р 4-5,9 0,35 ± 0,04 р 5-1,2,6,8 р*5-4 0,55 ± 0,05 р 6-4,5 0,45 ± 0,05 р***7-4 р**7-2 р 7-8 0,61 ± 0,05 р^ 8-4,5 р 8-3,7 0,48 ± 0,10 р*9-4
Е +1 -0,26 ± 0,08 р 1-2,8 0,01 ± 0,09 р*2-1,4 -0,12 ± 0,19 ±7 о -0 4-2 - р* -0,06 ± 0,11 -0,16± 0,11 -0,25 ± 0,17 0,12 ± 0,14 р *8-1 -0,35 ± 0,20
Н 1+ 3 0,67 ± 0,009 р 1-2,9 р**1-5 р*1-3 0,62 ± 0,008 ^ 2-1,3,5 р 2-4,6,7,8,9 +1 ^ ~3 5 к 7 , - 6, , (—) ^ 1 —1 , 0 * 3 -1 0 ** ** *3 р* р* р* 0,68 ± 0,008 р 4-2,5,9 р*4-6 0,72 ± 0,009 р 5-1,2,4,6,7,8,9 0,65 ± 0,01 ^ 6-5,9 р 6-2,3 р*6-4 0,66 ± 0,01 р 7-5,9 р 7-2,3 0,66 ± 0,007 р 8-2,5,9 р**8-3 0,58 ± 0,01 Р 9-1,3,4,5,6,7,8 р**9-2
Примечание. * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001.
Таблица 2
Показатели энзиматической структуры популяции лимфоцитов по активности фермента глутаматдегидрогеназы студентов в динамике учебного года
Показа- тель Сентябрь 1 Декабрь 2 Январь, после экз. 4 Февраль 5 Май 6 Июнь, до экз. 7 Июнь, после экз. 8 Июль 9
N 98 96 70 70 70 56 70 52
О 1+ 3 15,00 ± 0,20 р 1-4,6,9 р**1-5 14,67 ± 0,31 р 2-4,5,6,9 19,94 ± 0,69 р 4-1,2,5,7,8,9 15,56 ± 0,46 р 5-2,4,6,8,9 р**5-1,7 20,33 ± 0,64 р 6-1,2,5,7,8 14,76 ± 0,22 р 7-4,6,9 р**7-5 14,52 ± 0,31 р 8-4,5,6,9 12,76 ± 0,35 р 9-1,2,4,5,6,7,8
3 ± > 45,56 ± 2,21 р 1-4,6,7,8,9 р**1-5 41,58 ± 1,00 ^ 2-4,7,8 р 2-6,9 р*2-5 33,30 ± 1,29 р***4-1,2 р 4-5,6 38,30 ± 1,21 р«« 5-4,8 р**5-1,7 р*5-2 37,40 ± 1,16 р 6-1,7,8 р**6-2 р*6-5 32,60 ± 1,10 р 7-1,2,6 р**7-5 33,40 ± 1,60 р 8-1,2 р 8-5,6 35,03 ± 1,85 р***9-1 р**9-2
3 ± < 0,76 ± 0,07 р 1-2,4,5,6,7,8,9 0,53 ± 0,05 р***2-4 р**2-1 р 2-5,6,7 0,27 ± 0,048 р 4-1,2,9 р*4-8 0,37 ± 0,054 р***5-1 р 5-2,9 0,38 ± 0,056 р***6-1 р 6-2,9 0,33 ± 0,060 р***7-1 р 7-2,9 0,48 ± 0,095 р 8-1,4 0,57 ± 0,060 р***9-4 р 9-1,5,6,7
га 1+ 3 -0,06 ± 0,13 р 1-4,5,6,7 р 1-8,9 р*1-2 -0,41 ± 0,11 р***2-4 р 2-1,6 -0,87 ± 0,05 ^ 4-1,8,9 р 4-2,5,7 -0,61 ± 0,087 р***5-1 р**5-4 -0,70 ± 0,089 р***6-1 р*6-2 -0,58 ± 0,09 р***7-1 р**7-4 -0,56 ± 0,095 р***8-4 р *8-1 -0,45 ± 0,093 р***9-4 р**9-1
3 ± X 0,77 ± 0,009 р 1-8,9 р*1-7 0,76 ± 0,011 р 2-8,9 р 2-4,6,7 0,79 ± 0,011 р 4-7,8,9 р*4-2,5 0,76 ± 0,006 р 5-6,7,8 р*5-4 0,79 ± 0,013 р 6-7,8,9 р**6-5 р*6-2 0,73 ± 0,010 р 7-4,6 р 7-1,2,5 0,72 ± 0,009 ^ 8-4,6 р 8-1,2,5 0,73 ± 0,009 р 9-4,6 р 9-1,2,5
Примечание. * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001.
Таблица 3
Активность кислой и щелочной фосфатаз нейтрофилов студентов в динамике учебного года
^ с Период обучения N ^ Е е © +| Р ЩФ ед. М ± т Р
1 Сентябрь 98 172,6 ± 3,48 Р1-4,5,6,8,9<0,001 130,8 ± 2,58 Р1-2,4,6,7,8,9<0,001 Р1-5<0,05
2 Декабрь 96 170,9 ± 1,86 Р2-4,5,6,7,8,9<0,001 174,8 ± 2,22 Р2-1,5,6<0,001 Р2-4<0,01
3 Январь, до экз. - - - - -
4 Январь, после экз. 70 154,6 ± 2,59 Р4-1,2,5,6,9<0,001 Р4-7,8<0,05 163,3 ± 2,83 Р4-1,5,6,9<0,001 Р4-2,7<0,01
5 Февраль 70 112,9 ± 2,34 Р5-1,2,4,6,9<0,001 Р5-7,8<0,05 139,7 ± 2,99 Р5-4,8,9<0,001 Р5-2<0,01 Р5-1,6,7<0,05
6 Май 70 133,5 ± 2,56 Р6-1.2.4.5<0,001 148,5 ± 2,17 Р6-1,2,4,8,9<0,001 Р6-5<0,05
7 Июнь, до экз. 56 133,2 ± 7,91 Р7-12<0,001 Р7-4,5<0,05 150,4 ± 3,82 Р7-1,2,8,9<0,001 Р7-4,5<0,05
8 Июнь, после экз. 70 137,3 ± 7,01 Р8-1,2<0,001 Р8-4,5<0,05 171,1 ± 4,46 Р8-1,5,6,7<0,001
9 Июль 52 130,0 ± 2,23 Р9-1,2,4,5<0,001 175,0 ± 4,33 Р9-1,4,5,6,7<0,001
Во время экзаменационных сессий (периоды психоэмоционального напряжения) в январе отмечалось повышение средней активности СДГ и ГДГ по сравнению с контролем (сентябрь); в июне активность СДГ и ГДГ снижалась и приближалась к контролю (январь), то есть зимой дегидрогеназы были активнее, чем в летнюю экзаменационную сессию. В периоды увеличения активности дегидрогеназ в январе возрастало разнообразие клеток, но уменьшался резерв клеток с типичной активностью; в то же время активность фосфатаз снижалась. Оптимальные значения средней активности СДГ лимфоцитов, достаточное их разнообразие в популяции, уменьшение в данный период резерва лимфоцитов с типичной активностью свидетельствуют о мобилизации резерва клеток для оптимального энергообеспечения организма в экзаменационный период. Это следует рассматривать как компенсацию в связи с активацией симпатоадрена-ловой системы.
В июле (летний период) по сравнению с маем и сентябрем активность ферментов СДГ и ГДГ снижается; но внутри структуры популяции лимфоцитов по активности СДГ происходила компенсация за счет накопления клеток с высокой активностью. Активность ЩФ повышалась, а активность Кф сохранялась на уровне июня после экзаменов.
В процессе учебного года у студентов — коренных жителей Европейского Севера при изучении активности дегидрогеназ и активности фосфатаз под влиянием факторов внешней среды просматривается
адаптационное, волнообразное изменение клеточного метаболизма с угнетением клеточной энергопродукции в декабре, мае, июле с повышением ее в период экзаменов. При депрессии фермента СДГ в декабре, мае отмечается повышение активности ГДГ и увеличение КФ и ЩФ. Но благодаря согласованным, координированным изменениям параметров в части структуры популяции и уменьшению резерва клеток с типичной активностью ферментов поддерживаются достаточные резервы для нормального существования клетки даже при низком уровне энергопродукции [4, 5, 17].
Проведенный курс коррекции метаболитом глицином у студентов показал благоприятные изменения в структуре популяции лимфоцитов, проявившиеся в увеличении средней активности фермента, нормализации соотношения количества клеток с высокой и низкой активностью, содержания лимфоцитов с типичной энзиматической активностью, стабилизации клеточной разнородности и разнообразия. Нормализация клеточной энергетики улучшает и психологические характеристики у студентов (снижается уровень напряженности, повышается эмоциональный тонус, концентрация внимания, памяти, снижаются показатели ситуационной и личностной тревожности), что повышает резервы адаптации и оптимизирует процесс обучения.
Проведенное нами исследование ферментного статуса лимфоцитов у студентов в динамике учебного года выявило различную степень энергообеспечения клеток с признаками гипоксии, но без деэнергизации
клетки, что отражает разную «цену» адаптации ко всей совокупности факторов, влияющих на организм студентов, проживающих в дискомфортных климатоэкологических условиях Европейского Севера. Это указывает на важность изучения общих неспецифических механизмов функционирования организма.
Список литературы
1. Агаджанян Н. А. Адаптация человека к условиям Крайнего Севера (Эколого-физиологические механизмы) / Н. А. Агаджанян, Н. Ф. Жвавый, В. Н. Ананьев. — М. : Крук, 1998. - 236 с.
2. Анохин Ю. Н. Экологический принцип морфофункциональной организации иммунной системы / Ю. Н. Анохин // Экология человека. — 2005. — № 10.
— С. 39—42.
3. Баевский Р. М. Оценка адаптационных возможностей и риск развития заболеваний / Р. М. Баевский, А. П. Берсенева. — М. : Медицина, 1997 — 236 с.
4. Багинский С. Р. Изменение некоторых функциональных систем человека в модельных условиях экстре -мальной герметизации / С. Р. Багинский, О. С. Быков, Е. С. Романов и др. // Бюл. Сиб. отд. РАМН. — 1992.
— № 3. — С. 26—29.
5. Захарова Л. Б. Особенности метаболизма лимфоцитов крови коренных жителей Азиатского Севера / Л. Б. Захарова и др. // Там же. — С. 16—20.
6. Измайлова Т. Д. Митохондрии в патологии / Т. Д. Измайлова, Е. Ю. Кузнецова, С. В. Петрочук и др. // Материалы Всерос. совещания, Пущино. — М., 2001.
— С. 40—42.
7. Лукьянова Л. Д. Биоэнергетическая цитоксия, понятие, механизмы и способы коррекции / Л. Д. Лукьянова // Бюл. эксперим. биол. и мед. — 1997. — Т. 124, № 9.
— С. 244—254.
8. Меерсон Ф. З. Адаптация, стресс и профилактика / Ф. З. Меерсон. — М. : Наука, 1981. — 278 с.
9. Нарциссов Р. П. Применение п-нитротетразолия фиолетового для количественной цитохимии дегидрогеназ лимфоцитов человека / Р. П. Нарциссов // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. — 1969. — Т. 56, № 5. — С. 85—91.
10. Нарциссов Р. П. Прогностические возможности клинической цитохимии / Р. П. Нарциссов // Советская педиатрия. — М. : Медицина, 1984. — С. 267—294.
11. Поборский А. Н. Состояние клеточной энергопродукции и ее оптимизация у детей в начальный период обучения в неблагоприятных условиях среды /
А. Н. Поборский // Экология человека. — 2005. — № 9.
— С. 32—35.
12. Синчихин С. П. Определение активности окислительно-восстановительных ферментов лимфоцитов крови у
юных женщин в конце беременности для прогноза состояния новорожденных / С. П. Синчихин, В. Ф. Коколина // Рос. вестн. акушера-гинеколога. — 2005. — № 5. — С. 11 — 14.
13. Сухорукое В. С. Нарушение клеточного энергообмена у детей / В. С. Сухоруков // Рос. вестн. перинатологии и педиатрии. — 2002. — № 5. — С. 44—50.
14. Терновский Л. Н. Оптимизация адаптации к факторам среды обитания Европейского Севера : автореф. дис. ... д-ра мед. наук / Терновский Лев Николаевич. — М., 1996. - 41 с.
15. Терновский Л. Н. The influence of metabolites on ferment status of whit blood cells and students psychological peculiarities / Л. Н. Терновский, С. Н. Игнатьева,
В. А. Терновская // European neuropsychopharmacology.
- 1995. - Vol. 5, N 3, special issue. - P. 362.
16. Шурлыгина А. В. Суточные и сезонные вариации активности дегидрогеназ лимфоцитов крови при вторичном иммунодефицитном состоянии у женщин с острыми воспалительными гинекологическими заболеваниями неспецифической этиологии / А. В. Шурлыгина, Г. И. Литвиненко, Т. И. Дергачева, В. А. Труфакин // Бюл. эксперим. биол. и медицины. - 1998. - Т. 125, № 5. - С. 576-578.
17. Goldberg A. F., Barka T.// Nature. - 1962. -Vol. 195. - Р. 297.
SOME FEATURES OF BIOENERGETIC HYPOXIA AND ITS CORRECTION IN STUDENTS OF MEDICAL HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTION IN EUROPEAN NORTH
S. N. Ignatyeva
Northern State Medical University, Arkhangelsk
The work has been dedicated to studying of cell energy metabolism state in students of the Medical University in the European North. The studies have shown a difference in the level of supply of cells with energy in the students in the dynamics of the academic year, which determined functional and adaptation abilities of their organisms. Preventive application of glycine metabolite made positive impact on processes of energy production, the students’ psychological status what optimized their organisms’ adaptation reactions.
Key words: students, succinic dehydrogenase, bioenergetic hypoxia, energy metabolism.
Контактная информация:
Игнатьева Светлана Николаевна — доктор медицинских наук, профессор кафедры нормальной физиологии Северного государственного медицинского университета
Адрес: 163000, г. Архангельск, пр. Троицкий, д. 51
Тел. (8182) 21-57-25
Статья поступила 06.02.2006 г.
