CC BY
58
УДК 577.115.3-612.821.2
Вестник СПбГУ. Сер. 3. 2013. Вып. 1
А. Ю. Людинина
СОСТАВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ПЛАЗМЫ КРОВИ
ПРИ КОГНИТИВНО-МНЕСТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Введение
В последние годы в мировой науке и медицине усиливается интерес к анализу жирных кислот (ЖК) крови человека как важных биомаркеров функционального состояния организма [1, 2]. Роль ЖК в организме многообразна. Они являются энергетическими субстратами, необходимы для синтеза высокоактивных регуляторов клеточных функций: эйкозаноидов. В составе фосфолипидов (ФЛ) и сфинголипидов ЖК образуют клеточные мембраны, обусловливающие их структурные и функциональные свойства. Большинство ЖК в результате проявления собственной биологической активности обладают различными специфическими эффектами в организме человека [3].
В ряде исследований установлена важная роль некоторых ФЛ в реализации нейро-нальных функций [4, 5]. ЖК и их производные — фосфолипиды — являются не только структурным компонентом центральной нервной системы, но и важнейшими участниками функциональной активности. Известно, что изменение состава ЖК клеточных мембран приводит к нарушению функциональной деятельности мозга [6].
Большой научный интерес вызывает гипотеза о том, что полиненасыщенные ЖК (n-3 ПНЖК), содержащиеся в морской рыбе или рыбьем жире, способствуют улучшению когнитивных способностей людей. В основе этих рассуждений — установленный факт, что в состав большинства ФЛ мембран нервных клеток входят длинноцепочеч-ные ЖК, которые не могут быть синтезированы in vivo и должны поступать с пищей. К таким эссенциальным кислотам относят n-3 докозагексаеновую (ДГК) и эйкозапен-таеновую (ЭПК) кислоты. Наиболее обогащенным n-3 ПНЖК липидом является фос-фатидилсерин [7].
Исследование участия n-3 ПНЖК в когнитивных процессах у человека вызваны в основном изучением эффектов дополнительного употребления вышеупомянутых кислот с пищей. Некоторые авторы сообщают, что в ходе раннего развития мозга, незначительное содержание или отсутствие n-3 ПНЖК в питании связаны с аномальным метаболизмом нейромедиаторов и нейрогенезом [8]. В постнатальный период онтогенеза недостаточное употребление с пищей n-3 ПНЖК, и, соответственно, уменьшение их в плазме крови, вызывает спад когнитивной активности, и даже развитие патологии [9-13]. Например, у лиц с болезнью Альцгеймера по сравнению со здоровыми людьми уровень ДГК снижен в височной коре, средне-фронтальной коре и мозжечке. Возможный механизм этого — снижение экспрессии пероксисомального D-бифункционального белка, который катализирует преобразование предшественника ДГК — тетракозагексаеновую кислоту (C24 : 6, n-3) [14]. В обследовании здоровых
Людинина Александра Юрьевна — науч. сотр., Учреждение РАН Института физиологии Коми НЦ Уральского отделения РАН; e-mail: [email protected] © А. Ю. Людинина, 2013
добровольцев в возрасте от 22 до 51-го года выявили, что в группе, получавшей дополнительно п-3 ПНЖК в течение месяца, значительно менялись в лучшую сторону показатели настроения (бодрость, гнев, беспокойство, усталость, депрессия и замешательство), параметры внимания и времени реакции [15]. Другие же исследователи свидетельствуют об отсутствии таких ассоциаций [16-18]. Изучение эффектов приема п-3 ПНЖК в течение 26 недель здоровыми людьми, не имеющими когнитивных нарушений, не выявило различий в тестах на память при низком или высоком содержании п-3 ПНЖК в крови по сравнению с группой людей, принимавших плацебо [19].
Таким образом, однозначного ответа на эту гипотезу пока не существует, поскольку в исследованиях сложно контролировать пищевые привычки населения, этнические особенности и прочие факторы. Практически отсутствуют работы по изучению метаболизма ЖК непосредственно при выполнении мыслительных операций. На этом основании целью данного пилотного исследования являлось изучение профиля ЖК в общих липидах периферической крови при выполнении тестов на когнитивно-мне-стическую деятельность.
Объекты и методы исследования
В исследовании приняли участие практически здоровые мужчины в возрасте 19-26 лет (п = 9). На проведение работы было получено согласие этического комитета ИФ Коми НЦ УрО РАН, а также информированное согласие добровольцев на участие в исследовании. Тестирование проводилось в дневное время, поэтому всем участникам за 2 ч до начала обследования был рекомендован легкий углеводный завтрак.
Выбранная группа молодых людей была достаточно однородна. Средний возраст испытуемых составил 22,9 ± 0,9 лет, отклонений от нормы по массе тела не выявлено (индекс массы тела составил 24,7 у. е. при рекомендациях ВОЗ 20-25 у.е.). Уровень образования у всех испытуемых — высший, добровольцы были без вредных привычек, находились в состояния покоя.
Когнитивно-мнестическая деятельность (КМД) оценивалась при помощи тестов, которые включали в себя непрерывные операции на сложение и вычитание двузначных чисел («Арифметический счет»), запоминание и воспроизведение последовательностей цифр («Память на цифры»), построение разноцветных фигур из деталей по заданному образцу («Сложная сенсомоторная реакция», «Цветные квадраты»).
Взятие венозной крови из локтевой вены осуществляли с использованием венозного катетера до КМД (через 15 мин после установки катетера появляется фоновая точка), в процессе тестирования (на 2, 5, 10 и 20-й минутах), в период восстановления (на 5 и 15-й минутах).
Содержание общих ЖК (суммарный пул неэстерифицированных и эстерифици-рованных ЖК) плазмы крови определяли методом газожидкостной хроматографии. Предварительно проводили экстракцию липидов из плазмы и получали метиловые эфиры ЖК в нашей модификации [20]. Газожидкостную хроматографию метиловых эфиров ЖК осуществляли на газовом хроматографе «Кристалл 2000М» (ЗАО СКБ «Хроматэк», Россия) с пламенно-ионизационным детектором на кварцевой капиллярной колонке SE-54 (25 м х 0,2 мм) (ООО «ХромРесурс», Россия) в режиме программирования температуры от 170°С (удерживание при этой температуре 2 мин) и далее до 250°С со скоростью подъема температуры 4°С/мин (общее время 25 мин). В качестве
газа-носителя использовали гелий с объемной скоростью 0,6 мл/мин и делением потока 1/65. Температура испарителя 260°С, детектора — 220°С. Идентификацию ЖК осуществляли с использованием стандартов фирмы Sigma и Fluka. Количественный расчет уровней ЖК проводили с использованием внутреннего стандарта: 1 ммоль/л раствора маргариновой кислоты (С17 : 0), содержание которого в пробах оценивали методом внутренней нормализации по программе «Аналитик 1.21» (ЗАО СКБ «Хрома-тэк», Россия). Статистическую обработку полученных результатов осуществляли с помощью программы Statistica (версия 6.0, StatSoft Inc., 2001). Проверку на нормальность распределения данных проводили с помощью критерия Шапиро—Уилка. Результаты исследования представлены в виде медианы и интерквартильного интервала (25-й и 75-й процентили). Значимость различий между показателями оценивали с помощью критерия Крускала—Уоллиса с последующим сравнением методом Данна. Различия считали статистически значимыми при p < 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты по изменению уровня ЖК в ходе тестов при КМД представлены в таблице. На второй и пятой минутах исследования КМД отмечено значимое снижение уровня основных насыщенных ЖК (пальмитиновой и стеариновой), моноеновых кислот (пальмитолеиновой и олеиновой), а также ряда эссенциальных ПНЖК семейства n-6 и n-3. Начиная с 10-й минуты тестирования существенных изменений в содержании вышеуказанных кислот выявлено не было. Однако следует заметить, что прослеживалась тенденция к снижению медианы показателя у насыщенных ЖК относительно фоновых значений, а у ненасыщенных ЖК — к ее приросту. Исключение составила ДГК, уровень которой был ниже фона не только в первые минуты обследования, но и в период восстановления (см. таблицу).
Как известно, любая деятельность требует для своего осуществления энергетических затрат, в том числе и умственная. Для головного мозга характерна высокая интенсивность энергетического обмена, обеспеченного, в основном глюкозой (ГЛЮ), собственных резервов которой хватает на 5-7 мин [6]. В нашем исследовании уровень ГЛЮ у мужчин до начала тестирования был в пределах верхней границы нормы и составил в среднем 5,93 ммоль/л. На 10-й и 20-й минутах исследования КМД отмечено снижение концентрации ГЛЮ в периферической крови у шести из девяти испытуемых. На данном фоне также выявлены изменения профиля ЖК при тестировании. В связи с этим возникает логичный вопрос: какую роль выполняют ЖК при когнитивно-мне-стической и в целом умственной деятельности?
Известно, что общий пул ЖК в периферической крови у человека сбалансирован процессами липолиза, синтеза ЖК и их окислением [1]. Усиление процесса окисления ЖК в организме может происходить в период постабсорбтивного состояния при стрессовых ситуациях, что не исключает их воздействия в период тестирования. Исходя из этого, можно предположить следующий механизм участия ЖК при проведении КМД: в первые пять минут выполнения тестов происходит уменьшение ГЛЮ в периферической крови вследствие оттока основных резервов ГЛЮ в клетки головного мозга. При этом в печени, почках, скелетной и сердечной мышцах для поддержания энергетического баланса происходит интенсификация окисления ряда других субстратов и, возможно, ЖК.
Относительные изменения жирных кислот в составе общих липидов плазмы крови у мужчин при когнитивно-мнестической деятельности
(п = 9),Ме (25-75%)
Показатель, % от пула ЖК Фон Стадия обследования КМД Восстановление
2-я мин 5-я мин 10-я мин 20-я мин 5-я мин 15-я мин
Насыщенные ЖК
Миристиновая, С14:0 100,0 96,3 (90,7-103,3) 100,0 (92,3-102,4) 91,5 (81,3-101,6) 86,7 (80,6-98,3) 88,8 (68,6-100,3) 77,6 (75,5-81,3)
Пальмитиновая, С16:0 100,0 90,4* (85,9-95,8) 92,1* (79,9-97,1) 97,4 (72,8-99,3) 92,4 (89,6-95,7) 96,7 (83,2-105,3) 88,4 (78,9-98,3)
Стеариновая, С18:0 100,0 85,3* (80,3-92,9) 86,9* (77,6-98,1) 95,8 (71,1-101,1) 92,0 (83,3-97,3) 88,7 (78,9-105,8) 93,2 (73,3-99,4)
Моноеновые ЖК
Пальмитоолеиновая п-7, С16:1 100,0 99,4 (92,1-100,2) 95,2* (88,1-100,0) 96,1 (78,1-103,2) 107,0 (95,7-108,9) 108,2 (90,5-115,1) 99,2 (80,8-100,0)
Олеиновая п-9, С18:1 100,0 89,0* (86,2-94,3) 93,2* (84,1-94,7) 101,1 (78,2-105,2) 97,4 (95,8-106,5) 98,1 (88,9-101,2) 86,4 (78,5-103,0)
Полиненасыщенные ЖК
Линолевая п-6, С18:2 100,0 100,0 (90,3-118,7) 79,9* (53,9-95,6) 104,2 (90,5-114,9) 107,1 (100,9-150,1) 101,4 (83,8-132,9) 96,3 (90,1-107,1)
Линоленовая п-3, С18:3 100,0 93,1 (84,4-101,0) 90,9* (71,8-97,9) 97,4 (82,7-119,7) 97,4 (92,4-108,2) 105,2 (83,9-112,9) 101,0 (78,3-102,7)
Арахидоновая п-6, С20:4 100,0 100,0 (81,6-114,5) 59,8 (43,5-87,7) 98,3 (51,2-115,4) 114,9 (97,6-142,6) 105,8 (80,3-148,2) 99,1 (59,2-112,9)
Эйкозапентаеновая п-3, С20:5 100,0 81,3* (70,8-100,0) 66,7* (62,5-100,0) 103,2 (100,0-125,0) 100,0 (96,7-121,2) 94,2 (80,9-131,3) 96,2 (62,5-116,1)
Докозагексаеновая п-3, С22:6 100,0 88,1* (80,2-111,5) 92,0* (78,6-97,7) 101,7 (88,0-129,3) 83,3 (62,5-118,4) 69,8* (51,3-104,9) 81,2 (64,0-111,5)
*р< 0,05 по сравнению с фоном.
Следует также учитывать, что при интенсивной умственной деятельности возникает нервно-эмоциональное напряжение, обусловленное дефицитом времени и высокой степенью ответственности. Это, в свою очередь, активизирует симпато-адренало-вую систему и приводит, в том числе к усилению гормонозависимого липолиза и активизации перекисного окисления липидов и окисления ЖК.
Таким образом, можно допустить, что при КМД происходит усиление ^-окисления ЖК в периферических тканях организма в связи с недостаточным снабжением клеток организма ГЛЮ, поскольку этот метаболит востребован преимущественно клетками головного мозга. Об интенсификации ^-окисления ЖК может свидетельствовать падение уровня основных субстратов этого метаболического пути — насыщенных и моно-еновых ЖК, что мы и прослеживаем в первые минуты тестирования.
Интересен факт снижения концентрации моноеновых кислот (пальмитолеиновой и олеиновой) в первые минуты обследования. Эти кислоты являются продуктом эндогенного синтеза в организме человека [1] и по современным представлениям проявляют цитопротективные свойства [21]. Метаболизм этих кислот в организме человека связан также с процессами свободнорадикального окисления посредством образования, например, нитропроизводных [22], а также их участия в реакциях ^-окисления ЖК [1]. Возможно, избыточное количество легкоокисляемого субстрата — обилие ПНЖК в мембранах головного мозга и в крови в результате липолиза — приводит к активизации свободнорадикальных процессов при КМД. В пользу этого свидетельствует уменьшение уровня ПНЖК, которые вовлекаются в качестве субстрата в процессы перекисного окисления липидов: линолевой и линоленовой кислот на пятой минуте тестирования. Тем не менее на этом этапе работы сложно однозначно ответить на вопрос о приоритете включения данных кислот в процессы свободнорадикального окисления или энергообеспечения.
Особо хотелось бы уделить внимание таким важным для организма человека ПНЖК из семейства п-3, как ДГК и ЭПК. Учеными доказана существенная нейротро-фическая и нейропротективная роль ДГК в пре- и постнатальном развитии мозга, поскольку она является эссенциальным компонентом нейрональных мембран и предшественником биорегуляторов, обладающих протективным действием [4, 8].
В данном обследовании отмечено значимое снижение уровня ЭПК и ДГК на второй и пятой минутах тестирования по сравнению с фоновыми значениями. Также прослеживалось уменьшение концентрации ДГК на пятой минуте восстановления, медиана которой составила 69,8 с интервалом 51,3-104,9%.
По данным литературы [8, 13, 23] ДГК является преобладающей п-3 ПНЖК в составе липидов головного мозга, и ее концентрация изменяется в зависимости от пищевого потребления. Больше всего ЭПК и ДГК обнаружено в составе ФЛ мембран клеток, в митохондриях и синаптосомах. В зависимости от количества и соотношения этих ЖК в составе ФЛ могут изменяться структурные свойства нейрональных мембран [24, 25], что, в свою очередь, влияет на активность мембраносвязанных рецепторов и других белков [23]. Учитывая вышесказанное, полагаем, что снижение уровня ДГК в плазме крови обследуемых при КМД может быть обусловлено активным ее расходованием на процессы синтеза ФЛ в нейрональных мембранах. Биологический смысл этих изменений, вероятно, состоит в повышении текучести мембраны и синаптиче-ской пластичности [24, 25], так как ПНЖК за счет изогнутости своих цепей упаковываются в мембране клеток более рыхло.
Полученные в настоящем исследовании данные согласуются с результатами следующих работ. Выявлено, что наиболее высокий уровень ДГК в сыворотке крови связан с лучшими показателями в тестах на невербальное умозаключение и лабильность психики, рабочую память и словарный запас [23]. И наоборот, пониженный уровень этой кислоты может приводить к когнитивным нарушениям, например развитию болезни Альцгеймера [14].
Снижение концентрации длинноцепочечных ЭПК и ДГК в плазме крови обследуемых при КМД также может быть проявлением свойств n-3 ПНЖК, регулирующих процессы воспаления, иммунного ответа и передачи сигнала в нервной системе посредством образования эйкозаноидов, докозаноидов, резолвинов. Докозаноиды менее многочисленны, чем эйкозаноиды. Область действия докозаноидов включает противовоспалительные реакции и нейропротективное действие [23].
Предполагают, что содержание ЭПК в крови отражает в большей степени изменения в поведении и настроении, при этом ЭПК служит в основном предшественником противовоспалительных эйкозаноидов. В то время как ДГК преимущественно увеличивает жизнеспособность клетки через нейропротективные и антиапоптотические механизмы и выполняет роль модулятора функционирования мембран и оксидатив-ного стресса [8, 23]. В целом в ряде работ показана благоприятная роль различных сочетаний ДГК и ЭПК при дефиците внимания, гиперактивности, аутизме, депрессии, диспраксии, дислексии и агрессии [13, 26, 27].
Заключение
Таким образом, большинство вышеприведенных примеров в этой работе иллюстрируют связь умственной работоспособности с содержанием жирных кислот в крови. Проведенное нами исследование профиля жирных кислот периферической крови молодых мужчин при изучении когнитивно-мнестической деятельности в течение 25 мин выявило снижение уровня основных жирных кислот, причем наиболее значимые колебания отмечены в содержании n-3 полиненасыщенных жирных кислот. В качестве рекомендации можно предложить чаще употреблять в пищу морепродукты, богатые n-3 полиненасыщенными жирными кислотами, особенно в периоды интенсивной интеллектуальной нагрузки.
Литература
1. Arab L. Biomarkers of fat and fatty acid intake // J. Nutr. 2003. Vol. 133, N 3. P. 925-932.
2. Hodson L., Skeaf C. M., Fielding B. A. Fatty acids composition of adipose tissue and blood in humans and its use as a biomarker of dietary intake // Progress in lipid research. 2008. Vol. 47. P. 348-380.
3. Дятловицкая Э. В., Безуглов В. В. Липиды как биоэффекторы // Биохимия. 1998. Т. 63, № 1. С. 3-5.
4. Crawford M. A., Bazinet R. P., Sinclair A.J. Fat intake and CNS functioning: ageing and disease // Ann. Nutr. Metab. 2009. Vol. 55. P. 202-228.
5. Kingsley M. Effects of phosphatidylserine supplementation on exercising humans // Sports Med. 2006. Vol. 36 (8). P. 657-669.
6. Нейрохимия: учебник для биол. и мед. вузов / под ред. И. П. Ашмарина, П. В. Стукалова. М.: Изд-во Ин-та биомед. химии РАМН, 1996. 470 с.
7. Akbar M., Calderon F., Wen Z, Kim H. Y. Docosahexaenoic acid: A positive modulator of Act signaling in neuronal survival // PNAS. 2005. Vol. 102. P. 10858-10863.
8. Innis S. M. Dietary omega 3 fatty acids and the developing brain // Brain Res. 2008. Vol. 1237. P. 35-43.
9. Plasma n-3 fatty acids and the risk of cognitive decline in older adults: the Atherosclerosis Risk in Communities Study / Beydoun M. A., Kaufman J. S., Satia J. A., Rosamond W., Folsom A. R. // Am. J. Clin. Nutr. 2007. Vol. 85. P. 1103-1111.
10. Fatty acid analysis of blood plasma of patients with Alzheimer's disease, other types of dementia, and cognitive impairment / Conquer J. A., Tierney M. C., Zecevic J., Bettger W. J., Fisher R. H. // Lipids. 2000. Vol. 35. P. 1305-1312.
11. Gelder B. M., Tijhuis M., Kalmijn S., Kromhout D. Fish consumption, n-3 fatty acids, and subsequent 5-y cognitive decline in elderly men: the zutphen elderly study // Am. J. Clin. Nutr. 2007. Vol. 85. P. 1142-1147.
12. Heude B., Ducimetiere P., Berr C. Cognitive decline and fatty acid composition of erythrocyte membranes — The EVA Study // Am. J. Clin. Nutr. 2003. Vol. 77. P. 803-808.
13. Kidd P. M. Omega-3 DHA and EPA for cognition, behavior, and mood: clinical indings and structural-functional synergies with cell membrane phospholipids // Alternative Medicine Review. 2007. Vol. 12, N 3. P. 207.
14. Deficient Liver Biosynthesis of Docosahexaenoic Acid Correlates with Cognitive Impairment in Alzheimer's Disease / Astarita G., Jung K. M., Berchtold N. C., Nguyen V. Q., Gillen D. L., Head E., Cotman C. W., Piomelli D. // PLoS ONE. 2010. Vol. 5, N 9. P. 1-8.
15. Cognitive and physiological effects of omega-3 polyunsaturated fatty acid supplementation in healthy subjects / Fontani G., Corradeschi F., Felici A., Alfatti F., Migliorini S., Lodi L. // Eur. J. Clin. Invest. 2005. Vol. 35. P. 691-699.
16. n-3 Fatty acid proportions in plasma and cognitive performance in older adults / Dullemeijer C., Durga J., Brouwer I. A., van de Rest O., Kok F. J., Brummer R. J., van Boxtel M. P., Verhoef P. // Am. J. Clin. Nutr. 2007. Vol. 86. P. 1479-1485.
17. Kalmijn S., Feskens E. J., LaunerL. J., Kromhout D. Polyunsaturated fatty acids, antioxidants, and cognitive function in very old men // Am. J. Epidemiol. 1997. Vol. 145. P. 33-41.
18. Fish consumption and cognitive decline with age in a large community study / Morris M. C., Evans D. A., Tangney C. C., Bienias J. L., Wilson R. S. // Arch. Neurol. 2005. Vol. 62. P. 1-5.
19. Effect of fish oil on cognitive performance in older subjects: a randomized, controlled trial / Rest O., Gelei-jnse J. M., Kok F. J., van Staveren W. A., Dullemeijer C., Olderikkert M. G., Beekman A. T., de Groot C. P. // Neurology. 2008. Vol. 71. P. 430-438.
20. Людинина А. Ю., Кочан Т. И., Бойко Е. Р. Идентификация кислот трикарбонового цикла в плазме крови человека методом газожидкостной хроматографии // Клин. лаб. диагностика. 2006. № 11. С. 13-15.
21. Mechanisms involved in the cytotoxic and cytoprotective actions of saturated versus monounsaturated long-chain fatty acids in pancreatic P-cells / Diakogiannaki E., Dhayal S., Childs C., Calder P. C., Welters H. J., Morgan N. G. // J. Endocrinology. 2007. Vol. 194. P. 283-291.
22. Nitro-oleic acid, a novel and irreversible inhibitor of xanthine oxidoreductase / Kelley E. E., Batthyany C. I., Hundley N. J., Woodcock S. R., Bonacci G., Rio J. M., Schopfer F. J., Lancaster J. R., Freeman B. A., Tarpey M. M. // J. Biol. Chem. 2008. Vol. 283. P. 36176-36184.
23. Serum phospholipid docosahexaenonic acid is associated with cognitive functioning during middle adulthood / Muldoon M. F., Ryan Ch.M., Sheu L., Yao J. K., Conklin S. M., Manuck S. B. // J. Nutrition. 2010. Vol. 140. P. 848-853.
24. Willis L. M., Shukitt-Hale B., Joseph J. A. Modulation of cognition and behavior in aged animals: role for antioxidant- and essential fatty acid-rich plant foods // Am. J. Clin. Nutr. 2009. Vol. 89. P. 1602S-1606S.
25. Youdim A., Martin A., Joseph J. A. Essential fatty acids and the brain: possible health implications // Int. J. Dev. Neurosci. 2000. Vol. 18. P. 383-399.
26. Das U. N. Folic acid and polyunsaturated fatty acids improve cognitive function and prevent depression, dementia, and Alzheimer's disease — but how and why? // Prostaglandins Leukot. Essent. Fatty Acids. 2008. Vol. 78. P. 11-19.
27. Fish Consumption and Omega-3 polyunsaturated fatty acids in relation to depressive episodes: A cross-sectional analysis / Suominen-Taipale A. L., Partonen T., Turunen A. W., Mannisto S., Jula A., Verkasalo P. K. // PLoS ONE. 2010. Vol. 5. P. 10530.
Статья поступила в редакцию 13 сентября 2012 г.
