CC BY
103
УДК 612.015
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ СЕВЕРА*
© 2006 г. Т. И. Кочан
Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар
При оценке значимых для человека условий внешней среды большое внимание уделяется изучению отдельных факторов, их качественной и количественной характеристике [10]. В настоящее время накоплен значительный фактический материал об изменениях метаболических процессов в организме человека, обусловленных действием природных факторов Севера [1, 2, 4—6, 8, 9; 16—18, 22, 23, 26, 27]. Однако характерные для северян гипоксия, гипогликемия, гиповитаминозы и другие отклонения от нормы, показанные многими авторами при обследовании жителей Европейского Севера и северных регионов Дальнего Востока [1, 2, 4—6, 8, 9, 16, 17, 22], до сих пор не находят должного объяснения. Представленные в литературе данные зачастую являются противоречивыми, так как не всегда авторы дают характеристику факторов внешней среды, соответствующих тому или иному сезону. Одни исследователи считают, что на организм человека большее действие оказывает фотопериодизм [22], другие — продолжительное действие низких температур [6, 13]. Существует мнение [3], что человек, в отличие от животных, используя защитные средства (одежда, дом и т. д.), снижает способность адаптироваться к природным факторам, например к холоду.
Путем к познанию и пониманию значимости действия каждого из факторов окружающей среды может служить ежемесячный мониторинг физиологических и биохимических показателей организма человека на протяжении нескольких лет. Проведенное нами изучение сезонной зависимости показателей энергетического обмена у человека в условиях Севера [12, 25] позволило установить, что на первой стадии действия низких температур (осеннее-зимний период) происходит усиление интенсивности анаэробного гликолиза и липогенеза, на второй стадии (зимне-весенний период) отмечается повышение глюконеогенеза и липолиза. Этот факт не согласуется с тем, что в энергообеспечении адаптационных реакций людей к условиям Севера роль углеводов снижается, о чем свидетельствует развитие гипогликемии, рассматриваемой как результат торможения гликолиза, а роль жиров увеличивается [8, 16, 17]. Поэтому цель настоящего исследования состояла в том, чтобы продолжить изучение закономерностей углеводного обмена у человека в зависимости от изменения факторов внешней среды и получить подтверждение ранее полученным данным.
Материалы и методы
На протяжении двух лет — с октября по апрель — обследована социально однородная группа (п = 9) практически здоровых женщин,
* Работа поддержана грантом РГНФ № 04-06-00383а, а также грантом научной школы академика М. П. Рощевского НШ-5118. 2006.4.
В течение двух лет проводилось обследование социально однородной группы людей, занятых умственным трудом и проживающих в городских условиях Европейского Севера (62о с. ш.). По показателям крови (глюкоза, лактат и пируват) оценено влияние факторов внешней среды на состояние углеводного обмена. Установлено, что закономерность изменения углеводного обмена, проявляющаяся на первой стадии холодного периода года (октябрь — декабрь) усилением анаэробного гликолиза, а на второй (январь — апрель) — повышением интенсивности аэробного его направления, определяется уменьшением и увеличением долготы дня, тогда как выраженность динамики биохимических показателей зависит от силы действия температурного фактора.
Ключевые слова: адаптация, углеводный обмен, человек, природные факторы Севера.
средний возраст которых составил (46,6 ± 2,3) года, занятых умственным трудом и проживающих в г. Сыктывкаре (62о с. ш.). В плазме крови, взятой утром натощак из локтевой вены обследуемых, определяли концентрацию глюкозы, лактата и пирувата унифицированными колориметрическими методами.
Полученные данные обработаны методом вариационной статистики. Достоверность различий определяли по критерию Стьюдента.
Результаты исследования
Холодный период (ноябрь — апрель) 2003 — 2004 годов в целом характеризовался более высокими температурами сравнительно с исследованиями, проведенными в 2002—2003 годах. Ноябрь был теплее на 6 °С, декабрь, январь, февраль, март — на 12, 5, 4 и 2 °С соответственно. И только в апреле отмечалась более низкая температура (на 4 °С по сравнению с первым годом обследования).
В адаптационных изменениях концентрации углеводных метаболитов — глюкозы, лактата и пирувата крови — при повторном обследовании (2003—2004) выявлены сходства и различия с изменениями этих показателей в первый год обследования (2002— 2003). Одинаковая закономерность проявлялась в том, что в ноябре при среднемесячной температуре — 3 °С и укорочении светового дня (до 6:40 в день обследования) происходило достоверное снижение содержания глюкозы и проявлялась тенденция к повышению лактата (рисунок). В декабре, когда среднемесячная температура оставалась на уровне ноябрьской, а световой день уменьшался еще на полтора часа, концентрация плазменного пирувата становилась минимальной на фоне повышенного содержания лактата (в 1-й год обследования при действии более низких температур воздуха выраженность этого изменения проявлялась раньше), свидетельствуя об усилении анаэробного гликолиза. В январе с увеличением инсоляции на полтора часа и при значительном снижении температуры (до —11 °С) отмечалось противоположно направленное изменение: понижение уровня лактата и, наоборот, увеличение образования пирувата, отражающего активизацию аэробного окисления веществ. Начиная с февраля, концентрация лактата в первый и второй годы обследования снова постепенно повышалась, достигая в апреле максимальной, предельно допустимой по нормам величины.
Различия в изменении биохимических показателей крови, выявленные при сравнении с данными предыдущего года, заключались в том, что в более теплом декабре отмечалось достоверное повышение концентрации глюкозы и лактата. Содержание глюкозы в крови обследуемых людей на протяжении периода с ноября по март второго года обследования превышало гликемический уровень (в среднем на 13 %), установленный ранее в первый год обследования, когда температура окружающей среды была значительно ниже, за исключением апреля. Действие холодового
фактора в апреле при повторном обследовании людей обусловливало повышенную интенсивность гликолиза, что выражалось в более значительном увеличении плазменного лактата и уменьшении пирувата по сравнению с показателями, полученными в первый год обследования. Наибольшие различия выявлены в динамике концентрации пирувата: если в первый год обследования уровень пировиноградной кислоты постепенно повышался от минимальной величины в декабре до максимального значения в марте, то во второй год наибольшая концентрация пирувата отмечалась в январе; в феврале она существенно снижалась (в 1,8 раза), а в марте и апреле снова увеличивалась (в 1,4 раза), находясь на более высоком уровне, чем осенью.
Глюкоза 01-й год
□ 2-й год
Пируват
70 -60 -50 -40 -30 -
і
Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март Апрель
Концентрация глюкозы, пирувата, лактата в плазме крови человека в зависимости от месяца и года обследования Примечание. Достоверность различий по сравнению с предыдущим месяцем: * — р < 0,05; ** — р < 0,01; *** — р < 0,001.
Таким образом, основные сходства в изменении показателей гликолиза при двухлетнем обследовании людей проявлялись в том, что в период снижения долготы дня и температуры воздуха до отрицательных величин (ноябрь, декабрь) отмечалось усиление его анаэробного направления. Это выражалось в понижении образования пирувата и повышении лактата. На второй стадии, в январе — самом холодном месяце, но при увеличении светового дня, существенный рост концентрации пирувата на фоне снижения уровня лактата свидетельствовал об ак-
тивизации аэробного окисления веществ. Различие состояло в том, что разнонаправленным, начиная с февраля, было изменение концентрации пирувата. При усиленном действии холодового фактора (1-й год обследования) отмечалось более мощное включение аэробного окисления веществ в процесс поддержания температурного гомеостаза организма, тогда как при относительно теплом режиме погоды зимой (на 2-й год) потребность организма в теплопродукции за счет сжигания резервных жиров понижалась. Возможно, по этой же причине при повторном обследовании (с ноября по март) был выявлен более высокий гликемический уровень.
Полученные данные позволяют предположить, что сходство адаптационных изменений углеводного обмена в организме человека, выявленное при проведении двухлетнего обследования в холодный период года, в большей степени обусловлено стабильным изменением светового фактора, чем температурного. В то же время существенные отличия в динамике углеводных метаболитов, используемых главным образом в энергетических целях, связаны с изменением температурного фактора.
Обсуждение результатов
Изучение сезонных особенностей углеводного обмена, проведенное нами в течение двух лет на жителях г. Сыктывкара, показало, что на первой стадии действия низких температур у человека на Севере развиваются признаки гипогликемии. Этот факт объясняется усилением интенсивности анаэробного гликолиза, а не его торможением и переключением энергообеспечения организма с «углеводного» типа на «жировой», как это принято считать [8, 16, 17]. Известно, что использование жирных кислот в качестве источников энергии через цикл Кребса сопряжено с гликолизом и в то же время зависит от уровня потребления кислорода, являющегося конечным акцептором электронов в дыхательной цепи.
Из данных литературы [1, 18—21] следует, что у человека на Севере в начальный период холодовой адаптации потребление кислорода снижается. Это служит свидетельством торможения аэробного окисления веществ и невозможности повышенной утилизации жиров для поддержания энергетического гомеостаза организма. Предположение о снижении энергообеспечения организма за счет аэробного окисления веществ на первой стадии холодовой адаптации согласуется с выявленной у северян в этот период тиаминовой недостаточностью, которая не компенсируется дополнительным введением в организм витамина В1 [8, 16, 17].
Активная форма тиамина — тиаминпирофосфат служит небелковым компонентом декарбоксилаз пи-ровиноградной и а-кетоглутаровой кислот, регулирующих интенсивность окислительно-восстановительных процессов в цитратном цикле Кребса. Следовательно, организм целенаправленно ограничивает поступление биологически активных веществ, способных стимули-
ровать процессы аэробного окисления. Выявляемое состояние гиповитаминоза в организме человека, по-видимому, связано с ограничением синтеза белковой части ферментов. В опытах на животных показано [15], что уровень пируватдегидрогеназы печени, значительно сниженный вследствие недостаточности тиамина, не восстанавливается, несмотря на добавление тиаминдифосфата.
Целесообразность ограничения в организме полного окисления веществ до СО2 и Н2О, т. е. с участием кислорода, на первой стадии адаптации к холоду вытекает из того, что, с одной стороны, это способствует снижению теплоотдачи с таким конечным продуктом аэробного метаболизма, как вода, которая обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью, а с другой — именно это адаптационное изменение метаболизма обусловливает повышение утилизации недоокисленных веществ в анаболических процессах, в частности в синтезе резервных жиров.
В пользу доминирования процесса резервирования жиров над их окислением в первой половине холодного сезона говорит достоверное увеличение массы тела [8] и таких антропометрических показателей человека, как увеличение толщины кожно-жировых складок, достигающее максимальной величины в январе [12]. Об избыточном отложении жира, а не накоплении мышечной ткани свидетельствует падение креатини-нового коэффициента при одновременно зарегистрированном прибавлении массы тела у обследованных во время зимовки полярников Мирного [8].
Установленное нами как в первый, так и во второй год обследования достоверное снижение пирувата до минимального значения в декабре может быть также дополнительным свидетельством интенсивной его утилизации в синтезе жирных кислот. Возможность ускоренного использования пировиноградной кислоты в липогенезе по внемитохондриальному пути, не связанному с окислительным декарбоксилированием кетокислоты, т. е. обходящему пируватдегидрогена-зную реакцию, доказана в опытах с меченным по углероду пируватом [15]. Причем в условиях острого окситиаминового В1-авитаминоза роль этого механизма возрастает.
Однако также известно [14], что анаэробное а-расщепление пирувата до формиата и ацетил-КоА играет существенную роль в энергетическом обеспечении многих клеток. Для протекания этой реакции не требуется внешнего окислителя. Эту реакцию называют «фосфорокластической» на том основании, что продукт ацетил-КоА обычно реагирует с фосфатом с образованием ацетил-фосфата, который передает свою фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ. Тиаминдифосфат в этой реакции не участвует и свободный СО2 не является промежуточным продуктом расщепления пирувата по этому пути [14].
Наиболее гомеостатируемым метаболитом из числа изучаемых нами показателей обмена веществ у человека на Севере является глюкоза. Испытывая
каждый месяц тенденцию к изменению в ту или другую сторону, гликемический уровень резко понижается в ноябре, т. е. при значительном снижении температуры воздуха до отрицательных величин. Проявление в зимне-осенний период гипогликемии у человека на Севере объясняется, как мы полагаем, не только усилением интенсивности анаэробного гликолиза в связи с поддержанием температурного гомеостаза организма, но также повышением утилизации глюкозы в качестве главного источника атомов углерода в биосинтезе жирных кислот и в пентозофосфатном цикле. Активизация последнего имеет большое значение в поддержании уровня восстановленного НАДФ, необходимого для синтеза резервных жиров. Подтверждением активации гексозомонофосфат-ного пути превращения углеводов при гипоксии и действии низкой температуры служат полученные в экспериментах на животных данные по увеличению активности ключевого фермента этого цикла — глю-козо-6-фосфатдегидрогеназы [7].
Таким образом, адаптационные изменения углеводного обмена в организме человека на протяжении холодного периода года можно разделить на две стадии, проявляющиеся в осенне-зимний (октябрь
— декабрь) и зимне-весенний (январь — апрель) периоды. На первой стадии адаптации к меняющимся условиям среды, основными из которых являются световой и холодовой факторы, саморегуляция обменных процессов в организме, направленная на поддержание энергетического гомеостаза, сводится к повышению роли анаэробного расщепления глюкозы при торможении аэробного окисления веществ. Проявление гипогликемии у человека в этот период объясняется как усилением интенсивности анаэробного гликолиза, компенсирующего недостаток образования тепла в дыхательной цепи, так и повышением утилизации глюкозы в процессах, способствующих резервированию жиров.
На второй стадии адаптации основную роль в обеспечении энергетических потребностей организма начинает играть липолиз. В связи с этим использование глюкозы для синтеза жиров снижается, что выражается в повышении ее концентрации, т. е. имеет место доминирование глюконеогенеза над гликолизом. Накопление в крови лактата и пирувата при гомеостатировании концентрации глюкозы в весенний период, по-видимому, происходит в результате интенсивного потока ацетил-КоА — главного продукта липолиза — и одновременно растущего уровня митохондриальных пиридиннуклеотидов, что приводит к блокированию окисления пирувата [11]. При повышении уровня НАДФ тормозится пиру-ватдегидрогеназа через образование ее неактивной фосфорилированной формы [24].
Направление изменения показателей углеводного обмена в организме людей в первый и второй годы обследования является одинаковым и определяется, на наш взгляд, действием светового фактора, тогда
как выраженность изменения концентрации углеводных метаболитов в крови обследованных зависит от силы действия холодового фактора.
Список литературы
1. Авцын А. П. Патология человека на Севере / А. П. Авцын, А. А. Жаворонков, А. Г. Марачев и др. — М. : Медицина. — 1985. — 416 с.
2. Агаджанян Н. А. Экологический портрет человека на Севере / Н. А. Агаджанян, Н. В. Ермакова. — М. : КРУК, 1997. — 207 с.
3. Агаджанян Н. А. Экология человека / Н. А. Агаджанян, В. И. Торшин. — М. : КРУК, 1994. — 256 с.
4. Бойко Е. Р. Закономерности метаболизма у человека в условиях Крайнего Севера / Е. Р Бойко, Ф. А. Бичкаева // Физиологические закономерности гормональных, метаболических, иммунологических изменений в организме человека на Европейском Севере. — Сыктывкар, 1997.
— С. 34—43.
5. Бойко Е. Р. Некоторые закономерности метаболических перестроек у человека на Крайнем Севере / Е. Р Бойко // Физиология человека. — 1996. — Т. 22, № 4. — С. 122—129.
6. Бойко Е. Р. Физиолого-биохимические основы жизнедеятельности человека на Севере / Е. Р. Бойко.
— Екатеринбург : УрО РАН, 2005. — 190 с.
7. Горошинская И. А. Активность глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы в сыворотке крови крыс при гипероксии, гипоксии и холодовом воздействии / И. А. Горошинская, А. А. Ананян, З. Г. Броновицкая, В. С. Шугалей // Вопр. мед. химии. — 1984. — № 1. — С. 60—63.
8. Деряпа Н. Р. Адаптация человека в полярных районах Земли / Н. Р. Деряпа, И. Ф. Рябинин. — Л. : Медицина, 1977. — 296 с.
9. Казначеев В. П. Актуальные проблемы адаптации человека / В. П. Казначеев // Климато-медицинские проблемы и вопросы медицинской географии Сибири.
— Томск, 1974. — Т. 1. — С. 6—18.
10. Казначеев В. П. Особенности экологических факторов высоких широт / В. П. Казначеев, В. Ю. Куликов, Л. Е. Панин // Механизмы адаптации человека в условиях высоких широт. — Л. : Медицина, 1980. — С. 10—23.
11. Кондрашова М. Н. Переменное использование углеводов и липидов как форма регуляции физиологического состояния / М. Н. Кондрашова, Е. И. Маевский // Регуляция энергетического обмена и физиологическое состояние организма. — М. : Наука, 1978. — С. 5—14.
12. Кочан Т. И. Роль углеводного обмена в процессе энергетической адаптации человека к экстремальным условиям Севера / Т. И. Кочан // Город в Заполярье и окружающая среда. — Сыктывкар, 2003. — С. 371—373.
13. Максимов А. Л. Основные механизмы адаптив-
ных температурных перестроек у человека на Севере / А. Л. Максимов // Адаптация к холоду и условиям Субар-ктики: проблемы термофизиологии. — Магадан : СВНЦ ДВО РАН, 2003. — Т. 1. — С. 276—302 .
14. Мецлер Д. Биохимия / Д. Мецлер ; пер. с англ.
— М. : Мир, 1980. — Т. 2. — 591 с.
15. Островский Ю. М. Пируват и лактат в животном
организме / Ю. М. Островский, М. Г. Величко, Т. Н. Якуб-чик. — Минск : Наука и техника, 1984. — 173 с.
16. Панин Л. Е. Особенности энергетического обмена / Л. Е. Панин // Механизмы адаптации человека в условиях высоких широт. — Л .: Медицина, 1980. — С. 87—97.
17. Панин Л. Е. Энергетические аспекты адаптации / Л. Е. Панин. — Л. : Медицина, 1978. — 192 с.
18. Поггенполь В. С. Изменение некоторых сторон кислородного режима организма человека при длительном пребывании в экстремальных условиях / В. С. Поггенполь, Е. А. Ильин // Медицинские исследования в арктических и антарктических экспедициях : труды ААНИИ. — Л., 1971.
— Т. 299. — С. 182—186.
19. Рогачевская О. В. Функционирование сердечнососудистой и дыхательной систем у школьников в условиях Европейского Севера : автореф. дис. ... канд. биол. наук / О. В. Рогачевская. — Сыктывкар, 2002. — 22 с.
20. Рощевский М. П. Сезонные и социальные влияния на кардиореспираторную систему жителей Севера / М. П. Рощевский, В. Г. Евдокимов, Н. Г. Варламова, О. В. Рогачевская // Физиология человека. — 1995. — Т. 21, № 6. — С. 55—69.
21. Тендитная Л. В. Некоторые показатели сезонных изменений газообмена и основного обмена у детей — коренных жителей Крайнего Севера / Л. В. Тендитная // Физиология и патология человека в условиях Крайнего Севера. — Новосибирск, 1977. — С. 99—103.
22. Ткачев А. В. Эндокринная система и обмен веществ у человека на Севере / А. В. Ткачев, Е. Р. Бойко,
З. Д. Губкина и др. — Сыктывкар : Коми НЦ УрО РАН, 1992. — 156 с.
23. Филиппова С. Н. Сезонные особенности гормонально-метаболических процессов у практически здоровых людей Западной Сибири / С. Н. Филиппова, Р. Г. Федина // Проблемы ритмов в естествознании : матер. Второго междунар. симпоз, Москва, 2004. — С. 461—463.
24. Kerbey A. L. Regulation of pyruvate dehydrogenase in rat heart / A. L. Kerbey, P. J. Randle, R. H. Cooper et al. // Biochem. J. — 1976. — Vol. 154, N 2. — P. 327—348.
25. Kochan T. I. Metabolic adaptation of the man to the cold factor: a role of glycolysis / T. I. Kochan // Environment and human health. — St. Petersburg, 2003. — P. 780—781.
26. Makinen T. M. Seasonal changes in thermal resposes of urban residents to cold exposure / T. M. Makinen, T. Paakkonen, L. A. Palinkas et al. // Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol. — 2004. — Vol. 139, N 2. — P. 229—238.
27. Van Ooijen A. M. Seasonal changes in metabolic and temperature responses to cold air in humans / A. M. Van Ooijen, W D. Van Marken Lichtenbelt, A. A. Van Steenhoven, K. R. Westerterp // Phusiol. Behav. — 2004. — Vol. 82, N 2. — P. 545—553.
REGULARITIES OF EXCHANGE OF CARBOHYDRATE METABOLISM IN HUMAN DEPENDING ON NATURAL FACTORS OF THE NORTH
T. I. Kochan
Institute of physiology of Komi scientist center of Ural Branch of RAC, Syktyvkar
It was established that adaptation exchange of carbohydrate metabolism, which is revealed in strengthening of anaerobic glycolysis at the first stage of the cold period of the year (October — December), and in strengthening of aerobic one at the second stage (January — April), is determined by decrease and increase of the light day. At the same time, considerable differences in the dynamics of carbohydrate metabolites are connected with the intensity of the temperature factor effect.
Key words: adaptation, carbohydrate metabolism, human, natural factors of the North.
