Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

OXYGEN TRANSPORT FUNCTION OF BLOOD AT A DIFFERENT LEVEL OF PHYSICAL ACTIVITY DEPENDING ON POLYMORPHISMS OF CMA1 AND ACE GENES

Dautova A.Z. 1 Khazhieva E.A. 1 Shamratova V.G. 1
1 Bashkir State University
The influence of the level of physical activity on the state of the oxygen transport function of blood in carriers of I/D allelic variants of the gene of the angiotensin converting enzyme and A(-1903)G of the heart chimpase gene was studied. It has been established that the adaptation of the oxygen transport function of blood to physical loads is achieved in young men with different genotypes of the CMA1 gene by stimulating the erythropoietic function aimed at increasing the number of red blood cells. Genotypes of the ACE gene are associated with hemoglobin profile: in cases of intense physical activity, the degree of oxygenation of hemoglobin increases in carriers of the *D allele, and the proportion of fetal hemoglobin with increased affinity to oxygen increases in persons with genotype I/I. In the presence of the D/D genotype of the ACE gene and the A/A genotype of the CMA1 gene, as the physical activity increases, a decrease in the size of red blood cells is observed, which promotes better blood circulation and can be regarded as adaptation of the organism to high motor activity in conditions of increased vascular tone. Thus, an increase in the total respiratory surface of the blood in individuals with the A/A genotype of the CMA1 gene, necessary for adequate muscular support, is combined with optimization of the rheological properties of the blood.
physical activity
chymase gene of the heart.
angiotensin-converting enzyme gene
oxygen transport function of blood

Регуляция кислородтранспортной функции (КТФ) крови при возрастании уровня двигательной активности (ДА) обеспечивается механизмами разного уровня: от количественной и качественной перестройки эритрона до изменения сродства к кислороду и гетерогенной структуры гемоглобина (Hb) [1]. Индивидуальные особенности организма длительно выполнять физические нагрузки, в свою очередь, во многом определяются генетическими факторами, обусловливающими фенотипические проявления адаптационных изменений [2-4].

Особый интерес представляют гены, белковые продукты которых могут прямо или косвенно участвовать в проявлении физических качеств. К их числу относят гены, отвечающие за работу сердечно-сосудистой системы, сокращение мышц, определяющие эффективность использования углеводных и липидных ресурсов и т.д. [5; 6]. Данными маркерами могут служить полиморфизмы генов ангиотензин-превращающего фермента (АCE) и химазы сердца (CMA1).

AСЕ является важным гуморальным регулятором артериального давления за счет синтеза ангиотензина 2 - активного сосудосуживающего вещества [7]. Наиболее значимым в отношении влияния на физические качества считается инсерционно-делеционный полиморфизм (I/D) гена ACE. У носителей *D аллеля отмечена высокая экспрессия гена [3; 6; 7].

Ген CMA1 кодирует фермент химазу, ответственный за альтернативный путь биосинтеза ангиотензина 2. Химаза обладает даже большей ферментативной активностью, чем АСЕ. В 5’-нетранслируемой области гена CMA1 обнаружена точечная замена остатка A на G в положении –1903. У представителей аллеля *А CMA1 наблюдается повышенный синтез фермента [8].

На сегодняшний день известны факты о связи полиморфизмов генов с физической работоспособностью и выносливостью, тогда как ассоциация полиморфизмов генов АСЕ и CMA1 с показателями кислородтранспортной системы крови в зависимости от уровня физической активности остается малоизученной. В связи с этим целью данного исследования явилось исследование влияния I/D аллельных вариантов гена АСЕ и A(–1903)G гена CMA1 на показатели красной крови и гемоглобинового профиля в зависимости от уровня ДА.

Материалы и методы

В исследовании приняло участие 245 юношей - студентов в возрасте 21±2 года, клинически здоровых по результатам ежегодного диспансерного осмотра, давших письменное согласие на участие в эксперименте. Контингент обследуемых по уровню ДА, в соответствии с рекомендациями ВОЗ [9], был разбит на три группы. Группу с низкой ДА (НДА) составили студенты (151 чел.), которые, согласно данным анкет, проявляли физическую активность менее 150 минут в неделю; с умеренной ДА (УДА) – 44 юноши, занимающиеся аэробикой, плаванием или быстрой ходьбой средней интенсивности 150–300 минут в неделю. Группу с высокой ДА представляли студенты факультета физической культуры, имеющие на момент обследования первый взрослый спортивный разряд по легкой атлетике (50 чел.), в данной группе тренировки проходили 4 раза в неделю по 2 часа, это 480 минут в неделю.

Материалом для генетического исследования послужила венозная кровь, взятая из локтевой вены индивида. Выделение ДНК осуществляли из лейкоцитов периферической крови с использованием стандартной фенол-хлороформной методики. Определение полиморфизмов I/D гена AСЕ и A(-1903) G гена CMA1 осуществлялось методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Для определения нуклеотидной замены в гене CMA1 использовали метод ПДРФ-анализа, ПЦР–продукты расщепляли рестриктазой BstXI. Генетический анализ проводили на кафедре генетики БГПУ им. Акмуллы.

Измерения содержания эритроцитов (RBC), гемоглобина (Hb), среднего объема эритроцита (MCV), средней концентрации гемоглобина в клетке (MCHC), гематокрита (Ht) проводились с помощью автоматического гематологического анализатора ADVIA 60 производства BAYER (Германия). В капиллярной крови на аппарате RAPIDLAB865 фирмы BAYER (Германия) анализировали показатели гемоглобинового профиля крови (оксигенированного Hb – HbO2, фетального Hb – FetHb).

Статистический анализ производили с помощью программ Microsoft Office Excel и Statistics 10.0, значимость различий между показателями в сравниваемых группах определяли с помощью t-критерия Стьюдента и двухфакторного дисперсионного анализа ANOVA. Различия считались статистически значимыми при p<0.05.

Результаты и обсуждения

По результатам исследования для носителей разных вариантов гена CMA1 установлены общие закономерности варьирования показателей красной крови при возрастании интенсивности физических нагрузок. Они выражаются в более высоком уровне суммарных показателей у спортсменов по сравнению с физически малоактивными юношами: общего количества эритроцитов (RBC) (достоверно при генотипах A/A и A/G) и гематокрита (достоверно при G/G генотипе) на фоне снижения объема отдельных эритроцитов (MCV) (достоверно при А/А генотипе), содержания (MCH) и концентрации (MCHC) гемоглобина в клетках (достоверно при A/A и G/G генотипах). Отмеченные тенденции в наибольшей степени проявляются у обладателей генотипов А/А, G/G и в меньшей - при гетерозиготном генотипе.

Сравнение средних значений при одинаковом уровне ДА в зависимости от генотипов полиморфизма А(1903)G гена СМА1 продемонстрировало наличие различий только в группе НДА по показателю MCV. У юношей с G/G вариантом размеры эритроцитов были меньше, чем при А/А генотипе (p<0,05) (табл. 1).

Что касается показателей фракционного состава гемоглобина, то здесь существенных различий у носителей разных генотипов гена CMA1 при разном уровне ДА не обнаружено.

Таблица 1

Количественные и морфофункциональные параметры красной крови и фракций гемоглобина у юношей с разным уровнем ДА в зависимости от генотипов гена CMA1 (M±m)

 

НДА

УДА

ВДА

 

A/A

A/G

G/G

A/A

A/G

G/G

A/A

A/G

G/G

 

n(46)

n (82)

n(23)

n(10)

n(30)

n(4)

n(26)

n(4)

n(20)

 

Группа 1

Группа 2

Группа 3

Группа 4

Группа 5

Группа 6

Группа 7

Группа 8

Группа 9

HGB, г/л

152

(3,1)

146

(1,6)

143

(4,3)

149

(4,1)

142

(4,3)

145

(3,3)

144

(3,7)

150

(3,2)

142

(2,1)

RBC,

1012

4,9

(0,1)7

4,8

(0,09)8

4,6

(0,2)

4,8

(0,2)

4,8

(0,14)

5,22

(0,2)

5,2

(0,1)1

5,31

(0,2)2

4,9

(0,05)

HTC,%

43

(0,8)3

41

(0,7)

39

(1,3)1,9

41,0

(1,6)

41,7

(1,1)

41,4

(1,3)

43,3

(0,9)

45,2

(1,4)

42

(0,4)3

MCV,fl

86,8

(0,8)7

86,1

(0,6)

86,1

(1,1)

84,4

(0,3)

86,6

(0,62)

79,4

(1,0)

82

(1,5)1

85,3

(1,2)

85,2

(0,7)

MCH,

Pg

30,6

(0,7)7

30,3

(0,7)

31,1

(0,9)9

30,7

(1,5)

29,4

(0,54)

27,7

(0,8)

27,5

(0,6)1

28,2

(0,5)

28,8

(0,4)3

MCHC,g/l

352,9

(6,8)7

353

(8,2)

361

(9,1)9

364

(17,6)

340

(5,3)

350

(5,3)

332

(3,2)1

331

(4,2)

338

(2,6)3

HbO2,%

93,0

(0,1)

92,9

(0,5)

93,5

(0,3)

93,1

(0,6)

94,4

(0,9)

93,7

(0,4)

93,6

(0,9)

95,3

(1,2)

94

(0,7)

FetHb,%

3,4

(1,0)

3,7

(0,3)

3,9

(0,6)

3,2

(0,6)

2,9

(1,2)

3,7

(0,3)

2,9

(0,5)

3,1

(1,0)

4,1

(0,8)

Обозначения: группа 1 – носители генотипа A/A с НДА; группа 2 – носители генотипа A/G с НДА; группа 3 – носители генотипа G/G с НДА; группа 4 – носители генотипа A/A с УДА; группа 5 – носители генотипа A/G с УДА; группа 6 – носители генотипа G/G с УДА; 7 – носители генотипа A/Ac ВДА; 8 – носители генотипа A/G с ВДА; 9 – носители генотипа G/G с ВДА. Индексы 1, 2, 3, 4, 5, 6 означают достоверные отличия от соответствующих групп при р <0,05.

При сравнении среднегрупповых значений показателей в группах с разным уровнем ДА в зависимости от генотипов гена АСЕ выявлена противоположная картина. У обладателей I/D аллельных вариантов гена АСЕ базовые показатели красной крови варьируют в зависимости от интенсивности физических нагрузок незначительно, тогда как гемоглобиновый профиль – статистически значимо. Возрастание физической активности сопровождается снижением среднего объема эритроцитов у носителей D/D генотипа. Кроме того, в этой группе размеры эритроцитов оказались ниже, чем у юношей с генотипами I/D и I/I (табл. 2).

Таблица 2

Количественные и морфофункциональные параметры красной крови и фракции гемоглобина у юношей с разным уровнем ДА в зависимости от генотипов гена АCE (M±m)

 

НДА

УДА

ВДА

 

D/D

I/D

I/I

D/D

I/D

I/I

D/D

I/D

I/I

 

Гр. 1 n(64)

Гр.2 n(62)

Гр.3 n(25)

Гр. 4 n(15)

Гр. 5 n(23)

Гр.6 n(6)

Гр. 7 n(22)

Гр.8 n(12)

Гр.9 n(15)

Hb g/l

138

(3,4)

140,8

(2,9)

133

(5,2)

147

(3,6)

147

(1,9)

146

(3,1)

140

(7,2)

149,4

(2,6)

151

(7,6)

Ht, %

41

(1,3)

41,8

(0,9)

39

(1,6)

42

(1,0)

43

(0,7)

42

(0,8)

42,0

(2,1)

44,5

(0,7)

45

(2,0)

MCV, fl

87

(0,9)7

87,8

(0,4)

86

(0,8)

84

(1,1)

86

(1,2)

87

(1,3)

82

(1,0)1,9

85,8

(1,4)

88

(0,3)7

MCHC, g/l

33

(0,2)

33,7

(0,1)

33

(0,2)

34

(0,2)

34

(0,2)

34

(0,2)

33

(0,2)

33,5

(0,2)

33

(0,3)

HbO2,%

94

(0,4)2

92,9

(0,3)1,8

93

(0,6)

93

(0,7)7

92

(0,7)8

92

(1,1)

95

(0,5)4

96(0,3)2,5,9

92

(1,9)8

FetHb,%

3

(0,2)2

4(0,3)1,3,5,8

3,0

(0,5)2

3,3

(0,4)

2

(0,4)2,8

3,7

(0,7)

2,7

(0,5)

1,7(0,1)2,5,9

4,4

(1,0)8

Обозначения: группа 1 – юноши с генотипом D/D с НДА; 2 – генотип I/D с НДА; 3 – генотип I/I с НДА; 4 - юноши с генотипом D/D с УДА; 5 – генотип I/D с УДА; 6 - генотип I/I с УДА; 7 - юноши с генотипом D/D с ВДА; 8 – генотип I/D с ВДА; 9 –генотип I/I с ВДА. Индексы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 означают достоверные отличия от соответствующих групп при р ≤ 0,05.

В то же время как варианты генотипов полиморфизма I/D гена АCE, так и ДА существенно влияют на содержание фракций гемоглобина. Уровень оксигенации гемоглобина (HbO2) у спортсменов, имеющих в своем генотипе аллель *D, достоверно выше по сравнению с аналогичными генотипами в группах с более низкой ДА. У юношей с генотипом I/I содержание HbO2 по мере роста физической активности существенно не меняется. Более того, его доля у спортсменов ниже, чем у носителей аллеля *D. Уровень плодного гемоглобина также зависит от интенсивности ДА и полиморфизма гена АCE. Так, у носителей I/D генотипа при НДА содержание FetHb достоверно выше, чем при других генотипах в данной группе (p<0,05). Однако по мере роста физической активности у юношей с гетерозиготным вариантом гена АСЕ доля FetHb достоверно снижается, при ВДА наблюдался самый низкий уровень показателя. У спортсменов с генотипом I/I по мере роста ДА уровень FetHb повышается (достоверно по отношению к I/D генотипу) (p<0,05).

Поскольку FetHb обеспечивает длительную и стабильную адаптацию к кислородному дисбалансу [10], более высокий уровень FetHb у юношей с генотипом I/I при высоких физических нагрузках может рассматриваться как результат адаптации организма к возросшим потребностям клеток к кислороду. Согласно многочисленным исследованиям [2; 5; 6], генотип I/I гена АСЕ ассоциируется с преимущественно аэробным метаболизмом, что способствует носителям данного генотипа более длительно выполнять физические нагрузки.

Представленные результаты подтверждают данные дисперсионного анализа. На базовые показатели красной крови оказывает влияние только интенсивность ДА (RBC: p=0,018; Hb: p=0,02), тогда как на гемоглобиновый профиль достоверно влияет также и ген АСЕ (HbO2: p=0,04; FetHb: p=0,04), совместно с ДА на FetHb и MCV (p=0,001 и p=0,04 соответственно) (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Совместное влияние факторов ДА и полиморфизма I/D гена АСЕ на MCV, по данным дисперсионного анализа

Рис. 2. Совместное влияние факторов ДА и полиморфизма I/D гена АСЕ на FetHb, по данным дисперсионного анализа

Заключение

Проведенное исследование показало, что адаптация КТФ крови к возрастанию двигательной активности реализуется через разные звенья в зависимости от полиморфизмов генов АСЕ и CMA1. Так, у юношей с разными генотипами гена CMA1 под влиянием интенсивных физических нагрузок активируется эритропоэтическая функция, направленная на увеличение численности клеток красной крови. В то же время участие гена АСЕ в адаптации организма к физической деятельности выражается у носителей аллеля *D в возрастании оксигенации гемоглобина, а генотипа I/I – увеличении доли плодного гемоглобина, обладающего повышенным сродством к кислороду.

Вместе с тем у спортсменов - носителей генотипа A/A гена CMA1 и D/D гена АСЕ обнаружено выраженное снижение размеров эритроцитов. Этот факт можно рассматривать как компенсаторную реакцию на повышение у обладателей данных генотипов сосудистого тонуса, ассоциированного с более высокой интенсивностью синтеза ангиотензина 2. Известно, что уменьшение размеров эритроцитов способствует улучшению реологических свойств крови в микроциркуляторном русле и у спортсменов расценивается как результат адаптации к систематическому выполнению физических нагрузок [11]. Можно предположить, что увеличение суммарной дыхательной поверхности крови у лиц с генотипом А/А гена СМА1, необходимое для адекватного нагрузкам обеспечения деятельности мышц, сочетается с оптимизацией реологических свойств крови.

Полученные данные свидетельствуют о том, что интенсификация двигательной активности обеспечивается при разных генотипах полиморфизмов генов СМА1 и АСЕ включением различных адаптационных механизмов функционирования КТФ крови. Этот факт говорит о необходимости учитывать индивидуальные особенности адаптации системы крови юношей при занятиях физической культурой, а также индивидуализации тренировочного процесса в зависимости от наследственного фактора.