Острая физическая нагрузка и свободнорадикальное окисление

УДК 577.121.7+612.76

ОСТРАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА И СВОБОДИОРАДИКАЛЬИОЕ ОКИСЛЕНИЕ

С.А. Кантюков1, Л.В. Кривохижина1, E.H. Ермолаева1, В.П. Яковлева2

1ГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Минздрава России

2ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет физической культуры» г. Челябинск, Россия

Аннотация. Целью работы являлось исследование интенсивности свободнорадикального окисления, активности антиокислительной системы в цельной крови и сыворотке при экспериментальной острой физической нагрузке (ОФН). ОФН моделировалась на крысах четырехминутным плаванием с грузом 20% от массы тела. Интенсивность свободнорадикального окисления в цельной крови оценивали методом люминол-усиленной хемилюминесценции; сыворотки крови — железоиндуцированной хемилюминесценцией. Определяли общую антиокислительную активность сыворотки крови, активность супероксиддисмутазы, каталазы, глютатион — редуктазы, церулоплазмина. При острой физической нагрузке очень быстро активируется свободнорадикальное окисление как в крови, так и в сыворотке. Следствием роста свободнорадикального окисления является увеличение мощности общей антиокислительной активности при диссонансе между внеклеточными и внутриклеточными антиоксидантами.

Ключевые слова: острая физическая нагрузка, свободнорадикальное окисление, хемилюминесценция, общая антиокислительная активность.

Введение. Свободные радикалы обеспечивают многие жизненно-важные функции организма. В тоже время, будучи в избытке, повреждают биологические мембраны, нарушают регуляторные и защитные функции, являются причиной преждевременного старения, сердечно-сосудистых заболеваний, ведущих к инвалидности и смертности. Регулярные тренировки и физическая активность оказывают защитное действие в отношении основных сердечно-сосудистых осложнений [1]. Положительное влияние физической активности на антиоксидантный статус у малоподвижных лиц отмечает Б. Ьее1аги^гауиЬ [2]. Однако остается открытым вопрос, как влияет острая физическая нагрузка на процессы свободнорадикального окисления у нетренированных людей, так как

в крови, оттекающей от работающей мышцы, увеличивается количество свободных радикалов, перекисей липидов, инициаторов свободнорадикального окисления и т.д. [3].

Цель работы в условиях эксперимента исследовать свободнорадикальное окисление в цельной крови, сыворотке крови, состояние антиокислительной системы при острой физической нагрузке.

Материалы и методы исследования. Исследование проведено на 55 белых беспородных крысах. Все эксперименты выполнены согласно Европейской Конвенции по защите экспериментальных животных. Контрольную группу составили интактные животные; в эксперименте участвовали животные, подвергавшиеся острой физи-

—--—

~ 537 ~

ческой нагрузке. Животные плавали в течение 4 минут с грузом 20% от массы тела. Забор крови производили через 15 минут после нагрузки.

Интенсивность свободнорадикального окисления (СРО) в цельной крови исследовали методом люминол-усиленной хемилюминесценции (ХЛ). Регистрировали базальную и индуцированную хемилюминесценцию цельной крови — светосум-му (СС, у.е. • мин) и максимальную светимость (МС, у.е.). Сначала регистрировали базальную ХЛ, далее пробу инкубировали в термостате (60 минут; 37 °С), при этом нейтрофильные лейкоциты активировались за счет контакта со стеклянной поверхностью. Параллельно в крови подсчитывали общее количество лейкоцитов, лейкоцитарную формулу. ХЛ крови выражали в абсолютных величинах и с пересчетом на количество нейтрофилов (105/мл). Интенсивность перокси-дации, как составляющей СРО, изучали методом железоиндуцированной хемилюминесценции сыворотки крови [4; 5].

Активность супероксиддисмутазы (СОД) оценивали в реакции восстановления нитросинего тетразолия [6]; активность каталазы определяли в цветной реакции с молибдатом аммония [7]; активность глютатионредуктазы оценивали по способности окислять НАДН при длине волны

340 нм [8]; активность церулоплазмина оценивали модифицированным методом Равина по способности окислять р-фенилендамин [9]. Общую антиокислительную активность (ОАО) оценивали фотометрическим тестом ImAnOx(TAS/TAC) Kit фирмы Immundiagnostik (Германия) по степени подавления оксидации в присутствии перекиси водорода. Статистическая обработка результатов исследования проводилась на персональном компьютере с помощью пакета программ анализа данных Statistica 6.0. Для оценки достоверности полученных результатов использовали непараметрический критерий Манна-Уитни.

Результаты исследования и обсуждение. ОФН привела к активации процессов СРО в цельной крови (табл. 1). Светосумма базального свечения возросла на 73,8%, максимальная светимость на 48,55%. Показатели индуцированного свечения возросли на 135,7% (СС) и 177,2% (MC) относительно контрольных значений. Так как считается, что основными продуцентами свободных радикалов в крови являются нейтрофильные лейкоциты, проводили перерасчет на определенное количество нейтрофилов (105/мл). При пересчете на нейтрофи-лы СС и MC базального свечения становится достоверно ниже контрольных значений.

Таблица 1

Изменение показателей хемилюминесценции цельной крови при острой физической нагрузке

Группы сравнения/показатели Контроль

Базальное свечение СС, у.е. • мин 0,677 ± 0,02; 0,07 1,17 ± 0,17*; 0,51

MC, у.е. 0,276 ± 0,014; 0,04 0,41 ± 0,04*; 0,12

Индуцированное свечение СС, у.е. • мин 2,66 ± 0,21; 0,63 6,27 ± 0,65*; 1,97

MC, у.е. 0,79 ± 0,14; 0,43 2,19 ± 0,37*; 1,12

Базальное свечение в пересчете на нейтрофилы СС, у.е. • мин 0,33 ± 0,026; 0,08 0,23 ± 0,05*; 0,14

MC, у.е. 0,13 ± 0,01; 0,03 0,08 ± 0,01*; 0,036

Индуцированное свечение в пересчете на нейтрофилы СС, у.е. • мин 1,29 ± 0,13; 0,39 1,19 ± 0,13; 0,41

MC, у.е. 0,39 ± 0,08; 0,26 0,41 ± 0,07; 0,22

Примечание: * — достоверность по критерию Манна-Уитни относительно контроля.

Возрастание базального и индуцированного свечения в цельной крови обусловлено не активацией нейтрофилов, так как в пересчете на нейтро-

филы эти показатели либо снижаются, либо не изменяются, а увеличением их количества. Хорошо известно о наличие миогенного лейкоцитоза.

—--—

~ 538 ~

В сыворотке крови в пределах контрольных значений сохраняется спонтанная светимость, что свидетельствует об эффективной работе антиокислительных систем, но увеличиваются показатели железоиндуцированной ХЛ (табл. 2). Светосумма свечения (СС) возросла на 57,6%, что обусловлено как накоплением гидроперекисей липидов (амплитуда быстрой вспышки), так и максимально возможной интенсивностью ПОЛ (амплитуда медленной вспышки); длительность латентного периода относительно контроля не изменялась.

В крови возрастала общая антиокислительная активность (ОАА) (табл. 3). Увеличение мощности

антиокислительнои системы есть следствие роста свободнорадикальной нагрузки [10]. Следует отметить, что внеклеточные и внутриклеточные анти-оксиданты вели себя по-разному: количество церу-лоплазмина повышалось, активность СОД и глю-татион-редуктазы не изменялась, каталазы снижалась.

Острая физическая нагрузка на фоне нетренированного организма сопровождается развитием гипоксии, которая инициирует образование активных форм кислорода с последующим развертыванием свободно-радикальных и перекисных реакций в скелетной мускулатуре [11].

Таблица 2

Изменение показателей хемилюминесценции сыворотки крови при острой физической нагрузке

Группы сравнения/ Контроль ОФН

показатели

Спонтанная светимость, у.е. • мин 0,22 ± 0,06; 0,23 0,23 ± 0,05; 0,18

Светосумма свечения, у.е. • мин 3,09 ± 0,10; 0,42 4,87 ± 0,19*; 0,71

Амплитуда быстрой вспышки, у.е. 1,41 ± 0,04; 0,15 2,07 ± 0,096*; 0,35

Амплитуда медленной вспышки, у.е. 1,65 ± 0,05; 0,21 2,67 ± 0,09*; 0,33

Длительность латентного периода, мм 17,82 ± 0,69; 2,83 19,69 ± 1,17; 4,21

Примечание: * — достоверность по критерию Манна-Уитни относительно контроля.

Таблица 3

Изменение активности ферментов АОС в плазме при острой физической нагрузке

при введении ЦП

Показатели/ сроки Контроль ОФН

СОД, ед/мл 1,46 ± 0,1; 0,40 1,22 ± 0,20; 0,59

Каталаза, мкат/л 22,61 ± 3,38; 14,36 11,73 ± 1,51*; 4,53

Глютатион-редуктаза, МЕ 8,04 ± 0,32; 1,12 11,49 ± 1,77; 5,01

ЦП, мг/мл 333,95 ± 22,87; 79,23 498,745 ± 37,37*; 118,18

ОАА, мкмоль/л 211,5 ± 3,94; 18,95 240,33 ± 7,05*; 33,86

Примечание: * — достоверность по критерию Манна-Уитни относительно контроля.

Следует отметить быстроту возрастания интенсивности свободнорадикальных реакций, общей антиокислительной активности при острой физической нагрузке. Активные формы кислорода являются сигнальными молекулами, запускающие синтез антиоксидантов, в том числе и в мышечной ткани [12]. Ряд авторов указывают на зависимость активности антиокислительных ферментов (ката-

лазы, глюгатион-пероксидазы и др.) от типа мышечных волокон, с наибольшей активностью ферменты присутствуют в медленных мышечных волокнах (тип I), которые имеют более высокую окислительную способность [13]. Кроме того, активные формы кислорода способствуют повышению резистентности организма к гипоксии через увеличение экспрессии белка НШ-2а [14; 15].

—--—

~ 539 ~

Выводы. Таким образом, острая физическая нагрузка у нетренированного организма приводит к значительному увеличению свободнорадикаль-ных процессов в крови. Следствием роста свобод-норадикальной нагрузки является увеличение мощности общей антиокислительной активности при диссонансе между внеклеточным и внутриклеточным антиоксидантами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kelley G.A., Kelley K.S., Franklin B. Aerobic exercise and lipids and lipoproteins in patients with cardiovascular disease: a meta-analysis of randomized controlled trials // J Cardiopulm Rehabil. 2006. Vol. 26. No. 3. P. 131—144.

2. Leelarungrayub D., Saidee K., Pothongsunun P. et al. Six weeks of aerobic dance exercise improves blood oxidative stress status and increases interleukin-2 in previously sedentary women // J Bodyw Mov Ther. 2011. Vol. 15. P. 355—362.

3. Bailey D.M., Young I.S., McEneny J. et al. Regulation of free radical outflow from an isolated muscle bed in exercising humans // Am. J. Physiology. 2004. Vol. 287. No. 4. P. 1689—1699.

4. Фархутдинов P.P., Клебанов Г.И. Антиокси-данты. Антноксидантная активность. Методы исследования // Рос. журн. гастроэнтерологии, гепатологии. колопроктологии. 2006. № 2. С. 108—117.

5. Владимиров Ю.А., Проскурнина Е.В. Свободные радикалы и клеточная хемилюминесценция // Успехи биологической химии. 2009. Т. 49. C. 341—388.

6. Чевари С., Чаба И., Секей Й. Роль супероксид-дисмутазы в окислительных процессах клетки и метод определения ее в биологических материалах // Лаб. дело. 1985. № 11. С. 678—681.

7. Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова А.Г. и др. Метод определения активности каталазы // Лаб. дело. 1988. № 1. С. 16—19.

8. Вербалович В.П., Подгорная Л.М. Определение активности глютатион-редуктазы и СОД на биохимическом анализаторе // Лаб. дело. 1987. № 2. С. 17—19.

9. Камышников B.C. Справочник по клинико-био-химическим исследованиям и лабораторной диагностике. М.: МЕДпресс-информ, 2009.

10. Сазонова Т.Г., Глазачев О.С., Болотова А.В. и др. Адаптация к гипоксии и гипероксии повышает физическую выносливость: роль активных форм кислорода и редокс сигнализации // Рос. физиол. журн. им. ИМ. Сеченова. 2012. Т. 98. № 6. С. 793—807.

11. Heinonen I., Kemppainen J., Kaskinoro K. et al. Effects of adenosine, exercise, and moderate acute hypoxia on energy substrate utilization of human skeletal muscle // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2012. Vol. 302. № 3. P. 385—390.

12. Сазонтова Т.Г., Архипенко Ю.В. Значение баланса прооксидантов и антиоксидантов — равнозначных участников метаболизма // Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2007. № 3. С. 2—18.

13. Голиков А.П., Бойцов С.А., Михин В.П. и др. Свободнорадикальное окисление и сердечно-сосудистая патология: коррекция антиоксидантами // Лечащий врач. 2003. № 4. С. 70—74.

14. Brown S.T., Nurse C.A. Induction of HIF-2a is dependent on mitochondrial O2 consumption in an O2-sensitive adrenomedullary chromaffn cell line // Am J Phy-siol Cell Physiol. 2008. Vol. 294. P. 1305—1312.

15. Klimova T., Chandel N.S. Mitochondrial complex III regulates hypoxic activation of HIF // Cell Death Differ. 2008. Vol. 15. № 4. P. 660—666.

ACUTE EXERCISE

AND FREE RADICAL OXIDATION

S.A. Kantyukov1, L. V. Krivokhizhina1, E.N. Ermolaeva1, V.P. Yakovleva2

1 South Ural State Medical University

2 Ural State University of Physical Culture Chelyabinsk, Russia

Annotation. The aim of the work was to study the intensity of free radical oxidation, activity of antioxidant system in the blood and serum in experimental acute exercise. Acute exercise modeled in rats four-minute swim with a load of 20% of body weight. The intensity of free radical oxidation in the blood was investigated by luminol-enhanced chemilumines-cence; Fe++-induced chemiluminescence of serum. Determine the total antioxidant activity of serum superoxide dismutase, catalase, glutathione-reductase, ceruloplasmin. In acute exertion free radical oxidation activated in the blood and in the

~ 540 ~

—--—

serum. A consequence of the free radical load growth is to increase the antioxidant capacity of the whole system at the dissonance between the extracellular and intracellular antioxidants.

Ke words: acute exercise, free radical oxidation, chemiluminescence, total antioxidant activity.

REFERENCES

1. Kelley G.A., Kelley K.S., Franklin B. Aerobic exercise and lipids and lipoproteins in patients with cardiovascular disease: a meta-analysis of randomized controlled trials. J Cardiopulm Rehabil, 2006, vol. 26, no. 3, pp. 131— 144.

2. Leelarungrayub D., Saidee K., Pothongsunun P. et al. Six weeks of aerobic dance exercise improves blood oxidative stress status and increases interleukin-2 in previously sedentary women. J Bodyw Mov Ther, 2011, vol. 15, pp. 355—362.

3. Bailey D.M., Young I.S., McEneny J. et al. Regulation of free radical outflow from an isolated muscle bed in exercising humans. Am. J. Physiology, 2004, vol. 287, no. 4, pp. 1689—1699.

4. Farkhutdinov R.R., Klebanov G.I. Antioxidants. Antioxidant activity. Research Methods. Russian J. Gas-troenterology, Hepatology, Coloproctology, 2006, no. 2, pp. 108—117.

5. Vladimirov Y.A., Proskurnina E.V. Free radicals and cellular chemiluminescence. Successes of Biological Chemistry, 2009, vol. 49, pp. 341—388.

6. Chevari S., Csaba I., Székey J. The role of superoxide dismutase in cell oxidation process and the method of its determination in biological materials. Laboratory work, 1985, no. 11, pp. 678—681.

7. Koroljuk M.A., Ivanova L.I., Mayorova A.G. and others. The method for determining the activity of cata-lase. Laboratory work, 1988, no. 1, pp. 16—19.

8. Verbolovich V.P., Piedmont L.M. Determination of glutathione and SOD on biochemical analyzer. Laboratory work, 1987, no. 2, pp. 17—19.

9. Kamyshnikov V.S. Handbook of clinical and biochemical studies and laboratory diagnosis. Moscow: MED-press-Inform, 2009.

10. Sazonova T.G., Glazachev O.S., Bolotova A.V. et al. The adaptation to hypoxia and hyperoxia improves physical endurance: the role of reactive oxygen species and redox signaling. Russian journal of physiology, 2012, vol. 98, no. 6, pp. 793—807.

11. Heinonen I., Kemppainen J., Kaskinoro K. et al. Effects of adenosine, exercise, and moderate acute hypoxia on energy substrate utilization of human skeletal muscle. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol., 2012, vol. 302, no. 3, pp 385—390.

12. Sazontova T.G., Archipenko Y.V. The value of the balance of pro-oxidants and antioxidants — equivalent participants metabolism // Pathological physiology and experimental therapy. 2007. № 3. P. 2—18.

13. Golikov A.P., Boitsov S.A., Mikhin V.P. et al. Free radical oxidation and cardiovascular disease: correction by antioxidants. Attending Physician, 2003, no. 4, pp. 70—74.

14. Brown S.T., Nurse C.A. Induction of HIF-2a is dependent on mitochondrial O2 consumption in an O2-sen-sitive adrenomedullary chromaffn cell line. Am J Physiol Cell Physiol, 2008, vol. 294, pp. 1305—1312.

15. Klimova T., Chandel N. S. Mitochondrial complex III regulates hypoxic activation of HIF. Cell Death Differ, 2008, vol. 15, no. 4, pp. 660—666.

L klhlbllP

m annul

INfOBA5E '

INDEX

(^СОГОШШК O AJI O ULRICHSWEB

. „ , . t HAT I0PAK nc' .---

Qtogle ^ CiteFactor ^ |J¡ JÍL_