Оксидативный (окислительный) стресс — состояние организма, характеризующееся повышенным содержанием в тканях свободных радикалов, которые могут вызывать повреждения на молекулярном уровне жизненно важных структур и нарущить ряд функций. Окислительные повреждения, такие, как нарушения перекисного окисления липидов, повреждения белков и ДНК возникают, когда оксидативный стресс превышает восстановительные способности организма.

В организме процессы образования свободных радикалов запускает молекулярный кислород, и сам являющийся мощным повреждающим фактором. В качестве свободного радикала может выступать любое вещество или соединение, имеющее в своем составе один или несколько неспаренных электронов. Хотя существует множество видов свободных радикалов (атомы водорода, ионы переходных металлов, радикалы углеродных и сероорганических соединений — трихлорметилы и тиильные радикалы), производные кислорода и азота являются наиболее значимыми радикалами из всех, образующихся в живых системах. Их совокупность называет активными формами кислорода/азота. Антиоксидантная система защиты организма состоит как из эндогенных (билирубин, мочевая кислота, супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидазы), так и экзогенных (каротиноиды, токоферолы, аскорбиновая кислота, биофлавоноиды и т. д.) соединений (44). Экзогенные антиоксиданты поступают с пищей (преимущественно, с овощами и фруктами), а выработка эндогенных антиоксидантов регулируется соотвествующими генами.

Применительно к спортивным занятиям, замедление скорости воостановления после оксидативного стресса ведет к так называемому состояния перетренированности. Синдром перетренированности характеризуется снижением производительности и воспалением в периоды интенсивных пренировок, что негативно отражается на здоровье спортсменов. Исследование греческих ученых (42) показало связь оксидативного стресса и феномена перетренированности. В результате изучения физиологического состояния мужчин в возрасте 21,3+2,3 лет в режиме 5 трехнедельных периодов активных тернировок с последующим 3-недельным периодом полного покоя, они выяснили, что в качестве маркеров перетренированности могут выступать устойчивый лейкоцитоз, увеличение изопростанов в моче (до 7 раз), метаболиты тиобарбитуровой кислоты (на 56%), белковые карбонилы (на 73%), каталаза (на 96%), глутатион пероксидаза и окисленный глутатион (на 25%); снижение содержания восстановленного глутатиона (на 31%), соотношения восстановленного и окисленного глутатиона (на 56%) и общая антиоксидантная активность. При этом изменение уровня изопростанов и соотношения восстановленного и окисленного глутатиона значимо (Р=0.764−0.911) коррелирует с падением производительности и увеличением нагрузки. Образцы крови/мочи собирались в начале исследования и чере 96 часов после последней тренировки каждого периода. Производительность (сила, мощность, прыгучесть) увеличилась после 2-го тренировочного периода, а затем сократилась, что указывает на развитие перетренированности. Pepe H. et al. (43) в исследовании на бегунах на 800, 1500 и 3000 м (как мужчинах, так и женщинах) показали, что измения уровней активности маркеров оксидативного стресса у мужчин и женщин не различаются, и выглядят так: снижение уровней супероксиддисмутазы и каталазы после трехкратного забега как следствие нарастания оксидативного стресса.

Восстановление организма спортсменов после тренировок — не менее важная часть подготовительного процесса, чем сами тренировки. На эффективность этого процесса, помимо грамотно выстроенного режима питания (в том числе непосредственно после тренировки), сон, массаж, а также многочисленные физиотерапевтические процедуры, влияют врождённые, генетические, особенности организма. Ведь восстановление организма после тренировок — это, в первую очередь — скорость выведения продуктов клеточного метаболизма, снижение процессов воспаления, пополнение запасов энергии в организме. В связи с этим представляются перспективными исследования не только уровня эндогенных антиоксидантов в организме спортсменов, но и определение их генетического профиля с целью определния врожденных особенностей системы детоксикации организма, от состояния которой напрямую зависит индивидуальная скорость восстановления после физических нагрузок и степень риска возникновения синдрома перетренированности.

Оксидативный стресс

Генотип G/T возможно имеет больший потенциал для исследования, так как выявлено большее число вариаций связанных с мышечной активностью и умеренными физическими нагрузками. В случае с женщинами, был зафиксирован больший процентный рост скелетных мышц в ходе эксперимента при высоких физических нагрузках (5).

Рис. 2. Система группы генов NOS восстанавливает оксидативные продукты до стабильных.

Во время тренировок эндотелий кровеносных сосудов использует окись азота в качестве сигнала окружающим гладкомышечным клеткам расслабиться, что приводит к вазодилатации и увеличению кровотока (2). Усвоение глюкозы скелетными мышцами и выработка АТФ митохондриями, так же регулируются данным компонентом. Окись азота является свободным радикалом с высокой реакционной способностью, обладающим временем жизни порядка нескольких секунд и высокой способностью к проникновению сквозь биологические мембраны (5). Высвобождение допамина может быть модифицировано уровнем оксида азота, поэтому его изменения влияют как на физические показатели, так и на поведенческие реакции — мотивацию и восприятие (3).

Указанный ген связан с изменением продукции оксида азота. Кодирует белок — эндотелиальную синтазу азота 3-го типа (1). В результате замены в позиции 894 Т на G преобразуются свойства белка, в аминокислотной последовательности которого глутаминовая аминокислота в позиции 298 замещается на аспарагиновую. Возможные генотипы: G/G, G/T, T/T. Фермент кодируется геном NOS3, который экспрессируется постоянно, но его уровень повышается при физической нагрузке, стрессе, хронической гипоксии. Продукция эндогенного оксида азота саморегулируется — повышение уровня NO угнетает дальнейшую экспрессию индуцируемой синтазы оксида азота и предотвращает чрезмерное повышение её уровня и чрезмерное повреждение тканей организма хозяина в процессе воспаления и иммунного ответа. Генотип Т/Т способствует большему приросту мышечной ткани у женщин, по сравнению с другими генотипами (2).

Рис. 1. Локализация гена NOS3 на хромосоме и его экзонно-интронная структура.

В организме человека окись азота (NO, оксид азота (II)) выполняет множество функций — расслабляет гладкую мускулатуру сосудов, повышает потребление глюкозы при физических нагрузках, улучшает сократительную функцию миокарда. Окись азота синтезируется из L-аргинина, эту реакцию катализируют ферменты NO-синтазы (NOS).

Будучи геном ответственным за ангиогенез, VEGF так же имеет негативные полиморфизмы, присутствие которых повышает фактор развития онкозаболеваний (С-2578А и С+936Т данного гена имеют высокую степень экспрессии и широкое распространение, эти варианты тесно связывают с развитием рака молочной железы) (7,12).

Аллель rs2010963 С является благоприятным условием для роста капилляров в скелетных мышцах в ответ на усиленные физические нагрузки, что позволяет развивать аэробные механизмы энергообеспечения. Данные механизмы позволяют повысить максимальное потребление кислорода даже у людей без спортивного прошлого, недавно начавших лёгкие аэробные тренировки (16).

VEGF (vascular endothelial growth factor) — это термин охватывающий целое семейство сигнальных протеинов. VEGFA является самым важным из них. Основной его задачей является формирование и пролиферация кровеносных сосудов (13). Ген VEGF находится на VI хромосоме и состоит из 7 экзонов, что обозначает возможность присутствия большого количества полиморфизмов (не меньше 30). Важно подчеркнуть, что VGFА является стресс-индуцированным белком, то есть активируется в ответ на дефицит кислорода. Выраженность ангиогенеза и его связь с нарушением про- и антиоксидантных факторов исследовалась преимущественно у представителей циклических видов спорта (PMID:19 767 808).

Доступность кислорода в полном объёме во время физических упражнений, является неоспоримым фактором для успешного спортсмена. Одним из проявлений окислительного стресса, возникающего в результате усиленных физических нагрузок, является активация образования новых кровеносных сосудов (ангиогенез). Кровеносная сосудистая система начинает развиваться одной из первых в период раннего эмбрионального развития (6). Ангиогенез, фаза начинающаяся по окончанию формирования первичного сосудистого сплетения (васкулогенеза), разветвляет кровеносную систему до её потенциала путём образования новых сосудов из уже существующих. Происходит локальное разрушение стенки сосудистого плетения, из к которому мигрируют клетки эндотелия под воздействием активации пролиферации. Эти клетки собираются в трубчатые структуры, вокруг которых формируются стенки новообразовавшегося сосуда (9). В обычных условиях процесс ангиогенеза в развитом человеке протекает медленно, за исключением ран, когда происходит почти стократный всплеск активности (8).

Два полиморфизма имеющие нежелательные для спортсмена эффекты — Ile 105 Val и Ala 114 Val с частотой встречаемости в популяции G/G 45% и T/T 35% соответственно. Данные аллели обуславливают слабую экспрессию гена и медленный вывод ксенобионтов из организма. Как и в случае с GSTM1, последствием является снижение функции отдельно взятых органов (лёгких и печени). Если к замедленному выводу токсичных веществ добавляется влияние среды и свободных радикалов, то есть большая вероятность развития онкозаболевания (40).

Ген GSTP1 кодирует аминокислотную последовательность глутатион S трансферазы пи-1. Ферменты данного гена нейтрализуют ксенобиотики путём присоединения глутатиона к субстрату; они встречаются в эритроцитах. Так как в эритроцитах присутствует система транспорта глутатион-изменненых веществ, можно предположить, что детоксикация также происходит в эритроцитах (41).

Детоксикация глутатиона является одним из важнейших факторов в резистентности клеток к воздействию свободных радикалов и повреждению ДНК. Фермент гена взаимодействует с электрофильными атомами N, C, S, O путём катализа их реакции с глутаматом и последующей коньюгацией сульфидгидрильной группы с молекулами ксенобиотиков (18, 19).

Ещё одним фактором риска для данного полиморфизма является воздействие некоторых видов химических канцерогенов (табачные изделия, асбест). Метаболизм бензопиренов начинает протекать по альтернативной схеме, которая включает в себя образование бензопирен-7,8-диол-9,10-эпоксида, который в свою очередь активирует протоонкогены и инактивирует гены-супрессоры опухолей, что с большой долей вероятности будет способствовать злокачественной трансформации клеток. В связи с недееспособностью ферментной активности GSTM1 в организме будет происходить накопление токсичных и, как следствие, канцерогенных веществ в организме (18).

Во время исследования Оверонским университетом на тему участия гена GSTM1 в патогенезе и этиологии эндометриоза было выявлено, что у 56% тестируемых женщин был вариант с делецией. Интерес также вызывало отсутствие чувствительности к иммуномодулирующей терапии, что может указывать на более широкий спектр ферментов не производимых при данном полиморфизме.

GSTT1 — ген, также кодирующий фермент семейства супероксиддисмутаз — глутатион S-трансферазу тета 1, отвечающий за метаболизм лекарственных веществ и продуктов метаболизма в организме. У носителей Null-генотипа гена GSTT1 также как и у носителей Null-генотипа гена GSTM1 фермент, инактивирующий электрофильные органические вещества не вырабатывается, и, как следствие, организм теряет способность быстро обезвреживать и удалять введённые вещества (лекарства, витамины, стимуляторы, биоактивные добавки). (18,19)

Ген GSTM1 принимает участие во II фазе метаболизма ксенобиотиков. Он отвечает за производство фермента глутатион S-трансферазы мю 1. Данный фермент инактивирует электрофильные органические вещества. Количество изоферментов достаточно велико, что обуславливает различную степень способности и скорости детоксикации у каждого тестируемого человека (17). В основном ген экспрессируется в клетках печени, почек и желудка. Возможные варианты: Ins/Ins, Ins/Del, Del/Del. В случае делеции (следствие неравного кроссинговера между гомологичными последовательностями) на кодируемом участке, инактивирующий фермент не образуется, и, как следствие, организм теряет способность быстро обезвреживать и удалять введённые вещества (лекарства, витамины, стимуляторы, биоактивные добавки). Данный полиморфизм важен для исследования, так как частота встречаемости гомозиготной делеции (Null-генотип) в популяции равна 40 -45% (18). Однако, проведённые в 2011 году РАН эксперименты по сравнению маркеров риска среди популяций коренных этносов Севера и русских Северной Сибири показали, что народности Севера обладают значительно меньшим процентом гомозиготной делеции (19).

Гены суперсемейства глутатион-S-трансфераз (GSTT1,GSTM1,GSTP1) кодируют ферменты системы детоксикации ксенобиотиков. При мутациях в этих генах соответствующие ферменты в организме не вырабатываются, что ведёт к накоплению в организме не только посторонних вредных веществ, но и к замедлению выведения эндогенных продуктов обмена — таким людям нужно более длительное время реабилитации после физических нагрузок, сниженные дозы токсичных лекарственных средств, полный отказ от курения.

В ходе последних экспериментов было выявлено, что генотип ТТ, или Val/Val наиболее широко изученного на сегодняшний день полиморфизма Ala16Val гена СОД2, является неблагоприятным для спортсменов, так как выявлена пониженная активность фермента СОД2 и, как следствие, больший ущерб и более длительное восстановление после оксидативного стресса (22, (PMID:24 865 797). Ущерб организму наносится вследствие интенсивных тренировок, когда сарколемма подвержена воздействию свободных радикалов с последующим выделением креатинкиназы. Её уровень является показателем грядущих необратимых последствий, если не изменить структуры тренировки (повреждение мышечной ткани, хроническая усталость, изменение функции печени) (25).

При продолжении активных тренировок с генотипом ТТ, клетки будут подвержены апоптозу в следствии необратимого повреждения мембран митохондрий. В меньшей степени это выражено для генотипа С/T, при котором происходит замена аминокислот в последовательности (Ala на Val) (22).

Однако, следует помнить, что активность всех супероксиддисмутаз падает с возрастом.

СОД2 имеет не только прямой эффект на общеклиническую картину организма. К косвенным последствиям можно отнести воспаление и фиброз, вызванные белковыми компонентами данного фермента, что может привести к гепатиту С, фиброзу печени и другим повреждениям печени. Так же есть основания полагать, что СОД2 участвует в развитии болезни двигательного нейрона (образование аномальных митохондрий в клетках передних рогов спинного мозга). Пониженный уровень активности этого фермента, ведёт к повышению чувствительности к глутоматной токсичности. Дальнейшее ингибирование СОД2 напрямую связано с ускорением течения и развития болезни. Данные последствия проявляют себя при наличии полиморфизма Ala9Val в последовательности сигнального пептида (23,24).

Стоит отметить, что результаты проведённых экспериментов имеют различия по этническим группам. Так европеоиды контрольной группы из США имели в большинстве случаев гомозиготу по Val, европейские представители — гомозиготу по Ala.

Супероксиддисмутаза 2 — это тетрамерная форма фермента, находящаяся в митохондриях и имеющая массу 87кДа. Марганец является компонентом активного центра, а цинк — структурным компонентом. Ген СОД2 располагается на VI хромосоме. Благодаря своей пролиферации в печени и эритроцитах, фермент всегда находится в непосредственной близости к источникам свободных радикалов (21).

Конечно, как и другие ферменты антиоксидантной системы, СОД2 имеет большое значение для защиты мышц от повреждения в ходе активных тренировок. Так, было показано, что содержание СОД1 и СОД2 в трицепсе после 3 дней занятий повышается в 2 раза, но только уровень СОД2 продолжает повышаться и в течение 3 недель тренировок (PMID:21 750 271).

Одним из самых важных элементов антиоксидантной системы является супероксиддисмутаза (СОД). Она представляет собой первое звено защиты от повреждающего действия супероксид-анионов. Это ферментативный компонент (металлофермент), катализирующий реакцию обезвреживания двух молекул супероксиданиона (одна метаболизируется до молекулярного кислорода, вторая — до перекиси водорода, которая является менее сильным окислителем). Этот фермент содержится во всех тканях организма., причём СОД1 (цитозольная супероксиддисмутаза) локализуется в ядре, цитоплазме и митохондриях, а СОД2 — только в митохондриях. Супероксиддисмутаза имеет самую высокую каталитическую скорость реакции, что позволяет предотвратить появление таких веществ, как оксид азота (25).

Антиоксидантная система является одним из важнейших элементов гомеостаза в организме. Основной её функцией является деактивация прооксидантов как следствие переноса электронов в митохондриальной дыхательной цепи, свободнорадикальные процессы в фагоцитах и микросомальное окисления при нейтрализации ксенобиотиков с участием цитохрома. Образование активных форм кислорода, супероксидов и свободных радикалов является нормальным процессом и происходит в большинстве клеток организма. Нарушение функции данной системы ведёт к окислительному стрессу — нарушенный окислительно-восстановительный статус клеток, при котором активная форма кислорода не может быть нейтрализована. Антиоксиданты относят к двум группам: высокомолекулярные (супероксиддисмутаза, каталаза, трансфераза, глутатионзависимые пероксидазы) и низкомолекулярные. Вторые, в свою очередь, так же можно разделить на два класса — жирорастворимые (токоферол, каратиноиды, убихинон) и водорастворимые (билирубин, ураты, аскорбиновая кислота) (20).

Ген NQO1 обладает большим кодирующим регионом, вследствие чего, он имеет более 20 полиморфизмов разной степени значимости для данной темы (26). Полиморфизмы, в результате которых происходит замена аминокислот, являются приоритетным направлении в исследованиях (Pro187Ser и Arg139Trp). Фенотипы P187S: PP - нормальная активность, P/S - трёхкратное снижение активности фермента, SS - полное отсутствие активности фермента (29, 38).

Надо отметить, что данный полиморфизм практически не исследовался применительно к спортивным достижениям, при том, что его связь с проблемами скорости восстановления и защиты организма от последствий оксидативного стресса очевидна. Тем более важными и интересными могут оказаться результаты масштабных исследований

Данный ген кодирует цитозольную НАДФ (Н)-хиноноксидредуктазу, так же принимает участие в метаболизме ксенобиотиков. Его задачей является предотвращение образования токсичных семихиноновых свободных радикалов, путём катализа реакции двухэлектронного восстановления гидрохинонов (37). NQO1 осуществляет вторую фазу нейтрализации ксенобиотиков, кодируя цитоплазматическую ФАД-связывающую редуктазу. В отличие от предыдущих генов, у NQO1 есть дополнительные функции в антиоксидантной системе, в частности — восстановление убихинона и хинона витамина Е в соответствующие антиоксидантные формы (27). Семихинон, являясь димером, приводит к созданию пероксидного соединения.