BIO SUBSTRATE CHEMISTRY AMOUNTS IN YOUNG MEN UNDER INCREASED PHYSICAL EXERCISES



Cite item

Abstract

Aim. This study was performed to comprehensively analyse the chemistry pictures exhibited by athletes with high sportive results living in the city of Magadan and to determine the specific features of amounts of chemicals in various subjective substrates.

Materials and methods. The research involved 19-25 year old athletes in the city of Magadan. We used atomic emission and mass spectrometric methods with inductively coupled argon plasma to study twenty-five macro- and micro minerals in subjective hair and whole blood samples to specify most informative substrates for identifying common types of chronic mineral imbalance.

Results and discussion. Examined athletes exhibited higher amounts of Ca, Co, Fe, Se, and Zn in their hair samples and higher median concentrations of blood Na and P; they were also excessive in blood Mn, as compared to the subjects of control group with ordinary mode of physical activity whose blood mineral variables showed higher values of K, Mg, Co, Fe, Se, the deficiency of Co, Cu, Zn, and Fe, and excess of Mg and Se. The authors believe that the differences strongly depend on the athletes’ diet which, according to our previous studies, mainly consists of vegetables and proteins including seafood, as opposed to the carbohydrate food type characteristic of the control group.

Conclusion. The elemental picture of athletes of Magadan is characteristic of residents with typical northern type of deficiency in essential minerals expressed in the hair. Interestingly, hair mineral deficits are more frequent in young men who experience no increased exercise. No excessive toxic elements or heavy metals were found in the studied biological substrates. We believe that, for a long-term assessment of the athletes’ imbalance which is formed under intense physical activity, hair analysis appears to be more reasonable, in contrast to a quick and fairly informative method blood testing for assessing nutrition or possible intoxication.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы изменения элементного гомеостаза лиц с повышенными физическими нагрузками в настоящее время по-прежнему актуальны. Во время занятий спортом в организме человека происходит ряд адаптивных процессов, которые помогают приспособиться к условиям регулярной физической нагрузки [1-4].

Под воздействием экстремальных природно-климатических, биогеохимических и социально-экономических факторов Севера, на фоне роста популярности спорта высших достижений, исследование минерального обмена организма спортсменов приобретает особое значение.

Спорт связан со значительными физическими и психоэмоциональными нагрузками. Длительное функционирование организма в таких условиях, особенно в сочетании с несбалансированным рационом питания, как основного внешнего источника поступления макро- и микронутриентов в организм, может стать причиной истощения резервных возможностей и вызвать изменения в обмене веществ [5, 6].

Повышенная физическая активность подразумевает интенсификацию энергетических и пластических процессов, что увеличивает потребность не только в субстратах биологического окисления и «структурных блоках», но и макро- и микроэлементах [7].

Занятия спортом, в первую очередь на профессиональном уровне, оказывают существенное влияние на обмен микроэлементов в организме. С одной стороны, регулярная физическая нагрузка может приводить к активации (стимуляции) обмена химических элементов, что связано с интенсификацией обменных процессов и общим оздоровлением организма. С другой стороны, экстремальные физические нагрузки приводят к отрицательному балансу ряда жизненно необходимых микроэлементов, что может сопровождаться целым рядом проявлений их дефицита [8].

Цель настоящего исследования – комплексный анализ элементного профиля организма спортсменов г. Магадана, имеющих высокие спортивные разряды, с выявлением характерных особенностей содержания химических элементов в разных биологических средах.

 

Материал и методы

Исследование проведено методом случайной выборки в группе добровольцев мужчин уроженцев г. Магадана 19-25 лет, испытывающих повышенные физические нагрузки в ходе регулярной спортивной деятельности, имеющих 1 спортивный разряд, КМС, МС (группа «спорт», n=29) и с обычным режимом двигательной активности (группа «контроль», n=29).

Протокол обследования был одобрен комиссией по биоэтике Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наук (этический протокол № 001/020). Исследование проведено в соответствии с принципами Хельсинской Декларации и в соответствии с ФЗ «Об основах охраны здоровья граждан в РФ» от 21.11.2011 г. № 323, ФЗ от 27.07.2006 г. № 152 «О персональных данных». До включения в исследование у всех участников оформлено письменное информированное согласие о добровольном участии.

Забор волос осуществлялся на базе Научно-исследовательского центра «Арктика» Дальневосточного отделения Российской академии наук, забор венозной цельной крови – независимой лаборатории ООО «Юнилаб-Хабаровск». Прядь волос в объеме чайной ложки отрезали с затылочной части головы под корень и упаковывали в бумажный конверт. Взятие крови осуществлялось в вакуумные пробирки утром, натощак (не менее 8-12 часов после последнего приема пищи) в процедурном кабинете лаборатории, в положении обследуемого «лежа» или «сидя», в условиях физиологического покоя, из локтевой вены с соблюдением правил асептики и антисептики. Никто из добровольцев не применял спортивных или лекарственных препаратов, витаминно-минеральных комплексов. Накануне взятия крови были исключены: жирная пища из рациона питания, употребление спиртных напитков, физические нагрузки, стрессовые ситуации, физиотерапевтические процедуры.

Аналитическое исследование проведено методами атомной эмиссионной спектрометрии (АЭС–ИСП) и масс-спектрометрии (МС–ИСП) с индуктивно связанной аргоновой плазмой согласно МУК 4.1.1482-03, МУК 4.1.1483-03 на приборах Optima 2000 DV и NexION 300D (Perkin Elmer, США) в ООО «Микронутриенты» (г. Москва) с анализом и интерпретацией данных по «Методу доктора Скального®» (метод зарегистрирован в РАО, свидетельство № 2471 от 06 ноября 1997 г.) (Скальный, 2000). В волосах определяли концентрации 25 макро- и микроэлементов (Al, As, B, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, I, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, Se, Si, Sn, V, Zn), в цельной крови – 14 (Ca, Cd, Co, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, Se, Zn).

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием IBMSPSS Statistics v/21.0 (США). Характер распределения массива значений концентраций химических элементов определяли методом Колмогорова-Смирнова. Для установления различий между двумя независимыми выборками по количественным показателям, распределение которых отличалось от нормального, применяли критерий Манна–Уитни (U). Критическое значение уровня статистической значимости при проверке нулевых гипотез принималось при р<0,05. Параметры описательной статистики для количественных показателей приведены в виде медианы (Me) и интерквартильной широты (25–й; 75–й процентиль). Полученные медианные и интерквартильные значения концентраций химических элементов сравнивали с референтными величинами [9, 10], и региональными показателями содержания макро- и микроэлементов в организме жителей г. Магадана [11].

 

Результаты

Абсолютные значения концентраций макро- и микроэлементов в волосах представлены в таблице 1, в цельной крови – в таблице 2.

Значения концентраций большего числа определенных в биосредах элементов статистически значимо различалось в группах сравнения. Содержание кальция, кобальта, железа, селена и цинка в волосах спортсменов было выше аналогичного значения в группе юношей с обычным режимом двигательной активности. Медиана концентрации натрия и фосфора в крови была выше у спортсменов, калия, магния, кобальта, железа, селена – в крови юношей из контрольной группы.

 

Обсуждение

Известно, что наиболее важными для восстановления физической работоспособности макроэлементами являются кальций, магний, калий [12]. Спортсмены находятся в группе риска развития дефицита кальция, в том числе за счет повышения выведения элемента с потом на фоне интенсивных физических нагрузок [13]. Однако, в рамках настоящего исследования медиана концентрации кальция в волосах спортсменов Магадана была в 1,9 раза выше, чем в волосах юношей контрольной группы. При сравнении содержания элемента со среднероссийскими и региональными референсами установлено, что в обеих группах оно ниже нижней границы среднероссийского диапазона, но находится в границах региональных значений. Концентрация кальция в цельной крови находится в границах нормативных величин. В частотном отношении дефицит элемента выявлен только в контрольной группе в волосах у 86% обследованных лиц. В отдельных исследованиях показано, что спортсмены вне зависимости от возраста и пола характеризуются достоверно большей концентрацией кальция в периферической крови [3]. А.В. Скальный с соавторами отмечали, что на фоне достоверно большего содержания кальция в группе спортсменов, нельзя исключать возможность того, что в данном случае высокий уровень кальция является не показателем адекватной обеспеченности, а следствием процессов ремоделирования костной ткани и активности остеокластов под влиянием гормонов, регулирующих фосфорно-кальциевый обмен [8].

Содержание магния в волосах спортсменов и в контрольной группе было ниже среднероссийских показателей, достигало нижней границы регионального диапазона в контрольной группе и чуть превышало ее в группе спортсменов, что выражалось в дефиците концентрации в биосубстрате у 77% и 25% обследованных лиц, соответственно. Достоверно значимых межгрупповых различий в содержании элемента в волосах выявлено не было, в цельной крови – концентрация у спортсменов достоверно ниже показателя в контрольной группе. Поскольку дефицита в цельной крови у обследуемого контингента выявлено не было, в то время как в волосах он был значителен, можно судить об отсутствии острой гипомагниемии у юношей, но о дефицитном состоянии по магнию на протяжении достаточно продолжительного времени, что является региональной особенностью элементного портрета населения Магаданской области, и может быть следствием недостаточного его потребления с пищей, а также интенсификации экскреции. При этом формирующийся дефицит магния может негативно сказываться не только на работоспособности, но и повышать риск развития соматических заболеваний, существенно ограничивающих физическую активность [8].

Значимых различий в содержании калия в волосах юношей-спортсменов и юношей, не испытывающих повышенных физических нагрузок, нами выявлено не было, напротив – в цельной крови значение концентрации элемента у спортсменов было достоверно ниже при p=0,0001. Медиана концентрации калия в волосах находилась в границах нормативного среднероссийского и регионального центильных коридоров, однако в волосах юношей контрольной группы выявлен дефицит элемента в 38% случаев и избыток – в 18%, дефицит у спортсменов зафиксирован в 21% случаев. Содержание элемента в цельной крови соответствовало нормативным величинам. Причины гипокалиемии у спортсменов обусловлены перемещением калия из плазмы крови и внеклеточного пространства внутрь клеток. Помимо полноценного отдыха своевременное и полноценное восстановление уровней калия и магния в крови позволит уменьшить негативное влияние последствий стресса и подготовить, в частности, организм спортсменов к новым нагрузкам [14].

Пониженное содержание кальция, магния, калия – картина элементного профиля организма «северного» типа, что является биогеохимической особенностью Магаданской обрасти, и было описано нами ранее в ряде научных исследований [15-18]. Особое значение при этом принадлежит нормальному уровню этих макроэлементов, играющих важную роль в реализации в организме основных физиологических и биохимических процессов, на фоне повышенных физических и психоэмоциональных нагрузок в спорте высших достижений. Обращает на себя внимание тот факт, что в группе спортсменов напротив дисбаланс биоэлементов не так ярко выражен, как в группе юношей, не испытывающих значительных физических нагрузок, что говорит о внимательном отношении к поддержанию элементного гомеостаза самими спортсменами, а также тренерским составом. Нерациональное питание наиболее распространенная причина недостатка в организме макро- и микроэлементов.  В ходе личной беседы с испытуемыми сделан вывод о том, что рацион питания спортсменов был полноценным, включал в себя такие продукты как мясо, рыба, яйцо, фрукты и овощи, в то время как лица в контрольной группе отмечали присутствие в их рационе главным образом рафинированных продуктов и продуктов, содержащих большое количество углеводов (картофель, макароны, хлебобулочная и колбасная продукция, кондитерские изделия). Никто из обследуемых контрольной группы лиц не отметил прием препаратов макро- и микроэлементов, ни периодически, например, сезонно, ни на регулярной основе. Все спортсмены упомянули о микронутриентной поддержке организма накануне соревновательной деятельности и в период восстановления.

Среди эссенциальных микроэлементов наиболее выраженному изменению при физической нагрузке подвержен гомеостаз железа, меди, селена, кобальта, марганца и цинка [19].

Концентрация железа в волосах и цельной крови обследованных лиц из обеих групп достоверно различалась на уровне статистической значимости p=0,0001. Содержание элемента в волосах юношей из группы контроль было ниже среднероссийских и региональных референтных величин. Дисбаланс железа представлен дефицитом концентрации в волосах у 45% и в крови у 25% обследованных лиц в контрольной группе, однако сочетанный дефицит в волосах и избыток в крови выявлен только у 2 юношей в выборке. Дефицита элемента в биосредах спортсменов не обнаружено.

Медиана концентрации меди немногим ниже нижней границы референтных диапазонов в волосах, и находится в границах референсов в крови. Различия в содержании элемента в биосредах спортсменов и лиц обычного режима двигательной активности не имели статистической значимости. Однако в частотном отношении дефицит выявлен в контрольной группе у 86% в волосах и 36% в крови, в группе спортсменов – у 55% и 32%, соответственно. Одномоментный дефицит меди выявлен у 6 человек в контрольной группе и 5 – в группе спортсменов. Результаты оценки обеспеченности организма медью демонстрируют снижение обеспеченности элементом организма всех испытуемых, что выражается в значительном дефиците элемента в биоиндикаторных субстратах. По мнению А.В. Скального с коллегами, повышенная потребность организма в меди может быть связана с ее биологическими функциями, такими как участие в тканевом дыхании, антиоксидантной защите, транспорте и всасывании железа [8].

Содержание селена было статистически значимо выше в волосах и ниже в цельной крови у спортсменов. Медиана концентрации в волосах у спортсменов укладывалась в диапазон региональных значений, но была ниже нижней границы среднероссийского диапазона, в контрольной группе медианное значение было ниже среднероссийских и региональных референсов. Концентрация элемента в цельной крови спортсменов соответствовала нормативным показателям и была несколько выше значения в контрольной группе. Дисбаланс представлен дефицитом концентрации в волосах и избытком в цельной крови у 32% лиц из контрольной групп, при этом дисбаланс в волосах и крови был выявлен у разных людей.

Концентрация кобальта в волосах обследованных юношей была ниже нижней границы среднероссийского и регионального диапазонов, в цельной крови в целом укладывалась в референсный коридор. Медиана концентрации элемента достоверно различалась в анализируемых биосредах: содержание элемента в волосах было достоверно выше в группе спортсменов и, напротив, ниже в цельной крови на уровне статистической значимости p=0,0001. При этом в процентном отношении дисбаланс представлен в контрольной группе дефицитом элемента в волосах у 82% и в цельной крови у 36% юношей, в группе спортсменов – у 61% и 28%, соответственно. Дефицит кобальта в целом проблема регионального характера, вне зависимости от пола и возраста, зачастую достигает 90% в волосах жителей Магаданской области. В то же время имеющаяся в научной литературе теоретическая база позволяет предположить также истощение депо в организме кобальта на фоне интенсивных физических нагрузок, а также связь данного процесса со снижением работоспособности организма [8].

Медиана концентрации марганца в волосах была ниже среднероссийского центильного диапазона, но укладывалась в границы региональных нормативов, частота дефицита в волосах спортсменов при этом составила 25%. Средне групповое содержание элемента в цельной крови соответствовало нормативам, но в частотном отношении избыток выявлен у 76% спортсменов. Сочетанный дефицит в волосах и избыток в цельной крови обнаружен у 7 спортсменов. Значимых различий в группах сравнения выявлено не было ни в одной биологической среде. По данным О.И. Гараевой, снижение концентрации марганца в волосах спортсменов можно связать с тем, что он, активируя глутаминсинтетазу, играет важную роль в процессах детоксикации аммиака, концентрация которого значительно увеличивается в процессе интенсивных физических нагрузок [20]. Кроме того, причиной высокой частоты выявленного дефицита можно предположить индуцированную повышенными физическими и психоэмоциональными нагрузками экскрецию элемента, соответственно перераспределение его в организме, что подтверждается обнаруженной избыточной концентрацией в цельной крови спортсменов.

Содержание цинка было статистически значимо большим в волосах спортсменов, и имело тенденцию к повышению в цельной крови. Медианы элемента укладывались в референтные границы в обеих группах исследования. У 12% спортсменов выявлен в крови дефицит и у 12% избыток элемента. В контрольной группе юношей дефицит цинка выявлен в волосах в 32%, избыток – в 14% случаев.

 

Заключение

Из представленных в работе данных нельзя однозначно утверждать о спорт-индуцированном изменении микроэлементного профиля организма. В некоторых случаях элементный портрет спортсменов схож с элементным портретом жителей Магадана с характерными чертами «северного типа», с выраженным дефицитом эссенциальных минералов, при этом частота встречаемого в биосредах дефицита зачастую выше в биосредах юношей, не испытывающих повышенных нагрузок.

Особое значение в выявлении элементных нарушений в организме спортсменов имеет персонализированная диагностика элементного статуса с использованием различных индикаторных биологических субстратов, позволяющая разработать индивидуальные схемы коррекции выявленных нарушений, в соответствии с которыми будут рационально восполнены дефициты отдельных минералов. Применение элемент содержащих добавок должно проводиться лишь после тщательного клинико-лабораторного обследования ввиду возможности реализации токсического действия металлов при их избытке [21].

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ/ ADDITIONAL INFO

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внес­ли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финаль­ную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Луговая Е.А. — научное руководство, разработка концепции и дизайна исследования, анализ и интерпретация данных; Степанова Е.М. — сбор данных, статистическая об­работка данных, анализ данных, написание текста, редактирование.

Финансирование. Авторы заявляют об отсутствии внешнего фи­нансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публика­цией настоящей статьи.

Author contribution. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication). The greatest contribution is distributed as follows: Lugovaya E.A. — scientific guidance, development of the concept and design of research, analysis and interpretation of data; Stepanova E.M. — data collection, statistical data processing, data analysis, text writing, text preparation.

Financing. This study was not supported by any external sources of funding.

Conflict of interest. The authors declare that there are no obvious and potential conflicts of interest associated with the publication of this article.

×

About the authors

Evgenia Mikhailovna Stepanova

Scientific Research Center «Arktika» Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: at-evgenia@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2223-1358
SPIN-code: 4972-0152

researcher

Russian Federation

Elena Aleхandrovna Lugovaya

Scientific Research Center «Arktika» Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: elena_plant@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6583-4175
Scopus Author ID: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56728609500
ResearcherId: https://publons.com/researcher/3727949/elena-lugovaya/

кандидат биологических наук, доцент, директор

Russian Federation, 685000, Magadan, Karl Marks st., 24

References

  1. Alidzhanova IE, Notova SV, Kiyaeva EV, et al. On the issue of peculiarities of changes in macro- and microelement metabolism under intense physical activity. Vestnik OSU. 2011; 15 (134): 52-58.
  2. Zyryanova EA, Smolensky AV, Grigoryants IA. Features of building a rational nutrition of female athletes. Teoriya i praktika fizicheskoi kul'tury. 2007; 8:66-68.
  3. Schoeller DA. Integrating Therapeutic and Complementary Nutrition. Medicine & Science in Sports and Exercise. 2007; 39(07):1207. doi: 10.1249/01.mss.0000277075.75225.1e
  4. Nikolaidis MG., Protosygellou MD, Petridou A, et al. Hematologic and biochemical profile of juvenile and adult athletes of both sexes: implications for clinical evaluation. International journal of sports medicine. 2003; 24(07):506-511. doi: 10.1055/s-2003-42014
  5. Gudkov AB, Dyomin AV, Dolgoborodova AA, et al. Characteristics of postural control in female floorball players of the national team of Russia in the competitive period. Teoriya i praktika fizicheskoi kul'tury. 2017; 2:23-26.
  6. Notova SV, Kiyaeva EV, Ermakova NV, et al. Elemental and biochemical profile of disabled athletes. Ekologiya cheloveka. 2018; 6:52-58.
  7. McClung JP, Gaffney-Stomberg E, Lee JJ. A population at risk of vitamin and mineral-deficiencies affecting health and performance. J. Trace Elem Med Bio. 2014; 06:022. doi: 10.1016/j.jtemb.2014.06.022
  8. Skalny AV, Zaitseva IP, Tinkov AA. Mikroelementy i sport. Personalizirovannaya korrektsiya elementnogo statusa sportsmenov. Moscow, 2018.
  9. Skalnaya MG, Demidov VA, Skal’nyj AV. On the limits of the physiological (normal) content of Ca, Mg, P, Zn and Cu in human hair. Mikroelementy v meditsine. 2003; 4(2):5-10.
  10. Skalny AV. The referent concentrations of chemical elements in the hair, obtained by ICP – AES (ANO Center for Biotic Medicine). Mikroelementy v meditsine. 2003; 4(1):55-56.
  11. Lugovaya EA, Stepanova EM. Regional'nye pokazateli soderzhaniya makro- i mikroelementov v organizme zhitelei g. Magadana. Magadan, 2019.
  12. Pokhachevsky AL, Petrov AB, Ankudinov NV. Physical performance recovery in qualified sambo wrestlers in an annual training cycle. Uchenye zapiski universiteta im. P.F. Lesgafta. 2011; 11(81):126-130.
  13. Kunstel K. Calcium requirements for the athlete. Current sports medicine reports. 2005; 4(4):203-206. doi: 10.1097/01.csmr.0000306208.56939.01
  14. Troegubova NA, Rylova NV, Samoylov AS. Micronutrients in the diet of athletes. Prakticheskaya meditsina. 2014; 1(77):46-49.
  15. Lugovaya EA, Maksimov AL. Regional peculiarities of man’s trace mineral status in the north. Vestnik vosstanovitel'noi meditsiny. 2012; 3(49):6-8.
  16. Lugovaya EA, Maksimov AL. The mineral picture of Russia’s northeast inhabitant. Voprosy biologicheskoi, meditsinskoi i farmatsevticheskoi khimii. 2012; 6:17-21.
  17. Lugovaya EA, Stepanova EM. The structure of mineral imbalance in the body of residents of Magadan. Zdorov'e naseleniya i sreda obitaniya. 2015; 2(263):4-6.
  18. Stepanova EM, Lugovaya EA. Vozrastnye i gendernye izmeneniya soderzhaniya khimicheskikh elementov v volosakh zhitelei g. Magadana trudosposobnogo vozrasta. Sb. trudov yubileinoi konferentsii SVKNII im. N.A. Shilo DVO RAN. Magadan, 2020.
  19. Nekrasov VI, Skalny AV, Dubovoy RM. The role of trace minerals in increasing human body functional reserves. Vestnik Rossiiskoi voenno-meditsinskoi akademii. 2006; 1:111-113.
  20. Garaeva OI. The influence of intense physical activity on the trace mineral status of an organism. Izvestiya Akademii nauk Moldovy. Nauki o zhizni. 2012; 3(318):53-59.
  21. Stear SJ, Castell LM, Burke LM, et al. A-Z of nutritional supplements: dietary supplements, sports nutrition food and ergogenic aids for health and performance-part 10. British journal of sports medicine. 2010; 44(9):688-690. doi: 10.1136/bjsm.2010.075218

Supplementary files

There are no supplementary files to display.


Copyright (c) Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 78166 от 20.03.2020.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies