CORRELATIONS OF CARBOHYDRATE METABOLISM INDEXES, PROVISION OF BIOELEMENTS, B1, B2 VITAMINS IN CHILDREN AND ADOLESCENTS IN THE NORTH

Full Text

Проблема адаптации организма человека к суровым природно-климатическим условиям Севера по-прежнему является актуальной. Население северных регионов подвержено воздействию ряда неблагоприятных факторов как природного (климатические, гелиофизические, геохимические), так и антропогенного (экологическое неблагополучие) характера, вследствие чего отмечаются перестройки обменных процессов в организме человека [2, 3, 10, 12]. Организм ребенка, подростка, находящийся в процессе развития с высоким обменом веществ, характеризуется недостаточностью адаптационных механизмов и в большей степени подвержен влиянию факторов окружающей среды. В связи с этим исследование углеводного обмена, обеспеченности биоэлементами и витаминами, определяющими каталитическую активность процессов, а также взаимоотношения метаболитов у детского и подростково-юношеского населения двух различных северных регионов представляло определенный интерес. 15 Экологическая физиология Экология человека 2016.06 Методы Обследовано детское и подростково-юношеское население от 8 лет до 21 года, охватывающее период второго детства (мальчики 8-12 лет, девочки 8-11), подростковый (мальчики 13-16 лет, девочки 12-15) и юношеский периоды (девушки 16-20 лет, юноши 17-21) [1], в приарктическом (ПР) (Приморский и Коношский районы Архангельской области, 511 человек) и арктическом регионе (АР) (Чукотский и Ненецкий автономные округа, Северо-Эвенкийский район Магаданской области, Мезенский район Архангельской области, 825 человек). Среди обследованных в АР есть представители коренных северных народностей - чукчи, эвены, ненцы, эскимосы, чуванцы, юкагиры, коряки, нанайцы, якуты. Все обследованные относились к I-II группе здоровья. Забор крови производился из локтевой вены в вакутайнеры «Bekton Dickinson BP» утром натощак. Аналитическое определение концентраций биохимических параметров выполнялось в лаборатории биологической и неорганической химии ФГБУН «Институт физиологии природных адаптаций Уральского отделения РАН» г. Архангельска. В сыворотке крови методом спектрофотометрии определяли концентрации параметров углеводного обмена: глюкозы (ГЛЮ), лактата (ЛАК), биоэлементов - кальция (Са), фосфора (Р), магния (Mg), меди (Cu) - на биохимическом анализаторе «МАРС» с использованием наборов Chronolab AG (Швейцария) и пирувата (ПИР) - по реакции с 2,4-динитрофенилгидразином; витаминов группы В - тиамина и рибофлавина в эритроцитах на анализаторе биожидкостей «Флюо-рат» («Люмекс») методом спектрофотометрии (В1) и флуоресценции (В2). Об обеспеченности организма тиамином судили по величине ТДФ-эффекта - коэффициенту, рассчитываемому по приросту активности эритроцитарного фермента транскетолазы после добавления тиаминдифосфата. Чем выше ТДФ-эффект, тем ниже обеспеченность витамином [11]. Рассчитывали значения коэффициента ЛАК/ПИР (Л/П), показывающего степень превалирования анаэробных процессов окисления над аэробными. Статистическую обработку данных, распределение показателей, определение границ нормального распределения проводили с использованием программ SPSS 13.0 for Windows и Statistica 5.0. Критический уровень значимости (p) при проверке статистических гипотез принимался за 0,05. Для показателей в группах было выявлено как нормальное и близкое к нормальному распределение, так и распределение, сильно отклоняющееся от нормального. Был выполнен дескриптивный анализ (расчет медианы, 25 и 75 перцентилей), для сравнения использовали непараметрический U-критерий Манна - Уитни. При оценке значимости различия частот использовали z-критерий для пропорций. Корреляционный анализ параметров выполнен по Спирмену с учетом ранговой корреляции. 16 Результаты Анализ результатов исследования показал, что для обследованного контингента ПР характерно более высокое (р < 0,001) содержание ГЛЮ (табл. 1), а у 67,9 % детского и подростково-юношеского населения АР выявлены аномально низкие уровни ГЛЮ, что в 2,4 раза больше (28 %), чем в ПР (р < 0,001). При рассмотрении флуктуаций уровней промежуточных продуктов углеводного обмена статистически значимые различия выявлены для ЛАК - его содержание, как и ГЛЮ, выше (р < 0,001) в ПР (см. табл. 1), при этом в обоих регионах оно было высоким: у 51,2 % лиц регистрировались превышающие норму значения в АР и у 69,7 % в ПР (р < 0,001). Концентрации ПИР в регионах различались незначительно, но частота встречаемости аномально низких величин в АР ниже - 34,7 % против 41% в ПР (р = 0,024). В соответствие с этим более высокие значения коэффициента ЛАК/ ПИР установлены у лиц ПР (р < 0,001), как и превышающие норматив, - в 69,4 и 54,2 % случаев в ПР и АР соответственно (р < 0,001). Таблица 1 Параметры углеводного, биоэлементного обмена, ТДФ-эффект, содержание рибофлавина у детского и подростковоюношеского населения приарктического (ПР) и арктического (АР) регионов Показа тель Регион n Меди ана Перцентили Уровень досто верности (p) 25 75 ГЛЮ, ммоль/л ПР 511 4,55 4,15 4,95 <0,001 АР 825 3,8 3,28 4,43 ЛАК, ммоль/л ПР 489 2,53 2,18 3,1 <0,001 АР 823 2,28 1,82 2,86 ПИР, ммоль/л ПР 493 0,03 0,02 0,04 0,026 АР 759 0,03 0,02 0,036 Л/П, усл. ед. ПР 474 91,25 71,01 122,07 <0,001 АР 757 77,94 61,21 102,22 Са, ммоль/л ПР 500 2,24 2,11 2,43 <0,001 АР 712 2,4 2,11 2,62 Р, ммоль/л ПР 486 1,42 1,24 1,63 <0,001 АР 674 1,54 1,32 1,77 Cu, мкмоль/л ПР 238 13,97 11,59 17,06 <0,001 АР 428 17,91 15,14 21,22 Mg, ммоль/л ПР 218 0,73 0,59 1,02 0,006 АР 519 0,81 0,69 0,96 ТДФ-эф., усл. ед. ПР 442 1,07 0,98 1,15 <0,001 АР 354 1,0 0,94 1,06 нг/мл ПР 452 170,49 114,19 256,27 0,914 АР 275 164,04 121,03 232,4 У детского и подростково-юношеского населения АР отмечены более высокие концентрации изученных биоэлементов (р < 0,001, для магния р = 0,006) (см. Экология человека 2016.06 Экологическая физиология табл. 1), но при этом в обоих регионах выявлена сниженная обеспеченность Са и Р (26,4 и 26,8 % для Са, р = 0,877; 18,7 и 9,8 % для Р, р < 0,001, соответственно в ПР и АР). Низкая обеспеченность медью выявлена в ПР, и в 33, % случаев она аномально низкая, а в АР лишь в 6,3 % (р < 0,001). Дисбаланс в содержании магния более выражен в ПР с частотой регистрации аномально низких концентраций у 55 % лиц и аномально высоких у 24,8 %, а в АР у 43,4 и 15,4 % соответственно (р = 0,003 для низких концентраций, р = 0,001 для высоких при сравнении регионов). У детского и подростково-юношеского населения выявлена сниженная обеспеченность витаминами группы В, как тиамином, так и рибофлавином, причем в ПР низкое обеспечение тиамином встречалось в 2 раза чаще (24,9 % случаев), чем в АР (12,4 %), р < 0,001. При этом частоты встречаемости низкой обеспеченности организма рибофлавином мало различались у представителей обоих регионов (33,8 и 29,5 % соответственно, р = 0,264). Результаты корреляционного анализа отражены в табл. 2. Необходимо отметить, что выявленные корреляционные взаимосвязи по величине коэффициента относились к слабым (г до 0,29) связям. Корреляционным анализом показано, что у представителей ПР на уровень ГЛЮ значимое положительное Таблица 2 Результаты корреляционного анализа для показателей углеводного, биоэлементного обмена, величин ТДФ-эффекта, содержания рибофлавина у детского и подростково-юношеского населения приарктического (ПР) и арктического (АР) регионов (р < 0,05) Показатель углеводного обмена Показатель ГЛЮ ЛАК ПР АР ПР АР Са г=0,277; р<0,001 - - - Р г=0,15; р=0,001 г-0,109; р = 0,005 - г=0,146; р<0,001 Cu - - - - Mg - - г-0,185; р = 0,007 - ТДФ-эф. - - - - В2 - - - - ПИР ЛАК/ПИР ПР АР ПР АР Са г=0,214; р<0,001 - г-0,149; р=0,001 - Р г=-0,096; р=0,035 г=-0,106; р = 0,007 г=0,13; р = 0,005 г=0,118; р = 0,003 Cu - - - - Mg г= - 0,273; р<0,001 - г=0,184; р = 0,008 - ТДФ-эф - - - - В2 - - - г-0,131; р = 0,034 Примечание. г - коэффициент корреляции. влияние оказывали макроэлементы Са и Р. Обратная взаимосвязь отмечена между содержанием ЛАК и уровнем Mg. Для ПИР установлены корреляционные связи с Са (прямая) и отрицательные с Р и Mg. На величину коэффициента ЛАК/ПИР оказывали влияние Са, Р, Mg, взаимосвязь с Са носила отрицательный характер. В арктическом регионе на уровень ГЛЮ, ЛАК и ПИР статистически значимое влияние оказывал только Р, и оно было разнонаправленным - для ГЛЮ и ПИР связь отрицательная, для ЛАК - положительная. Прослеживалось влияние Р и рибофлавина на величину коэффициента ЛАК/ПИР, для В2 связь установлена обратная. Обсуждение результатов Вне зависимости от региона проживания была установлена пониженная обеспеченность биоэлементами кальцием, фосфором, витаминами В; и В2, дисбаланс в содержании магния, при котором более чем в 2 раза чаще регистрировались низкие величины. Снижение обеспеченности биоэлементами и витаминами в северных регионах отмечено многими исследованиями как у взрослого, так и у детского населения, которое можно объяснить недостаточным поступлением минералов и витаминов с продуктами питания, низкой минерализацией питьевых источников водоснабжения, геохимической обедненностью северных территорий, а также напряженностью метаболических процессов в результате воздействия на организм низких температур и развития холодовой гипоксии [3, 6, 7, 12]. При этом среди детского и подростково-юношеского населения ПР установлена более низкая обеспеченность биоэлементами Са, Р, Mg, Cu, а также тиамином. Это может быть связано с различием в рационах питания. Для лиц ПР более свойственно питание с преобладанием углеводов, а известно, что при таком виде рациона, а также при бутербродном питании может возникнуть гиповитаминоз Вр В2, снижение обеспеченности Са [13]. В регионах Севера, в первую очередь у аборигенных жителей, распространен белково-липидный тип питания с использованием оленины, мяса рыб и морских животных, грибов, дикорастущих ягод и трав, в этих продуктах содержится достаточно большое количество тиамина, рибофлавина, меди, фосфора [8, 13]. Флуктуации в содержании в крови биоэлементов и витаминов могут оказывать влияние на формирование метаболического статуса в зависимости от территории проживания, поскольку известно, что они выполняют регуляторную функцию в обеспечении обменных процессов, в том числе и метаболизма углеводов. Ионы Са2+ играют важную роль в механизме секреции инсулина (ИНС) b-клетками островков Лангерганса, при этом они усиливают секрецию глюкагона и других контринсулярных гормонов. От 17 Экологическая физиология Экология человека 2016.06 присутствия ионов кальция в клетке зависит активность эндопептидазы - фермента, под действием которого проинсулин преобразуется в ИНС [19]. Кальций стимулирует процессы глюконеогенеза, активирует гликогенфосфорилазу и инактивирует гликогенсинтазу и пируваткиназу [9]. Присутствие ионов Мg2+ активирует прямое окисление углеводов и утилизацию глюкозо-6-фосфата через пентозофосфатный шунт. Избыток катиона нарушает конденсацию ПИР с ацетил-СоА и включение этих веществ в цикл Кребса [15]. Мg выступает в качестве кофактора ферментов гликолиза: гексоки-назы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы, служит положительным эффектором для гликогенсинтетазы и при этом является активатором ферментов глюко-неогенеза: пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируват-карбоксилазы, фруктозо-бисфосфотазы (два первых фермента ингибируются ионами Са2+) [9]. Дефицит элемента способствует усилению резистентности к ИНС, кроме того, Мg в сочетании с цинком, хромом и селеном улучшает функцию ß-клеток поджелудочной железы [17]. Неорганический Р стимулирует процессы гликолиза, гликогенолиза и синтез гликогена. Так, неорганический фосфат уменьшает сродство глюкозо-6-фосфата к гексокиназе и таким образом препятствует инактивации фермента и служит положительным эффектором для фермента гликолиза фосфофрук-токиназы [9]. Медь обладает гипогликемическим эффектом, введение в организм комплексных соединений, содержащих Cu, сопровождается снижением уровня ГЛЮ в крови [16]. Элемент может способствовать закреплению ИНС на рецепторах и инактивировать инсулиназу - фермент, катализирующий разрушение гормона, замедляя его деградацию [18]. Медь участвует в процессах окисления ГЛЮ, её ионы активируют кокарбоксилазу, биологически активную форму тиамина, которая участвует в процессах декарбоксилирования пировиноградной кислоты и превращения её в цитрат [14]. Витамин В1 в виде дифосфорного эфира тиамина (ТДФ) входит в состав трех ферментов и ферментных комплексов (пируват- и а-кетоглуторатдегидрогеназные комплексы, транс-кетолаза) и таким образом участвует в окислительном декарбоксилировании пирувата и а-кетоглутората и пентозофосфатном пути превращения углеводов [13]. Тиамин также принимает участие в регуляции некоторых ключевых ферментов гликолиза [9]. Рибофлавин участвует в обмене углеводов, он наряду с витаминами В1 и РР входит в состав ферментов, окисляющих молочную кислоту до пировиноградной, а последнюю - до воды и углекислоты. При его недостатке снижается удельная активность пируваткар-боксилазы. Введение В2 больным сахарным диабетом вызывает нестойкое понижение гипергликемии, а при нарушении инкреторной деятельности поджелу дочной железы отмечено снижение количества ИНС в крови [4, 9]. У детского и подростково-юношеского населения АР вследствие минимизации углеводного звена в метаболизме при адаптации к более суровым условиям проживания на арктических территориях содержание ГЛЮ устанавливается на более низком уровне, что соответствует результатам ранее проведенных исследований, но при этом «негативные» последствия адаптации в виде повышения содержания промежуточных продуктов - пирувата и лактата, в данном случае лактата, менее выражены по сравнению с ПР. В АР развитие признаков гипогликемии происходило, скорее всего, в результате торможения гликолиза вследствие снижения роли углеводов в энергообеспечении и повышения значения жиров, тем более что согласно данным наших исследований у контингента этих регионов проживания выявлен более высокий уровень жирных кислот [5]. При этом Р оказывал стимулирующее влияние на реакции гликолиза, и он являлся положительным эффектором для анаэробных процессов окисления ГЛЮ (его взаимосвязь с показателем ЛАК/ПИР положительна), а рибофлавин оказывал противоположное влияние на эти процессы. Более высокое содержание ЛАК в ПР может быть обусловлено и более частой регистрацией гиповитаминоза тиамином вследствие нарушения работы пируватдегидрогеназ-ного комплекса [13]. У представителей ПР Са и Р оказывали влияние на повышение уровня ГЛЮ, это может быть обусловлено инактивацией некоторых ферментов гликолиза и гликогенолиза и активацией ферментов гликогенеза. Необходимо отметить разнонаправленное действие этих элементов на равновесие реакции ПИР ЛАК: Са смещает его в сторону ПИР, а Р в сторону ЛАК. Магний не оказывал прямого влияния на уровень ГЛЮ, но участвовал в регуляции содержания ПИР и ЛАК, его воздействие на оба параметра было ингибирующим, возможно, за счет активации ферментов глюконеогенеза. При этом взаимосвязь элемента с величиной ЛАК/ПИР была положительной, что указывает на стимулирующее действие Mg на анаэробные реакции окисления. Таким образом, на фоне более сниженной обеспеченности биоэлементами кальцием, фосфором, магнием, медью, а также тиамином в приарктическом регионе у детского и подросткового-юношеского населения установлены свои особенности углеводного обмена - не наблюдалось снижения уровня глюкозы при уменьшении концентрации пирувата и повышении уровня лактата, а также величин ЛАК/ПИР по сравнению с арктическими территориями. В приар-ктическом регионе значимое влияние на повышение содержания глюкозы оказывали кальций и фосфор, а в арктическом фосфор, наоборот, способствовал снижению ее уровня, видимо, вследствие того, что он являлся положительным эффектором для процессов

About the authors

O S Vlasova

institute of Environmental Physiology, Ural Branch of the RAS

Email: olgawlassova@mail.ru

F A Bichkaeva

institute of Environmental Physiology, Ural Branch of the RAS; Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

N I Volkova

institute of Environmental Physiology, Ural Branch of the RAS; Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

T V Tretykova

institute of Environmental Physiology, Ural Branch of the RAS

References

Supplementary files