БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

Abstract

DNA-TECHNOLOGY USING FOR REALIZATION OF SPORT-ORIENTED PHYSICAL EDUCATION CONCEPTION OF PUPILS IN NABEREZHNIYE CHELNY

I.I. Ahmetov, Postgraduate student

I.V. Astratenkova, Ph. D., lecturer

A.I. Komkova, Ph. D., lecturer

V.A. Rogozkin, Dr. Biol., professor, Head of Sports Biochemistry Department

St Petersburg Research Institute of Physical Culture, St Petersburg

V.K. Balsevich, Dr. Biol., Professor

Russian State Academy of Physical Culture, Sport and Tourism, Moscow

Key words: gene polymorphisms, genetic predisposition, physical performance, sports education, supplemental education, training process.

The purpose of this study was to determine the genetic predisposition to the physical performance of 534 pupils, aged 11-12, the inhabitants of Naberezhniye Chelny (Republic of Tatarstan,the Russian Federation), being engaged in the innovative project "Grant - Region - Tatarstan". This project includes the supplemental physical education and aims to enhance physical performance, as well as a health condition of pupils. The results of the genotyping for ACE, PPARa, PPARd and ACTN3 genes are expected to help in sports selection and prevent cardiovascular diseases, caused by the irrelevant training process.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДНК-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ КОНЦЕПЦИИ СПОРТИВНО ОРИЕНТИРОВАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ УЧАЩИХСЯ ШКОЛ Г. НАБЕРЕЖНЫЕ ЧЕЛНЫ

Аспирант И.И. Ахметов
Кандидат биологических наук, доцент И.В. Астратенкова
Кандидат биологических наук, доцент А.И. Комкова
Доктор биологических наук, профессор В.А. Рогозкин
Сектор биохимии спорта Санкт-Петербургского научно-исследова тельского института физической культуры, Санкт-Петербург

Доктор биологических наук, профессор В.К. Бальсевич
Российский государственный университет физической культуры, спорта и туризма, Москва

Ключевые слова: полиморфизмы генов, генетическая предрасположенность, физическая работоспособность, спортивно ориентированное физическое воспитание, тренировочный процесс.

Введение . На сегодняшний день уже реализуется несколько вариантов новых технологий преобразования традиционного процесса физического воспитания в спортивно ориентированный учебный процесс. Так, для осуществления инновационного проекта "Грант - Регион -Татарстан" к научно-исследовательским работам по теме: "Молекулярно-генетическое исследование специфики индивидуальной предрасположенности детей, обучающихся в школах г. Набережные Челны - участниц процесса освоения инновационных технологий спортивно ориентированного физического воспитания" , была привлечена лаборатория спортивной генетики Санкт-Петербургского НИИ физической культуры.

Инновационная сущность данного проекта заключается в проведении у школьников с 5-го класса трех 2-часовых занятий по физической культуре, вынесенных за рамки академического расписания, с целью повышения уровня физического развития, формирования здоровья и профилактики вредных привычек, вовлечения в процесс спортивного воспитания и как следствие - повышения уровня успеваемости в школе.

На основе избранного каждым учащимся вида спорта или общей физической подготовки с учетом проведенного нами молекулярно -генетического тестирования предрасположенности к физической деятельности и данных других исследований будут сформированы учебно-тренировочные группы.

Впервые для решения таких серьезных задач применяются высокие ДНК-технологии. Актуальность использования достижений спортивной генетики заключается в следующем. Каждый человек несет в себе уникальную генетическую информацию и программу для ее реализации. Соответственно, подход к выбору оптимального вида спорта и к построени ю тренировочного процесса должен быть строго индивидуальным. С помощью использования методов спортивной генетики существует возможность определения особенностей обмена веществ, состояния сердечно-сосудистой системы и свойств высшей нервной деятельности индивида.

Исследования показали, что спортсмен для достижения спортивных высот должен развивать свои сильные, а не слабые стороны. На раннем этапе развития организма в выявлении сильных сторон организма, его генетического потенциала хорошо себя зарекомендовал молекулярно -генетический анализ, в то время как обычные тесты наиболее эффективны после завершения роста организма.

Согласно принципам нового направления - персонифицированной спортивной тренировки, учитывающей генотипические особенности организма, для достижения одного и того же спортивного эффекта для каждого спортсмена должен быть построен индивидуальный тренировочный процесс.

Кроме того, необходимо отметить, что тренировка должна быть здоровьесберегающ ей и здоровьеформирующ ей. По результатам генетического тестирования можно предположить, например, будет ли у спортсмена развиваться чрезмерная гипертрофия миокарда в ответ на длительные нагрузки, имеется ли повышенный риск возникновения травм, артериальной гипертензии, повреждения головного мозга при занятиях боксом и т.д. Вместе с тем при выявлении полиморфизмов генов существует возможность оценки степени их активности. В ряде случаев низкая активность генов способна обуславливать такие патологические состояния, как сахарный диабет 2-го типа, ожирение и атеросклероз. Специальные физические тренировки и специфические диеты способны изменить патологическую генетическую программу и таким образом формировать здоровье.

Организация и методы исследования . Нами был проведен ДНК-анализ по полиморфизмам генов ангиотензин-превращающего фермента (ACE), альфа-рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом (PPAR), дельта-рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом (PPAR) и альфа-актинина 3 (ACTN3) у 534 учащихся 5-х классов средних школ № 10, 27, 28, 35 и 60 г. Набережные Челны (Республика Татарстан).

Забор биологического материала для генетического анализа проводили с помощью соскоба эпителиальных клеток из ротовой полости с помощью универсального зонда. ДНК выделяли сорбентным способом. Полиморфизм генов определяли с использованием метода полимеразной цепной реакции (ПЦР).

Ген ACE кодирует ангиотензин-превращающий фермент, который участвует в регуляции функций сердечно-сосудистой системы. Структурный полиморфизм гена ACE носит название инсерционно -делеционного (I/D) и заключается в наличии или отсутствии фрагмента ДНК длиной в 287 пар нуклеотидов в 16-м интроне, что подразумевает существование I и D-аллелей. Применение ПЦР позволяет выявить в гене ACE три генотипа, поскольку каждый индивид наследует от родителей по одному аллелю: II гомозиготы, ID гетерозиготы и DD гомозиготы. Существует тесная связь между генотипом ACE и активностью фермента, который регулирует содержание ангиотензина II. Этот пептид не только регулирует состояние гемодинамики человека, но и как фактор роста усиливает синтез структурных белков в клетках миокарда, что приводит к гипертрофии сердечной мышцы.

Многочисленные исследования показали, что II гомозиготы предрасположены к видам спорта на выносливость, а DD гомозиготы - к скоростно-силовым видам спорта и к гипертрофии миокарда при выполнении продолжительных нагрузок. Сердце, не предрасположенное к таким нагрузкам у DD гомозигот, начинает компенсаторно увеличиваться, а это явление рассматривается как крайне негативное, способное привести к инвалидности и смерти спортсмена. В данном случае субъективное ощущение дискомфорта во время выполнения продолжительной нагрузки является защитной реакцией организма [3, 4]. Таким образом, I-аллель можно отнести к группе аллелей выносливости, а D-аллель - к группе аллелей скорости/силы.

Функции генов PPAR и PPAR, активирующих экспрессию нескольких десятков генов, вовлеченных в метаболизм мышечных тканей, в основном сходны и определяют обмен жиров и углеводов. Однако ген PPAR в мышечной ткани экспрессируется в среднем в 10 раз больше, чем ген PPAR. Известно, что G/C полиморфизм 7-го интрона гена PPARa связан с преобладанием метаболизма жирных кислот или глюкозы. У носителей G-аллеля (GG гомозиготы и гетерозиготы) окисление жирных кислот в печени, миокарде, скелетных мышцах и других органах происходит намного интенсивнее, чем у носителей С-аллеля. Недостаток окисления жирных кислот у последних компенсируется повышением утилизации глюкозы [2]. На этом основании G-аллель относится к группе аллелей выносливости, а С-аллель - к группе аллелей скорости/силы.

Эксперименты показали, что +294T/C полиморфизм 4-го экзона гена PPARD ассоциирован с проявлением сверхэкспрессии гена. Носители редкого С-аллеля имеют более высокий потенциал окисления жирных кислот [5]. Соответственно, С-аллель можно отнести к группе аллелей выносливости.

Ген ACTN3 кодирует белок, обеспечивающий быстрое сокращение мышечных волокон. Известно, что в скелетных мышцах существуе т две изоформы белка a-актинина: изоформа -актинин-2 (ACTN2) и изоформа -актинин-3 (ACTN3). Все мышечные волокна содержат -актинин-2, тогда как белок -актинин-3 локализован только в быстросокращающихся волокнах скелетных мышц. Дефицит -актинина-3 в быстросокращающихся мышечных волокнах может снижать скоростно-силовые показатели физической работоспособности человека. Причиной такого недостатка ACTN3 у человека является однонуклеотидная замена цитозина на тимин в 577-м нуклеотиде кодирующей последовательности, который находится в 16-м экзоне. Нуклеотидная форма записи этой мутации - R577X. Наличие полиморфизма в гене ACTN3 позволяет выявить три генотипа: RR гомозиготы по нормальному аллелю, RX гетерозиготы, XX гомозиготы по мутантному аллелю. Около 16% мировой популяции гомозиготны по X-аллелю, и их мышцы не содержат белок -актинин-3. Однако патологии мышц у таких людей не наблюдается, так как -актинин-2 компенсирует его отсутствие в Z-дисках быстросокращающихся мышечных волокон. Вместе с тем наличие 577R-аллеля, свидетельствующего о присутствии в скелетных мышцах белка -актинина-3, дает преимущество индивидуумам в проявлении скоростно-силовых физических качеств [6]. Данный факт позволяет полагать, что R-аллель относится к группе аллелей скорости/силы.

Результаты и их обсуждение . На основе определения полиморфизмов этих генов были выявлены комбинации генотипов и составлены рекомендации по выбору определенных видов спорта и оптимальному тренировочному процессу для каждого учащегося.

Для некоторого упрощения понимания полученных результатов можно использовать следующий подход с учетом всего двух параметров. Физическая работоспособность человека определяется общим физическим состоянием (работой сердечно-сосудистой и дыхательной систем) и локальной работой мышечно-связочного аппарата.

Способность сердечно-сосудистой системы выдерживать длительные нагрузки без заметных структурных изменений миокарда оценивалась по результатам генотипирования генов 
ACE и PPAR.

На основе определения полиморфизмов всех четырех генов для удобства свойства локальной (мышечной) работоспособности можно охарактеризовать с помощью состава мышечных волокон. Состав мышечных волокон заложен на генетическом уровне и в процессе тренировок меняется незначительно. У человека в основном встречаются 3 типа мышечных волокон: быстрые, промежуточные и медленные.

Выдающиеся спринтеры, метатели, толкатели ядра, штангисты и прыгуны имеют высокий процент быстрых мышечных волокон. В российской популяции таких людей не более 15%. Примерно 30% населения России относится к потенциальным стайерам за счет преобладания в скелетной мускулатуре медленных мышечных волокон. Около половины российской популяции имеют в составе мышц 40-60% медленных волокон. Они способны достичь высоких результатов на средних дистанциях и в таких видах спорта, где требуется переменная мощность (спортивные игры, единоборства). И, наконец, около 10% населения являются универсалами благодаря высокому уровню содержания промежуточных волокон.

Экспериментальные данные говорят об ассоциации I-аллелей (ген ACE), G (ген PPAR), C (ген PPAR ) и X (ген ACTN3) с медленными мышечными волокнами и, напротив, D-аллелей (ген ACE), C (ген PPAR) и R (ген ACTN3) с быстрыми волокнами. Зная сочетание аллелей генов у ребенка, можно косвенно определить состав мышечных волокон в скелетной мускулатуре и как следствие - его спортивную ориентацию. При несоответствии состава мышечных волокон характеру выполняемой работы рост спортивного мастерства прекращается и такие спортсмены отсеиваются в процессе многоэтапного отбора.

Таким образом, давая рекомендаци и по генетической предрасположенности учащихся к физической деятельности , мы оценивали два параметра: готовность сердечно-сосудистой системы переносить определенные нагрузки и предрасположенность к скорости/силе и/или к выносливости.

Надо отметить, что наиболее тренируемыми физическими качествами являются общая выносливость и ловкость, а наименее тренируемыми - быстрота и гибкость. Это означает, что последние два качества в наибольшей степени зависят от генетического влияния, чем от средовых факторов. Иначе говоря, показатели скорости в процессе многолетней тренировки увеличиваются в 1,5 - 2 раза, качество силы - в 1,5 - 4 раза, а качество выносливости - в десятки раз за счет широкого спектра адаптационных механизмов [1].

В табл. 1 и 2 приведены результаты генотипирования по 4 полиморфизмам генов 
ACE, PPAR, PPAR и ACTN3 у 534 учащихся школ г. Набережные Челны на примере встречаемости частот аллелей выносливости и скорости/силы.

Таблица 1. Частота встречаемости аллелей выносливости,

Таблица 2. Частота встречаемости аллелей скорости/силы, %

Таблица 3. Распределение учащихся г. Набережные Челны (п=534) по различным категориям предрасположенности к физической деятельности

Теоретически возможное количество комбинаций генотипов по 4 генам составляет 3⁴=81. Мы получили 52 комбинации. Комбинации генотипов нескольких генов удобно анализировать по рейтинговой системе, в результате чего выходят комбинации с преобладанием аллелей выносливости, либо скорости и силы, либо с равным количеством и тех и других аллелей.

Самая часто встречающаяся комбинация среди 534 детей была ID RX GG TT (78 человек), соответствующая генам ACE, ACTN3, PPAR и PPAR, что подразумевает смешанное сочетание аллелей выносливости и скорости/силы с потенциалом некоторого преобладания аэробных возможностей организма. В итоге мы выделили 23,2% учащихся, предрасположенных к проявлению выраженной выносливости, 19,3% учащихся с высоким скоростно-силовым потенциалом, 12,2% универсалов (одинаково предрасположенных к проявлению скорости/силы и выносливости) и 12,2% учащихся со смешанным метаболизмом. В последнем случае у данной категории отсутствует какая-либо выраженная предрасположенность к проявлению выносливости, скорости и силы (предрасположенность к игровым видам спорта, единоборствам, бегу и плаванию на средние дистанции и т.д.). Остальные 33,1% учащихся имели умеренную предрасположенность к проявлению выносливости или скорости/силы. Подробные данные приведены в табл. 3.

Итак, полученные данные о распределении учащихся по предрасположенности к различным видам мышечной деятельности на основе генотипирования почти полностью совпадают с данными, полученными на основе биопсии мышечных волокон в российской популяции. Использование большего количества полиморфизмов генов в будущем позволит проводить более точную косвенную оценку состава мышечных волокон.

Выделенные нами первые 3 категории учащихся (предрасположенные к проявлению выносливости и универсалы; 214 человек) попадают в группу наименьшего риска предрасположенности к гипертрофии миокарда при занятиях видами спорта на выносливость.

Результаты исследования прояснили вопрос о частоте встречаемости отдельных аллелей 4 генов в различных популяциях. В целом никаких различий между русскими и татарами обнаружено не было. Рейтинговая система по преобладанию аллелей выносливости либо скорости/силы также не показала различий.

В заключение следует отметить, что все обследованные нами учащиеся, не имеющие серьезных отклонений в здоровье, генетически предрасположены к занятиям различными видами спорта и способны достичь в них определенных успехов без вреда для здоровья. Однако окончательное количество индивидов, достигших высокого уровня спортивного мастерства, будет обусловлено известными факторами внешней среды.

Литература

1. Сологуб Е., Таймазов В. Спортивная генетика: Учеб. пос. - М.: Терра-Спорт, 2000. - 127 с.

2. Jamshidi Y., Montgomery H.E., Hense H.-W. et al. Peroxisome proliferator-activated receptor a-gene regulates left ventricular growth in response to exercise and hypertension. Circulation. 105: 950-955. 2002.

3. Montgomery H., Clarkson P., Bornard M. et al. Angiothensin-converting enzyme gene insertion/deletion polymorphism and response to physical training. Lancet, 1999, v. 53, p. 541 - 545.

4. Myerson S., Hemingway H., Budget R. et al. Human angiotensin I-converting enzyme gene and endurance performance // J. Appl. Physiol., 1999, v. 87 (4). - Р. 1313-1316.

5. Skogsberg J., Kannisto K., Cassel T.N. et al. Evidence That Peroxisome Proliferator-Activated Receptor Delta Influences Cholesterol Metabolism in Men. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 23: 637. 2003.

6. Yang N., MacArthur D.G., Gulbin J.P. et al. ACTN3 genotype is associated with human elite athletic performance //Am. J. Hum. Genet. 2003, Sept., 73(3): 627-31.

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на журнал обязательна!