«Ульяновский медико-биологический журнал»

PHYSIOLOGY

Download  article

DOI 10.34014/2227-1848-2020-1-108-117

 

LEVELS OF FREE PLASMA AMINO ACIDS UNDER ACUTE NORMOBARIC HYPOXIA IN VOLUNTEERS IN FASTED AND POSTPRANDIAL STATES

A.A. Chernykh1, N.N. Potolitsyna1, E.A. Burykh2, E.R. Boyko1

1 Institute of Physiology, Коmi Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Ural Branch, Syktyvkar, Komi Republic, Russia;

2 Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences, Saint-Petersburg, Russia

 

The aim of the study was to assess the effect of acute normobaric hypoxia on free plasma amino acids (AA) in volunteers after overnight fasting and in the fed state.

Materials and Methods. Group 1 (n=13, aged 22–32) participated in the study in the morning after overnight fasting. Group 2 (n=9, aged 22–32) took part in the study after a light fat-free breakfast. Acute normobaric hypoxia was achieved by breathing a hypoxic gas mixture (9 % O2 and 91 % N2) through a mask. According to the experimental protocol, blood sampling from the cubital vein was performed for analysis. Free plasma amino acids were analyzed using the Aracus amino acid analyzer.

Results. Prior to the hypoxia onset, at the 5th and 20th minutes of hypoxia, no statistically significant differences in free AA levels were observed in the groups (p>0.05). At the 10th minute of hypoxia the levels of four AAs (serine, threonine, glutamine, and histidine) were significantly higher in Group 1 than in Group 2 (p<0.05).

This was probably due to differences in functioning of several key “harmonizing” AA transporters (ASCT1 (SLC1A4), ASCT2 (SLC1A5) and LAT1 (SC7A5)), for which the AAs were metabolic substrates. It can be assumed, that such changes were caused by currently unclear mechanisms of fast regulation of AA transporter activity, associated with nutritional status.

Conclusion. We believe that our findings may be important for providing better adaptation to hypoxia, and for more efficient correction of hypoxic negative effects.

Keywords: acute normobaric hypoxia, free plasma amino acids, human.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

 

References

  1. Küpper T., Milledge J.S., Hillebrandt D., Kubalová J., Hefti U., Basnyat B. Work in hypoxic conditions-consensus statement of the Medical Commission of the Union Internationale des Associations d'Alpinisme (UIAA MedCom). Ann. Occup. Hyg. 2011; 55 (4): 369–386.

  2. Soroko S.I., Burykh E.A., Bekshaev S.S., Sergeeva E.G. Kompleksnoe mnogoparametricheskoe issledovanie sistemnykh reaktsiy organizma cheloveka pri dozirovannom gipoksicheskom vozdeystvii [Comprehensive multi-parameter study of human systemic reactions under dosed hypoxic exposure]. Fiziologiya cheloveka. 2005; 31 (5): 88–109 (in Russian).

  3. Balykin M.V., Sagidova S.A., Ayzyatulova E.D., Antipov I.V., Zharkov A.V. Gipoksiya: sistemnye, organnye, molekulyarno-kletochnye mekhanizmy kompensatsii i adaptatsii [Hypoxia: systemic, organic and molecular-cellular mechanisms of compensation and adaptation]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2016; 4: 12–14 (in Russian).

  4. Vetosh A.N. Vzaimodeystvie kislorodchuvstvitel'nykh mekhanizmov v kletke [Interaction of oxygen-sensing mechanisms in cells]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2019; 3: 52–62 (in Russian).

  5. Solberg R., Enot D., Deigner H.P., Koal T., Scholl-Burgi S., Saugstad O.D. Metabolomic Analyses of Plasma Reveals New Insights into Asphyxia and Resuscitation in Pigs. Plos One. 2010; 5 (3): e9606.

  6. Wu G. Functional amino acids in nutrition and health. Amino Acids. 2013; 45 (3): 407–411.

  7. Dillon E.L. Nutritionally essential amino acids and metabolic signaling in aging. Amino Acids. 2012; 45 (3): 431–441.

  8. Bröer S., Bröer A. Amino acid homeostasis and signalling in mammalian cells and organisms. Biochemical Journal. 2017; 474 (12): 1935–1963.

  9. Cynober L.A. Plasma amino acid levels with a note on membrane transport: characteristics, regulation, and metabolic significance. Nutrition. 2002; 18 (9): 761–766.

  10. Felig P., Owen O.E., Wahren J., Cahill G.F.Jr. Amino acid metabolism during prolonged starvation. The Journal of clinical investigation. 1969; 48 (3): 584–594.

  11. Brosnan J.T. Interorgan amino acid transport and its regulation. Journal of Nutrition. 2003; 133 (6): 2068S–2072S.

  12. Castell L.M., Thake C.D., Ensign W. Biochemical markers of possible immunodepression in military training in harsh environments. Military medicine. 2010; 175 (3): 158–165.

  13. Liao W.T., Liu B., Chen J., Cui J.H., Gao Y.X., Liu F.Y. Metabolite Modulation in Human Plasma in the Early Phase of Acclimatization to Hypobaric Hypoxia. Scientific reports. 2016; 6: 22589.

  14. World Medical Association Declaration of Helsinki. Ethical principles for medical research involving human subjects. Bull World Health Organ. 2001; 79 (4): 373–374.

  15. Boyko E.R., Lyudinina A.Yu., Burykh E.A., Potolitsyna N.N., Kaneva A.M., Ponomarev M.B., Shadrina V.D., Parshukova O.I., Irzhak L.I., Soroko S.I. Izmenenie pula zhirnykh kislot v plazme krovi u cheloveka pri vozdeystvii ostroy normobaricheskoy gipoksii. [Fatty acid of human plasma under the influence of acute strong normobaric hypoxia]. Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal im. I.M. Sechernova. 2010; 96 (5): 441–454 (in Russian).

  16. Milsom J.P., Morgan M.Y., Sherlock S. Factors affecting plasma amino acid concentrations in control subjects. Metabolism. 1979; 28 (4): 313–319.

  17. Bailey D.M., Castell L.M., Newsholme E.A., Davies B. Continuous and intermittent exposure to the hypoxia of altitude: implications for glutamine metabolism and exercise performance. British Journal of Sports Medicine. 2000; 34 (3): 210–212.

  18. Millward D.J., Nnanyelugo D.O., James W.P.T., Garlick P.J. Protein metabolism in skeletal muscle: the effect of feeding and fasting on muscle RNA, free amino acids and plasma insulin concentrations. British Journal of Nutrition. 1974; 32 (1): 127–142.

  19. Mizushima N. The role of the Atg1/ULK1 complex in autophagy regulation. Current Opinion in Cell Biology. 2010; 22 (2): 132–139.

  20. Scalise M., Galluccio M., Console L., Pochini L., Indiveri C. The Human SLC7A5 (LAT1): The Intriguing Histidine/Large Neutral Amino Acid Transporter and Its Relevance to Human Health. Frontiers in Chemistry. 2018; 6 (243).

  21. Bergstrom J., Furst P., Noree L.O., Vinnars E. Intracellular free amino acid concentration in human muscle tissue. J. Appl. Physiol. 1974; 36 (6): 693–697.

  22. Bhutia Y.D., Ganapathy V. Glutamine transporters in mammalian cells and their functions in physiology and cancer. Biochim. Biophys. Acta. 2016; 1863 (10): 2531–2539.

  23. Ling R., Bridges C.C., Sugawara M., Fujita T., Leibach F.H., Prasad P.D. Involvement of transporter recruitment as well as gene expression in the substrate-induced adaptive regulation of amino acid transport system A. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 2001; 1512 (1): 15–21.

  24. Hyde R., Peyrollier K., Hundal H.S. Insulin promotes the cell surface recruitment of the SAT2/ATA2 system A amino acid transporter from an endosomal compartment in skeletal muscle cells. The Journal of biological chemistry. 2002; 277 (16): 13628–13634.

  25. Dickens D., Chiduza G.N., Wright G.S.A., Pirmohamed M., Antonyuk S.V., Hasnain S.S. Modulation of LAT1 (SLC7A5) transporter activity and stability by membrane cholesterol. Scientific reports. 2017; 7: 43580.

Received 19 December 2019; accepted 15 January 2020.

 

Information about the authors

Chernykh Aleksey Anatol'evich, Junior Researcher, Department of Environmental and Medical Physiology, Institute of Physiology, Коmi Science Centre, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 167982, Russia, Syktyvkar, Pervomayskaya Street, 50; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-1574-5588

Potolitsyna Natalya Nikolaevna, Candidate of Sciences (Biology), Senior Researcher, Department of Environmental and Medical Physiology, Institute of Physiology, Коmi Science Centre, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 167982, Russia, Syktyvkar, Pervomayskaya Street, 50; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-4804-6908

Burykh Eduard Anatol'evich, Candidate of Sciences (Medicine), Senior Researcher, Laboratory of Comparative Ecological and Physiological Studies, Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences. 194223, Russia, Saint-Petersburg, Torez ave., 44; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-0407-8000

Boyko Evgeniy Rafailovich, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Head of Department of Environmental and Medical Physiology, Institute of Physiology, Коmi Science Centre, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 167982, Russia, Syktyvkar, Pervomayskaya Street, 50; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-8027-898X

 

For citation

Chernykh A.A., Potolitsyna N.N., Burykh E.A., Boyko E.R. Pokazateli svobodnykh aminokislot plazmy krovi cheloveka pri normobaricheskoy gipoksii v zavisimosti ot pishchevogo statusa [Levels of free plasma amino acids under acute normobaric hypoxia in volunteers in fasted and postprandial states]. Ulyanovsk Medico-Biological Journal. 2020; 1: 108–117. DOI: 10.34014/2227-1848-2020-1-108-117 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 612.014.464:612.015.348

DOI 10.34014/2227-1848-2020-1-108-117

 

ПОКАЗАТЕЛИ СВОБОДНЫХ АМИНОКИСЛОТ ПЛАЗМЫ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ НОРМОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПИЩЕВОГО СТАТУСА

А.А. Черных1, Н.Н. Потолицына1, Э.А. Бурых2, Е.Р. Бойко1

1 Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Коми научный центр» Уральского отделения Российской академии наук, г. Сыктывкар, Россия;

2 ФГБУН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук, г. Санкт-Петербург, Россия

 

Цель исследования: изучить воздействие острой нормобарической гипоксии на метаболизм свободных аминокислот (АК) плазмы крови у добровольцев, участвовавших в исследовании натощак
и после лёгкого завтрака.

Материалы и методы. Первая группа добровольцев (22–32 года, n=13) участвовала в исследовании утром натощак, вторая группа (22–32 года, n=9) – через 2–3 ч после лёгкого безжирового завтрака. Гипоксия создавалась путём подачи через маску дыхательной смеси, содержащей 9 % О2 и 91 % N2. В соответствии с протоколом проводился периодический забор крови из локтевой вены для анализа. Оценка уровней свободных АК плазмы крови производилась с помощью аминокислотного анализатора Aracus.

Результаты. До начала гипоксии, на 5-й и 20-й мин гипоксии уровни свободных АК в первой и второй группах значимо не различались (p>0,05). На 10-й мин гипоксии между первой и второй группами наблюдались статистически значимые различия уровней четырёх АК: глутамина, серина, треонина и гистидина (p<0,05).

Это, вероятно, было обусловлено изменениями в работе «гармонизирующих» мембранных транспортёров (ASCT1 (SLC1A4), ASCT2 (SLC1A5) и LAT1 (SC7A5)), для которых эти АК являются обменными субстратами. Можно предположить, что данные изменения были опосредованы пока неясными механизмами быстрой регуляции активности этих транспортёров, зависящими от питания.

Выводы. Мы полагаем, что полученные результаты могут иметь значение для обеспечения адаптации организма человека к острой гипоксии и эффективной коррекции последствий гипоксического воздействия.

Ключевые слова: острая нормобарическая гипоксия, свободные аминокислоты плазмы крови, человек.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

 

Литература

  1. Küpper T., Milledge J.S., Hillebrandt D., Kubalová J., Hefti U., Basnyat B. Work in hypoxic conditions-consensus statement of the Medical Commission of the Union Internationale des Associations d'Alpinisme (UIAA MedCom). Ann. Occup. Hyg. 2011; 55 (4): 369–386.

  2. Сороко С.И., Бурых Э.А., Бекшаев С.С., Сергеева Е.Г. Комплексное многопараметрическое исследование системных реакций организма человека при дозированном гипоксическом воздействии. Физиология человека. 2005; 31 (5): 88–109.

  3. Балыкин М.В., Сагидова С.А., Айзятулова Е.Д., Антипов И.В., Жарков А.В. Гипоксия: системные, органные, молекулярно-клеточные механизмы компенсации и адаптации. Ульяновский медико-биологический журнал. 2016; 4: 12–14.

  4. Ветош А.Н. Взаимодействие кислородчувствительных механизмов в клетке. Ульяновский медико-биологический журнал. 2019; 3: 52–62.

  5. Solberg R., Enot D., Deigner H.P., Koal T., Scholl-Burgi S., Saugstad O.D. Metabolomic Analyses of Plasma Reveals New Insights into Asphyxia and Resuscitation in Pigs. Plos One. 2010; 5 (3): e9606.

  6. Wu G. Functional amino acids in nutrition and health. Amino Acids. 2013; 45 (3): 407–411.

  7. Dillon E.L. Nutritionally essential amino acids and metabolic signaling in aging. Amino Acids. 2012; 45 (3): 431–441.

  8. Bröer S., Bröer A. Amino acid homeostasis and signalling in mammalian cells and organisms. Biochemical Journal. 2017; 474 (12): 1935–1963.

  9. Cynober L.A. Plasma amino acid levels with a note on membrane transport: characteristics, regulation, and metabolic significance. Nutrition. 2002; 18 (9): 761–766.

  10. Felig P., Owen O.E., Wahren J., Cahill G.F.Jr. Amino acid metabolism during prolonged starvation. The Journal of clinical investigation. 1969; 48 (3): 584–594.

  11. Brosnan J.T. Interorgan amino acid transport and its regulation. Journal of Nutrition. 2003; 133 (6): 2068S–2072S.

  12. Castell L.M., Thake C.D., Ensign W. Biochemical markers of possible immunodepression in military training in harsh environments. Military medicine. 2010; 175 (3): 158–165.

  13. Liao W.T., Liu B., Chen J., Cui J.H., Gao Y.X., Liu F.Y. Metabolite Modulation in Human Plasma in the Early Phase of Acclimatization to Hypobaric Hypoxia. Scientific reports. 2016; 6: 22589.

  14. World Medical Association Declaration of Helsinki. Ethical principles for medical research involving human subjects. Bull World Health Organ. 2001; 79 (4): 373–374.

  15. Бойко Е.Р., Людинина А.Ю., Бурых Э.А., Потолицына Н.Н., Канева А.М., Пономарев М.Б., Шадрина В.Д., Паршукова О.И., Иржак Л.И., Сороко С.И. Изменение пула жирных кислот в плазме крови у человека при воздействии острой нормобарической гипоксии. Российский физиологический журнал им. И.М. Сечернова. 2010; 96 (5): 441–454.

  16. Milsom J.P., Morgan M.Y., Sherlock S. Factors affecting plasma amino acid concentrations in control subjects. Metabolism. 1979; 28 (4): 313–319.

  17. Bailey D.M., Castell L.M., Newsholme E.A., Davies B. Continuous and intermittent exposure to the hypoxia of altitude: implications for glutamine metabolism and exercise performance. British Journal of Sports Medicine. 2000; 34 (3): 210–212.

  18. Millward D.J., Nnanyelugo D.O., James W.P.T., Garlick P.J. Protein metabolism in skeletal muscle: the effect of feeding and fasting on muscle RNA, free amino acids and plasma insulin concentrations. British Journal of Nutrition. 1974; 32 (1): 127–142.

  19. Mizushima N. The role of the Atg1/ULK1 complex in autophagy regulation. Current Opinion in Cell Biology. 2010; 22 (2): 132–139.

  20. Scalise M., Galluccio M., Console L., Pochini L., Indiveri C. The Human SLC7A5 (LAT1): The Intriguing Histidine/Large Neutral Amino Acid Transporter and Its Relevance to Human Health. Frontiers in Chemistry. 2018; 6 (243).

  21. Bergstrom J., Furst P., Noree L.O., Vinnars E. Intracellular free amino acid concentration in human muscle tissue. J. Appl. Physiol. 1974; 36 (6): 693–697.

  22. Bhutia Y.D., Ganapathy V. Glutamine transporters in mammalian cells and their functions in physiology and cancer. Biochim Biophys Acta. 2016; 1863 (10): 2531–2539.

  23. Ling R., Bridges C.C., Sugawara M., Fujita T., Leibach F.H., Prasad P.D. Involvement of transporter recruitment as well as gene expression in the substrate-induced adaptive regulation of amino acid transport system A. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 2001; 1512 (1): 15–21.

  24. Hyde R., Peyrollier K., Hundal H.S. Insulin promotes the cell surface recruitment of the SAT2/ATA2 system A amino acid transporter from an endosomal compartment in skeletal muscle cells. The Journal of biological chemistry. 2002; 277 (16): 13628–13634.

  25. Dickens D., Chiduza G.N., Wright G.S.A., Pirmohamed M., Antonyuk S.V., Hasnain S.S. Modulation of LAT1 (SLC7A5) transporter activity and stability by membrane cholesterol. Scientific reports. 2017; 7: 43580.

Поступила в редакцию 19.12.2019; принята 15.01.2020.

 

Авторский коллектив

Черных Алексей Анатольевич – младший научный сотрудник отдела экологической и медицинской физиологии, Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Коми научный центр» Уральского отделения Российской академии наук. 167982, Россия, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, 50; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-1574-5588

Потолицына Наталья Николаевна – кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела экологической и медицинской физиологии, Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Коми научный центр» Уральского от-деления Российской академии наук. 167982, Россия, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, 50; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-4804-6908

Бурых Эдуард Анатольевич – кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник лаборатории сравнительных эколого-физиологических исследований, ФГБУН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук. 194223, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Тореза, 44; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-0407-8000

Бойко Евгений Рафаилович – доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделом экологической и медицинской физиологии, Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Коми научный центр» Уральского отделения Российской академии наук. 167982, Россия, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, 50; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-8027-898X

 

Образец цитирования

Черных А.А., Потолицына Н.Н., Бурых Э.А., Бойко Е.Р. Показатели свободных аминокислот плазмы крови человека при нормобарической гипоксии в зависимости от пищевого статуса. Ульяновский медико-биологический журнал. 2020; 1: 108–117. DOI: 10.34014/2227-1848-2020-1-108-117.