Силовая тренировка: влияние на гормон роста
Источник:
Эндокриная система, спорт и двигательная активность.
Перевод с англ./под ред. У.Дж. Кремера и А.Д. Рогола. - Э64
Издательство: Олимп. литература, 2008 год.
Содержание
Силовая тренировка: острые и хронические изменения концентрации соматотропного гормона
Силовые упражнения представляют собой вид двигательной активности, обладающий наиболее выраженным анаболическим воздействием на мышцы и соединительные ткани (Kraemer et al., 1996). Соматотропный гормон (СТГ), который еще называют гормоном роста, — это плейотропный полипептид, который благодаря опосредованному участию во множестве процессов роста и обмена веществ оказывает разнообразное действие на метаболическое состояние организма человека. Сложность системы продукции и секреции СТГ аденогипофизом, наличие различных комплексов и СТГ-связывающих белков (GHBP) только начинают обсуждаться в публикациях, посвященных занятиям силовыми упражнениями и силовой тренировке, и по-прежнему остаются головоломкой, многие части которой все еще требуют тщательного изучения (Nindl et al., 2003). Как бы там ни было, понимание ответных реакций и адаптационных изменений СТГ с мол. массой 22 кДа будет и в дальнейшем оставаться важным компонентом наших представлений об адаптационных реакциях организма к занятиям силовой направленности. При образовании гена hGH-N в аденогипофизе образуется основной представитель семейства СТГ с молекулярной массой 22 кДа. Этот белок состоит из 191 аминокислотного остатка (мономер с мол. массой 22 к Да составляет около 21 % всего СТГ, циркулирующего в кровеносной системе). Следующим по представленности является белок с молекулярной массой 20 кДа, составляющий около 6 % СТГ плазмы крови. Эта форма — продукт передачи мРНК, образованной в результате альтернативного синтеза, при котором утрачиваются 32—46-й аминокислотные остатки. Кроме того, гормон роста человека может подвергаться посттрансляционным модификациям и протеолитическому расщеплению в периферических тканях, вследствие чего образуются разнообразные варианты и агрегаты (т. е. димеры, тримеры, пентамеры), а также фрагменты, обнаруживаемые в крови. Существование высоко- и низкоаффинного СТГ-связывающих белков (которые секретируются гипофизом, а также образуются в результате протеолитического расщепления рецептора СТГ) еще более увеличивают комплексность природы и пространственного распределения вариантов СТГ в системе кровообращения.
Секреция и контроль уровня соматотропного гормона
Выработка и секреция многих гипофизарных гормонов находится под контролем гипоталамуса. Для стимуляции и подавления секреции СТГ организм использует гипоталамические гормоны соматолиберин (соматотронин-рилизинг-фактор) и соматостатин соответственно. Эти регуляторные факторы секретируются нейронами, расположенными в дугообразном, пери- и паравентрикулярном ядрах гипоталамуса, окончания аксонов которых достигают срединного возвышения гипоталамуса. Соматолиберин и соматостатин выделяются в портальную систему венозных капилляров, которая выполняет роль гуморального пути их передачи непосредственно в переднюю долю гипофиза. Портальная кровеносная система начинается от капиллярных петель в области срединного возвышения серого бугра гипоталамуса и по портальным венам ножки гипофиза попадает в гипофиз. В передней доле гипофиза (аденогипофизе) портальные сосуды разделяются на синусоиды, которые обеспечивают снабжение клеток питательными веществами. Эти сосуды имеют очень небольшой диаметр и чрезвычайно высокую проницаемость стенок. Благодаря этому регуляторные факторы из гипоталамуса попадают в секреторные клетки аденогипофиза (т. е. соматотрофы). Использование центрифугирования в градиенте плотности позволило выделить функционально различные типы соматотрофов (т. с. клетки типа I и II, или полосы I и II). Соматотрофные нейроны из этих двух фракций различаются также морфологически по характеру окраски и ультраструктуре клетки. Кроме того, было показано, что они различаются по своей чувствительности к гипоталамическим регуляторным факторам — клеткам типа I присуща более высокая чувствительность (Snyder et al., 1977). Вопрос о физиологическом значении такой клеточной гетерогенности, равно как и о возможном дифференциальном воздействии физической нагрузки на разные типы клеток, остается нерешенным, представляя собой привлекательное поле для будущих исследований, поскольку известно, что комплексность индуцированной двигательной активностью секреции и адаптационных изменений взаимосвязана с гетерогенностью различных молекулярных изоформ соматотропного гормона и его агрегатов.
Согласно классическим представлениям, центральным механизмом, лежащим в основе волнообразного характера секреции СТГ, является повышение уровня соматолиберина в портальной системе гипофиза в сочетании со спадом секреции соматостатина. Точные молекулярные механизмы волнообразного характера секреции пока что не выходят за рамки предположений. На основной механизм контроля накладывается влияние других регуляторных факторов, определяющих чувствительность соматотрофов в любой текущий момент времени. Существуют доказательства того, что соматолиберин стимулирует биосинтез соматотропина и его секрецию, тогда как соматостатин подавляет секрецию, не оказывая влияния на выработку гормона. Предполагают также, что соматолиберин необходим для инициации выброса СТГ, а соматостатин определяет величину этого выброса. Последнее подтверждается исследованиями, в которых было показано, что повышение уровня СТГ, индуцированное соматолиберином, усиливается в случае применения антагонистов соматостатина (а именно, пиридостигмина — ингибитора ацетилхолинэстеразы — и гексапептида стимулирующих секрецию СТГ пептидов) (Сарра et al., 1993). Клонирование рецептора, стимулирующего секрецию СТГ, также продемонстрировало существование еще одного белкового фактора, стимулирующего секрецию СТГ, лиганда этого рецептора, который дникак не удавалось идентифицировать до последнего времени, когда было установлено, что это фелин — элемент новой физиологической системы регуляции секреции СТГ.
Достоверно установлен факт циклического, волнообразного характера секреции СТГ аденогипофизом в течение суток с максимальным всплеском секреции во время фазы медленноволнового сна. Такой волнообразный характер секреции СТГ обусловлен регуляторным воздействием двух гипоталамических гормонов, один из которых — соматолиберин — стимулирует, а другой — соматостатин — подавляет выделение гормона роста. Соотношение этих двух гормонов определяет относительную величину выброса СТГ аденогипофизом.
Создается впечатление, что СТГ может оказывать негативное обратное воздействие на собственную секрецию. При введении одноразовой дозы СТГ человеку последующее увеличение секреции гормона в ответ на стимуляцию соматолиберином значительно уменьшается или не обнаруживается вообще (Scanlon et al., 1996). Такое снижение чувствительности соматотрофов может быть предотвращено предварительной активацией холинергических путей. В настоящий момент представляется, что изменения в уровне секреции СТГ опосредованы через подавление секреции соматостатина через холинергические пути (Giustina, Veldhuis, 1998). Как отмечалось выше, соматостатин подавляет секрецию СТГ, но не синтез гормона. Это очень важно, поскольку позволяет объяснить быстрое восстановление секреции СТГ после применения и последующего удаления соматостатина (Giustina, Veldhuis, 1998).
Существует множество нейромодуляторов (нейропептиды, нейротрансмиттеры, физиологические состояния), которые могут играть ту или иную роль в регуляции секреции СТГ посредством соматолиберина и соматостатина и которые подверглись пристальному вниманию при исследовании регуляторных механизмов. Было высказано предположение, что “специфический контроль секреции соматолиберина и соматостатина, осуществляемый половыми стероидами, может обусловливать половые различия, тогда как неизвестные (не с половыми отличиями) факторы могут определять способность физической нагрузки в значительной степени противостоять эффекту аутоингибирования СТГ" (Veldhuis ct al., 2004). В табл. обобщены данные об известных модуляторах секреции СТГ. Их действие может состоять в стимуляции (а1-адренергетики, аминокислоты, дофамин, мускариновые холинергетики, ГАМК(-В), галанин, соматотропин рилизинг пептид, гистамин, гипогликемия, нейромедин С, опиаты, серотонин, диабет, разовые и продолжительные физические нагрузки, недостаточное питание и стресс) либо в подавлении (а2-адренергетики, иммунизация, кортизон /глюкокортикоиды, глюкоза, гипотиреоз, ожирение, старение) секреции СТГ. Периферическая цепь обратной связи, регулирующая секрецию СТГ соматотрофами, опосредуется комплексом воздействий СТГ на мишени, а именно, инсулиноподобный фактор роста I (ИФР-1), глюкоза и жирные кислоты могут по отдельности оказывать регуляторное воздействие на активность гипоталамо-гипофизарной системы. Представленная в табл. совокупность разнообразных нейрорегуляторных факторов, оказывающих влияние па секрецию СТГ, еще раз подчеркивает комплексность системы регуляции секреции СТГ. Взаимодействие физических нагрузок и многих из этих факторов в отношении контроля секреции СТГ пока остается неясным.
Молекулярная гетерогенность соматотропного гормона
Соматотропный гормон обладает двумя уникальными особенностями: волнообразным характером секреции и значительной молекулярной гетерогенностью. При экспрессии гена GH-N образуется основной представитель семейства СТГ — изоформа гормона с молекулярной массой 22 к Да. Этот белок представляет собой одну полипептидпую цепь из 191 аминокислотного остатка, имеющую два внутренних дисульфидных мостика (мономерный СТГ с мол. массой 22 к Да составляет около 21 % всего гормона, циркулирующего в кровеносной системе). Следующей по представленности формой является молекула с массой 20 кДа (мономерный СТГ с мол. массой 20 к Да составляет около 6 % гормона, циркулирующего в кровеносной системе) — продукт трансляции мРНК, которая образуется в результате альтернативного синтеза, приводящего к утрате участка с аминокислотами 32 — 46. СТГ человека может также подвергаться посттрансляционным модификациям и протеолитическому расщеплению в местах своего воздействия, что приводит к формированию дополнительных вариантов, агрегатов (димеров, тримеров, и пентамеров), а также фрагментов гормона, часто обнаруживаемых в крови. Существование высокоаффинного и низкоаффинного СТГ-связывающих белков (GHBP), которые образуются путем секреции гипофизом и при протеолитическом расщеплении рецептора гормона роста, еще более усложняет состав и пространственное распределение разнообразных форм и комплексов гормона роста. Такая молекулярная гетерогенность может иметь определенное физиологическое значение, поскольку было показано, что различные формы гормона могут обладать различной биологической активностью (т. е. оказывать различное по величине воздействие в биологических тестах), а также различной иммунореактивностыо. Содержимое клеток гипофиза, формирующих полосу I и II при центрифугировании в градиенте плотности, может оказывать влияние па количественное соотношение различных изоформ СТГ н крови и в результате может помочь разобраться в разнообразии физиологических реакций, имеющих отношение к СТГ, которые не может объяснить одна только изоформа гормона с молекулярной массой 22 кДа (Hymer et al., 2001).
Секреция соматотропного гормона
Секреция СТГ подвержена влиянию ряда факторов, к которым относятся возраст, пол, характер питания, стресс, уровень других гормонов (таких, как половые стероиды, гормоны щитовидной железы и ИФР-1), наличие жировой клетчатки, уровень физической подготовленности и двигательной активности.
Все эти показатели могут влиять на содержание СТГ в крови. Со времени первых исследований Хантера (Hunter et al., 1965) установлено, что двигательная активность является естественным стимулятором секреции СТГ. В свою очередь СТГ имеет непосредственное отношение к стимуляции анаболических процессов в мышечной и соединительной тканях, в частности он усиливает на клеточном уровне потребление аминокислот и синтез белка в скелетных мышцах, результатом чего является гипертрофия мышечных волокон обоих типов (Noal et al., 1957; Ullman, Oldfors, 1989; Crist etal., 1991). СТГ также способен стимулировать рост хрящей и образование костной ткани, что проявляется в увеличении минеральной плотности костной ткани и в виде других признаков (Isaksson et al., 1990; van der Veen, Netelenbos, 1990; Parfitt, 1991; Bikle et al., 1995; Orwoll, Klein, 1995). Несмотря на экспериментальные данные, демонстрирующие существование обширного семейства СТГ, была выдвинута классическая догма, утверждающая, что большая часть анаболических эффектов СТГ опосредована через секрецию ИФР-1 клетками печени и других тканей (Florini et al., 1996). Это предположение, несомненно, могло бы быть достоверным в случае, если бы СТГ был представлен одной изоформой с мол. массой 22 кДа, однако факт существования суперсемейства полипептидов СТГ и связывающих белков требует ее внимательного пересмотра. Как бы там ни было, индуцированная физической нагрузкой секреция СТГ хотя бы отчасти ответственна (прямо или опосредованно) за анаболический эффект занятий физическими упражнениями. Более того, существуют полученные на крысах экспериментальные данные, которые показывают стимуляцию соматотропным гормоном аутокринной и паракринной продукции ИФР-1 скелетными мышцами, хрящевой и костной тканью (Turner et al., 1988; Isaaksson et al., 1990; Bikle et al., 1995). И наконец, СТГ может прямо или опосредованно взаимодействовать с андрогенами (Jorgensen et al., 19%), эстрогенами (Holmes, Shalet, 1996) и тиреоидными гормонами (Weiss, Refetoff, 1996) в отношении секреции и воздействия на ткани-мишени.
Изменения концентрации соматотропного гормона, индуцированные силовыми упражнениями
За последние 15 лет стало очевидным, что изменения содержания СТГ в крови определяются особенностями программы занятий физическими упражнениями. Чтобы разобраться в комбинации факторов, которые могут опосредовать такой дифференцированный ответ на множество разнообразных тренировочных программ, применяемых в силовой тренировке, необходимо рассмотреть некоторые из ключевых параметров, определение которых происходит при выборе элементов программирования в ходе разработки тренировочной программы (Fleck, Kraemer, 2004). Очевидно также, что взаимодействие различных параметров тренировочного занятия может играть важную роль в определении величины изменений уровня СТГ. К числу ключевых внешних факторов, стимулирующих возрастание концентрации СТГ в системе кровообращения, относятся:
- объем вовлеченных в выполнение работы мышц;
- величина нагрузки (отягощений), используемой при выполнении упражнений;
- объем физической нагрузки;
- продолжительность интервалов отдыха между этапами выполнения упражнений.
Активация достаточного количества мышечной ткани имеет критическое значение для увеличения концентрации СТГ в плазме крови. Объем мышц, вовлекаемых в выполнение работы, зависит от используемой нагрузки, общего объема выполненной работы и типа упражнений (например, упражнения для небольших мышечных групп по сравнению с упражнениями для крупных мышечных групп). Первые данные, подтверждающие эти представления, были получены Ванхелдером (Vanhcldcr et al., 1984). По результатам этого исследования, уровень СТГ существенно возрастал по сравнению с состоянием покоя после выполнения 7 подходов приседаний с нагрузкой 85 % 7ПМ. В то же время при снижении величины отягощения до 28 % 7ПМ, при равных по продолжительности интервалов для отдыха и количестве общей выполняемой работы, никаких изменений уровня СТГ в крови не наблюдалось. На основании “принципа размера” для преодоления сопротивления, равного 28 %, нагрузки необходимо меньшее количество двигательных единиц, чем для 85 %. Таким образом, активация достаточного объема мышечной ткани является одним из определяющих элементов тренировочного воздействия, вызывающего существенное повышение концентрации СТГ.
Объем физической нагрузки или общее количество выполняемой работы также играют роль в определении величины ответной реакции. При условии постоянства прочих элементов программирования — сила упражнений, последовательности их выполнения, продолжительности интервалов отдыха и величины отягощений — и увеличения только количества подходов, а следовательно, и объема выполняемой работы, наблюдали возрастание величины ответной секреции СТГ. Этот эффект был продемонстрирован для мужчин и женщин с использованием комплексной программы силовых упражнений для мышц всего тела с величиной отягощений, равной 10 ПМ (Mulligan et al., 1996; Gotshalk ct al., 1997). Кроме того, более высокий уровень силовой физической подготовленности может позволить занимающемуся выполнить больший объем физической работы, что также может способствовать достижению более значительного увеличения секреции СТГ (Ahtiainen et al., 2003). О пороговых количествах физической работы, необходимых для стимуляции увеличения СТГ в крови, известно мало, однако весьма вероятно, что этот параметр должен находиться в определенной связи с другими элементами программирования (продолжительность интервалов отдыха, количество вовлеченной в работу мышечной ткани, используемая масса отягощений).
В целом комплексный эффект различных вариантов сочетания элементов программирования (выбор упражнений (например, для крупных и небольших мышечных групп), последовательность выполнения упражнений (например, вначале для крупных или для небольших мышечных групп), продолжительность интервалов отдыха (короткие или продолжительные), величина используемых отягощений (например, 5 ПМ или 10 ПM) и количество подходов или общий объем выполняемой работы | малый или большой |) при планировании занятий силовыми упражнениями может выражаться в различной ответной реакции в смысле увеличения уровня СТГ. Несмотря на большое количество возможных комбинаций, предварительные исследования показали, что при сравнении программ занятий с использованием комплекса упражнений для мышц всего тела можно выделить три фактора, которые оказывают наиболее заметное влияние на изменения уровня СТГ у мужчин и женщин, а именно: сочетание большого объема выполненной работы, короткая продолжительность интервалов для отдыха (1 мин между этапами выполнения упражнений) и использование средней величины отягощений 10 ПM (Kraemer et al., 1990, 1993).
Поскольку при проведении тренировочных занятий применяется широкий спектр различных сочетаний элементов программирования, ответное возрастание уровня СТГ зависит от выбора параметров занятий. Складывается впечатление, что и силовой тренировке должны существовать некоторые основные принципы формирования тренировочного стимула. Наиболее ошеломляющим открытием, имеющим отношение к переменным элементам программирования и СТГ, стало влияние, которое они оказывают на кислотно-щелочной баланс, играющий главную роль в стимуляции секреции СТГ в кровеносную систему. Каждым из четырех упомянутых выше факторов можно манипулировать для оказания воздействия на метаболические процессы, сопровождающиеся ограниченным или, наоборот, повышенным накоплением ионов водорода и снижением pH крови, которое в свою очередь ответственно почти за половину суммарного изменения выработки СТГ. Таким образом, сдвиг кислотно-щелочного баланса (а именно, увеличение гидролиза АТФ, снижение pH, возрастание концентрации ионов водорода) становится главным фактором, определяющим содержание изоформы СТГ с мол. массой 22 кДа в крови (Gordon et al.,1994). Показано, что сокращение продолжительности интервалов для отдыха между подходами при выполнении физических упражнений приводит к наиболее заметному увеличению лактатного ответа при выполнении силовых упражнений (Kraemer et al., 1990, 1993). Вместе с тем сокращение интервалов отдыха будет также влиять на массу отягощений, которую сможет поднять занимающийся (Kraemer et al., 1987), следовательно, имеет место критическая модуляция массы используемого отягощения, а также объема ткани, вовлекаемой в выполнение работы, которые определяют ответное увеличение СТГ. Однако Така рада (Takarada et al., 2000) показал, что окклюзия (нарушение кровообращения) руки может существенно влиять на уровень СТГ, заметно увеличивая концентрацию гормона при относительно низкой интенсивности (20 % от 1 ПМ), в то время как без окклюзии никаких изменений уровня гормона не наблюдалось. Можно предположить, что в регуляции секреции изоформы СТГ с мол. массой 22 кДа гипоксия и нарушение кислотно-щелочного баланса играют основную роль (Sutton et al., 1983). Тренировочные занятия силовой направленности с короткими интервалами для отдыха (1 мин между подходами и упражнениями), средним уровнем интенсивности (нагрузка в диапазоне 8—10 ПМ) и комплексом из 8 —10 упражнений для мышц всего тела могут вызывать такой физиологический ответ и приводить к выраженному изменению уровня СТГ в крови).
Основная масса исследований по данному вопросу была посвящена изучению срочных изменений содержания СТГ в период восстановления (обычно не более 2 ч после завершения занятия). Вклад волнообразного характера секреции в различное время суток и роль СТГ п различные фазы периода восстановления после физической нагрузки силовой направленности еще предстоит оценить. МакМюррей (McMurray et al., 1995) представил результаты исследований изменений типичного профиля секреции СТГ в ночное время после занятий физическими упражнениями силовой направленности. Программа занятия включала выполнение 3 подходов с нагрузкой 6—8 ПМ для 6 различных упражнений (всего 18 подходов). Образцы крови для анализа отбирали в промежуток времени с 21.00 до 07.00. Исследователи не обнаружили никакого влияния занятий силовыми упражнениями на характер секреции СТГ в ночное время. Однако Ниндп (Nindl et al., 2001) исследовал профиль секреции СТГ на протяжении более длительного времени. Интенсивное занятие силовой тренировки начиналось в 15.00, включало значительный объем тренировочной нагрузки — всего 50 подходов упражнений, предусматривавших использование крупных мышечных групп. Кровь отбирали каждые 10 мин с 17.00 до 6.00 в контроле и после силовой тренировки. Данные этого исследования показывают, что интенсивное занятие силовыми упражнениями во второй половине дня приводит к снижению амплитуды максимального ночного выброса СТГ. Вместе с тем среднее содержание гормона роста в крови существенным изменениям не подвергалось. Это объяснялось тем, что интенсивные занятия силовыми упражнениями оказывали дифференциальное влияние на характер секреции СТГ в ночное время: концентрация СТГ в первой половине ночи была несколько ниже по сравнению с контролем, а во второй половине ночи этот показатель был выше, чем в контрольной группе. Средние значения максимальной концентрации СТГ и амплитуды секреторных выбросов гормона были ниже после занятий физическими упражнениями.
Было предложено несколько возможных объяснений полученных результатов, которые основаны на предположении о возрастании секреции соматостатина после занятий физическими упражнениями. Хотя соматостатин ингибирует секрецию СТГ, он не оказывает негативного воздействия на биосинтез гормона. Это очень важно, поскольку позволяет объяснить быстрое восстановление секреции СТГ после удаления соматостатина. Снижение амплитуды ночных пиков в группе лиц, занимавшихся силовой тренировкой, по сравнению с контрольной группой наблюдалось в период с 23.00 до 03.00 с 03.00 до 06.00 амплитуда выбросов СТГ была выше в экспериментальной группе. Несмотря на отсутствие существенных отличий между средними значениями концентрации СТГ в контрольной и экспериментальной группах, занятия физическими упражнениями в дневное время влияют на временной характер секреции СТГ. С механистической точки зрения интенсивная силовая тренировка может сопровождаться повышением интенсивности секреции соматостатина в период с 23.00 до 03.00. В это время происходит некоторое подавление секреции СТГ, при этом биосинтез гормона никаким воздействиям не подвергается. Около 03 — 00 происходит снижение интенсивности секреции соматостатина и увеличение выделения СТГ, синтез и накопление которого происходили в то время, когда секреция была подавлена. В ходе этих исследований было также показано, что ИФР-1 в данном случае, вероятнее всего, не принимает участия в регуляции секреции СТГ клетками гипофиза, поскольку существенных отличий в концентрации ИФР-1 в крови в контрольных и экспериментальных образцах не выявлено. Вполне вероятно также, что наблюдавшиеся изменения в характере секреции СТГ могут быть обусловлены рядом других метаболических и гормональных сигналов, например изменениями секреции соматолиберина, гексапептидов или грелина.
Проверенные форумы спортивной фармакологии