Гормоны и их роль в адаптации к мышечной деятельности

В основе развития тренированности организма лежит усиленный синтез структурных и ферментных белков в функционирующих клетках, приводящий через структурные преобразования к расширению функциональной мощности клеточных структур, тканей, органов и всего организма. Это повышает эффективность регуляции обменных процессов, так как сопровождается увеличением количества молекул ферментов. Путем усиленного и целенаправленного синтеза белков организм переходит от срочных адаптивных реакций в состояние долговременной адаптации.

В первую очередь, в качестве индукторов биосинтеза белка выступают определенные метаболиты и продукты распада биологических молекул. Однако для значительной активации генетического аппарата клетки необходимо дополнить влияние метаболитов-индукторов воздействием гормонов-индукторов.

Классификация гормонов. Гормоны - специфические физиологически активные вещества, вырабатываемые специальными эндокринными органами или тканями, секретируемые в кровь или лимфу и действующие на строение или функции организма вне места своего образования. Гормоны участвуют в регуляции функций организма как единого целого.

Термин гормон (от греч. hormáono - побуждаю, привожу в движение) был предложен У. Бэйлиссом и Э. Старлингом в 1905 г. Несмотря на разную химическую природу гормоны имеют общие биологические признаки:

• дистантность действия - гормоны регулируют обмен и функции эффекторных клеток на расстоянии;
• строгая специфичность биологического действия - один гормон нельзя заменить другим;

191

• высокая биологическая активность - для функционирования организма достаточно очено малых количеств гормона.

По химическому строению гормоны разделяют на группы.

1. Пептидные гормоны. К пептидным относятся гормоны, являющиеся полипептидами. Они синтезируются в нейросекреторных клетках головного мозга (гипоталамусе, гипофизе), щитовидной, паращитовидной и поджелудочной железах.
2. Стероидные гормоны. К этой группе принадлежат гормоны, являющиеся производными полициклических спиртов - стеролов. Их синтез происходит в надпочечниках, семенниках, яичниках и некоторых других органах и тканях.
3. Прочие гормоны. Эту группу составляют гормоны, не относящиеся к первым двум категориям, и синтезируются они в щитовидной железе, надпочечниках, репродуктивных органах и в некоторых тканях.

Структура и функции пептидных гормонов. В данном разделе мы рассмотрим структуру и функции пептидных гормонов, используемых для оценки функционального состояния спортсменов.

Вазопрессин - девятичленный пептид, синтезируемый задней долей гипофиза:

Главной функцией вазопрессина является регуляция водно-электролитного обмена. Наряду с главной функцией вазопрессин стимулирует сокращение гладких мышц сосудов.

Глюкагон состоит из 29 аминокислотных остатков, молекулярная масса 3500 Да. Он синтезируется в α-клетках островковой части поджелудочной железы. Глюкагон способствует превращению неактивной гликогенфосфорилазы в активную, результатом является усиление гликогенолиза и увеличение концентрации глюкозо-1-фосфата в крови.

Инсулин - пептид, вырабатываемый в β-клетках поджелудочной железы. Первичная структура инсулина представлена выше. Инсулин регулирует метаболизм углеводов, жиров и белков. При недостаточном уровне биосинтеза инсулина в поджелудочной железе человека (норма - 2 мг инсулина в сутки) развивается заболевание - диабет. При этом заболевании повышается уровень глюкозы в крови, в результате уменьшается содержание гликогена

192

в мышцах, замедляется биосинтез пептидов, белков и жиров, нарушается минеральный обмен.

Паратгормон синтезируется паращитовидной железой. Паратгормон состоит из 84 аминокислотных остатков, молекулярная масса - 9500 Да. Паратгормон регулирует содержание катионов кальция и анионов фосфорной и лимонной кислот в крови.

Кальцитонин - белок с молекулярной массой 30 к Да, синтезируемый щитовидной и паращитовидной железами. Кальцитонин регулирует фосфорно-кальциевый обмен.

Соматотропин (гормон роста) - белок, секретируемый передней долей гипофиза. Соматотропин состоит из 191 аминокислотного остатка, молекулярная масса - 21 к Да. Гормон роста обладает ярко выраженным анаболическим действием. Он оказывает влияние на все клетки организма, повышая в них уровень биосинтетических процессов: усиливает синтез нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), белков, гликогена. Соматотропин повышает мобилизацию жиров из жировых депо, ускоряет распад высших жирных кислот и глюкозы. Все эти процессы способствуют росту организма, но функциональное значение гормона роста значительно шире, нежели только регуляция роста.

Опиоидные пептиды. В центральной нервной системе были обнаружены опиоидные рецепторы, что привело в дальнейшем к открытию эндогенных опиоидных пептидов - эндорфинов и энкефалинов, выполняющих функцию межклеточных и межтканевых нейрорегуляторов.

Эндогенные опиоидные пептиды составляют особую группу морфиноподобных нейромедиаторов и нейрорегуляторов, физиологическая функция которых проявляется в обезболивающих эффектах, чувстве эйфории, поэтому их называют "пептидами счастья".

Энкефалины и эндорфины образуются в клетках гипофиза из одного белкового предшественника - проопиокортина (молекулярная масса 31 к Да). В результате ограниченного протеолиза из проопиокортина образуются γмеланоцитостимулирующий гормон, адренокортикотропный гормон (АКТГ) и β-липотропин. Из β-липотропина (молекулярная масса 11 200 Да) образуются шесть других гормонов: γ-липотропин (5800 Да), β-меланоцитостимулирующий гормон (2000 Да), β-эндорфин (4000 Да), γ-эндорфин (состоит из 17 аминокислотных остатков), α-эндорфин (состоит из 16 аминокислотных остатков), метионин-энкефалин (состоит из 5 аминокислотных остатков).

Опиоидные пептиды являются важным звеном в регуляции деятельности нервной и эндокринной систем, что проявляется

193

в широком спектре биологической активности данных соединений. Эта активность включает в себя воздействие на самые разнообразные проявления жизнедеятельности организма: терморегуляцию, формирование ощущения боли, чувства голода, функции сердечно-сосудистой, дыхательной, иммунной, пищеварительной систем, двигательную активность. Эндогенной опиоидной системе принадлежит важная роль в формировании реакций организма на воздействие окружающей среды.

Механизм действия пептидных гормонов. Пептидные гормоны взаимодействуют с белками-рецепторами, расположенными на поверхности мембран клеток-мишеней. Такое взаимодействие возбуждает активность аденилатциклазы, локализованной в той же мембране. Фермент катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из АТФ:

АТA

Аденилатциклоза

———————→

цАМA + H₂P₂O₇

Циклический аценозинмонофосфат является внутриклеточным посредником в передаче гормонального сигнала. В основе молекулярного механизма действия цАМФ лежит активация протеинкиназ, чувствительных к цАМФ, который изменяет активность ряда внутриклеточных ферментов путем их фосфорилирования и таким образом регулирует многие биохимические процессы: обмен гликогена, расщепление триглицеридов, синтез белков и др. Поэтому цАМФ считается одним из основных регуляторов обмена веществ.

Данные о содержании пептидных гормонов в крови спортсменов используются для оценки их функционального состояния (таблица 15).

Таблица 15

Пептидные гормоны, используемые для оценки функционального состояния спортсменов (по В.А. Рогозкину, 1989)

194

Структура и функции стероидных гормонов. Из коры надпочечников выделено 46 соединений стероидной природы, которые названы кортикостероидами. Восемь из них являются стероидными гормонами. Наиболее важными являются гидрокортизон, кортикостерон, альдостерон:

Гидрокортизон

Кортикостерон

Альдостерон

В мужских и женских половых железах синтезируются половые гормоны: мужские половые гормоны - андрогены - образуются в семенниках; женские половые гормоны - эстрогены и прогестины - продуцируются в основном яичниками (незначительная часть половых гормонов образуется в надпочечниках).

Наиболее важным андрогеном является тестостерон, основным представителем эстрогенов является эстрадиол; структурные формулы этих стероидных гормонов представлены в главе 7.

195

Механизм действия стероидных гормонов. В отличие от пептидных гормонов рецепторы стероидных гормонов локализованы в цитоплазме клетки. Взаимодействие стероидного гормона со специфическим белком-рецептором приводит к возникновению гормон-рецепторного комплекса. В создавшемся комплексе гормон меняет свою конформацию; именно такой видоизмененный гормон-рецепторный комплекс транслоцируется в ядро, где связывается со специфическим акцепторным участком хроматина, переводя ДНК в этом участке хроматина в транскрипционноактивное состояние. Эти процессы стимулируют синтез мРНК в ядре и последующий синтез определенного белка (белков).

В таблице 16 представлены данные о содержании в крови и биологическом действии стероидных гормонов.

Таблица 16

Стероидные гормоны, используемые для оценки функционального состояния спортсменов (по В.А. Рогозкину, 1990)

196

литературные данные по анализу развития результатов в некоторых видах легкой атлетики среди лучших спортсменов мира.

Термин "анаболический" означает, что эти соединения усиливают синтез или уменьшают деградацию цитоплазматических белков и стимулируют рост тканей в целом.

Все стероиды обладают андрогенным действием, в связи с этим анаболические стероиды при регулярном применении оказывают в той или иной степени угнетающее влияние на деятельность мужских половых желез, что влечет за собой нарушение нормальной половой жизни спортсмена. Следует отметить, что женщины более чувствительны к таким препаратам. Опыты показали, что введение тестостерона пропионата новорожденным крысам-самкам вызывает у них в дальнейшем мужской тип поведения и бесплодие.

Экзогенные стероидные гормоны, подобно эндогенным, оказывают влияние на активность ряда ферментов, усиливая их синтез, и, следовательно, на метаболизм в целом. В регуляции обменных процессов гормоны участвуют как "эндокринный ансамбль". Повышение концентрации стероидных гормонов может перестраивать работу этого "ансамбля", что в определенных ситуациях ведет к нарушениям метаболизма. В литературе накопилось много данных о негативном влиянии анаболических стероидов на организм спортсменов.

Широкое применение анаболических стероидов в большом спорте привело к включению этих препаратов в список допингов, так как их применение, с одной стороны, не совместимо с этическими принципами спорта, а с другой - оказывает явно отрицательное влияние на организм спортсменов.

Прочие гормоны. К гормонам этой группы относятся производные аминокислоты тирозина - норадреналин и адреналин - и так называемые тиреоидные гормоны - тироксин и трииодтиронин. Рассмотрим их химическое строение и биологические функции.

Норадреналин и адреналин синтезируются в мозговом веществе надпочечников. Благодаря химической структуре они получили название катехоламинов:

Норадреналин

Адреналин

197

Катехоламины оказывают влияние на обмен углеводов и жиров, усиливают тканевое дыхание и газообмен, активируют интенсивность обмена метаболитов цикла Кребса, что способствует ресинтезу макроэргических соединений. Им принадлежит важная роль в адаптации организма к систематической мышечной деятельности (таблица 17).

Таблица 17

Эффекты катехоламинов в организме человека

Тироксин и трииодтиронин можно рассматривать как производные тирозина:

Тироксин

Трииодтиронин

Они синтезируются в щитовидной железе. Для тиреоидных гормонов характерен широкий диапазон действия на метаболические процессы: повышение активности ферментов углеводного и липидного обменов, стимуляция синтеза белка, влияние на биоэнергетические процессы.

198

Изменение уровня гормонов в крови во время физических нагрузок. Участие гормонов в адаптационных процессах обусловливает значительные изменения в секреторной активности многих эндокринных желез. В результате этого изменяется уровень гормонов в крови, их взаимодействие с белками-рецепторами и выведение их из организма.

При выполнении работы различной мощности изменяется уровень гормонов в крови (табл. 18), что можно связать с изменениями в метаболизме. При трактовке изменений в концентрациях различных гормонов в крови спортсменов следует прежде всего руководствоваться ролью, которую играют гормоны в регуляции энергетического обмена, мобилизации углеводов и липидов в мышцах и печени, поддержании баланса водно-элекролитного обмена.

Таблица 18

Изменение концентрации гормонов в крови спортсменов во время тестирующих физических нагрузок

Изменения в концентрации адреналина и норадреналина в крови зависят от тренированности спортсмена: при работе одинаковой мощности у более тренированных людей наблюдаются менее значительные изменения в концентрации катехоламинов. Вместе с тем, при выполнении тренированными спортсменами максимальных физических нагрузок концентрация катехоламинов в крови у них достигает более высоких показателей (рис. 39).

При выполнении длительных физических нагрузок содержание катехоламинов достигает определенного уровня и сохраняется на этом уровне в течение всего периода физической нагрузки.

199

По мере развития тренированности спортсменов возможно постепенное снижение этого показателя в крови.

Рис. 39 Динамика изменений уровня норадреналина в крови в зависимости от мощности работы

Физические нагрузки существенно влияют на уровень пептидных гормонов. Так, во время мышечной работы содержание глюкагона в крови постепенно повышается, достигая наибольшей величины к концу работы. Значительная концентрация глюкозы в крови усиливает секрецию глюкагона. Уровень глюкозы в крови может оказывать влияние на секрецию глюкагона посредством изменения уровня адреналина в ответ на физическую нагрузку. Высокий уровень катехоламинов в крови рассматривается как основной фактор, стимулирующий секрецию глюкагона α-клетками поджелудочной железы во время мышечной работы. Логично предположить, что физические упражнения усиливают также секрецию инсулина, учитывая его роль в транспорте глюкозы в крови и стимулирующее влияние гипергликемии, наступающей в начале напряженной мышечной работы, на секреторную активность β-клеток поджелудочной железы. Однако результаты исследований показывают снижение концентрации инсулина в крови под влиянием мышечной работы. Причина изменения уровня инсулина в крови во время мышечной работы заключается в угнетении его секреции.

Уровень соматотропина в крови зависит от степени тренированности и мощности выполняемой работы. У хорошо тренированных

200

спортсменов мощность нагрузки должна быть значительной, чтобы обусловить повышение уровня соматотропина в крови (рис. 40).

Рис. 40. Динамика изменений концентрации соматотропина при 2-часовой работе на велоэргометре (65 - 75% от МПК)

В тренированном организме имеются хорошие возможности обеспечения устойчивости секреции на повышенном уровне, а также достижения соответствия между продукцией и потреблением гормона.

В процессе выполнения физических упражнений после превышения определенного порога мощности работы содержание β-эндорфина в крови спортсмена может повышаться. Физические нагрузки на велоэргометре, выполняемые спортсменами с 25,50 и 60% МПК, не вызывают заметных изменений в содержании нейропептидов в крови. Во время тренировок и соревнований происходит выброс опиоидных нейропептидов в кровь, и их содержание повышается. Такие физические нагрузки, как бег, велосипедные гонки, гребля, занятия тяжелой атлетикой вызывают повышение уровня β-эндорфинов в крови спортсменов. При оздоровительном беге у человека улучшается настроение, появляются положительные эмоции, что связано с усилением синтеза

201

регуляторных нейропептидов и их появлением в крови. У спортсменов выполнение физических нагрузок сопровождается снижением болевой чувствительности вследствие влияния опиоидных нейропептидов, которые снижают болевые восприятия и улучшают настроение.

Физические нагрузки оказывают влияние и на уровень стероидных гормонов, который зависит от степени тренированности организма и мощности выполняемой работы. У нетренированных мужчин кратковременные физические упражнения вызывают увеличение содержания тестостерона в крови, а длительные упражнения - его снижение. У хорошо тренированных спортсменов снижение концентрации тестостерона не происходит даже при длительной работе, например, при беге на 21 км. Изучение экскреции эстрогенов у мужчин позволило выявить ее снижение у тренированных лиц и увеличение у нетренированных. У женщин при напряженной работе отмечается увеличение в крови концентрации эстрогенов.

Подводя итог, можно констатировать, что достаточно интенсивная и длительная работа обусловливает различные (в зависимости от тренированности) изменения в гормональном ансамбле. Это выражается в повышении уровня адреналина, норадреналина, глюкагона, соматотропина, гидрокортизона и других стероидных гормонов и снижении содержания инсулина в крови, что, безусловно, обусловливает соответствующие изменения в метаболизме.

202