ВЛИЯНИЕ ТЕСТОСТЕРОНА НА МЕТАБОЛИЗМ КАЛЬЦИЯ ПРИ АДАПТАЦИИ К ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ФАКТОРАМ Медицинские науки

69/2010
Вестник Ставропольского государственного университета
Медицинские науки
ВЛИЯНИЕ ТЕСТОСТЕРОНА НА МЕТАБОЛИЗМ
КАЛЬЦИЯ ПРИ АДАПТАЦИИ
К ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ФАКТОРАМ
Н. Г. Беляев, Е. Г. Болотова
TESTOSTERONE EFFECT UPON
CALCIUM METABOLISM
AT ADAPTATION TO EXTREME
FACTORS
Belyaev N. G., Bolotova E. G.
The adaptation to extreme factors is characterized by the formation of mechanisms providing the maintenance of prolonged hypercalcinemia. The possible basis is the formation of
functional connections between calcium regulating and steroid hormones.
Key words: adaptation, muscular exercise,
hypercalcinemia, testosterone, calcitonin, calcium.
Адаптация к экстремальным факторам
характеризуется формированием механизмов обеспечивающих поддержание длительной гиперкальциемии. Возможной основой
является образование функциональных связей между кальцийрегулирующими и стероидными гормонами.
Ключевые слова: адаптация, мышечная
нагрузка, гиперкальциемия, тестостерон,
кальцитонин, кальций.
УДК 612.43/.31
Познание физиологических и биохимических процессов жизнедеятельности в условиях физиологического стресса является
одной из важнейших проблем медикобиологических наук. Особый интерес в аспекте данного направления представляет
изучение нейроэндокринной регуляции метаболических процессов и, прежде всего,
изучение метаболизма кальция (Са) как универсального посредника осуществления
практически всех физиологических функций
в организме.
Предыдущими исследованиями ряда авторов (Држевецкая И. А., Лиманский Н. Н.,
1978; Држевецкая И. А. и соавт., 1981;
Држевецкая И. А., Држевецкий Ю. М. 1983;
Држевецкая И. А., Солгалов Г. Д., 1990; Цыбизов Г. Г., 1979; Мишина Н. Ф., 1981; Иванов К. П. и соавт, 1999; Слепчук Н. А.,
Мельников Н. Н., 2001; Худавердян Д. Н.,
Аракелян К. П. 2002; Беляев Н. Г., 2004; Федоров Г. С., 2005; Рубцов А. М., 2005; Клюева Н. З. и соавт., 2008) установлено, что процесс адаптации к факторам внешней среды
связан со значительными изменения метаболизма Са. Мы склонны предполагать, что в
условиях формирования долговременной
адаптации характер метаболизма Са определяется не только функциональным состоянием околощитовидных желез (ОЩЖ) и
светлых клеток щитовидной железы (Склеток ЩЖ), но также действием основных
стрессадаптивных гормонов.
В соответствии с этим данный этап нашей работы был связан с изучением наличия
209
Н. Г. Беляев, Е. Г. Болотова
Влияние тестостерона на метаболизм кальция при адаптации к экстремальным факторам
возможных функциональных связей основного кальцийрегулирующего гормона кальцитонина (КТ) со стероидными гормонами.
В частности с 11-оксикортикостероидами
(11-ОКС) и тестостероном. В качестве фактора внешней среды мы использовали такой
раздражитель, как мышечная нагрузка. Выбор именно этого фактора внешней среды
связан с тем, что адаптация к данному виду
деятельности сопровождается значительной
активацией анаболических процессов и выраженными морфофункциональными изменениями в организме.
Материалы и методы. В проводимых
исследованиях экспериментальным материалом служили лабораторные животные –
крысы линии «Вистар» массой 180–200 г в
возрасте 6 месяцев.
Для моделирования мышечных нагрузок
использовался тредбан (бегущая дорожка).
При постановке эксперимента соблюдался
ряд требований. Прежде всего, животные в
группах имели изначально приблизительно
одинаковый уровень физической работоспособности. С этой целью проводилось тестирование по определению способности животных к длительному выполнению бега по
ленте тредбана. Животные с изначально
низкой физической работоспособностью в
эксперимент не включались.
Помимо этого, у животных предварительно вырабатывался навык выполнения
бега по движущейся ленте. В данном случае
животные помещались на ленту тредбана и
принуждались к выполнению бега по ней. В
случае прекращения животными бега по
ленте они попадали на электростимулирующую решетку, роль которой заключалась в
выработке и подкреплении у крыс рефлекса
«избегания». С одной стороны, в последующем это позволяло получить относительно
постоянный фон физической работоспособности, с другой – уменьшало степень проявления эмоционального стресса, который неизменно присутствует при помещении животных в непривычную для них обстановку.
В среднем 3–4 предварительные тренировки
по 10–15 минут оказывалось вполне достаточным для выработки у животных стойкого
рефлекса «избегания» электростимулирую-
210
щей решетки и постоянного нахождения на
ленте тредбана. Животные, у которых была
затруднена выработка рефлекса «избегания», исключались из эксперимента.
Тренировка животных осуществлялась
на протяжении 9 недель в соответствии с
модифицированной
нами
методикой
Ю. П. Похоленчука (1970), и подробно описанной в наших предыдущих работах (Беляев Н. Г. 2004). В данной методике выделяют
следующие этапы тренировочных циклов:
I – подготовительный период (1–4 недели);
II – разгрузочный (5–6 недели); III – цикл
интенсивной нагрузки (7–8 недели); IV –
цикл активного отдыха (9 неделя).
Показателем сформированности адаптивных механизмов в организме животных,
с одной стороны, служила возросшая общая
физическая работоспособность, с другой ряд
морфофункциональных изменений, произошедших в организме животных в процессе
тренировок. В частности, с этой целью определялась масса сердца, количество эритроцитов и уровень гемоглобина в крови животных. Выбор данных показателей основывается на том, что функциональное состояние сердечно-сосудистой системы и системы крови определяют аэробные возможности организма и соответственно устойчивость организма к действию многих неблагоприятных факторов среды.
В соответствии с задачами работы гиперандрогения моделировалась путем еженедельного внутримышечного введения тестостерона, растворенного в оливковом масле в
объеме 0,25 мг на 100 г массы тела. Указанная доза вводилась в два этапа с интервалом
в три дня. Взятие крови для анализа осуществлялось через 90 минут после введения
гормона.
В программу биохимического анализа
крови входило определение тестостерона,
кальцитонина (КТ) и паратиреоидного гормона (ПТГ) методом иммуноферментного
анализа, концентрации общего Са комплексонометрическим, уровня 11-ОКС флуориметрическим методами. Полученные результаты подвергались статистической обработке.
Результаты исследования и их обсуждение. Прежде чем приступить к рассмотре-
69/2010
Вестник Ставропольского государственного университета
нию особенностей метаболизма кальция в
условиях формирования приспособительных
реакций, проанализируем структурные изменения, произошедшие в системах организма, ответственных за адаптацию к такому фактору, как мышечная нагрузка. В частности, 9-недельная тренировка способствовала увеличению количества эритроцитов и
уровня гемоглобина в крови животных. Так,
в группе животных, выполнявших физические нагрузки, к концу эксперимента количество эритроцитов возросло с 5,3±0,18 до
7,1±0,12 мл/мм3, а содержание гемоглобина
с 16,9±0,41 г/% до 17,7±0,43 г/%.
Аналогичные позитивные изменения
были отмечены и в общем объеме крови и
массе сердца. Так, у животных, выполнявших мышечную нагрузку, абсолютная масса
сердца возросла на 44%, а в пересчете на
100 г массы тела на 6,0%. У контрольных
животных за этот период отмечено снижение массы сердца, в пересчете на 100 г массы тела, на 4,9%.
Подобное изменение в соотношении
массы тела и массы сердца контрольных
животных мы объясняем тем, что при продолжающемся увеличении тотальных размеров тела, в виду невысокой двигательной
активности, прирост массы сердца был незначителен. В итоге его относительная масса
снизилась.
Таким образом, в течение тренировочных нагрузок в организме животных про-
изошли определенные адаптивные перестройки, которые в итоге обеспечили высокую работоспособность. В конкретных величинах это выразилось в повышение физической работоспособности на 63,5 %.
Несомненно, все эти адаптивные изменения, произошедшие в организме, в определенной мере связаны и с изменениями
нейроэндокринной регуляции гомеостаза Са.
Которые прежде всего заключаются в формировании механизмов, обеспечивающих
длительную гиперкальциемию, наиболее
выраженную в период интенсификации тренировочного процесса (таблица 1).
Подобную гормональную перестройку
регуляции метаболизма Са мы связываем с
тем, как сказываются изменения кальциевого гомеостаза на функциональной активности адаптивных систем организма. Прежде
всего необходимо учитывать, что период
формирования адаптивных реакций сопровождается длительным активированием физиологических функций. Причем высокая
активность систем отмечается не только в
период выполнения работы, но и после ее
окончания, когда происходит наибольшее
активирование генетического аппарата клетки и формирование положительного структурного следа. В связи с этим в целях удовлетворения возросших потребностей в Са
как обязательного компонента адаптивного
процесса в организме создаются условия для
длительного поддерживания гиперкальциемии.
Таблица 1
Динамика Са, КТ, 11-ОКС и тестостерона в процессе тренировочных циклов (М±m)
Недели
тренировок
Са, моль/л
1
4
Р
8
Р
9
Р
2,14±0,07
2,17±0,03
>0,5
2,91±0,11
<0,001
2,20±0,01
>0,5
Примечание:
Исследуемые показатели
ПТГ, пмоль/л
КТ,пг/мл
11-ОКС,
мкг/мл
1,78±0,03
24,7±2,4
181,1±7,3
1,67±0,08
14,5±1,9
220,1±17,0
>0,5
<0,001
>0,5
1,54±0,07
9,4±2,3
260,0±12,6
<0,01
<0,001
<0,001
1,53±0,11
15,8±3,6
252,3±19,3
>0,05
<0,001
<0,01
Тестостерон,
нмоль/л
10,4±0,45
11,8±0,80
<0,01
9,3±1,24
<0,02
22,3±0,69
<0,001
n – во всех случаях равно 7;
Р – достоверность отличий по сравнению с данными на начало эксперимента.
211
Н. Г. Беляев, Е. Г. Болотова
Влияние тестостерона на метаболизм кальция при адаптации к экстремальным факторам
Однако необходимо отметить, Са как
ключевой внутриклеточный регулятор вовлекается в формирование не только различных физиологических процессов, но и
патологических состояний клетки. В связи с
этим причина возникающих нарушений в
организме спортсменов в период увеличения
объема тренировочных нагрузок, возможно,
связана с изменениями в гормональной регуляции метаболизма Са.
К возможным факторам, обеспечивающим длительную гиперкальциемию, следует
отнести изменение соотношения кальцийрегулирующих гормонов, прежде всего,
уменьшение секреторной активности Склеток ЩЖ. Если перед началом тренировочных циклов концентрация КТ в условиях
относительного
покоя
соответствовала
24,7±2,4 пг/мл, то к моменту окончания цикла интенсивных нагрузок уровень КТ понизился до 9,4±2,3 пг/мл.
Говорить об истощении секреторных
возможностей С-клеток ЩЖ в период адаптации к мышечным нагрузкам, на наш
взгляд, не стоит, так как сохранилась способность железы секретировать дополнительную порцию гормона в ответ на специфический для нее стимул – кальциевую нагрузку. Так, пероральное введение 10% раствора СаСl2 на данном этапе тренировочных
циклов способствовало увеличению концентрации КТ.
Основным кальцийповышающим гормоном является ПТГ, но мы не получили
экспериментального подтверждения участия
ПТГ в поддержании длительной гиперкальциемии. В период интенсификации тренировочных нагрузок регистрировалось снижение базального уровня гормона. Выявленная
тенденция понижения уровня ПТГ может
быть результатом развившейся гиперкальциемии, поскольку между уровнем Са и содержанием ПТГ в крови существует обратная зависимость. При этом введение животным NаЭДТА сопровождалось повышением
концентрации ПТГ, что свидетельствует о
сохранении высоких секреторных возможностях ОЩЖ.
Таким образом, длительной гиперкальциемии, регистрируемой в период интенси-
212
фикации тренировочного процесса, следует
искать другие объяснения. В данном случае
следует учитывать влияние на кальциевый
гомеостаз
всего
комплекса
стрессреализующей системы, длительное поддержание функциональной активности которой
нуждается в повышенном поступлении Са к
секреторным клеткам.
В наших исследованиях регистрируемая
гиперкальциемия совпадала с достоверным
снижением уровня тестостерона и со значительным повышением концентрации 11ОКС, что позволяют высказать предположение о наличии определенных функциональных связей между железами, секретирующими основные кальцийрегулирующие гормоны, и железами, продуцирующими стероидные гормоны, которые относятся к группе
стрессадаптивных гормонов (таблица 1).
При этом установлено, что характер
влияния тестостерона на метаболизм кальция определяется функциональным состоянием организма и концентрацией гормона в
крови (таблица 2). Введение мужского полового гормона в условиях относительного
покоя нетренированным животным сопровождалось развитием гипокальциемии и повышением концентрации КТ.
Таблица 2
Результаты определения Са, КТ в крови
животных (М±m)
Условия
эксперимента
Покой
Покой+тестостерон
Р
Мышечная
нагрузка Р
Мышечная нагрузка+тестостерон Р
Примечание:
Са,
ммоль/л
2,26±0,05
1,54±0,07
<0,001
1,48±0,04
<0,001
1,72±0,06
<0,001
КТ,
пг/мл
24,7±2,4
87,5±4,9
<0,001
77,7±5,2
<0,001
27,5±1,1
>0,1
n – во всех случаях равно 7;
Р – достоверность отличий по
сравнению с данными в покое.
Данное снижение концентрации Са возможно связано как с прямым, так и опосредованным влиянием тестостерона на метаболизм кальция. В частности, установлен
гипокальциемический эффект тестостерона
69/2010
Вестник Ставропольского государственного университета
за счет стимуляции поступления Са из крови
в костную ткань, что используется в медицинской практике для лечения остеопороза
(Лоренс Риггс Б. Джозеф Мелтон, 2000). Подтверждением опосредованного действия тестостерона на метаболизм Са является повышение секреторной активности С-клеток ЩЖ.
В то же время введение тестостерона
животным перед выполнением однократной
мышечной нагрузки изменяло реакцию кальцийрегулирующих систем на данный раздражитель. Так в условиях без введения
гормона выполнение однократной мышечной нагрузки продолжительностью 90 минут
сопровождается повышением уровня КТ его
биологической активности и, как следствие,
развитием гипокальциемии. В условиях ги-
перандрогении выполняемая нагрузка не
способствовала повышению секреторной
активности С-клеток ЩЖ и уровня КТ, а
гипокальциемия была не столь выражена,
как в условиях без введения тестостерона.
Введение тестостерона на протяжении 9
недель тренировок оказывало стабилизирующее действие на метаболизм Са. Тренировка животных без введения тестостерона
сопровождалась развитием гиперкальциемии. В период интенсификации мышечных
нагрузок у животных, получавших указанный гормон, гиперкальциемия не регистрировалась или была незначительно выражена
(таблица 3).
Таблица 3
Динамика Са в процессе 9 недель тренировок (М±m)
Недели
тренировок
I
4
Р
6
Р
8
Р
9
Р
Примечание:
Условия эксперимента
Тренировка
Тренировка + тестостерон
2,21±0,04
1,45±0,05
2,17±0,03
2,02±0,09
>0,1
<0,001
2,73±0,03
2,14±0,15
<0,001
<0,001
2,91±0,11
2,46±0,19
<0,001
<0,001
2,20±0,01
2,13±0,26
>0,1
<0,001
Р1
<0,001
>0,1
<0,001
<0,001
>0,1
Р – достоверность отличий по сравнению с данными на начало эксперимента;
Р1 – до достоверность отличий между группами;
n – во всех случаях равно 7.
Изменения метаболизма Са в период
долговременной адаптации к мышечным
нагрузкам может быть обусловлено и влиянием кортикостероидов на его гормональную регуляцию. Но в данном случае мы не
получили экспериментального подтверждения высказанному предположению. Согласно имеющимся литературным данным высокий уровень 11-ОКС в плазме стимулирует
секрецию КТ и способствует развитию гипокальциемии, а дефицит их тормозит выделение КТ при стрессе (Мишина Н. Ф., 1981).
Но нельзя отрицать, что действие глюкокортикоидов в условиях хронического стресса
или формирования долговременной адаптации может отличаться от их действия на метаболизм Са в условиях однократного воздействия стрессирующего фактора. Выявление характера этих связей при адаптации к
систематически выполняемым мышечным
нагрузкам будет являться целью наших
дальнейших исследований
В соответствии с полученными данными адаптация организма к неблагоприятным
факторам окружающей среды характеризуется формированием механизмов, обеспечивающих поддержание длительной гиперкальциемии как необходимого компонента
213
Н. Г. Беляев, Е. Г. Болотова
Влияние тестостерона на метаболизм кальция при адаптации к экстремальным факторам
повышенной активности систем организма.
Наиболее выраженная гиперкальциемия регистрируется в период интенсификации тренировочных нагрузок.
Одной из основных причин, лежащих в
основе развивающейся гиперкальциемии,
является снижение секреторной активности
С-клеток ЩЖ и падение биологической активности КТ. Фактором, влияющим на изменения метаболизма Са в условиях формирования долговременной адаптации, может
явиться установление функциональных связей между С-клетками ЩЖ и стероидными
гормонами. Характер связей, возникающий
между кальцийрегулирующим гормоном –
КТ и стероидсодержащими гормонами оп-
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Беляев Н. Г. Кальциевый обмен и его гормональная регуляция в условиях хронического
физического перенапряжения: дис. … д-ра
биол. наук. – Ставрополь: СГУ 2004. – 334 с.
Држевецкая И. А. Лиманский Н. Н. Тирокальцитониновая активность и уровень
кальция в плазме при мышечной деятельности // Физиолог. ж. СССР. – 1978. – Т. 66. –
№10. С. 1498–1500.
Држевецкая И. А., Мишина Н. Ф., Лиманский Н. Н. Тирокальцитонин компонент
стресса // Гистогематические барьеры и
нейрогуморальная регуляция. – М.: Наука,
1981. – С.273–276.
Држевецкая И. А., Држевецкий Ю. М. Гормональная регуляция обмена кальция и секреторные процессы // Серия физиология человека и животных. ВИНИТИ. – М., 1983. –
Т.27. – 131 с.
Држевецкая И. А., Солгалов Г. Д. Влияние
дефицита и избытка паратгормона на реактивность коры надпочечниковых желез к
экзогенному АКТГ в условиях покоя и после
мышечной нагрузки // Учен. зап. Тартуского
университета. – Тарту, 1990. – Вып. 664. –
С. 103–108.
Иванов К. П., Арокина Н. К., Дидина С. Е.,
Волкова М. Д. Содержание Са++ в крови
животных и их устойчивость к холоду //
Российский физиол. ж. им. И. М. Сеченова. –
1999. – Т. 85. – №12. – С. 1550–1559.
214
ределяется функциональным состоянием
организма.
В частности, мужской половой гормон –
тестостерон в условиях физиологического
покоя
проявляет
гипокальциемические
свойства, в период действия однократного
стрессирующего фактора, ингибирует секрецию КТ и уменьшает выраженность гипокальциемии, а в условиях тренировочных
циклов, и особенно в период интенсификации мышечных нагрузок, препятствует развитию гиперкальциемии, т. е. оказывает стабилизирующее действие на метаболизм Са.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Лоренс Риггс. Б., Джозеф Мелтон. III Остеопороз. Этиология. Диагностика. Лечение. – М.: БИНОМ. – 2000. – 558 с.
Мишина Н. Ф. Участие кальцитонина в развитии стресса в постнатальном онтогенезе: автореф. дис. … канд. мед. наук. М.,
1981. – 20 с.
Похоленчук Ю. П. Функциональное состояние коры надпочечников в ближайшем и отдаленном восстановительном периоде: автореф. дис. … канд. биол. наук. – Киев,
1979. – 18 с.
Слепчук Н. А., Мельникова Н. Н. Влияние
концентрации ионов кальция в крови на физиологические функции крыс при иммерсионной гипотермии // Российский физиол. ж.
им. И. М. Сеченова. – 2001. – Т.87. – №7. –
С. 933–944.
Худавердян Д. Н., Аракелян К. П. О включении кальцийрегулирующих гормонов кортизола и электролитов крови в ранние приспособительные реакции организма // Российский физиол. ж. им. И. М. Сеченова. –
2002. – Т. 88. – №3. – С. 381–386.
Цыбизов Г. Г. Гуморальная регуляция гомеостаза кальция и фосфора при физических
нагрузках // Физиол. ж. СССР. – 1979. –
Т.65. – №10. – С. 1539–1542.
Федоров Г. С., Потехина И. Л., Иванов К. П.
О корреляции между концентрацией кальция
2+
(Са ) в крови и состоянием физиологических функций у животных при глубоком охлаждении // Российский физиол. ж. им
69/2010
Вестник Ставропольского государственного университета
И. М. Сеченова. – 2005. – Т. 91. – №10. – С.
1205–1212.
14. Рубцов А. М. Сезонные изменения активности
мембранных
кальций-транспортирующих систем сердца и скелетных мышц
животных-гибернаторов // Российский физиол. ж. им. И. М. Сеченова. – 2005. – Т. 91. –
№2. – С. 141–151.
15. Клюева Н. З., Антонова О. С., Петрова Е. И.
Влияние дефицита экзогенного кальция на
уровень артериального давления и модификацию белков головного мозга GAP-43 и
BASP 1 у крыс линии SHR и WKY // Бюл. эксп.
биологии и мед. – 2008. – Т. 145. – №3. – С.
244–247.
Об авторах
Беляев Николай Георгиевич, ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет», кафедра анатомии, физиологии и гигиены человека, доктор биологических наук, профессор. Автор 93 научных и методических работ в международных, центральных и региональных изданиях. Сфера научных интересов – нейроэндокринные механизмы адаптации к спортивным нагрузкам, развитие хронического физического перенапряжения.
[email protected]
Болотова Елена Геннадьевна, ГОУ ВПО
«Ставропольский государственный университет», соискатель кафедры анатомии, физиологии
и гигиены человека. Сфера научных интересов –
особенности метаболизма кальция в условиях
адаптации к экстремальным факторам.
[email protected]
215