Проанализированы современные исследования ключевых метаболитов аминокислотного и гормонального обменов, играющих роль важных биомаркеров эффективности тренировочных процессов у юных спортсменов. Изучение динамики концентраций важнейших аминокислот (таких как фенилаланин, глутамат, глутамин, карнозин) и гормональных показателей (включая тестостерон, кортизол, катехоламины) позволяет оценивать метаболические изменения и адаптационные возможности детского организма к физическим нагрузкам. Однако внедрение этих биомаркеров сопряжено с методологическими трудностями, а классическое соотношение тестостерон/кортизол у подростков в пубертатный период демонстрирует низкую специфичность из-за эндогенных гормональных колебаний. Анализ специализированной научной литературы подчеркивает необходимость внедрения комплексных подходов к мониторингу маркеров обмена веществ у молодых спортсменов, включая создание специализированных диагностических панелей и стандартов контроля, адаптированных к возрастным особенностям и уровням спортивной подготовленности детей. Это позволит оптимизировать тренировки, повысить эффективность спортивных достижений и минимизировать риски травматизации и развития метаболических расстройств среди подрастающего поколения спортсменов.
1. Введение
Физические упражнения являются полезными не только для физического, но и психического здоровья, поэтому в современном обществе, где остро стоит вопрос о гармоничном развитии современных детей и подростков, крайне актуальны метаболомные исследования, которые позволяют изучить влияние физических упражнений на организм путём анализа метаболитов, выделяемых такими тканями, как скелетные мышцы, кости и печень [1], [2], [3], [4]. Изучение метаболитов, вырабатываемых при физических нагрузках, является развивающейся областью, а дальнейшие исследования могут выявить основные метаболические механизмы и помочь разработать программы тренировок для укрепления здоровья, увеличения работоспособности и качества жизни [5], [6], [7], [8].
Стоит отметить, что многообразие видов тренировок и их интенсивность приводит к разнообразным метаболическим ответам. Так, тренировки на выносливость увеличивают количество митохондрий и окислительных ферментов, а тренировки с отягощениями (или упражнения на силу) увеличивают количество мышечных волокон и гликолитических ферментов [9]. Вместе с тем именно кратковременные тренировки на выносливость влияют на метаболизм аминокислот, липидов, энергетический обмен, метаболизм кофакторов, витаминов и даже нуклеотидов. Систематические же упражнения на выносливость способны улучшать липидный метаболизм и изменяют метаболизм аминокислот [10]. Кратковременные упражнения на силу изменяют несколько метаболических путей, включая анаэробные процессы (в первую очередь анаэробный гликолиз, активируя катаболизм углеводов), что приводит к адаптации скелетных мышц. Комбинированные упражнения на выносливость и силу влияют на активность всех метаболических процессов — липидного, углеводного метаболизма и обмена аминокислот, повышая анаэробную метаболическую способность и устойчивость к утомлению за счет аэробных процессов [11], [12].
Наука о биомаркерах крови в элитном и профессиональном спорте быстро развивается и может предоставить объективные данные междисциплинарной команде специалистов в области спортивной науки и медицины для поддержания здоровья, при разработке рационов питания и программ по повышению результативности спортсменов в широком спектре физиологических систем [13], [14], [15]. Ряд биомаркеров может предоставить информацию, относящуюся к готовности спортсмена к тренировкам [16], [17], [18], [19].
Изучение метаболического ответа организма на физические нагрузки помогает решению и новых вопросов в спортивной науке. Получая количественную информацию о метаболических профилях, связанных с определенным типом физической нагрузки, можно выявить биомаркеры, которые отражают производительность мышц, или потенциально связанные со спортивными травмами [20]. Также подобные исследования могут дать лучшее понимание механизмов интеграции реакций метаболизма организма человека в единую систему [21], [22].
В целом, если рассматривать критерии выносливости в современном спорте, то на физическую работоспособность могут влиять пол [17], возраст [23], образ жизни и индекс массы тела (ИМТ) [24], [25], а также физиологические (например, мышечная сила, уровень адаптации к гипоксии) и морфологические (например, процентное содержание жира в организме, мышечная масса) характеристики человека [26], [27]. Однако количество упражнений, оптимальное для человека определенного возраста, пола, уровня развития, пубертатного периода остается неизвестным из-за отсутствия точных данных о молекулярных механизмах, лежащих в основе влияния физических упражнений на здоровье [28].
Недооценка тренером возрастных и индивидуальных морфофункциональных особенностей юных спортсменов нередко приводит к прекращению роста спортивных результатов, возникновению патологических состояний, а иногда, к инвалидности. Вместе с тем развитие современной медицины и диагностических систем, возможность комплексной оценки здоровья позволяют более детально изучить состояние здоровья детей [29], их морфофункциональный статус, метаболом, гармоничность развития. А значит, поможет снизить вероятность развития пограничных состояний и серьезных патологий.
Таким образом, проблема отбора и допуска детей к занятиям спортом была и остается одной из самых актуальных для разных видов спорта. Правильное ее решение обеспечивает развитие вида спорта и успехи спортсменов, и исследования метаболома в этом аспекте становятся все более актуальными.
2. Обмен аминокислот и карбоновых кислот при физических нагрузках
При характеристике различных режимов тренировок некоторые метаболические изменения можно наблюдать сразу после тренировки (например, лактат, инозинмонофосфат, фосфокреатин, креатин) [10], [30]. Данные изменения могут повлечь за собой изменения в других метаболитах.
Быстрое увеличение концентраций пирувата и лактата отражает анаэробную систему. Пируват является узловым метаболитом и связывает гликолиз, лактат, ацетил-КоА, щавелево-уксусную кислоту, яблочную кислоту и различные аминокислоты. Это промежуточный продукт, который играет ключевую роль в энергетическом обмене [31]. В результате физических нагрузок пируват может преобразовываться в лактат под воздействием лактатдегидрогеназы в ходе анаэробного гликолиза. Далее лактат может вступать в цикл Кори для утилизации в печени [32].
Также при избытке пирувата в мышцах при физических нагрузках в ходе трансаминирования синтезируется аланин. Аланин, попадая в кровь, транспортируется в печень, где вступает в глюкозо-аланиновый цикл. В ходе этого процесса аланин увеличился в 1,3 раза через 5 мин после нагрузки, даже при кратковременных упражнениях, поэтому он также является еще одним метаболитом быстрого реагирования [33]. Как правило, из-за повышенного энергетического обмена физические упражнения вызывают повышенное дезаминирование аминокислот, что приводит к усилению активности глюкозо-аланинового цикла [31]. Во время физической нагрузки уровень аммиака может повышаться в три-пять раз по сравнению с состоянием покоя [34]; это увеличение зависит от физической нагрузки и связано с ее интенсивностью [35], [36]. Истощение запасов гликогена увеличивает выработку аммиака и последующую аммонемию во время тренировки [20], [37].
При изучении метаболома спортсменов после аэробных интенсивных физических нагрузок было выявлено [38], что концентрация орнитина была повышена в группах нетренированных спортсменов, и, напротив, снижена в группах тренированных спортсменов. Авторы предполагают, что эти групповые различия объясняются увеличением количества и активности митохондрий в мышцах в группе тренированных, что соответствующим образом влияет на эффективность участия орнитина в цикле мочевины [39], [40].
В контексте физических упражнений лактат является наиболее часто измеряемым метаболитом, поскольку его концентрация при заданной интенсивности физических упражнений является показателем выносливости [41] и более тренированные спортсмены, при интенсивном беге, могли накопить больше лактата, что привело к более низкому образованию мочевины и более низким уровням орнитина в плазме, чем у нетренированных спортсменов. Лактат подавляет синтез мочевины на уровне аргинина. Таким образом, накопление лактата при интенсивных физических нагрузках приводило к снижению образования мочевины и снижению уровня орнитина в плазме крови тренированных спортсменов.
Аргинин играет важную роль во многих метаболических процессах: он участвует в синтезе креатина, аммиака, мочевины, оксида азота, входит в состав белка. Оксид азота способствуют расширению сосудов и усилению кровотока, что также важно для тренировки мышц [42].
Интересно, что орнитин, непротеиногенную аминокислоту, рассматривают не только как компонент орнитинового цикла. Есть данные о том, что аргинин и орнитин стимулируют секрецию гормона роста и инсулиноподобного фактора роста-1, что усиливает липолиз и окисление липидов, тем самым увеличивая расход энергии после тяжелых силовых упражнений [43]. Таким образом, вызванное физической нагрузкой увеличение циркулирующих аргинина и орнитина может способствовать улучшению функции сосудов и потере жира, связанной с физической нагрузкой. Следовательно, данные метаболиты могут стать перспективными маркерами эффективности тяжелых силовых упражнений [42].
Во время упражнений короткой продолжительности и высокой интенсивности у подростков-спортсменов происходит увеличение выработки аммиака в мышцах в результате дезаминирования аденозинмонофосфата и аминокислот с разветвленной цепью (изолейцина, лейцина и валина). Во многих исследованиях [44] также наблюдали снижение концентрации аминокислот с разветвлёнными боковыми цепями в плазме крови тренированных на выносливость мужчин с низким уровнем гликогена после 60-минутной езды на велосипеде. Подобные результаты можно объяснить тем, что у спортсменов-подростков отмечается преобладание аэробного метаболизма над анаэробным в первой половине пубертата. Это способствует высокой скорости восстановительных процессов при выполнении повторных интенсивных упражнений. Однако выполнение упражнений, в энергетическом обеспечении которых важен гликолиз, переносится подростками труднее [45]. У взрослых спортсменов подобные показатели наблюдаются при низком уровне потребления углеводов [46]. Снижение концентрации аминокислот с разветвлёнными боковыми цепями может быть связано с высокой потребностью в энергии и низким уровнем запасов гликогена в мышцах. Что приводит к потреблению аминокислот как источников энергии. Таким образом, синтез белка для восстановления мышц возможен только в том случае, если аминокислоты, используемые для выработки энергии, заменяются за счёт эндогенного метаболизма или потребления углеводов [47]. Восстановление нормальных соотношений аминокислот очень важно, в том числе, потому что аминокислоты с разветвлёнными боковыми цепями могут участвовать в передачи сигнала к белку mTOR (Mammalian target of rapamycin, мишень рапамицина у млекопитающих) и его каскадным мишеням такими как фосфорилированная киназа 70s6 p70s6k и белок 4e-bp1, связывающий эукариотический фактор инициации 4e. Они регулируют синтез белка и рост мышц и, со временем, могут привести к гипертрофии [48]. Таким образом, аминокислоты с разветвленными боковыми цепями могут быть использованы в мышцах в двух направлениях: либо в качестве источника энергии, либо как субстрат для синтеза белка. При физических нагрузках направление их использования зависит от потребности в энергии и её запасов [49]. Однако ряд исследователей [50] считают концепцию анаболического эффекта аминокислот необоснованной, поскольку процессы синтеза белка в мышечной ткани идут параллельно с его катаболизмом, усиливающимся при интенсивных физических нагрузках [51]. Возможно поэтому, изменения в содержании аминокислот с разветвлёнными боковыми цепями могут быть до определённой степени противоречивыми в различных исследованиях [52]. То есть уровень аминокислот может повышаться или понижаться в зависимости от вида спорта, физической нагрузки и интенсивности тренировок [51], [53].
При активных физических нагрузках так же увеличивается концентрация 2-оксоизокапроата, называемого 2-оксолейцином или кетолейцином, представляющего собой короткоцепочечную кетокислоту [54]. Наблюдаемое повышение уровня 2-оксоизокапроата может быть связано с деградацией лейцина, хотя его роль в физиологии физических тренировок остается неясной и требует дальнейшего изучения [55].
3-гидроксиизобутират является конечным продуктом распада валина [56] и, как и 2-оксоизокапроат, играет роль источника энергии.
α-кетобутират является метаболитом треонина, субстратом синтеза валина и изолейцина, а также субстратом комплекса ферментов альфа-кетодегидрогеназы с разветвленной цепью. При исследовании влияния постоянных физических нагрузок на здоровых молодых мужчин метаболомный анализ показал резкое снижение уровня a-кетобутирата, что, вероятно, связано с активацией мышечного комплекса альфа-кетодегидрогеназы с разветвленной цепью при физической нагрузке [42]. То есть данный метаболит может являться маркером усиленного катаболизма аминокислот с разветвленной цепью и потребления субстратов аминокислот с разветвленной цепью, что, вероятно, отражает повышенную окислительную эффективность мышц [57].
Аминокислоты с разветвлёнными боковыми цепями также действуют как доноры азота и углеродного скелета для синтеза других аминокислот (например, глутамина) [58].
Таким образом, вклад метаболизма аминокислот в энергоснабжение после сеанса нагрузок теоретически возможен. Однако необходимо провести дополнительные исследования, чтобы определить точную роль метаболизма аминокислот в энергоснабжении при нагрузках.
Фенилаланин является незаменимой аминокислотой и одной из крупнейших неполярных аминокислот, необходимых для синтеза белка [59]. Он через тирозин участвует в анаболизме катехоламинов, адреналина, норадреналина и дофамина, которые, в свою очередь, участвуют в регуляции метаболизма мышечной ткани [60]. Поскольку фенилаланин не окисляется и не синтезируется эндогенно, изменение концентрации указывает на изменение содержания белка: его синтез или деградацию. В исследованиях содержания фенилаланина после физических упражнений умеренной интенсивности показано, что уровень фенилаланина снижается в течение 1-часовой фазы восстановления после тренировки, и это может свидетельствовать об увеличении скорости распада белка в зависимости от физических нагрузок [61]. Безусловно, есть и другие незаменимые аминокислоты, которые участвуют в синтезе и катаболизме белка, однако они, в отличие от фенилаланина, подвержены окислению и могут быть использованы в качестве источника энергии (например, лейцин), что снижает их ценность как маркеров метаболизма белков [62], [63], [64]. Таким образом, фенилаланин является хорошим маркером протеолиза, поэтому его концентрация может отражать интенсивность обмена белка [61]. Это может объяснить повышенное содержание фенилпирувата (вырабатываемого из фенилаланина с помощью фенилаланин-трансаминазы), тирозина и префената (метаболита фенилаланина и тирозина) в плазме крови как маркеров протеолиза, вызванного физической нагрузкой, у людей, занимающихся физическими упражнениями.
Карнозин (дипептид, состоящий из остатков аминокислот β-аланина и гистидина) препятствует снижению pH во время интенсивных тренировок и, таким образом, повышает работоспособность спортсмена [65], [66]. В сыворотке крови и тканях карнозиназа-2 может расщеплять карнозин на β-аланин и L-гистидин, и её активность определяет содержание карнозина. После расщепления карнозина β-аланин и L-гистидин могут транспортироваться в клетки скелетных мышц. У спортсменов во время высокоинтенсивных физических нагрузок в исследованиях их метаболома было обнаружено повышение уровня гистидина и β-аланина, что, возможно, свидетельствует об увеличении распада карнозина в крови [65], [67], [68]. То есть определение уровня данных метаболитов карнозина, может быть маркером развития адаптации к кратковеменным интенсивным физическим нагрузкам [69], [70].
В исследованиях Saunders с соавторами (2017) наблюдается увеличение концентрации β-аланина и L-гистидина и, одновременно с этим, повышение физической работоспособности и производительности при продолжительности упражнений от 30 секунд до 10 минут [71]. Этот результат согласуется с действием карнозина в качестве буфера pH, поскольку накопление H+ с большей вероятностью способствует утомлению, чем при более короткой или продолжительной физической нагрузке. Оценка физической работоспособности (например, времени до истощения) показывает значительное повышение концентраций в крови продуктов метаболизма карнозина [72].
Во многих исследованиях было обнаружено, что деградация лейцина также увеличивает концентрацию α-кетоглутарата [73]. α-кетоглутарат является метаболитом цикла Кребса, а также он ускоряет восстановление мышц, стимулируя клетки-сателлиты мышц и поляризацию макрофагов, способствуя восстановлению мышц и уменьшая фиброз. Некоторые исследования, показывающие, что α-кетоглутарат способен предотвращать мышечную атрофию за счет усиления синтеза белка, ингибирования путей деградации и модулирования воспалительных реакций, что делает его актуальным при таких состояниях, как саркопения [74], кахексия и восстановление после травм [75], [76], [77], [78]. Для спортсменов и активных людей добавки с α-кетоглутаратом повышают выносливость, снижают утомляемость и способствуют более быстрому восстановлению после тренировок [79], [80], [81]. Поэтому накопление α-кетоглутаровой кислоты является метаболическим признаком эффективности силовых упражнений [82], [83]. Однако конкретных механизмов действия в литературе не описано. Требует дополнительного изучения взаимосвязь α-кетоглутарата с деградацией лейцина в энергоснабжении после сеанса нагрузок. Подобно распаду лейцина, распад валина также генерирует α-кетоглутарат, тем самым подкрепляя гипотезу о том, что распад аминокислот с разветвленной цепью может способствовать, по крайней мере, косвенно, снабжению энергией после интенсивных физических нагрузок.
Высвобождение аланина для стимулирования метаболизма аммиака, при интенсивных физических нагрузках вызывают умеренное повышение глутамата в скелетных мышцах [26]. Как важная малая молекула, глутамат играет ключевую роль во время силовых упражнений [82]. Глутамат после дезаминирования образует α-кетоглутарат. Глутаминовая кислота также является субстратом синтеза глутатиона при окислительном стрессе и иммунном ответе, и хорошо известным возбуждающим нейромедиатором в центральной нервной системе [84]. Повышение концентрации глутамата, вызванное интенсивными физическими нагрузками или упражнениями на выносливость, связывают как с повреждениями скелетных мышц, так и с реакцией на окислительный стресс.
В исследовании, проведенном Таулером и соавторами (2008) [85], которые изучали влияние тренировок на подростков-пловцов, уровень малонового диальдегида в плазме крови спортсменов существенно повышался, что говорит об окислительном поврежденим липидов. Знание о влиянии регулярных тренировок на окислительно-восстановительный статус юных спортсменов считается важным для их здоровья [86]. Как аэробные, так и анаэробные упражнения потенциально могут привести к увеличению выработки свободных радикалов, что может привести к острому окислительному стрессу [87]. Степень нарушения окислительно-восстановительного гомеостаза, зависит от многих факторов, в частности, от режима, интенсивности и продолжительности упражнений, уровня подготовки участника, пола возраста и привычек питания [88], [89].
Гомеостаз глутатиона играет важную роль в поддержании прооксидантно-антиоксидантного баланса. Он синтезируется в реакции глутамилового цикла. Важными ферментами этого процесса являются глутамилцистеинсинтетаза и глутатионсинтетаза. Более высокие уровни глутатиона, обнаруженные у спортсменов в состоянии покоя, по сравнению с нетренированными людьми, свидетельствуют о том, что регулярные физические нагрузки приводят к желаемой адаптации системы антиоксидантной защиты [90], [91].
Цистеин, глутаминовая кислота и пироглутаминовая кислота являются промежуточными звеньями глутамилового цикла. Таким образом, повышенный уровень глутамата при интенсивных физических нагрузках, а также снижение его уровня после тренировок [92] показывают, что интенсивные физические нагрузки влияют на глутамиловый цикл и указывают на степень развития окислительного стресса или адаптации к нему.
Также изменение содержания глутамата и его амида глутамина может быть использовано в качестве метода мониторинга состояний усталости у спортсменов [93], так как в исследованиях у спортсменов, испытывающих хроническую усталость, концентрация данных аминокислот в состоянии покоя значительно отличается от концентрации здоровых спортсменов высшей категории [94], а также перетренированности [95]. Таким образом, соотношение глутамата и глутамина демонстрирует перспективность для мониторинга тренировочного стресса [96], а значит требует более подробного изучения молекулярных механизмов.
Анализ уровня различных метаболитов, связанных с метаболизмом аминокислот, может дать оценку текущего физического состояния спортсменов, что может быть полезно для составления будущих тренировочных программ и предотвращения возможных расстройств, связанных с перетренированностью. Это особенно важно для растущего организма. Например, при разработке рациона питания необходимо учитывать не только потребности в пищевом белке, но и потребление энергии. Поскольку интенсивные физические нагрузки с высоким потреблением энергии могут привести к использованию белка и аминокислот в качестве субстратов для ее получения, а не для синтеза белка в процессе роста и развития, увеличения мышечной массы [97]. Вместе с тем при физических нагрузках увеличение скорости тока крови способствует большему поступлению аминокислот в мышцы, что снижает их повреждение и мышечную чувствительность замедленного типа, наступающую после интенсивной тренировки.
Однако изучение текущей литературы по поиску эффективных и показательных биомаркеров метаболических характеристик у юных спортсменов, а также, эффективности различных тренировок и перспектив спортивных достижений выявил пробелы в фактических данных для дальнейших исследований в развитии именно детского спорта.
Особый интерес для создания практических диагностических панелей, адаптированных для детей и подростков, представляют несколько групп метаболитов: карнозин и его метаболиты (β-аланин, гистидин), соотношение глутамат/глутамин, фенилаланин. Несмотря на выявленный потенциал, внедрение данных биомаркеров в реальную клинико-лабораторную практику для детского контингента сопряжено с рядом серьезных методологических трудностей. Основными препятствиями являются: отсутствие утвержденных возрастных и половых референсных интервалов (нормативов) с учетом стадии пубертата, сложность интерпретации результатов в динамике роста и созревания ребенка, а также инвазивность забора проб (например, для определения мышечного карнозина требуются биопсия или сложные протоколы МР-спектроскопии, что малоприменимо в рутинной практике).
3. Гормональный фон при физических нагрузках
С одной стороны, физическая активность повышает уровень некоторых гормонов, связанных с пубертатным развитием. С другой стороны, гормоны, которые выделяются во время физических упражнений, влияют на рост и развитие. Поэтому важна характеристика гормональных реакций на интенсивные физические нагрузки в юношеском возрасте для сохранения здоровья спортсмена и стабильного роста результатов [98]. Учитывая огромные гормональные изменения, происходящие в процессе роста и созревания подростков, можно предположить, что гормональная реакция на физические нагрузки не будет одинаковой у детей и подростков или молодежи разного возраста [99]. Таким образом, информация о влиянии тренировок различной интенсивности и действии физических нагрузок на гормональный фон юных спортсменов, может улучшить понимание долгосрочных последствий на здоровье и эффективность результатов.
Однако изучение механизма этих реакций проводится крайне мало, а значит, и профилактика этих нарушений затруднена.
Ранее уже отмечалось, что у детей в препубертатном возрасте преобладают аэробные способы получения энергии, и выявляется более низкая активность анаэробных процессов во время физической нагрузки. В связи с этим во время тяжелых физических нагрузок уровень лактата в мышцах и крови у детей ниже, чем у взрослых, и они в большей степени зависят от жирных кислот в качестве источника энергии. Это связано с тем, что у подростков препубертатного возраста может быть незрелая система регуляции уровня глюкозы. Однако относительная скорость окисления жирных кислот снижается по мере развития подросткового возраста в период полового созревания. Механизм ослабления утилизации липидов с наступлением полового созревания и влияние, которое это может оказать на состав тела, неизвестны. У подростков в препубертатном возрасте относительно высокий уровень окисления экзогенной глюкозы, возможно, из-за меньших запасов эндогенных углеводов [100].
Гормоны, связанные с пубертатным развитием, к которым относятся гормон роста (ГР), инсулиноподобный фактор роста (ИФР-1), половые стероиды и катехоламины, также являются гормонами, которые могут влиять на энергетический обмен во время физических упражнений. Считается, что повышение уровня половых стероидов препятствует действию инсулина на скелетные мышцы, жировую ткань и печень [98].
При выполнении физических упражнений также наблюдается небольшое, но значительное повышение уровня циркулирующего тестостерона у мальчиков-подростков [99]. Немногочисленные исследования групп молодых спортсменов показали, что силовые тренировки значительно повышали уровень тестостерона после тренировки, чего не наблюдалось после тренировок на выносливость. Т.е. уровень анаболических гормонов, таких как тестостерон, суперсемейство гормонов роста и катаболического гормона кортизола, повышается после тренировки с отягощениями. В то время как при тренировках с низкой интенсивностью, использующими длинные интервалы отдыха, активность этих гормонов существенно не меняется [101]. Подобные данные можно использовать в качестве маркеров, показывающих эффективность различных режимов физических нагрузок.
Тестостерон активирует анаболические и антикатаболические механизмы и, таким образом, участвует в росте мышечной ткани, восстановлении и ремоделировании, а также повышении производительности [102]. Многие исследования профессиональных спортсменов показали, что тестостерон является основным стимулятором роста мышц и последующего увеличения мышечной силы в ответ на силовые тренировки у мужчин [103]. Одной из возможных причин резкого повышения уровня тестостерона во время силовых упражнений является снижение его усвоения печенью, возможно, из-за снижения печеночного кровотока во время тренировки. Другая причина заключается в том, что прямая нервная стимуляция яичек во время стрессовых состояний приводит к высвобождению тестостерона [104].
Считается, что кортизол играет важную глюкокортикоидную роль во время длительных физических нагрузок, обеспечивая субстрат для катаболизма, но в случае кратковременных силовых упражнений кортизол может играть более важную роль в обеспечении аминокислотами для ремоделирования мышц. Это может быть одной из причин наблюдаемой взаимосвязи между повышением уровня кортизола, вызванным физической нагрузкой, и гипертрофией мышц, вызванной тренировкой [105], [106].
Литературные данные подтверждают, что тестостерон и кортизол могут регулировать долгосрочные изменения в росте мышц и спортивных результатах, особенно при тренировках с отягощениями [107]. Эти данные также подтверждают, что изменения в концентрации тестостерона или кортизола могут влиять на нервно-мышечную активность или поддерживать её с помощью различных краткосрочных механизмов (например, липидных/белковых путей, нейронной активности, поведения, когнитивных функций, работы двигательной системы, свойств мышц и энергетического обмена). Возможность двойного воздействия тестостерона и кортизола на нервно-мышечную систему предлагает новую парадигму для понимания эффективности тренировок с отягощениями и адаптации к ним [108]. Несколько факторов (например, структура тренировки, питание, генетика, статус и тип тренировок) могут резко изменить концентрацию тестостерона и/или кортизола и, тем самым, потенциально повлиять на эффективность тренировок с отягощениями и адаптивные результаты. Однако точный вклад этих эндогенных гормонов в тренировочный процесс все еще неясен.
Учитывая важность гонадостероидных и глюкокортикоидных гормонов для пластичности тканей и метаболизма подростков, у которых наблюдается активный анаболизм, требующий больших энергетических затрат, на удивление мало известно о скоординированной регуляции семейства гормональных промежуточных продуктов и основных гормонов в ответ на физическую нагрузку у юных спортсменов. Например, имеются исследования, показывающие, что при постоянных чрезмерных нагрузках на выносливость может возникать недостаточная обеспеченность энергией и гормональное подавление (гипогонадизм). Гипогонадизм был описан в ряде исследований [109], [110]. Такие тематические исследования позволяют получить представление о серьезных негативных последствиях неграмотно проведенных тренировок и распределенных физических нагрузок для эндокринной системы [111].
Физические нагрузки так же приводят к изменениям концентраций катехоламинов [51], таких как адреналин, норадреналин и дофамин, которые помогают увеличить частоту сердечных сокращений и сократительную способность сердца, а также регулируют обмен веществ и кровоток. Адреналин, норадреналин и дофамин при физических нагрузках повышаются за счет доминирования симпатической нервной системы в результате интенсивных физических упражнений [112]. Кратковременное повышение уровня катехоламинов имеет решающее значение для оптимальной выработки силы и высвобождения энергии во время силовых упражнений, так как ведет к повышению концентрации жирных кислот и глюкозы в крови. Однако у подростков предподросткового возраста уже наблюдается высокая аэробная работоспособность по сравнению со взрослыми, что связывают с тем, что физические упражнения стимулируют рост митохондрий [113]. Митохондрии адаптируются к метаболическому стрессу, вызванному определенными физическими нагрузками [114]. Высокоинтенсивные интервальные тренировки улучшают дыхательную функцию митохондрий [115], в то время как тренировки на выносливость увеличивают содержание митохондрий [39]. Однако эти исследования велись у спортсменов более старшего возраста, а, следовательно, нет никаких доказательств того, что содержание митохондрий изменяется в период полового созревания. Вместе с тем лишь немногие исследования проводились в этой области из-за необходимости проведения биопсии мышц.
Стоит отметить, что в ряде статей все перечисленные гормоны рассматриваются как маркеры синдрома перетренированности у спортсменов [116], [117].
Анализ литературы подчеркивает необходимость внедрения комплексных подходов к мониторингу маркеров обмена веществ у молодых спортсменов, включая создание специализированных диагностических панелей и стандартов контроля, адаптированных к возрастным особенностям и уровням спортивной подготовленности детей.
В этом контексте особого внимания требует оценка надежности классических гормональных маркеров. В частности, широко используемый у взрослых спортсменов показатель соотношения тестостерон/кортизол как маркер анаболического статуса и перетренированности у подростков в период пубертата демонстрирует низкую специфичность и надежность. Ввиду значительных эндогенных колебаний уровня половых стероидов и глюкокортикоидов в процессе созревания (периоды активного роста и полового развития), интерпретация изменений этого соотношения крайне затруднена. Повышение или понижение коэффициента может быть обусловлено не тренировочным стрессом, а естественными гормональными перестройками организма, что ограничивает его диагностическую ценность в педиатрической спортивной медицине и требует поиска альтернативных или дополнительных стабильных маркеров.
Тем не менее, индивидуальные гормональные профили могут быть использованы для более эффективного назначения силовых упражнений и программ тренировок или для оценки эффективности тренировки юных спортсменов. Также необходимо найти наиболее чувствительные маркеры быстрого изменения гормонального фона и, как следствие, результатов тренировок.
4. Заключение
Безусловно, все исследования в области влияния физических упражнений на метаболом спортсменов сходятся на том, что понимание этих механизмов может дать представление о фенотипических реакциях, позволить разработать персонализированные режимы тренировок, основанные на исходном метаболическом статусе человека.
Молодые спортсмены часто выводят себя за обычные рамки, выполняя длительные упражнения на выносливость, вызывая экстремальный метаболический стресс, что приводит к метаболическим изменениям, таким как накопление метаболитов энергетического обмена, истощение мышечного гликогена и окисление жиров. Однако в настоящее время данные о метаболических изменениях, происходящих во время физических нагрузок, представлены в основном по взрослым, натренированным спортсменам. Кроме того, исследования очень разрозненны, зачастую механизмы наблюдаемых изменений изучены недостаточно. Необходимы дальнейшие исследования для определения механизмов изменения метаболизма во время физических нагрузок у подростков в ходе взросления, роста мышц и развития опорно-двигательного аппарата. И, наконец, необходимо выяснить, вызывают ли длительные физические нагрузки средней интенсивности и тяжелые физические нагрузки в подростковом возрасте изменения на эндокринном и метаболическом уровнях [118].
В исследуемой литературе комплексный набор биомаркеров эффективности физических нагрузок и тренировок включает ключевые маркеры питания и метаболического здоровья, состояния гидратации, состояния мышц, выносливости, состояния и риска травм и воспаления [119]. В то время как исследования биохимических показателей у спортсменов выявили только отдельные биомаркеры для оценки здоровья, результатов и восстановления во время тренировок. Стоит отметить, что в литературе имеются противоречивые результаты по механизмам действия низкомолекулярных метаболитов, меняющихся при разных режимах нагрузок [47]. Вместе с тем, перспективными разработками могут стать панели биомаркеров для отслеживания метаболических изменений у детей и подростков спортсменов [45], поэтому необходимы дальнейшие высококачественные исследования влияния различных видов тренировок на метаболом и гормональный фон у детей различного возраста.
Важным результатом исследований в этой области может стать разработка медицинских рекомендаций по планированию занятий физической культурой и спортом с учетом выявленных изменений в состоянии здоровья для гармоничного развития ребенка Одним из инструментов для реализации этой стратегии является создание новых методических рекомендаций для допуска детей к дополнительному образованию в области физической культуры и спорта, отвечающих современным тенденциям в трансформации здоровья детей и современным методам диагностики.
The additional file for this article can be found as follows:
Further description of analytic pipeline and patient demographic information. DOI: