Как тестостерон влияет на взрывную силу?

Марко Кардинале^1,2 и Майкл Х. Стоун³

¹Олимпийский Медицинский Институт, Больница Нортвик Парк [Olympic Medical Institute, Northwick Park Hospital], Харроу, Великобритания; ²Университет Абер­дина, Колледж Наук о Жизни и Медицины, Корпус Физиологии Человека [University of Aberdeen, College of Life Sciences and Medicine, Human Physiology Building] – Фо­рестерхилл, Абердин, Шотландия; ^3Кафедра Физического Воспитания, Физических Упражнений и Спортивных Наук, Государственный Университет Восточного Теннесси [Department of Physical Education, Exercise, and Sport Science, East Tennessee State University], Джонсон-Сити, Теннесси, 37614.

Аннотация. Кардинале, М. [Cardinale, M.] и М.Х. Стоун [M.H. Stone]. Как те­стостерон влияет на взрывную силу? J. Strength Cond. Res. 20(1): 103–107. 2006. – Целью этого исследования стал анализ взаимосвязи между уров­нем тестостерона и высотой верти­кального прыжка у элитных спортсме­нов (женщин и мужчин). Второй целью работы был поиск различий в уровнях тестостерона и показателях в вертикальном прыжке между мужчинами и женщинам, а также между спортсменами разных дисциплин. В исследовании приняло участие 70 (22 женщины и 48 мужчин) высококлассных спортсменов, участников международных и национальных соревнований: легкоатлетов (спринтеров), гандболистов, волейболистов и футболистов. Взятие образцов крови для определения уровня тестостерона осуществлялось из локтевой вены после десяти часов голодания и одного дня отдыха от тренировок. Для определения показателей в вертикальном прыжке применялся тест – на платформе для прыжков с сопротивлением, подключенной к цифровому таймеру, выполнялся прыжок вверх с места. Уровень тестостерона в состоянии покоя у женщин составил 9,5% от уровня мужчин (0,62 ± 0,06 нг·мл^-1 и 6,49 ± 0,37 нг·мл^-1, соответственно; p < 0,001). Высота прыжка верх с места также сильно различались – показатели женщин составили 86,3% от показателей мужчин (p < 0,001). Анализ данных позволил установить ярко выраженную прямую зависимость между уровнями тестостерона и показателями в вертикальном прыжке (r = 0,61, p < 0,001, n = 70).

Ключевые слова: вертикальный пры­жок, нервно-мышечная производи­тельность, нейроэндокринный.

Введение

Гормоны играют ключевую роль в ре­гуляции мышечного метаболизма че­ловека, причём как в здоровом состоя­нии, так и во время болезни. В спор­тивной науке изучению анаболиче­ских гормонов уделяется много вре­мени по причине их серьёзного влия­ния на процесс развития скелетных мышц. Тестостерон, основной муж­ской гормон, синтезируемый в яичках, представляет наибольший интерес, поскольку хорошо известно о его уча­стии в росте скелетной мускулатуры (2, 11, 12, 19). Было установлено, что увеличение размера и силы мышц под воздействием тестостерона обуслов­лено ростом площади поперечного се­чения волокон как I, так и II типа, а также увеличением числа ядер в мы­шечной клетке (22). Тестостерон сти­мулирует процесс синтеза мышечных белков (10, 12, 21) и, таким образом, участвует в морфологических пере­стройках в мышце.

В среднем взрослый мужчина еже­дневно вырабатывает около 7 мг тестостерона (1). Концентрация этого гормона в крови у женщин составляет примерно 10% от концентрации муж­чин. Было предположено, что столь существенная разница в уровнях те­стостерона объясняет преимущество мужчин перед женщинами в силе и размерах мышц. При этом известно, что показатели силы нижних конечно­стей, подсчитанные с учетом массы тела, у мужчин и женщин одинаковы (9, 13). В свете недавних исследова­ний, которые установили прямую за­висимость между концентрацией те­стостерона в сыворотке крови и скоро­стью в беге на короткие дистанции (8), а также между уровнем тестостерона и результатами в вертикальном прыжке (высота и мощность прыжка) у муж­чин-футболистов (7), было предполо­жено, что тестостерон влияет на взрывную силу и скорость. Кроме того, Боско [Bosco] и соавт. (9) пред­положили, что заметная разница между высококлассными спринте­рами мужского и женского пола по по­казателю отношения взрывной силы к скорости нижних конечностей, а также по показателю высоты вертикального прыжка, может объясняться большой разницей в концентрации те­стостерона в крови в состоянии покоя.

Поскольку сведений об уровне тесто­стерона у высококлассных спортсме­нов в состоянии покоя и о влиянии этого гормона на нервно-мышечную производительность недостаточно, ос­новной целью данного исследования стал анализ взаимосвязи между уров­нем тестостерона и показателем в вертикальном прыжке у элитных спортс­менов мужского и женского пола. Вто­рой целью работы стал поиск разли­чий в уровнях тестостерона и в показа­телях в вертикальном прыжке между мужчинами и женщинами, а также между спортсменами разных дисци­плин.

Методы исследования

Экспериментальный подход

Данная работа была проведена, чтобы установить зависимость между уров­нем тестостерона и показателем в вер­тикальном прыжке у высококлассных спортсменов разных дисциплин. По­этому для определения уровня тесто­стерона испытуемые сдавали пробы крови в утреннее время. В то же утро определялась и высота вертикального прыжка. Сравнение данных проводи­лось между мужчинами и женщинами, а также между представителями раз­ных спортивных дисциплин.

Участники исследования 

В исследовании приняло участие 70 добровольцев (22 женщины и 48 муж­чин). Испытуемые были ознакомлены с целями исследования, его особенно­стями, а также с возможными неудоб­ствами, которые могли возникнуть в ходе эксперимента. После каждый участник предоставил нам информи­рованное согласие в письменной форме. Научная работа была согласо­вана государственными органами в области спорта. Испытуемые были высококлассными спортсменами: легко­атлетами (бег на короткие дистанции), гандболистами, волейболистами и футболистами. Они выступали на национальных и международных со­ревнованиях (представляли нацио­нальные сборные или участвовали в соревнованиях Кубка Европы). Физи­ческие показатели участников экспе­римента представлены в таблице 1.

Определение гормонального уровня

Взятие образцов крови происходило после десяти часов голодания и одного дня отдыха от тренировок. До анали­зов сыворотка крови хранилась в замо­роженном состоянии при температуре -20°C. Определения концентрации те­стостерона в сыворотке проводилось при помощи радиоиммунного анализа (РИА) с использованием реагентов (Diagnostic Products Corp., Лос-Андже­лес, Калифорния). Изучение образцов проводилось с применением радио­метрической установки (COBRA 5005, Packard Instruments, Corporation, Ме­риден, США). Коэффициент вариации между образцами при повторных измерениях составил 4,2%. Результаты анализов спринтеров были представ­лены ранее в другой публикации (9).

Определение показателей верти­кального прыжка

Тестирование способностей в верти­кальном прыжке осуществлялось на платформе для прыжков с сопротивле­нием, подключенной к цифровому таймеру (погрешность измерений – ± 0,001 с) (Ergojump, Psion XP, MA.GI.CA., Рим, Италия) – фиксировалось время полета (t_п) и время кон­такта с землей (t_к) в каждом прыжке. Чтобы облегчить измерения, смеще­ния в переднезаднем и боковых направлениях в момент прыжка были сведены к минимуму, а руки спортс­мена располагались на бедрах. Высота подъема центра тяжести над землей (в метрах) определялась на основе пока­зателя времени полёта (t_п, в секундах) с применением законов баллистики:

высота подъема = t_п² * g * 8^-1 (м),

где g – показатель ускорения свобод­ного падения (9.81 м/с²).

Тест с использованием прыжка вверх с места как компонент протокола ErgoJump (r = 0,90 [23]; α = 0,98 [16]) обладает высокой надежностью и фак­торный валидностью.

Процедура исследования 

Перед началом эксперимента были определены антропометрические по­казатели (рост и вес) и возраст испы­туемых. Затем участники готовились к процедуре взятия образца крови из локтевой вены. После забора крови с наступлением хорошего самочувствия испытуемый выполнял стандартную десятиминутную разминку: бег, прыжки и упражнения на растяжку. После разминки испытуемый трижды выполнял прыжок вверх с места; луч­ший результат использовался в стати­стическом анализе.

Анализ данных 

Для анализа применялись традицион­ные методики статистики: определя­лось среднее значение, величины стан­дартного отклонения и стандартной ошибки. Поскольку данные не были распределены нормально, для поиска зависимостей между переменными ис­пользовался тест корреляции Спир­мена. Сопоставление показателей мужчин и женщин происходило с при­менением критерия Манна-Уитни. При помощи критерия Манна-Уитни осуществлялось также сравнение между женщинами-спринтерами и женщинами-волейболистами. Сравне­ние данных гандболистов, футболи­стов и спринтеров мужского пола про­изводилось с применением критерия Фридмана; критерий Данна использо­вался для множественных сравнений. Уровень статистической значимости был установлен на значении p ≤ 0,05.

Результаты исследования 

Уровень тестостерона в покое у жен­щин составлял 9,5% от уровня мужчин (соответственно 0,62 ± 0,06 нг·мл^-1 и 6,49 · 0,37 нг·мл^-1; p < 0,001; см. рис. 1). Показатели прыжка вверх с места существенно различались между жен­щинами и мужчинами: женщины де­монстрировали те же результаты, что и мужчины, в 86,3% случаев (рис. 2; p < 0,001). Была обнаружена ярко выра­женная прямая зависимость между уровнем тестостерона и показателем в вертикальном прыжке (r = 0.61, p <0.001, n = 70; рис. 3). Коэффициент де­терминации был равен r² = 0,37. 

Сле­довательно лишь 37% дисперсии пока­зателей концентрации тестостерона определяли результат в вертикальном прыжке. Уровень тестостерона и прыжковый показатель были суще­ственно выше у женщин-спринтеров, чем у женщин-волейболистов (соот­ветственно 33,8 ± 1,8 см и 42,4 ± 1,2 см; p < 0,01). Значимые различия в уровне тестостерона в покое были также установлены между гандболи­стами и футболистами (p < 0,001) и между гандболистами и спринтерами (p < 0,001, рис. 5). Уровень тестосте­рона в покое у футболистов и спринте­ров отличались незначительно. Пры­жок вверх с места был выше у сприн­теров (рис. 6) в сравнении как с футбо­листами, так и с гандболистами. Коэф­фициент корреляции между уровнем тестостерона и высотой прыжка вверх с места был разным у мужчин (r = 0,62; p < 0,001) и женщин (r = 48; p < 0,01).

Обсуждение результатов 

Мы видим, что уровень тестостерона и высота вертикального прыжка, опре­делённый при помощи теста с прыж­ком вверх с места, существенно разли­чались у элитных спортсменами муж­ского и женского пола. Показатель в прыжке вверх с места у женщин соста­вил 86,3% от показателя мужчин. Ана­лиз гендерных различий по показа­телю абсолютной и взрывной силы проводился и ранее с применением различных методологий тестирова­ния. В частности, было показано, что вес снаряда в жиме лёжа у женщин со­ставляет 74% от массы штанги у муж­чин при условии коррекции силовых результатов с учетом массы тела или безжировой массы тела. Однако сило­вые результаты женщин в жиме но­гами очень близки к мужским резуль­татам, если даже не превосходят их (13). Известно, что разница между мужчинами и женщинами в силе верх­ней части тела существенна, даже если корректировать результаты с учётом массы тела или массы тела без жира. Однако сила нижней части тела, судя по всему, у мужчин и женщин одина­кова, если учитывать рост и сухую массу тела испытуемых (13). Так в не­давнем исследовании с участием элит­ных спортсменов мужского и жен­ского пола не было найдено различий между испытуемыми по показателю отношения силы к скорости нижних конечностей при высоком значении силы (данные корректировались с уче­том масс тела) (9). Однако в этой же работе авторы выявили существенные различия между мужчинами и женщи­нами по показателю отношения силы к скорости нижних конечностей при вы­соком значении скорости, по показа­телю отношения взрывной силы к ско­рости нижних конечностей и по пока­зателю вертикального прыжка. Уче­ные предположили, что тестостерон участвует в процессе активации мышц при выполнении быстрых движений. Более ранние исследования допускали такую ​​возможность. Так Боско [Bosco] и соавт. (7, 8) обнаружили сильную за­висимость между уровнем тестосте­рона, высотой вертикального прыжка и взрывными способностями у про­фессиональных футболистов-мужчин. Эта находка свидетельствует о влия­нии тестостерона на развитие волокон типа II. Установленная нами прямая зависимость между высотой верти­кального прыжка и уровнем тестосте­рона подтверждает гипотезу о том, что этот анаболический гормон в суще­ственно влияет на взрывную силу.

Скелетные мышцы являются мише­нями для анаболических стероидов. Эти гормоны стимулируют рост мышц (2, 3, 11), определяют особенности их функционирования. Тестостерон также влияет на поведение человека. Так в результате корреляционных ис­следований была установлена прямая зависимость между уровнем тестосте­рона и агрессивностью у приматов (18). Данное открытие было подкреп­лено и другими экспериментальными исследованиями – зависимость была выявлена у животных разных видов, а также у человека. Например, было установлено, что у женщин с хрониче­ски повышенным уровнем свободного тестостерона, возникшем вследствие поликистоза яичников, ухудшается настроение и повышается агрессив­ность (24). Кроме того, Саррелл [Sarrell] (20) показал, что при избытке андрогенов агрессивность женщин по­вышается. Вероятно, что тестостерон, помимо того, что повышает агрессив­ность, в то же время облегчает пере­дачу входящих сигналов в нейронной сети во время осуществления макси­мального взрывного усилия.

Другие ученые установили, что тесто­стерон влияет на процесс нервно-мы­шечной передачи сигналов (4, 14). Так Бланко [Blanco] и соавт. (4) выяснили, что модуляция уровней мРНК холина­цетилтрансферазы под действием те­стостерона у крыс воздействует на процесс передачи импульсов от нейрона к мышце. Ученые предполо­жили, что влияние этого гормона на спортивные результаты обусловлено не только лишь перестройками внутри скелетных мышц. Дальнейшие иссле­дования на животных показали, что тестостерон играет важную роль в ре­гуляции экспрессии генов, а именно, в процессе транскрипции сократитель­ных белков. Известно также, что под действием тестостерона происходит изменение тяжёлых миозиновых це­пей – увеличивается содержание бе­лого быстрого миозина в мышце (15). Наконец, было установлено, что тесто­стерон увеличивает число ацетилхоли­новых рецепторов в нейромышечном синапсе (5).

Исследования на животных показали, что тестостерон существенно влияет на процесс возбуждения-сокращения скелетных мышц, а также изменяет фенотипа быстрых волокон. Резуль­таты нашего исследования вместе с ре­зультатами предыдущих работ (7, 8, 10) демонстрируют, что тестостерон играет важную роль в развитии макси­мальной силы при минимальном вре­мени сокращения мышечного во­локна. Менее выраженная зависи­мость между уровнем тестостерона и результатом в вертикальном прыжке у женщин в сравнении с мужчинами мо­жет объясняться гендерными отличи­ями в отношении чувствительности скелетных мышц к тестостерону. По­скольку концентрация тестостерона в сыворотке крови у женщин составляет около 10% от концентрации мужчин, можно предположить, что другие ан­дрогены также играют важную роль в мышечной деятельности. Например, андростендион, уровни которого оди­наковы как у мужчин, так и у женщин (17) и который обладает как андроген­ными, так и анаболическими эффек­тами, вероятно, тоже влияет на работу скелетных мышц.

В заключение нужно сказать, что меж­половые различия в уровнях тестосте­рона у наших испытуемых согласу­ются с различиями, наблюдаемыми в человеческой популяции в целом. Кроме того, уровни тестостерона от­личаются у спортсменов разных спе­циализаций – наиболее высокая кон­центрация этого гормона – у спринте­ров, причём как у мужчин, так и у жен­щин. Прямая зависимость между уров­нем тестостерона и высотой верти­кального прыжка подтверждает гипо­тезу о том, что тестостерон участвует не только лишь в процессе мышечных перестроек – он влияет на нервно-мы­шечные механизмы. Дальнейшие ис­следования, вероятно, помогут лучше разобраться в вопросах влияния тесто­стерона на работу скелетных мышцы и роли этого гормона в формировании гендерных различий по показателям абсолютной и взрывной силы.

Практические рекомендации 

Целью исследования заключалась в сравнении уровней тестостерона и по­казателей вертикального прыжка между элитными спортсменами муж­ского и женского пола. Уровень тесто­стерона у женщин составил 9,5% от уровня мужчин. Кроме того, показа­тели женщин в вертикальных прыж­ках составили 86,3% от показателей мужчин. Таким образом, взрывная сила в быстрых баллистических дви­жениях, совершаемых нижними ко­нечностями, ниже у женщин, чем у мужчин. Данная информация может найти применение в тренерской прак­тике. На самом деле, в современной литературе утверждается, что сила женщин равна силе мужчин, если сравнение производится с учетом массы тела или безжировой массы тела. Поэтому при разработке про­граммы тренировок для женщин раз­витию силы следует уделять особое внимание. Прямая зависимость между уровнем тестостерона и показателем вертикального прыжка подтверждает наше предположение о ключевой роли этого анаболического гормона в ра­боте нервно-мышечных механизмов. Поэтому чтобы отслеживать срочные и долговременные реакции на трени­ровочную программу для развития взрывных способностей, важно регу­лярно определять уровень тестосте­рона. При этом очевидно, что про­блема роли тестостерона в работе нервно-мышечных механизмов тре­бует дальнейшего изучения.

Список литературы 

1. BARDIN, C.W. The anabolic action of testosterone. N. Engl. J. Med. 335:52–53. 1996.
2. BHASIN, S., T.W. STORER, N. BER­MAN, C. CALLEGARI, B. CLEV- ENGER, J. PHILLIPS, T.J. BUNNELL, R. TRICKER, A. SHIRAZI, AND R. CASABURI. The effects of supraphysio­logic doses of testosterone on muscle size and strength in normal men. N. Engl. J. Med. 335:1–7. 1996.
3. BHASIN, S., L. WOODHOUSE, AND T.W. STORER. Proof of the effects of testosterone on skeletal muscle. J. Endo­crinol. 170:27– 38. 2001.
4. BLANCO, C.E., P. POPPER, AND P. MICEVYCH. Anabolic-androgenic ster­oid induced alterations in choline acetyl­transferase messenger RNA levels of spi­nal cord motoneurons in the male rat. Neuroscience 78:873–882. 1997.
5. BLEISCH, W.V., A.L. HARRELSON, AND V.N. LUINE. Testosterone in­creases acetylcholine receptor number in the ‘‘levator ani’’ muscle of the rat. J. Neurobiol. 13:153–161. 1982.
6. BOOK, A.S., K.B. STARZYK, AND V.L. QUINSEY. The relationship be­tween testosterone and aggression: A meta-analysis. Aggres. Viol. Behav. 6:579–599. 2001.
7. BOSCO, C., J. TIHANYI, L. RI­VALTA, G. PARLATO, C. PULVI­RENTI, C. FOTI, M. VIRU, AND A. VIRU. Hormonal responses in strenuous jumping effort. Jpn. J. Physiol. 46:93–98. 1996.
8. BOSCO, C., J. TIHANYI, AND A. VIRU. Relationships between field fit­ness test and basal serum testosterone and cortisol levels in soccer players. Clin. Physiol. 16:317–322. 1996.
9. BOSCO, C., O. TSARPELA, C. FOTI, M. CARDINALE, J. TIHANYI, M. BONIFAZI, M. VIRU, AND A. VIRU. Mechanical behaviour of leg extensor muscles in male and female sprinters. 19:189–202. 2002.
10. FERRANDO, A.A., K.D. TIPTON, D. DOYLE, S.M. PHILLIPS, J. COR­TIELLA, AND R.R. WOLFE. Testos­terone injection stimulates net protein synthesis but not tissue amino acid transport. Am. J. Physiol. 275:E864–E871. 1998.
11. FORBES, G.B., C.R. PORTA, B.E. HERR, AND R.C. GRIGGS. Sequence of changes in body composition induced by testosterone and reversal of changes after drug is stopped. JAMA 267:397– 399. 1992.
12. GRIGGS, R.C., W. KINGSTON, R.F. JOZEFOWICZ, B.E. HERR, G. FORBES, AND D. HALLIDAY. Effect of testosterone on muscle mass and mus­cle protein synthesis. J. Appl. Physiol. 66:498– 503. 1989.
13. HOFFMAN, T., R.W. STAUFFER, AND A.S. JACKSON. Sex difference in strength. Am. J. Sports Med. 7:265–267. 1979.
14. LESLIE, M., N.G. FORGER, AND S.M. BREEDLOVE. Sexual di-хmorphism and androgen effects on spi­nal motoneurons innervating the rat flexor digitorum brevis. Brain Res. 561:269–273. 1991.
15. LYONS, G.E., A.M. KELLY, AND N.A. RUBINSTEIN. Testosterone-in­duced changes in contractile protein isoforms in the sexually dimorphic tem­poralis muscle of the guinea pig. J. Biol. Chem. 261:13278–13284. 1986.
16. MARKOVIC, G., D. DIZDAR, I. JUKIC, AND M. CARDINALE. Relia­bility and factorial validity of squat and countermovement jump test. J. Strength Cond. Res. 18:551–555. 2004.
17. MILLER, K.K. Androgen deficiency in women. J. Clin. Endocrinol. Metab. 86:2395–2401. 2001.
18. ROSE, R.M., J.W. HOLADAY, AND I.S. BERNSTEIN. Plasma testos­terone, dominance rank and aggressive behaviour in male rhesus monkeys. Na­ture 231:366–368. 1971.
19. ROZENEK, R., C.H. RAHE, H.H. KOHL, D.N. MARPLE, G.D. WIL- SON, AND M.H. STONE. Physiological responses to resistance-exercise in ath­letes self-administering anabolic steroids. J. Sports Med. Phys. Fitness 30:354–360. 1990.
20. SARREL, P.M. Psychosexual effects of menopause: Role of androgens. Am. J. Obstet. Gynecol. 180(3 Pt 2):S319–S324. 1999.
21. SHEFFIELD-MOORE, M., R.J. UR­BAN, S.E. WOLF, J. JIANG, D.H. CAT­LIN, D.N. HERNDON, R.R. WOLFE, AND A.A. FERRANDO. Short-term oxandrolone administration stimulates net muscle protein synthesis in young men. J. Clin. Endocrinol. Metab. 84: 2705–2711. 1999.
22. SINHA-HIKIM, I., J. ARTAZA, L. WOODHOUSE, N. GONZALEZ-CA-DAVID, A.B. SINGH, M.I. LEE, T.W. STORER, R. CASABURI, R. SHEN, AND S. BHASIN. Testosterone-induced increase in muscle size in healthy young men is associated with muscle fiber hy- pertrophy. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 283:E154–164. 2002.

22. VIITASALO, J.T., AND C. BOSCO. Electromechanical behaviour of human skeletal muscles in vertical jumps. Eur. J. Appl. Physiol. 48:253–261. 1982.
23. WEINER, C.L., M. PRIMEAU, AND D.A. EHRMANN. Androgens and mood dysfunction in women: Comparison of women with polycystic ovarian syn­drome to healthy controls. Psychosom. Med. 66:356–362. 2004.

Благодарности

Мы выражаем благодарность д-ру Кармело Боско [Dr. Carmelo Bosco], д-ру Даниэле Сериакопи [Dr. Daniele Se­riacopi], д-ру Нелло Д'Арриго [Nello D’Arrigo] и д-ру Марко Бонифаци [Dr. Marco Bonifazi] за помощь в сборе и анализе проб крови, а также Гидо Вермюлену [Gido Vermeulen] и Лино Сервару [Lino Cervar] за то, что разре­шили своим спортсменам принять участие в нашем эксперименте.

Адрес для переписки с д-ром Марко Кардинали [Dr. Marco Cardinale]: Уни­верситет Абердина, Колледж Наук о Жизни и Медицины, Корпус Физиоло­гии Человека [University of Aberdeen, College of Life Sciences and Medicine, Human Physiology Building] — Форе­стерхилл, AB25 2ZD Абердин, Шотландия.