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    運動方式對體內活性氧的影響分析

    時間:2015-08-10 來源:未知 作者:傻傻地魚 本文字數:3760字
    摘要

      氧化應激是衰老以及癌癥、代謝綜合征等多種疾病發生的基礎。運動對機體的保護作用眾所周知,而對其中機理的研究也主要集中在氧化應激上,即運動通過增強機體抗氧化能力,緩解氧化損傷,預防/延緩衰老及疾病的發生。越來越多的研究表明,運動對氧化還原平衡調節存在兩面性: 適當強度的運動可以促進活性氧的產生,起到促進機體功能的效果; 而過量運動所致的大量活性氧生成則會造成運動損傷,反而不利于人體健康。本文綜述了不同強度和形式的運動方式對機體內活性氧生成及氧化應激平衡的調節,并對線粒體營養素做簡要介紹。

      一、氧化應激定義的發展

      氧化應激的定義由 Sies 等(1985) 首次提出,并經 Jones 等(2007) 豐富發展,指"氧化劑和抗氧化劑平衡紊亂,氧化劑水平更高,導致氧化還原信號及其調控的紊亂和/或分子損傷".在生物體系中氧化應激評價指標主要包括 4 類: (1) 氧化劑,主要為超氧陰離子、羥基自由基、過氧化氫和過氧亞硝酸鹽等; (2) 小分子抗氧化劑,主要為谷胱甘肽、維生素C、維生素 E、半胱氨酸及總抗氧化能力等; (3) 氧化產物,主要為羰基化蛋白、異構前列腺素、硝基酪氨酸、8-羥基鳥苷、4-HNE 及丙烯醛等; (4) 抗氧化/氧化蛋白平衡,主要為GSH /GSSG值、半胱氨酸氧化還原態及硫醇態/二硫態等。生物體在進化過程中發展了一整套對抗氧化應激的自身防御機制,除了小分子抗氧化劑外,機體內還擁有一系列受到嚴格調控的抗氧化酶/酶復合體,包括過氧化物歧化酶,過氧化氫酶,谷胱甘肽過氧化物酶等,而這些抗氧化酶又受到其上游調控因子的嚴格控制。

      二、運動與氧化應激

      運動(指體育鍛煉、訓練,但不包括體力勞動)是健身的主要形式。從生物化學和生理學角度來看,運動與健康之間涉及復雜的生理生化過程。不同的鍛煉方式因其方式、強度和時間的差異可以引起機體不同的響應和鍛煉效果,可能起到強身健體的效果,也可能帶來運動疲勞甚至運動損傷[1].

      (一) 運動過程中活性氧及活性氮的生成 細胞可以產生多種活性氧 (reactive oxygen species,ROS) 及活性氮(reactive nitrogen species,RNS) ,前者以超氧陰離子為主,主要在線粒體中生成; 后者以一氧化氮自由基(NO.) 為主,由一氧化氮合成酶催化生成。超氧陰離子可以進一步轉化為過氧化氫和羥基自由基,也可與 NO.迅速結合生成毒性更大的過氧亞硝酸鹽[2].黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XO) 是 ROS 生成的另一重要來源。AMP 在氧不足的情況下降解為次黃嘌呤,后者在黃嘌呤氧化酶催化下轉換為黃嘌呤和尿酸,同時生成超氧自由基。

      在肌肉中,肌漿網、T 管及肌節內均分布著大量的NADPH 氧化酶,可以生成超氧陰離子。另外,高強度運動引起肌細胞的免疫反應,其中多態中性粒細胞在免疫應激中也產生活性氧。

      (二) 活性氧及活性氮在運動適應過程中的重要生物學作用 一直以來,氧化應激都被認為是氧化代謝的副產物,能夠造成細胞內蛋白質、脂質及DNA 的損傷,在各種生理病理條件下發揮作用。但近年來越來越多的研究卻發現,適當的氧化應激在維持正常生理代謝過程中起著至關重要的作用,并且是介導運動引起的機體適應的分子基礎。特別是ROS 不再被單純視為氧化損傷的元兇,而是作為一個具有雙向調節作用的信號分子在生理和病理條件下發揮作用[3].以 2 型糖尿病為例,運動對預防糖尿病發生和改善其癥狀具有很好的效果,而這種效果卻被糖尿病的治療藥物---二甲雙胍---所阻斷。究其原因,在于兩者對氧化還原平衡調節的矛盾性: 運動產生有益的生理濃度的活性氧,而二甲雙胍卻通過增加細胞還原能力,降低活性氧產生[4].

      肌肉具有很強的可塑性,在運動過程中發生快速的信號響應,促進肌肉蛋白合成及肌肉表型的轉變。而肌肉收縮中生成的 ROS 正是介導有氧鍛煉過程中的肌肉適應的分子基礎[5,6].Kelvin Davies(1982) 最早提出 ROS 是運動過程中肌肉產生適應性轉變的必要條件。在基礎生理條件下,肌肉產生的少量 ROS 對正常的肌肉力量形成也是必不可少[7],而通過補充抗氧化劑(如維生素 C、E 或 NAC等) 或其他手段(如抑制黃嘌呤氧化酶) 阻斷正常生理條件下的 ROS 生成,引起肌肉力量的下降,抵消了運動引起的肌肉適應性變化[4,8,9].相反,適當程度地增加肌肉內的 ROS 可以增加肌肉力量[7].

      適當強度的運動同樣促進 RNS 水平的增加,負責介導運動引起的適應性轉變,包括肌纖維選擇性肥大和肌纖維類型轉變等[10].肌肉收縮過程中生成的低濃度 NO,能夠促進 PGC-1α 表達及線粒體生成10].通過給予外源的 NO 供體同樣可以顯著促進運動引起的適應性轉變[11].反之,通過基因敲除或抑制劑阻斷 NO 生成則能阻斷運動引起的 PGC-1α升高[12].

      此外,運動引起的活性氧生成可能對于維持細胞內(尤其是內質網內) 的氧化水平及蛋白質的正常折疊和穩定的三維結構必不可少[3].蛋白質的結構很大程度上依賴于二硫鍵(S-S) 的作用,而自由巰基形成二硫鍵的過程由蛋白質二硫鍵異構酶催化完成。在完成二硫鍵形成的催化反應后,蛋白質二硫鍵異構酶處于還原狀態,不能進行下一輪催化反應,需要被內質網上的氧化酶 ERO1(內質網氧化物蛋白 1) 氧化來恢復催化活性,而被還原的 ERO1再通過將電子傳遞給氧分子恢復自身活性狀態。

      (三) 高強度運動誘導氧化應激 Dillard(1978) 與 Brady(1979) 等在對人和大鼠的研究中首先發現,高強度運動可引起顯著的氧化應激。其后,加利福利亞州伯克利大學 Lester Packer 教授實驗室(1982) 首次報道了肌肉在運動過程中產生自由基,其中的各種活性氧成分對組織有潛在的損害,同時他們還證明了線粒體是這些自由基的主要來源。研究證據表明,高強度運動能造成肌肉、腦、血液、心臟、肝臟和腎臟等多個組織器官中的氧化應激.

      此后 Lester Packer 實驗室也進一步證實,多種抗氧化營養素對自由基介導的氧化損傷具有保護作用。

      與生理濃度的 ROS 相反,過量的 ROS 不利于肌肉的正常功能,可引起肌肉疲勞。早在 20 世紀90 年代,Gerald Supinski,Michael Reid 和 Jack Bar-clay 等實驗室的研究人員便大量報道了肌肉收縮過程中產生的自由基能夠激活肌肉蛋白降解,誘導肌肉疲勞。動物實驗研究顯示,抗氧化劑(包括 NAC、維生素 E 及多肽 CSM001 等) 能夠緩解過度運動引起的肌肉疲勞。類似的結果在人體研究中也有報道(如 NAC) ,但維生素 C 和 E 等抗氧化劑在人體中卻未見緩解肌肉疲勞的效應[14].

      過量的 ROS 能夠通過調節肌漿網上的鈣離子釋放通道,促進肌漿網向胞漿內釋放鈣離子,同時能夠通過影響 SERCA(肌漿網 Ca2 +-ATP 酶) 與 ATP的結合,或使 ATP 水解與鈣離子轉運解耦連影響鈣離子向肌漿網內的轉運。另外,外源性或內源性的ROS 能夠影響肌纖維的鈣敏感性,通過引起肌纖維結構和功能蛋白的氧化,導致肌纖維結構和肌纖維正常功能的改變。

      (四) 運動在衰老及疾病防治中的氧化還原機制 適當運動可以增強機體維持氧化還原平衡的能力,對預防和改善多種慢性疾病有著很好的效果,包括肥胖、糖尿病、心血管疾病、腫瘤、抑郁癥及骨質疏松等。衰老及神經退行性疾病(如阿爾茨海默病、帕金森病等) 等與線粒體氧化損傷密切相關,而運動能夠改善線粒體功能,緩解這些疾病中的氧化損傷,因此在這些疾病的防治中具有重要的意義。此外,運動還可以促進高血壓大鼠中線粒體活性,降低心衰發病率及致死率,而運動所帶來的這種保護作用很可能是通過降低線粒體活性氧生成,增強線粒體內抗氧化能力實現[1].

      三、模擬運動生理作用的營養素---線粒體營養素

      線粒體既是細胞內 ROS 生成的主要細胞器,又是 ROS 攻擊的靶點; 同時,與運動相關的線粒體代謝,如線粒體功能的調節、線粒體內包括 Mn-SOD 在內的氧化應激防御系統、以及細胞內活性線粒體數目的變化等,均可調節細胞內的氧化還原狀態。因此,線粒體不僅是細胞內調節氧化還原平衡的關鍵細胞器,也是機體運動的細胞內感受器和效應器。

      2005 年,劉健康教授實驗室提出了線粒體營養素(mitochondrial nutrients) 的概念并將其應用于改善各種生理病理條件下的線粒體功能紊亂。線粒體營養素主要包括三大類: (1) 抗氧化劑,如硫辛酸、維生素 C、維生素 E 和輔酶 Q 等; (2) 改善能量代謝物質,如肉堿/乙酰肉堿、肌酸、丙酮酸和膽堿等;(3) 輔酶及其前體,如硫辛酸、輔酶 Q 和 B 族維生素等。運用線粒體營養素改善線粒體功能,一方面可以模擬運動的生理效應,促進和改善生理機能; 另一方面還可以改善運動疲勞和運動損傷。

      劉健康教授實驗室近十年來的研究表明,線粒體營養素在氧化應激相關疾病的預防和治療過程中具有顯著的效果,包括胰島素抵抗和 2 型糖尿病[16 ~20],以及衰老及衰老相關疾病(阿爾茨海默病、帕金森癥和老年性視網膜黃斑病變) 等[21 ~25].

      特別地,線粒體營養素單獨或聯合應用可以促進線粒體生成,增強大鼠運動耐力,改善運動疲勞和損傷[26,27].此外,線粒體營養素配伍還能改善廢用型肌萎縮中的線粒體功能紊亂,緩解氧化應激,從而防治骨骼肌萎縮、恢復肌肉運動能力[28].

      四、結語與展望

      適度的運動能夠促進生理劑量的 ROS 生成,并促進機體的適應性改變,達到強身健體的健康效果;而過量/高強度運動則會造成過量的 ROS 生成,引起氧化應激以及相關信號通路的持續性激活,最終導致細胞損傷乃至細胞凋亡,引發運動疲勞甚至運動損傷。近期研究提示,線粒體營養素在一定程度上具備與運動相似的生理作用,在提升運動能力、改善運動損傷等方面可能具有重要意義。

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