（运动人体科学专业论文）线粒体营养素对运动性疲劳的预防和保护作用及其机制的研究.pdf

d o c t o r a ld i s s e r t a t i o no f 2 010c o d eo fu n i v e r s i t y ：10 2 6 9 s t u d e n ti d ：5 2 0 710 0 0 0 0 2 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y p r e v e n t i v ee f f e c t sa n dm e c h a n i s m so f m i t o c h o n d r i a l t a r g e t i n gn u t r i e n t so n e n d u r a n c ee x e r c i s e i n d u c e d f a t i g u e d r c a n d i d a t e ：s 丛塾l 打坠垫 c o r n p l e t e di nm a y , 2 0 10 华东师范大学学位论文原创性声明删嬲 郑重声明：本人呈交的学位论文线粒体营养素对运动性疲劳的预防和保护作用 及其机制的研究，是在华东师范大学攻读硕士博影( 请勾选) 学位期间，在导师的 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：训d 年6 月2 - e i 华东师范大学学位论文著作权使用声明 线粒体营养素对运动性疲劳的预防和保护作用及其机制的研究系本人在华东 师范大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕士叫( 请勾选) 学位论文，本论文 v 的研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此 学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文 的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅； 同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位 论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密”学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 本人签名 1 o ，年月二日 盐童妲博士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 陈佩杰教授上海体育学院主席 刘宇教授上海体育学院 李世昌教授华东师范大学 卢健教授华东师范大学 徐波教授华东师范大学 论文摘要 运动性疲劳是训练中一种正常的生理现象。适当的疲劳与快速的恢复是提高 运动能力的关键。实验证据表明，运动性疲劳可能是细胞内线粒体自由基过量生 成导致细胞氧化损伤的结果。因而，抑制氧化损伤，提高线粒体功能，可能会减 少运动性疲劳并促进其快速恢复。在前期研究中，我们将一类靶向于线粒体、促 进和维持线粒体结构功能完整的营养物质定义为线粒体营养素。我们的研究提 示，选择适当的线粒体营养素，使之分别作用于改善线粒体结构与功能的各条途 径，充分发挥多种营养素的协同作用，可能是减少运动性疲劳发生，促进其快速 恢复的新的有效手段。 研究目的： 本研究以运动性疲劳进程中线粒体氧化损伤为中心，揭示线粒体营养素或其 他抗氧化活性物质一线粒体一运动性疲劳之间的相互关系及其分子机制，研究线 粒体损伤中的线粒体数目及合成与分解，和功能的变化；线粒体合成的基因变化； 线粒体内膜上的解偶联蛋白的调控。应用多个营养素及抗氧化活性物质在多个模 型上筛选及优化组合，确定线粒体营养素及抗氧化活性物质最佳配方，研究结果 将为运动性疲劳的营养调控制提供新的理论依据和应用思路。 研究方法： 比较待测营养素线粒体营养素对力竭运动大鼠模型预防和治疗的效果。 建立力竭运动大鼠模型；检测大鼠的各组血乳酸，睾酮，皮质酮等水平。然后将 各组大鼠处死，取血，取骨骼肌、心肌，肝脏等组织，抽提骨骼肌，肝脏线粒体， 线粒体测定r o s 等高活性代谢分子的水平，测定线粒体膜蛋白巯基含量，测定骨 骼肌、肝脏线粒体呼吸链活性以及蛋白、核酸及脂质氧化损伤水平；电镜观察线 粒体结构。 研究结果： 1 ) 运动距离测试：营养素干预组较力竭运动组的运动距离明显增加； 2 ) 血液指标测试：跑台运动8 周后，营养素干预组的谷丙转氨酶含量，血清尿素 氮，肌酐含量，红细胞数，血红蛋白的含量均降低； 3 ) 免疫系统测试：营养素干预组细胞凋亡率和活性氧的产生下降；脾淋巴细胞增 殖明显增加； 4 ) 抗氧化能力测试：营养素干预组血清总抗氧化力和g s t 酶活力显著增加； 5 ) 对骨骼肌系统的研究：营养素干预组大鼠骨骼肌的单侧腓肠肌指数，股四头肌 指数及比目鱼肌指数均上升，血清肌酸激酶和乳酸脱氢酶的活力下降；肌糖原的 含量增加；线粒体数目增加。营养素干预组可显著增加线粒体复合物i ，i i 和i i i 蛋白的表达，促进线粒体d n a 的合成，同时上调了参与调控线粒体生成的转录因 子p p a r g c l a ，n r f l 和t f a m 的表达：营养素干预可显著上调m f n l 和m f n 2 的表 达； 6 ) 对肝脏系统的测试：力竭运动增加肝脏线粒体复合物i ，i v 和v 的活性，同时增加 谷胱甘肽的水平。力竭运动诱导增加肝脏匀浆中丙二醛，谷胱甘肽转移酶，烟酰 胺腺嘌呤二核苷酸磷酸辅酶氧化还原酶的能力。营养素干预组能缓解复合物v 和 n q o - 1 的能力。同时增加了线粒体复合物i 和复合物i v 的活性。 。 结论： 营养素干预可显著提高大鼠的运动能力；增强机体的抗疲劳能力；增强机 体的免疫功能；保护机体细胞免受运动性损伤；促进骨骼肌的线粒体生成，缓 解肝脏线粒体氧化损伤，改善线粒体的功能。 总之，本研究中所使用的线粒体营养素组合具有优异的抗疲劳，改善线粒体功能 的效果。 关键词：线粒体营养素，骨骼肌，力竭运动，线粒体生成，氧化损伤，抗氧化能 力，线粒体复合物，二相酶系统； a b s t r a c t e n d u r a n c ee x e r c i s e i n d u c e df a t i g u ei sac o m m o np h y s i o l o g i c a lr e s p o n s e t h ek e y p o i n tf o ri m p r o v i n ge x e r c i s ea b i l i t yi sh a v i n ga p p r o p r i a t ef a t i g u ew i t hq u i c kr e c o v e r y i th a sb e e np r o v e nt h a tt h ee x e r c i s e - i n d u c e df a t i g u ec o u l dr e s u l ti no v e rp r o d u c t i o no f r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e sf r o mm i t o c h o n d r i a t h e r e f o r e ，i n h i b i t i n go x i d a t i v ed a m a g e a n di m p r o v i n gm i t o c h o n d r i a lf u n c t i o nm i g h tb eag o o ds t r a t e g yt or e d u c ee x e r c i s e i n d u c e d - f a t i g u ea n da c c e l e r a t er e c o v e r y w eh a v ei d e n t i f i e dag r o u po fn u t r i e n t sa s m i t o c h o n d r i f lt a r g e t i n gn u t r i e n t sb e c a u s et h e yp r o t e c tm i t o c h o n d r i af r o md a m a g ea n d m a i n t a i nt h ef u n c t i o no fm i t o c h o n d r i af o rn o r m a lp h y s i o l o g i c a la c t i v i t i e s i nt h e p r e s e n ts t u d y , w eh a v es h o w nt h a ta na p p r o p r i a t e l ys e l e c t e dc o m b i n a t i o no f m i t o c h o n d r i a ln u t r i e n t si se f f e c t i v eo n r e d u c i n ge x e r c i s e - i n d u c e df a t i g u ea n d a c c e l e r a t i n gr e c o v e r yb ys y n e r g i s t i c a l l y i m p r o v i n gm i t o c h o n d r i a l s t r u c t u r ea n d f u n c t i o nt h r o u g ht h ea c t i o n so nv a r i o u sp a t h w a y s a i m s ：e x h a u s t i v ee x e r c i s ec a u s e sf a t i g u ed u et om i t o c h o n d r i a l d y s f u n c t i o na n d o x i d a t i v es t r e s s i no r d e rt of i n da ne f f e c t i v es t r a t e g yt op r e v e n tf a t i g u ea n d o r e n h a n c er e c o v e r y , w es t u d i e dt h ee f f e c t so fac o m b i n a t i o no fm i t o c h o n d r i a lt a r g e t i n g n u t r i e n t so np h y s i c a l a c t i v i t y , m i t o c h o n d r i 甜f u n c t i o na n do x i d a t i v es t r e s si n e x h a u s t i v e l ye x e r c i s e dr a t s m a i nm e t h o d s ：t h ep r e s e n ts t u d yw a st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fac o m b i n a t i o no f m i t o c h o n d r i a ln u t r i e n t so np h y s i c a lp e r f o r m a n c ea n dr e l a t e db i o c h e m i c a lp a r a m e t e r s i nr a t sd u r i n gl o n g t e r me x h a u s t i v ee x e r c i s e r a t sw e r er a n d o m l yd i v i d e di n t ot h r e e g r o u p s ：s e d e n t a r yc o n t r o l ( s c ) ，e x h a u s t i v e e x e r c i s e ( e c ) a n de x h a u s t i v e e x e r c i s e 埘t hn u t r i e n t s ( e n ) w h i c hr e c e i v e dac o m b i n a t i o no fm i t o c h o n d r i a ln u t r i e n t s s u p p l e m e n t a t i o nf o r12w e e k s ( 4w e e kp r i o rt ot h ee x e r c i s ep r o g r a ma n d8w e e k s d u r i n gt h ee x e r c i s ep r o h r a m ) r a t si ne ca n de ng r o u p sw e r es u b m i t t e dt oa n e x e r c i s e p r o g r a m , w h i c hc o n t a i n sf o u r - w e e ke n d u r a n c et r a i n i n ga n df o u r w e e k e x h a u s t i v ee x e r c i s e k e yf i n d i n g s ：e x a m i n a t i o no fr u n n i n gd i s t a n c eo v e rt h e4 - w e e kp e r i o dr e v e a l e dt h a t 。e cg r o u pr a t sr a i l 1 e s sd i s t a n c et h r o u g h o u tt h ee n t i r ed u r a t i o no ft h ee x h a u s t i v e e x e r c i s ep e r i o dc o m p a r e d 、 ，i t he ng r o u pr a t s t h ea c t i v i t i e so fp l a s m aa l a n i n e t r a n s a m i n a s e ( a l d ，l a c t a t ed e h y d r o g e n a s e ( l d h ) a n dc r e a t i n e k i n a s e ( c k ) i nt h e e cg r o u pw e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s ei nt h es cg r o u p h o w e v e r ，n u t r i e n t s s u p p l e m e n t a t i o na t t e n u a t e dt h ee l e v a t i o no ft h e s ee n z y m ea c t i v i t i e si nt h ep l a s m ao f r a t s t h er i s ei n m a l o n d i a l d e h y d e ( m d a ) f o l l o w i n gt h e t r e a d m i l lt e s tw a s s i g n i f i c a n t l yl e s sa f t e rn u t r i e n t ss u p p l e m e n t a t i o n i na d d i t i o n , n u t r i e n t sa l s oi n h i b i t e d t h ed e c r e a s eo ft h ea c t i v i t yo fg l u t a t h i o n es - t r a n s f e r a s e ( g s t ) a n dt o t a la n t i o x i d a n t c a p a c i t y ( t o c ) i np l a s m a t h ep e r c e n t a g eo fa p o p t o t i cc e l l si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i ns p l e e nl y m p o c y t e sa n dt h eg e n e r a t i o no fr e a c t i v e o x y g e ns p e c i e s ( r o s ) a l s o e n h a n c e da f t e r2 4 h - r e c o v e r yo ft h ee x h a u s t i v ee x e r c i s ei nt h ee cg r o u p n u t r i e n t s s u p p l e m e n t a t i o na l s os u p p r e s s e dt h ee l e v a t i o no fr o sa n da p o p t o s i si n t h ee ng r o u p w ef o u n dt h a tt h en u t r i e n tt r e a t m e n t s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e dt h e r u n n i n 季t i m e ， i m p r o v e dm i t o c h o n d r i a lf u n c t i o na n dr e d u c e do x i d a t i v es t r e s si nm u s c l e w ea l s of o u n dt h a te x h a u s t i v ee x e r c i s ei n d u c e da ni n c r e a s ei n a c t i v i t i e so f m i t o c h o n d r i a lc o m p l e x e si ，i va n dva l li n c r e a s ei ng s hl e v e la n dad e c r e a s ei nr o s i nl i v e rm i t o c h o n d r i ab u tn oc h a n g ei nl e v e l so fr o sa n dm d a ，o ri na c t i v i t i e so f c o m p l e x e si ia n di i i e x e r c i s ea l s oi n d u c e das i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nm d aa n d a c t i v i t i e so fg l u t a t h i o n es - t r a n s f e r a s ea n dn a d p h q u i n o n e o x i d o r e d u c t a s e1 ( n q o 1 ) i nt h el i v e rh o m o g e n a t e t h en u t r i e n tt r e a t m e n ts h o w e da m e l i o r a t i o no ft h ec o m p l e x va n dn q o 一1a c t i v i t i e s ，b u tn oe f f e c to no t h e r p a r a m e t e r s c o n c l u s i o n s ：w ef o u n dt h a te x h a u s t i v ee x e r c i s er e d u c e dt h er u n n i n gt i m e ，i n c r e a s e d t h ea c t i v i t i e so fa l ta n dl d ha n dt h e l e v e l so fr e db l o o dc e l l s ，h e m o g l o b i na n d h e m o c r i t ，d e p r e s s e dk i d n e 3 f u n c t i o n ( d e c r e a s e dl e v e l so fb u na n dc r e a t i n e ) a n d i m m u n ef u n c t i o n ，d e c r e a s e dm i t o c h o n d r i a lf u n c t i o ni nm u s c l ea n d1 i v e r , e l e v a t e d o x i d a t i v es t r e s sa n dd e c r e a s e da n t i o x i d a n td e f e n s ei np l a s m a , m u s c l e ，l i v e ra n d s p l e e n w ea l s of o u n dt h a tt h em i t o c h o n d r i a l t a r g e t i n g n u t r i e n tt r e a t m e n tt r e a t m e n t s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h er u n n i n gt i m e ，a m e l i o r a t e dt h ea b n o r m a l i t yo fp l a s m a e n z y m e sa n do x y g e nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i m p o r v e dt h e k i d n e yf u n c t i o na n d i m m u n e f u n c t i o n ，p r o t e c t e dt h em i t o c h o n d r i a ld y s f u n c t i o ni nm u s c l ea n dl i v e r , e n h a n c e da n t i o x i d a n td e f e n s es y s t e ma n dr e d u c e do x i d a t i v es t r e s si np l a s m a ，m u s c l e ， l i v e ra n ds p l e e n i na d d i t i o n ，w es h o w e dt h a t ，t h en u t r i e n tt r e a t m e n th a sl e s si m p a c to n e x e r c i s e - i n d u c e do x i d a t i v ea n dm i t o c h o n d r i a ls t r e s si nt h el i v e rt h a ni nt h em u s c l e k e yw o r d s ：m i t o c h o n d r i a ln u t r i e n t s ，m u s c l e ，e x h a u s t i v ee x e r c i s e ，o x i d a t i v ed a m a g e ， a n t i o x i d a n td e f e n s es y s t e m ，m i t o c h o n d r i a lc o m p l e x ，p h a s e2e n z y m e 缩略词 ( a b b r e v i a t i o n s ) 第一篇文献综述 目录 1 运动过程中线粒体的变化 2 运动与适应 l 1 3 3 运动改善和预防衰老及相关疾病症状的线粒体机制4 4 运动性疲劳与修复 5 小结 6 参考文献 第二篇动物实验 1 0 2 4 2 5 3 3 1 力竭运动大鼠代谢能力，血液免疫系统，抗氧化损伤指标的测定3 5 1 材料与方法” 2 实验结果 3 分析与讨论 4 小结 5 参考文献 3 6 4 0 5 3 5 5 2 力竭运动对大鼠骨骼肌系统指标的测定“ 1 材料与方法 2 实验结果 3 分析与讨论 4 小结 5 参考文献 3 力竭运动对大鼠肝脏系统指标的测定 1 材料与方法8 l 2 实验结果一 3 分析与讨论 4 小结 9 0 9 6 9 8 5 参考文献“ 4 总结与展望 附录 9 8 1 0 3 后记”1 0 7 5 9 1 7 6 8 8 0 5 5 6 6 7 7 7 8 华东师范大学2 0 1 0 届研究生博士学位论文 第一篇文献综述 线粒体与运动 运动( 除非特别指出，本文中运动指体育锻炼、训练，不包括体力劳动) 是 健身的主要方式。从生物化学和生理学角度，运动与健康之间涉及到复杂的生理 生化过程，运动的强度、时间、方式等在细胞及亚细胞层次可能产生迥然不同的 生理和生化效应，反映到组织和机体水平，运动的结果可能是强身健体，也可能 是发生运动疲劳甚至损伤。人体运动与静息最大的生理区别在于机体耗氧的变 化，而从亚细胞层次来看，线粒体是负责细胞呼吸，供应细胞能量的关键细胞器。 因此，研究线粒体在运动中的结构、功能及动态变化，对于了解运动的微观生理 机制，判断运动的生理效应，指导运动及训练的设计和实施方案等具有重要意义。 此外，众所周知，恰当的运动有益于延缓衰老、预防心血管系统疾病以及认知功 能障碍，但其中的涉及的线粒体机制还有待于进一步探索。运动与恢复过程，不 仅仅是机体的肌肉系统，而且包括肝脏、肾脏、大脑等多个器官线粒体在结构， 形态、数目、功能等方面发生适应性改变，从而调控机体的健康和病理状态。本 文简要介绍运动过程中的线粒体调节机制以及线粒体与运动性疲劳及其恢复的 关系。 1 运动过程中的线粒体变化 1 1 运动过程中的线粒体生成 运动能够快速升高肌肉p g c - iq 的表达( b e n t o n ，c re ta 1 2 0 0 8 ) ，后者共 激活核呼吸因子n r f i ，n r f 2 ，促进核基因编码的呼吸链复合物亚基的表达，并诱 导线粒体转录因子a 的( m t f a ) 表达以促进线粒体编码的复合物亚基的表达，共同 促进线粒体生成( g o t t li e b ，e e ta 1 2 0 0 5 ) 。研究发现，线粒体中蛋白的增加 速度要快于p g c 一1a 的增加，在线粒体蛋白再生的初始阶段，p g c - iq 主要在胞 浆中，总量尚未发生变化，运动激活p 3 8m a p k 途径，促使p g c 一1a 向核移动， 核呼吸因子n r f i ，n r f 2 与细胞色素c 启动子及细胞色素氧化酶亚基4 ( c o x 4 ) 启动 子的结合显著增强。因此，运动中即时的线粒体蛋白生成依靠胞浆原有p g c 一1 a 移入细胞核后的快速调节，而后期( 如大鼠作6 小时游泳运动后约3 d , 时) 线粒体 生成的维持则需要p g c lq 表达的升高( b e n t o n ，c re ta 1 2 0 0 8 ) 。但是也有研 究认为，人快速力竭运动2 d , 时，p g c 一1am r n a 立即快速升高，蛋白表达同时小 幅升高并持续约2 4 d , 时( m a t h a i ，a s e ta 1 2 0 0 5 ) 。 华东师范大学2 0 1 0 届研究生博士学位论文 1 2 运动过程中的线粒体动态变化 线粒体动态变化是细胞调节供能，适应细胞内外环境的重要生理过程( l i e s a ， m ，m e ta 1 2 0 0 9 ) 。运动与线粒体动态变化的研究目前开展较少，近年来，有 零星实验对这一问题做了初步揭示。d i n g 等发现，s d 大鼠在踏板训练后，线粒 体融合蛋白m f n l ，m f n 2m r n a 在训练过程中逐渐降低，线粒体分裂调节基因f i s l m r n a 及蛋白在训练1 2 0 一1 5 0 分钟后显著升高，持续至训练后2 4 小时( d i n g ，h ，e t a 1 2 0 0 9 ) 。c a r t o n i 等测定了人股外侧肌在急性运动之后2 4 d , 时，m f n l 2m r n a 升高，并伴随p g c i - a 及n r f 2 表达增加( l e g e r ，b ，e ta 1 2 0 0 6 ) 。以上结果提示 线粒体形态数目在持续运动及后续恢复过程中有迅速的调节及表达变化，以适应 细胞的能量需求变化。 1 3 运动过程中r o s 的生成及来源 有研究表明，高强度的训练导致骨骼肌和心肌中自由基升高，d a v i e s 等报道 大鼠作踏车力竭运动后，肌肉匀浆中表征半醌等自由基的电子自旋共振信号 ( e p r ) 增强( d a v i e s ，k j ，e ta 1 1 9 8 2 ) 。b e j m a 等观察到大鼠力竭运动会引起 肌肉r o s 升高( b e j m a ，j a n dl l j i 1 9 9 9 ) 。体外肌细胞模型也印证了以上结 果，如j a c k s o n 等以电刺激肌肉模型发现，与静息状态比较，e p r 信号在肌肉工作 状态上升约7 0 ( j a c k s o n ，m je ta 1 1 9 8 5 ) 。一般认为，运动过程中r o s 的升高 主要源白于线粒体呼吸链，运动中机体耗氧可能高至静息状态的2 0 倍，而肌肉组 织耗氧更高达i 0 0 倍之多，因此如果线粒体呼吸链产生活性氧的比例不变，那么 运动过程中的线粒体将比静息状态产生更多自由基( y u ，b p ，1 9 9 3 ) 。一些间接 的证据支持线粒体中r o s 的增多，在力竭运动大鼠的肝脏和心肌线粒体中，4 态呼 吸显著增强，g s h 含量下降，脂质过氧化产物增多，提示运动后线粒体内活性氧 增多，线粒体内膜损伤( j i ，l l ，e ta 1 1 9 8 8 ) 。但运动训练在形式、时间、强 度等多方面存在差别，细胞受调控过程复杂，所以在运动和恢复过程中的r o s 生 成受多种因素影响，如细胞中的抗氧化体系，细胞线粒体状态，运动强度及时间 等，从而可检测到的r o s 可能有一定的时相性，如有研究发现，大鼠肌肉线粒体 r o s 的生成及4 态呼吸在训练1 2 0 分钟时达到最高，之后降低( d i n g ，h ，e ta l 2 0 0 9 ) 。r o s 除了主要源自于线粒体，黄嘌呤氧化酶( x a n t h i n eo x i d a s e ，x o ) 是 另一重要来源。肌肉收缩过程中，a t p 供能后脱磷酸化转化成为a d p 或a m p ，在氧 不足情况下，a m p 持续降解为次黄嘌呤，后者在黄嘌呤氧化酶催化下转化为黄嘌 2 华东师范大学2 0 1 0 届研究生博士学位论文 呤和尿酸，同时生成超氧自由基。该反应被认为是缺血及再灌注过程中的重要的 自由基来源。在临床和动物实验中均发现，高强度运动会引起肌肉及血浆中次黄 嘌呤、尿酸等升高，激活x o 代谢途径( h e l l s t e n ，y 1 9 9 4 ：n o r m a n ，b ，e ta 1 1 9 8 7 ： h e l l s t e n w e s t i n g ，y ，e ta 1 1 9 9 3 ：s a h l i n ，k ，k e ta 1 1 9 9 1 ) 。但这一途 径在机体运动过程中产生r o s 的比重还缺乏实验依据。此外，高强度运动也会引 起肌细胞的免疫反应，而多态中性粒细胞在免疫应激中也会产生活性氧( p e t r o n e ， w f e ta 1 1 9 8 0 ) 。 2 运动与适应 运动能促使骨骼肌及其他细胞形态、结构发生适应性的变化，如肌纤维选择 性肥大、肌纤维类型转化等，称之为运动适应。运动适应是机体调节功能状态， 适应增量运动负荷和达到健身效应的生理基础。如果机体的运动适应过程无法建 立或被延滞，则易于产生运动性疲劳和损伤，且运动性疲劳不易恢复，影响训练 或健身效应的达成。从线粒体角度来说，运动适应表现为线粒体生成和抗氧化适 应。 2 1 线粒体生成 在细胞内，线粒体在运动适应中也扮演重要角色，如前文所述的运动诱导的 线粒体生成是亚细胞层次的适应性变化，增强细胞氧化磷酸化及a t p 合成能力， 满足机体运动状态的能量需求。 2 2 抗氧化适应 除了肌肉等细胞内线粒体生成的增加，运动诱导的细胞r o s 生成的变化也会 引起细胞的适应性变化。r o s 既是运动适应中的信号传递分子，也可能成为造成 细胞氧化损伤的元凶( v ia ，j ，e ta 1 2 0 0 9 ) 。高等生物在进化过程中建立了高 效的抗氧化系统，是应对r o s 所致氧化损伤、建立运动过程中抗氧化适应的物质 基础。体内抗氧化体系包括非酶类抗氧化物质包括维生素c ，e ，b 胡萝卜素，g s h 等，也包括抗氧化酶类如过氧化物歧化酶( s o d ) ，过氧化氢酶( c a t ) ，谷胱甘 肽过氧化物酶( g p x ) 等。 g s h 浓度在不同组织间或不同肌肉类型间存在明显差异，与相应组织的代谢 速率、r o s 生成水平密切相关( s o m a n i ，s m 1 9 9 6 ) 。s d 大鼠经过十周踏板训练后， 华东师范大学2 0 1 0 届研究生博士学位论文 与未训练组对照，股外侧肌( 快肌) 及比目鱼肌( 慢肌) 柠檬酸合成酶活性升高， 而心肌、肝脏中未见变化；其中股外侧肌g s h 含量显著升高约3 3 ，g s h 过氧化酶 ( g p x ，升高6 2 ) 及过氧化物歧化酶( s o d ，升高2 7 ) 活性升高，股外侧肌中 谷酰基转肽酶活性是对照大鼠活性的3 倍；比目鱼肌中g s h 含量和g s h 还原酶活性 在降低，但g p x 和s o d 活性不变；训练不改变肝脏和血浆中g s h 状态，但显著降低 心肌g s h - - g s s g 转换率。这些结果提示经常性训练能够形成组织特异性和肌纤维 特异性的抗氧化适应( l e e u w e n b u r g h ，c ，e ta 1 1 9 9 7 ) 。另一项动物实验研究 中，f i s c h e r 3 4 4 大鼠从1 0 周开始，进行踏板训练直至2 4 个月，研究者发现长期训 练可降低大鼠心肌纤维中和纤维间线粒体h 2 0 2 的产生，线粒体m n s o d 活性显著升 高，提示长期锻炼有助于建立线粒体内较强的抗氧化防御体系( j u d g e ，s ，e t a 1 2 0 0 5 ) 。 3 运动改善和预防衰老及相关疾病症状的线粒体机制 衰老、神经退行性疾病如老年痴呆症，帕金森症等与线粒体氧化损伤密切相 关。运动能够改善线粒体功能，缓解线粒体氧化损伤，因此在衰老及相关疾病的 防治中，运动具有非常重要的意义。此外，众所周知，恰当的运动能够降低心血 管疾病发病率，改善某些糖尿病症状，这些改善效应均可能与线粒体结构、功能 的改善相关。虽然运动改善衰老及预防相关疾病方面的作用非常肯定( m i l l e r ， j w ，e ta 1 1 9 9 5 ) ，但从线粒体角度出发来探讨其中的作用机制还处于起步研 究阶段。 3 1 衰老 衰老的线粒体与自由基学说，由h a r m a n 在1 9 5 6 年提出，至今得到了越来越 多的证据支持。该学说的主要内容是：衰老是由自由基( 主要是氧自由基) 对组 成细胞各种成分的攻击造成的，维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除剂可 以延长寿命和推迟衰老。如果这一论点成立，那么体内抗氧化剂和抗氧化酶的水 平应当与该物种的寿限相关。通过测量1 2 种灵长类和两种啮齿动物脑、肝和心 脏的s o d 含量，除以基础代谢速率( s m r ) ，与寿限势( 1 i f es p a np o t e n t i a l ， l s p ) 有非常好的相关性。人体内其它抗氧化剂如：尿酸、胡萝卜素和维生素e 的 含量也与l s p 有很好的相关性。维生素c 与寿限却没有相关性；维生素c 在有氧 气和铁存在的情况下，容易形成毒性较大的抗坏血酸自由基，或许这也是人和长 4 华东师范大学2 0 1 0 届研究生博士学位论文 寿类物种体内有较多尿酸和较少维生素c 的原因。同时，体内的过氧化产物，如 m d a ，随年龄的增加而增加。谷胱甘肽与衰老相关的研究已有很多，涉及到总谷 胱甘肽，g s h ，g s s g ，以及g s h 与g s s g 的比例。几乎所有的研究都表明，衰老的 组织都有显著的g s h 下降，但是对于g s s g 或者g s h 与g s s g 的比例的变化的结果 并不一致，这可能是在样品的处理过程中g s h 容易被氧化成g s s g ，而且g s s g 含 量较低，在技术上不容易测定准确。需要注意的是，有些研究中使用了处于生长 期的动物与衰老的动物相比较：而处于生长期的动物的g s h 往往处于一个较高的 水平，直到成熟后会下降到一个稳定水平。在研究的各个组织中，眼睛的晶状体 的g s h 是受年龄影响最大的，抑f l i i j g s h 的合成可以导致新生大鼠产生白内障，而 外用g s h 则可以使白内障消除。g s h 水平的下降与g c l 表达下降有关，n r f 2 是 调控g c l 的转录因子，衰老大鼠的n r f 2 表达也发生下调，但是可以被重新刺激 起来并发挥功能，看来问题在于衰老过程中n r f 2 的表达被逐渐下调。谷胱甘肽 与衰老的相关性也受性别的影响，以前的很多研究利用的是雄性动物，当用雌性 动物作比较时，发现衰老过程中，雌性动物g s h 下降的程度低于雄性动物，同时 雌性动物积累的过氧化物也较少，这被认为与雌激素水平相关，但还需要更多的 研究证实。通过给动物的食物中增加抗氧化剂和自由基反应抑制剂可以延长动物 ( 线虫、果蝇、大鼠、小鼠) 的平均寿命和最大寿限，但是仅限于一定的剂量， 加大剂量对于哺乳动物的寿限只有很小的影响或者无影响。这可能是由于抗氧化 剂的剂量与其它食物的搭配需要得当；过量的外源性的抗氧化剂也可能会抑制体 内的抗氧化系统。 热量限制是唯一使哺乳动物降低死亡率和延长最大寿限的有效方法。热量限 制的动物，各种衰老特征出现较晚，癌症和其他各种疾病的发病率降低，自由基 损伤减少，这些都是造成寿命延长的因素。线粒体的自我衰退可能是衰老的生物 钟。随着年龄增大，线粒体d n a 和脂质的损伤都加大，产生自由基增多，琥珀酸 支持的线粒体基础呼吸活性也逐渐减少。线粒体内膜的低通透性导致抗氧化物质 难以进入，也许是抗氧化剂不能大幅提高寿限的原因。另有研究显示n a d p h 氧化 酶产生的自由基也对衰老起一定的作用 大鼠从2 8 周起n 7 8 周( 约相当于人1 5 4 5 岁) ，每天给予中等强度的踏板训 练，雌、雄鼠寿命分别延长9 和1 9 ，5 2 周( 约相当于人3 0 岁) 时的行为学表 现优于对照鼠。进一步检测发现，与对照鼠相比，运动组在5 2 周时脑、心肌、肝、 肾线粒体膜蛋白氧化损伤减轻，脂质过氧化产物减少，抗氧化酶如线粒体中的m n 5 华东师范大学黝口届研究生博士学位论文 - - s o d 等活性较高，线粒体复合物i - - i i i 及复合物i v 活性较高，提示从青年时期开 始的锻炼有助于延长寿命，改善成年时线粒体功能及氧化损伤( n a v a r r o ，a ，e t a 1 2 0 0 4 ) 。另一项研究中，大鼠从6 月龄开始进行游泳训练，在9 月和2 4 月龄检测 骨骼肌线粒体中代谢酶活性，发现训练大鼠线粒体酶活性显著升高，显示了较强 的线粒体功能和代谢能力( a n d e r s o n ，s ，e ta 1 1 9 8 1 ) 。丰富环境( e n r i c h e d c o n d i t i o n ) 相对于标准环境( s t a n d a r de n v i r o n m e n t ) 和贫乏环境( i m p o v e r i s h c o n d i t i o n ) 而言，是指大鼠在大笼中饲养，每8 1 2 只老鼠一组，除了标准环境 或贫乏环境( 标准环境按3 - - 6 只笼饲养，贫乏环境1 只笼) 中所给予的食物、 饮水、光照等标准条件外，在笼内放置不同颜色及形状的转盘、管道、斜坡和玩 具等，并按一定的频率更换以造成新异的刺激，这种环境不仅提供了多感官刺激 和运动的机会，而且赋予了社会性情感体验的可能( 图1 ) 。丰富环境包含了体 力和脑力等多方面的训练，对于动物发育过程中神经元再生及增加突触连接，增 强神经元可塑性，改善认知能力及促进脑损伤的修复等方面具有积极意义 ( k e m p e r m a n n ，g ，e ta 1 1 9 9 5 ) 。其中的作用机理可能牵涉到神经营养因子的分 泌，胆碱能神经调节等( g o b b o ，0 l a