运动方式对体内活性氧的影响分析

　　氧化应激是衰老以及癌症、代谢综合征等多种疾病发生的基础。运动对机体的保护作用众所周知，而对其中机理的研究也主要集中在氧化应激上，即运动通过增强机体抗氧化能力，缓解氧化损伤，预防/延缓衰老及疾病的发生。越来越多的研究表明，运动对氧化还原平衡调节存在两面性： 适当强度的运动可以促进活性氧的产生，起到促进机体功能的效果； 而过量运动所致的大量活性氧生成则会造成运动损伤，反而不利于人体健康。本文综述了不同强度和形式的运动方式对机体内活性氧生成及氧化应激平衡的调节，并对线粒体营养素做简要介绍。

　　一、氧化应激定义的发展

　　氧化应激的定义由 Sies 等（1985） 首次提出，并经 Jones 等（2007） 丰富发展，指"氧化剂和抗氧化剂平衡紊乱，氧化剂水平更高，导致氧化还原信号及其调控的紊乱和/或分子损伤".在生物体系中氧化应激评价指标主要包括 4 类： （1） 氧化剂，主要为超氧阴离子、羟基自由基、过氧化氢和过氧亚硝酸盐等； （2） 小分子抗氧化剂，主要为谷胱甘肽、维生素C、维生素 E、半胱氨酸及总抗氧化能力等； （3） 氧化产物，主要为羰基化蛋白、异构前列腺素、硝基酪氨酸、8-羟基鸟苷、4-HNE 及丙烯醛等； （4） 抗氧化/氧化蛋白平衡，主要为GSH /GSSG值、半胱氨酸氧化还原态及硫醇态/二硫态等。生物体在进化过程中发展了一整套对抗氧化应激的自身防御机制，除了小分子抗氧化剂外，机体内还拥有一系列受到严格调控的抗氧化酶/酶复合体，包括过氧化物歧化酶，过氧化氢酶，谷胱甘肽过氧化物酶等，而这些抗氧化酶又受到其上游调控因子的严格控制。

　　二、运动与氧化应激

　　运动（指体育锻炼、训练，但不包括体力劳动）是健身的主要形式。从生物化学和生理学角度来看，运动与健康之间涉及复杂的生理生化过程。不同的锻炼方式因其方式、强度和时间的差异可以引起机体不同的响应和锻炼效果，可能起到强身健体的效果，也可能带来运动疲劳甚至运动损伤[1].

　　（一） 运动过程中活性氧及活性氮的生成 细胞可以产生多种活性氧 （reactive oxygen species,ROS） 及活性氮（reactive nitrogen species,RNS） ,前者以超氧阴离子为主，主要在线粒体中生成； 后者以一氧化氮自由基（NO.） 为主，由一氧化氮合成酶催化生成。超氧阴离子可以进一步转化为过氧化氢和羟基自由基，也可与 NO.迅速结合生成毒性更大的过氧亚硝酸盐[2].黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase,XO） 是 ROS 生成的另一重要来源。AMP 在氧不足的情况下降解为次黄嘌呤，后者在黄嘌呤氧化酶催化下转换为黄嘌呤和尿酸，同时生成超氧自由基。

　　在肌肉中，肌浆网、T 管及肌节内均分布着大量的NADPH 氧化酶，可以生成超氧阴离子。另外，高强度运动引起肌细胞的免疫反应，其中多态中性粒细胞在免疫应激中也产生活性氧。

　　（二） 活性氧及活性氮在运动适应过程中的重要生物学作用 一直以来，氧化应激都被认为是氧化代谢的副产物，能够造成细胞内蛋白质、脂质及DNA 的损伤，在各种生理病理条件下发挥作用。但近年来越来越多的研究却发现，适当的氧化应激在维持正常生理代谢过程中起着至关重要的作用，并且是介导运动引起的机体适应的分子基础。特别是ROS 不再被单纯视为氧化损伤的元凶，而是作为一个具有双向调节作用的信号分子在生理和病理条件下发挥作用[3].以 2 型糖尿病为例，运动对预防糖尿病发生和改善其症状具有很好的效果，而这种效果却被糖尿病的治疗药物---二甲双胍---所阻断。究其原因，在于两者对氧化还原平衡调节的矛盾性： 运动产生有益的生理浓度的活性氧，而二甲双胍却通过增加细胞还原能力，降低活性氧产生[4].

　　肌肉具有很强的可塑性，在运动过程中发生快速的信号响应，促进肌肉蛋白合成及肌肉表型的转变。而肌肉收缩中生成的 ROS 正是介导有氧锻炼过程中的肌肉适应的分子基础[5,6].Kelvin Davies（1982） 最早提出 ROS 是运动过程中肌肉产生适应性转变的必要条件。在基础生理条件下，肌肉产生的少量 ROS 对正常的肌肉力量形成也是必不可少[7],而通过补充抗氧化剂（如维生素 C、E 或 NAC等） 或其他手段（如抑制黄嘌呤氧化酶） 阻断正常生理条件下的 ROS 生成，引起肌肉力量的下降，抵消了运动引起的肌肉适应性变化[4,8,9].相反，适当程度地增加肌肉内的 ROS 可以增加肌肉力量[7].

　　适当强度的运动同样促进 RNS 水平的增加，负责介导运动引起的适应性转变，包括肌纤维选择性肥大和肌纤维类型转变等[10].肌肉收缩过程中生成的低浓度 NO,能够促进 PGC-1α 表达及线粒体生成10].通过给予外源的 NO 供体同样可以显着促进运动引起的适应性转变[11].反之，通过基因敲除或抑制剂阻断 NO 生成则能阻断运动引起的 PGC-1α升高[12].

　　此外，运动引起的活性氧生成可能对于维持细胞内（尤其是内质网内） 的氧化水平及蛋白质的正常折叠和稳定的三维结构必不可少[3].蛋白质的结构很大程度上依赖于二硫键（S-S） 的作用，而自由巯基形成二硫键的过程由蛋白质二硫键异构酶催化完成。在完成二硫键形成的催化反应后，蛋白质二硫键异构酶处于还原状态，不能进行下一轮催化反应，需要被内质网上的氧化酶 ERO1（内质网氧化物蛋白 1） 氧化来恢复催化活性，而被还原的 ERO1再通过将电子传递给氧分子恢复自身活性状态。

　　（三） 高强度运动诱导氧化应激 Dillard（1978） 与 Brady（1979） 等在对人和大鼠的研究中首先发现，高强度运动可引起显着的氧化应激。其后，加利福利亚州伯克利大学 Lester Packer 教授实验室（1982） 首次报道了肌肉在运动过程中产生自由基，其中的各种活性氧成分对组织有潜在的损害，同时他们还证明了线粒体是这些自由基的主要来源。研究证据表明，高强度运动能造成肌肉、脑、血液、心脏、肝脏和肾脏等多个组织器官中的氧化应激.

　　此后 Lester Packer 实验室也进一步证实，多种抗氧化营养素对自由基介导的氧化损伤具有保护作用。

　　与生理浓度的 ROS 相反，过量的 ROS 不利于肌肉的正常功能，可引起肌肉疲劳。早在 20 世纪90 年代，Gerald Supinski,Michael Reid 和 Jack Bar-clay 等实验室的研究人员便大量报道了肌肉收缩过程中产生的自由基能够激活肌肉蛋白降解，诱导肌肉疲劳。动物实验研究显示，抗氧化剂（包括 NAC、维生素 E 及多肽 CSM001 等） 能够缓解过度运动引起的肌肉疲劳。类似的结果在人体研究中也有报道（如 NAC） ,但维生素 C 和 E 等抗氧化剂在人体中却未见缓解肌肉疲劳的效应[14].

　　过量的 ROS 能够通过调节肌浆网上的钙离子释放通道，促进肌浆网向胞浆内释放钙离子，同时能够通过影响 SERCA（肌浆网 Ca2 +-ATP 酶） 与 ATP的结合，或使 ATP 水解与钙离子转运解耦连影响钙离子向肌浆网内的转运。另外，外源性或内源性的ROS 能够影响肌纤维的钙敏感性，通过引起肌纤维结构和功能蛋白的氧化，导致肌纤维结构和肌纤维正常功能的改变。

　　（四） 运动在衰老及疾病防治中的氧化还原机制 适当运动可以增强机体维持氧化还原平衡的能力，对预防和改善多种慢性疾病有着很好的效果，包括肥胖、糖尿病、心血管疾病、肿瘤、抑郁症及骨质疏松等。衰老及神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病等） 等与线粒体氧化损伤密切相关，而运动能够改善线粒体功能，缓解这些疾病中的氧化损伤，因此在这些疾病的防治中具有重要的意义。此外，运动还可以促进高血压大鼠中线粒体活性，降低心衰发病率及致死率，而运动所带来的这种保护作用很可能是通过降低线粒体活性氧生成，增强线粒体内抗氧化能力实现[1].

　　三、模拟运动生理作用的营养素---线粒体营养素

　　线粒体既是细胞内 ROS 生成的主要细胞器，又是 ROS 攻击的靶点； 同时，与运动相关的线粒体代谢，如线粒体功能的调节、线粒体内包括 Mn-SOD 在内的氧化应激防御系统、以及细胞内活性线粒体数目的变化等，均可调节细胞内的氧化还原状态。因此，线粒体不仅是细胞内调节氧化还原平衡的关键细胞器，也是机体运动的细胞内感受器和效应器。

　　2005 年，刘健康教授实验室提出了线粒体营养素（mitochondrial nutrients） 的概念并将其应用于改善各种生理病理条件下的线粒体功能紊乱。线粒体营养素主要包括三大类： （1） 抗氧化剂，如硫辛酸、维生素 C、维生素 E 和辅酶 Q 等； （2） 改善能量代谢物质，如肉碱/乙酰肉碱、肌酸、丙酮酸和胆碱等；（3） 辅酶及其前体，如硫辛酸、辅酶 Q 和 B 族维生素等。运用线粒体营养素改善线粒体功能，一方面可以模拟运动的生理效应，促进和改善生理机能； 另一方面还可以改善运动疲劳和运动损伤。

　　刘健康教授实验室近十年来的研究表明，线粒体营养素在氧化应激相关疾病的预防和治疗过程中具有显着的效果，包括胰岛素抵抗和 2 型糖尿病[16 ~20],以及衰老及衰老相关疾病（阿尔茨海默病、帕金森症和老年性视网膜黄斑病变） 等[21 ~25].

　　特别地，线粒体营养素单独或联合应用可以促进线粒体生成，增强大鼠运动耐力，改善运动疲劳和损伤[26,27].此外，线粒体营养素配伍还能改善废用型肌萎缩中的线粒体功能紊乱，缓解氧化应激，从而防治骨骼肌萎缩、恢复肌肉运动能力[28].

　　四、结语与展望

　　适度的运动能够促进生理剂量的 ROS 生成，并促进机体的适应性改变，达到强身健体的健康效果；而过量/高强度运动则会造成过量的 ROS 生成，引起氧化应激以及相关信号通路的持续性激活，最终导致细胞损伤乃至细胞凋亡，引发运动疲劳甚至运动损伤。近期研究提示，线粒体营养素在一定程度上具备与运动相似的生理作用，在提升运动能力、改善运动损伤等方面可能具有重要意义。