体育运动与自由基及抗氧化剂

1、体育运动与自由基及抗氧化剂周迎松(宁波大学体育学院315211)摘要活性氧(ROS)的产生是需氧生物生命的正常过程。在生理的条件下，这些有毒性的物质大部分会被抗氧化系统清除掉，这个系统主要有具有抗氧化作用的维生素、蛋白质、硫醇和抗氧化酶组成。由于体内的抗氧化系统储备相当有限，在紧张的体育训练会引起大量的氧消耗，从而产生大量的ROS对抗氧化系统进行考验。在一场急性的高强度的训练中，可以刺激抗氧化酶的活性。这被认为在氧化压力下细胞的自我防御体系。然而，长时间的高负荷的训练会引起体内组织维生素E减少与谷光甘肽(GSH)与谷光甘肽过氧化物(GSSG)比率的改变。缺少抗氧化剂的营养物质会出现阻碍抗氧化系

2、统，增加训练引起氧化压力，破坏体内的组织。长时间训练似乎可以使体内抗氧化物酶的活性增加和体内的GSH含量的提高。最近研究表明，补充抗氧化营养物质对于长期训练的运动员是非常必要的。关键词：自由基，抗氧化剂，训练，活性氧PhysicalactivityandfreeredicalsandantioxidantZhouying-song(PhysicaldepartmentofNingbouniversity315211).AbstractGenerationofreactiveoxygenspecies(ROS)isanormalprocessinthelifeofaerobicorganis-m

3、s.Underphysiologicalconditions,thesedeleteriousspeciesaremostlyremovedbythecellularantioxidantsystems,whichincludeantioxidantvitamins,proteinandnon-proteinthiols,andanti-oxidantenzymes.Sincetheantioxidantreservecapacityinmosttissuesisrathermarginal,strenuousphysicalexercisecharacterizedbyaremarkable

4、increaseinoxygenconsumptionwithconcomitantproductionofROSpresentsachallengetotheantioxidantsystems.Anacuteboutofexerciseatsufficientintensityhasbeenshowntostimulateactivitiesofantioxidantenzymes.Thiscouldbeconsideredasadefensivemechanismofthecellunderoxidativestress.However,prolongedheavyexercisemay

5、causeatransientreductionoftissuevitaminEcontentandachangeofglutathioneredoxstatusinvariousbodytissues.Deficiencyofantioxidantsn-utrientsappearstohamperantioxidantsystemsandaugmentexercise-inducedoxidativestressandtissuedamage.Chronicexercisetrainingseemstoinduceactivitiesofantioxidantenzymesandperha

6、psstimulateGSHlevelsinbodyfluids.Recentresearchsuggestthatsupplementationofcertainantioxidantnutrientsarenecessaryforphysicallyactiveindividuals.Keyword:freeredicals,antioxidants,exercise,reactiveoxygenspecies1前言高强度高负荷的运动训练使整个机体尤其骨骼肌对氧气的摄入急剧增长。大部分氧气消耗是在线粒体中进行的，同时合成ATP。很多研究已经表明运动训练导致氧摄入的增长和自由基的产生有很大关

7、联。有关学者估算每25个O2分子被正常的呼吸系统还原，产生一个自由基1。在运动训练中，机体对氧气的消耗比平常活动要高出10-15倍，而且氧气在骨骼肌中流通量增长约100倍2。一部分的氧分子转变成单价不成对产物(如O2-、H2O2和OH),从线粒体的电子传递链中渗漏出来。O2-和OH之所以被定义为自由基，是由于在分子结构中存在不成对电子。我们把这类物质总称为活性氧(ROS)。活性氧的产生被认为是在训练过程中一系列生理生化发生变化的潜在机制，也是氧化反应程度的表现4。然而，运动训练负荷与强度的增加而引起氧摄入的增加并不是体内产生自由基的唯一机制。例如，发生在举重中或者高强度的有氧运动引起短暂的组织

8、缺氧能导致氢离子浓度增加，反过来氢离子能与过氧化物阴离子发应产生活性氧5。另一方面，组织缺氧也能导致一些过渡金属如Fe和Cu从正常的载体中脱离开来，这些自由金属可以进一步催化自由基的产生6。一般来说，体内有足够的抗氧化物质在生理的环境下清除产生的ROS。这个抗氧化系统由维他命、谷胱甘肽、硫醇类和一些抗氧化酶等组成的7。每一种抗氧化剂在组织细胞中扮演各自的角色，协同地作用从而消除体内的自由基。另外，也可能会发生某些特定的抗氧化剂通过不同途径运输到器官内部。这个抗氧化防御系统在基础活动和温和的运动中，能保持动态平衡，然而在长时间的有氧运动会使ROS产生过量，从而破坏了自由基防御体系，进而将导致对大

9、量的细胞和组织损伤。2运动与氧化Davies等，让大鼠在跑台上急性运动到力竭后，用电子顺磁共振波谱仪检测到大鼠的肌肉与肝脏具有自由基的信号；发现增加的自由基产物是半醌，同时引起了细胞的功能失调，例如脂质过氧化、肌浆网反应时减低、线粒体退耦合等3,6由于EPR在技术上具有一定的局限性，已经发展了一些其他可供选择方法同时检测在运动中产生的ROS，Reid等采用了2.7-二氯荧光黄作为一种细胞内探针来检测肌肉膈膜，他们发现ROS，包括O2-和H2O2的含量增加，而且可能也是导致肌肉疲劳的重要原因。虽然线粒体呼吸链通常被认为是在运动中产生自由基的最主要场所，但是还有其它途径被提出：G)黄嘌吟氧化催化反

10、应；(ii)中性粒细胞活化作用。前者发生在细胞质中，类似组织局部缺血损伤10。有报道说运动训练使体内的白细胞数量与功能发生改变，比如淋巴细胞、中性粒细胞和巨噬细胞的数量增多；而且血浆内的儿茶酚胺与糖皮质激素的水平也同时增长11。有关报道说造血嗜中性粒细胞可以产生O2-和H2O2自由基，当这些自由基和肌细胞与血管内皮细胞结合时，造成肌细胞血管内皮细胞发生损伤3。3脂质，蛋白质和DNA的情况当在细胞膜上的多未饱和脂肪酸受到自由基攻击时，有氧分子存在的情况下，一连串的过氧化反应就会发生，最终导致碳氢化合物气体的形成(例如，甲烷、乙烷、戊烷和丙二醛)12,13。脂质过氧化产物经常被用来研究训练中氧化组

11、织受到破坏的标志。Dillard等14,第一次发现运动员在长时间的训练中呼出的气体当中戊烷的浓度增加，这一发现已经得到了好几位研究人员证实。Kanter等，研究发现在自行车训练实验中，运动员呼出气体中戊烷的浓度随着负荷的增加按比例地增加。然而，运动员呼出的气体中碳氢化合物成分是否能作为体内脂质过氧化的标志，还需进一步研究证实。在运动中发现各组织中的MDA的含量增加，而且发现脂质过氧化水平与运动强度有密切的联系。在运动中不仅仅会发生脂质过氧化反应，而且ROS会对蛋白质和核酸发生氧化修饰反应17，然而有很少文献报道运动引起蛋白质的氧化。尿液中的8-羟基脱氧鸟嘌吟核苷(8-hydroxydeoxyg

12、uanosine)最近被用来检测稳定的未修复DNA的水平，研究表明一次马拉松比赛下来，运动员尿液中的8-羟基脱氧鸟嘌吟核苷显著提咼说明大量的DNA受到破坏。另外最近有报道说训练会引起体温过高症，在大鼠力竭性疲劳实验中，发现由于热效应引起骨骼肌、心肌和肝脏中蛋白质失活(heat-shock)18。因此，我们可以做一下猜测，高负荷训练可以引起对细胞膜及细胞结构损害，也可以导致对遗传物质DNA的破坏，然而这些病理性的反应还需要进一步研究。细胞氧化还原作用稳定的细胞内氧化还原反应对有机体来说是至关重要的。一些酶必须有硫醇的存在才能维持它的活性。氧化这些硫醇可以可逆或不可逆激活这些酶19。细胞氧化还原状

13、态出现紊乱的情况下会破坏某些辅酶的功能(如，NADH,NADPH)而且会破坏在蛋白质和DNA上的双硫横桥。Ji等20研究表明肌肉中线粒体的硫醇直接影响几种关键酶的活性；在大鼠急性运动实验中，发现线粒体中蛋白硫醇含量下降，可逆地抑制了这些酶的功能。目前，训练导致对细胞氧化还原的影响研究中，广泛地采用谷胱甘肽系统。作为最重要的非蛋白质硫醇-谷胱甘肽在维持细胞的氧化还原平衡和抗氧化中起到非常重要的作用。但GSSG反应产物的增加对细胞有毒性，它能使蛋白质、酶和DNA中的双硫键发生断裂21。然而，这些研究在训练中还有待进一步证实。免疫功能有关研究报道，体育训练可以使体内的WBC的数量和功能发生改变，但改

14、变的机制目前尚未清楚。CDllb/CD18通称为Mac-1,有文献报道是其中一种3bi(C3bi)的受体，与吞噬细胞的噬菌性有关，例如粒细胞、单核细胞和巨噬细胞22。CD54是细胞间连接分子-1(ICAF-1)，对白细胞起到配体作用，与抗原-1有联系，对白细胞依附到内皮细胞起到重要作用。在体育训练中由于白细胞的功能发生变化从而使这些受体的表达的改变。体育训练引起体内免疫参数发现一系列的改变。主要在这几个方面：(1)运动训练引发一些炎症或感染性反应；(2)训练后免疫调节激素含量提高，这也可能引起骨髓释放出来的粒性细胞数目增加的主要原因；(3)大运动量的训练能引起一些免疫因子数量增加，例如白细胞介

15、素IL-8、TNF-a和巨噬细胞激发因子(GM-CSF)。这些细胞素可以控制巨噬细胞上CD11b的表达。(4)类啡肽物质激素如B-endorphin和dynorphin,在体育训练中促使粒性细胞活动增强而分泌增加22,23。体育训练会引起血浆中B-endorphin的浓度升高，这就激发了过氧化阴离子的活性与白细胞的趋化性。另外，长时间的游泳比赛能促使血浆中肾上腺素、去甲肾上腺素和11-羟皮质类固醇的水平。最近研究发现体育训练能增加CD11b受体，从而增强白细胞的噬菌作用和提高了H2O2活性22，23。抗氧化系统与运动训练生物抗氧化系统在保护由运动训练引起的细胞免受自由基的攻击起到非常重要的作用

16、。缺乏或损耗各种抗氧化系统都会增加体内组织的氧化损伤。但增加其他抗氧化剂的摄入可以提高体内抗氧化水平。许多研究已经证实运动训练引起体内组织的氧化损伤，同时造成对抗氧化系统的冲击。抗氧化酶一次急性体育训练可以提高骨骼肌、心脏和肝脏中的各种抗氧化酶的活性，包括超氧化气化歧化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT)和谷光甘肽过氧化物酶(GPX)3。短时间的运动训练就会激活体内各种抗氧化酶的活性，这些机制目前尚未清楚。可能是由于变构或者共价修饰作用激活酶的活性；部分酶与它们的底物相遇可以提高酶的接触反应3,12,13。细胞氧化加强会引发增加原核细胞对抗氧化酶所需的蛋白质的合成，但目前还没在哺乳动物中得到证实

17、。维他命类VitaminE是体内非常重要的脂溶性抗氧化剂，它主要存在细胞的膜的内表面，对有线粒体产生的自由基进行快速清除。这就毫不疑问VitaminE在运动中维持细胞正常功能是必不可少的。Davies等8对体内缺乏VitaminE大鼠进行力竭性运动训练，发现缺乏VitaminE会增加肌肉与肝脏中自由基数量，同时加速脂质过氧化反应和出现线粒体功能紊乱。在每一克湿重的骨骼肌中含有约3050nmol的VitaminE,而且不同的肌肉类型含量也各不相同。研究发现在耐力运动后在骨骼肌、心肌和肝脏中的VitaminE都会有显著的降低。Packer等24,建议那些每天参加运动训练的运动员每天必须补充一定量的

18、VitaminE,因为在正常饮食习惯下，耐力训练会耗尽体内VitaminE的储备。虽然，VitaminC作为抗氧化剂也已经被确定，但它在保护细胞免受氧化的重要性尚不清晰。研究表明VitaminC具有使VitaminE自由基转化为VitaminE的功能25。谷光甘肽与硫醇体内含有大量的非蛋白硫醇，在细胞中GSH的浓度相当高，GSH在保护在运动训练中组织免受氧化损伤，扮演多功能角色。一方面，它可以还原过氧化氢和组织中的过氧化物生成GPX；另一方面，它可以清除单线氧和羟基自由基；最后，GSH可以还原维生素E自由基，还包括能间接与直接的方式还原半脱氢抗坏血酸自由基。运动中的骨骼肌似乎从血浆中补充GSH

19、26。在大鼠运动训练实验中，发现GSH和总谷光甘肽(GSH+GSSG)的含量有显著增加，尤其运动强度对其影响的程度更为突出26。在训练中GSH/GSSG的比率都不太会变，只有在力竭性运动中，GSH/GSSG比率略发生改变。有报道说，在大鼠游泳实验中发现心肌细胞中的GSH的含量也增加。有关研究发现，骨骼肌也可以制造少量的谷光甘肽，这对肌肉抵抗长时间的氧化环境下，增加了额外的GSH。在输入GSH同时，输出GSSG也是非常关键的，只有保持一个动态平衡才能很好地保护机体免受氧化损伤26。由于在运动训练会减少硫醇的储备，于是在长时间运动或者急性运动中补充硫醇也是非常有益的。其实，有几种物质在心肌缺氧的情

20、况下，免受氧化损伤，N-乙酰半胱氨酸(NAC)、自由GSH、GSH乙酰基单酯都被认为是保护机体的补充成分。不管机制如何，在训练中补充硫醇，总会对减少体内组织氧化损伤是有益的26。微量元素与抗氧化酶微量元素Cu,Zn,Mn,Fe,Se对抗氧化酶来说是必需成分，如SOD、CAT、GPX。谷光甘肽还原酶要求在黄素腺嘌呤作为修复因子。因此，在急性或长时间的体育运动中不仅仅由于氧化压力在调控酶的活性，而且微量元素也起到很大的作用25,26。例如在一次急性或长时间运动训练中，Se元素的缺乏，会减少大鼠体内GPX的80%的活性，而且不能转化GSSG形式。进而发现如果缺乏Se元素情况下，肝脏、骨骼肌和血浆中总

21、体GSH的含量会有显著增加，细胞色素氧化酶和辅酶Q的含量都会上升。Ji26，研究发现在训练中缺乏Se元素，会引起骨骼肌内的MDA的成分增加。因此建议在运动训练中补充足够的微量元素对维持细胞正常的抗氧化功能是非常重要的。比如，缺乏Se的小白鼠肝与胃肠道肌肉的谷胱甘肽过氧化物酶的活性降低80%,这就引起在一场急性运动中不能提高GSSG的含量、维生素E消耗水平，并且老鼠的运动耐力下降。研究发现由于缺乏Se，运动中老鼠的肝与血浆中的总谷胱甘肽含量有显著提高，肌肉中细胞色素氧化酶和辅酶Q的含量也有所增加。Ji26研究表明在运动中缺乏Se会使老鼠肌肉中线粒体的MDA含量增加，因此，我们可以发现在运动中补充

22、足够的微量元素维持体内抗氧化系统正常的运行是非常必要的。新型抗氧化活性物质的探索在日常普通食物中，并不能满足体育训练中体内氧化压力，于是探索新型的抗氧化剂来补充体育训练中运动员体内抗氧化水平是非常重要的。目前，很多研究人员对陆地上有药用价值的植物中探索抗氧化剂，李国莉等(1998)，研究发现枸杞多糖可以提高运动训练小鼠的运动耐力及增强机体抗氧化酶活力的作用29。唐量等(2002)，研究发现芦荟可显著提高小鼠肝组织和骨骼肌抗自由基氧化的功能,对运动造成的肝组织超微结构的损伤有明显的保护作用,对小鼠运动能力的提高有良好的作用30，31。袁海平等(2004)，观察银杏制剂对过度训练大鼠心肌细胞凋亡的

23、影响,探讨通过干预细胞凋亡而实现对运动心脏的保护作用，研究发现银杏制剂可通过其抗氧化作用及影响凋亡相关基因的表达而抑制心肌细胞过度凋亡,从而发挥心肌保护作用32。任昭君（2005），以多种具有抗氧化作用的蔬菜、水果和药食同源的中草药沙棘、人参、枸杞、核桃、芦笋、石榴、芦荟、蜂王浆等为原料,按一定比例与纯净水配制而成“复方抗氧化制剂”饮料，对大鼠做了抗氧化，耐缺氧的实验，研究发现“复方抗氧化制剂”能够并协同运动训练增强机体抗氧化能力,提高大鼠运动能力33。综上所述，目前国内在运动中抗氧化主要集中在传统的一些药物，开发针对运动训练中抗氧化、抗疲劳的非传统的一些新产品还有很大的空间。在探索新型抗氧化

24、剂过程中，我们不仅可以从陆地上动植物中探索强效抗氧化剂，而且可以从海洋的一些生物中探索抗氧化剂。海洋中生活着20余万种生物,它们占了地球上整个生物物种的80%。如此众多的海洋生物资源是我们开发医药、食品、化工产品的巨大宝库。海洋中的生物为了生存繁衍,在竞争中取胜并使自己适应海洋的独特环境,如高压、低营养、低温（特别是深海）、无光照、以及局部的高温、高盐等所谓生命极限环境,在漫长的进化中各自形成了特殊的结构和奇妙的生理功能,为人类提供了众多结构新颖、功能独特和生理活性很强的活性物质,包括萜类、甾醇类、生物碱、甙类、多糖、肽类、核酸、蛋白质、酶等，例如由于适应海洋环境,海洋微生物有了新的特异性，因

25、而产生相应的陆栖微生物所不能产生的新颖生物活性物质,这些天然产物有许多是陆地生物所没有的,它们是人类保健和药品的天然宝库。在寻找抗氧化物质的进程中,许多学者的目光已转向海洋这一资源宝库36-3。710结语很多文章已经表明体育训练会促使运动员体内的自由基增加，然而很少有人采用直接的方法测试自由基，主要是因为缺乏成熟的方法学去检测。相反，研究者很大程度上依赖检测脂质过氧化水平作为反应体内产生自由基水平的指标。自由基既能使各种酶失活，而且会破坏DNA和RNA,也会发生基因突变或产生癌症。值得注意的是自由基在人体中不断地产生,从某种层面上来说，如果能维持体内一定平衡的话还是有益的，可以作为体内免疫系统

26、的一部分,其中机制尚待研究。在体育训练中,给运动员补充强效的抗氧化剂是非常必要的,因为在体育运动中,往往产生自由基的水平远远高于日常活动产生的水平。当然,探索新型的抗氧化剂,选择合理的补充方式是今后所要研究的内容。相信在未来会出现更成熟的研究方法来解决一系列尚未解决的问题。参考文献ChanceB,SiesH,BoverisA:Hydroperoxidemetabolisminmammalianorgans.PhysiolRev59:527605,1979SenCK:Oxidantsandantioxidantsinexercise.JApplPhysiol79:675686,1995Chakr

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