运动生物化学(第二版)课件第十二章运动适应的分子调控

第十二章

运动适应的分子调控学习目标掌握DNA双螺旋结构模型、DNA自我复制、RNA的生物合成及功能、运动适应的分子调控机制;

了解与运动关系较密切的细胞信号转导通路;

了解人类基因组计划以及真核生物基因表达的过程。生命在于运动，运动在于肌肉肌肉源于细胞，细胞源于分子构成生命的最重要分子——核酸与蛋白质DNA构成染色体肌球蛋白支撑肌肉收缩本章即将揭秘：运动中细胞内核酸与蛋白质做了哪些事？这些事件如何调控代谢过程、骨骼肌生长、运动能力？这些事件与人体健康以及许多慢性疾病的防治有何关联？基因表达运动/运动能力？第一节

分子生物学基础核酸(nucleicacid)

是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸的分类及分布(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸

存在于细胞核和线粒体内。存在于胞核、胞液和线粒体。携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型(genotype)。参与遗传信息的复制与表达调控基因表达（microRNA）核酸的基本组成单位是核苷酸

(nucleotide)。碱基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。嘌呤

嘧啶

碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有一、核苷酸的结构每种核酸都含有四种碱基。嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（构成RNA）核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（或脱氧核苷）。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

细胞内重要能量载体——ATP

环化核苷酸:cAMP，cGMP

细胞内重要信号分子——第二信使5´端3´端核苷酸之间以3

,5

-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸（DNA、RNA）。核酸的一级结构：核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。CGA

DNA与RNA的区别核酸碱基戊糖DNAA、G、C、T脱氧核糖RNAA、G、C、U核糖二、DNA的结构与功能DNA双螺旋结构模型要点1.两条DNA链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(doublehelix)。2.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。3.维持双螺旋稳定的因素：氢键，碱基疏水力。TAGCDNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNADNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体染色体真核生物染色体DNA组装DNADNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式装载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。基因组是指细胞或生物体的全套遗传物质。DNA进行复制时，双螺旋结构解开而成为两股单链，各自作为模板，用于合成新的互补链。子代细胞出现新的DNA双链，其中一股单链是从亲代完整地接受过来的，另一股单链是完全重新合成，且与母链按碱基配对原则互补。DNA的生物合成——半保留复制DNA半保留复制三、RNA的生物合成与功能动物细胞内主要RNA的种类及功能RNA的生物合成——转录转录：生物体以DNA为模板合成RNA的过程。也就是把DNA的碱基序列抄录成RNA的碱基序列。复制与转录的异同点

复制转录

DNA模板双链单链（模板链）原料dNTPNTP

碱基配对C=G,A=TC=G,A=U,T=A合成方向5’3‘5’3‘酶DNA聚合酶RNA聚合酶引物需要不需要蛋白质的合成——翻译DNA上的遗传信息传递到mRNA上（转录），mRNA接受到了DNA的信息，便会指导蛋白质的生物合成，mRNA便成了蛋白质生物合成的直接模板。由mRNA指导蛋白质合成的过程叫翻译（translation）。mRNA转录后输出细胞核，由核糖体完成蛋白质合成（翻译）。生物学中心法则

——DNA、RNA、蛋白质之间的关系四、真核生物基因表达和调控通常情况下，真核生物细胞只有2-15%的基因处于有转录活性的状态。表达调控是研究不同的环境和条件以及各种因素如何令基因表达或不表达，而且按一定的时间、空间有次序高效地运作。调控水平：转录、转录后、翻译、翻译后顺式作用元件：真核生物结构基因上游的调控区，有特定的相似或一致性的序列（DNA片段：碱基序列）。反式作用因子：和顺式作用元件相结合或间接影响其作用的蛋白质（转录因子、转录调节因子）。RNA顺式作用元件与反式作用因子的结合DNA结构简单：开放或关闭序列不变转录因子/蛋白质结构复杂、多变二者结合基因表达调控的多变性顺式作用原件转录因子转录辅激活因子转录辅抑制因子褐色脂肪白色脂肪举例：雌激素相关受体ERR转录活性的调控冷刺激运动饥饿转录抑制转录激活脂肪酸氧化↑线粒体生物发生↑氧化磷酸化↑脂肪酸氧化↓线粒体生物发生↓氧化磷酸化↓TrendsEndocrinolMetab.

Oct2008;

19(8):269–276.第二节

运动适应的分子事件运动方式与分类持续时间长肌肉不加额外阻力心肺功能增加运动强度可控间歇性肌肉附加额外阻力肌肉力量增加运动强度可控耐力运动抗阻运动持续时间不确定动作复杂多变生理适应复杂运动强度时刻变化复杂混合型运动一、耐力运动诱导的适应性改变骨骼肌纤维类型转化：TypeI肌纤维增加AmJPhysiolRegulIntegrCompPhysiol.

2009Feb;296(2):R326-33.

线粒体增殖PLoSOne.

2012;7(7):e41817.有氧代谢能力提高AmJPhysiolEndocrinolMetab.

2004Nov;287(5):E857-62肌内脂滴含量增加三羧酸循环酶含量增加毛细血管增生JPhysiol.

2008Dec15;586(Pt24):6021-35.

ProcNatlAcadSciUSA.

2009Dec15;106(50):21401-6.血管内皮生长因子VEGF表达增加肌纤维血管密度表达增加二、抗阻运动诱导的适应性改变骨骼肌蛋白质合成增加肌纤维蛋白质合成速率（FSR）——在1组(1SET)和3组(3SET)抗阻运动后的5h、29hJPhysiol.

2010Aug15;588(Pt16):3119-30.

骨骼肌卫星细胞的增殖和分化运动后4天骨骼肌卫星细胞密度变化率——抗阻运动

(RE),耐力运动(AE),混合型运动(CE)AmJPhysiolRegulIntegrCompPhysiol.

2012Jun15;302(12):R1458-65.心肌肥大(myocardialhypertrophy)代谢产物变化CP肌糖原含量增加无氧代谢酶活性增加骨骼肌无机盐密度增加TypeII型肌纤维增加12周持续抗阻运动使II型肌纤维（MHCIIa）增加28%，I型肌纤维（MHCI）略降（Youngwomen）JApplPhysiol(1985).

2012May;112(10):1625-36.

三、与运动能力直接相关的基因基因多态性与运动员选材基因多态性（polymorphism）是指在一个生物群体中，同时和经常存在两种或多种不连续的变异型或基因型（genotype）或等位基因（allele）。同一基因的不同变异型与其运动能力存在相关性。与杰出耐力有关的基因mtDNA序列血管紧张转移酶ACE过氧化物酶体增殖物激活受体PPAR-γPPAR-γ辅激活因子PGC-1α线粒体转录因子：Tfam核呼吸因子2(NRF2)肌酸激酶CKMM肉碱棕榈酰转移酶(CPT-1β)……结果：这些基因在优秀耐力运动员与普通人之间存在基因多态性差异。结论：先天具备某一特定基因型的人对耐力运动较为敏感，有较大可能创造耐力项目上的优异成绩。与肌肉力量有关的基因肌肉生长抑制素(GDF-8)维生素D受体(VDR)肌肉生长限制因子Myostatin睫状神经营养因子CNTF胰岛素样生长因子结合蛋白IGFBP3肌动蛋白ACTN3TNFRSF11B……结果：这些基因在优秀力量运动员与普通人之间存在基因多态性差异。结论：先天具备某一特定基因型的人对力量训练较为敏感，有较大可能创造力量项目上的优异成绩。第三节

运动适应的分子调控我们已经知道……DNA是基因的载体——核酸（核苷酸序列）RNA是基因转录的产物——脱氧核酸蛋白质是RNA翻译的产物——氨基酸序列耐力运动与抗阻运动产生不同的生理效应问题：生理效应的获得机制？与DNA、RNA、蛋白质之间是什么关系？概念：细胞信号转导？跨膜细胞信号转导的一般步骤特定的细胞释放信息物质（第一信使）信息物质经扩散或血循环到达靶细胞与靶细胞的受体特异性结合受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统（第二信使）靶细胞产生生物学效应例：胰岛素介导细胞摄取葡萄糖

化学性质分类：*蛋白质和肽类（如生长因子、细胞因子、胰岛素等）*氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等）*类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等）*脂酸衍生物（如前列腺素）*气体（如一氧化氮、一氧化碳）等

一、细胞间信息物质蛋白激酶、蛋白磷酸酶

二、细胞内信息物质蛋白质生物活性与磷酸化状态有关磷酸化位点：丝氨酸/苏氨酸，酪氨酸细胞膜上很多受体本身就是蛋白激酶蛋白激酶蛋白磷酸酶GTP结合蛋白——G蛋白蛋白质本身结合GTP，GTP水解调控蛋白质活性细胞膜上的很多受体有GTP水解酶活性第二信使：

Ca2+、小分子代谢产物化学本质：小分子代谢物，