补铁对低氧训练大鼠肝脏线粒体呼吸链功能的影响*

李 洁, 陈 飞

(西北师范大学体育学院， 甘肃 兰州 730070)



补铁对低氧训练大鼠肝脏线粒体呼吸链功能的影响*

李 洁△, 陈 飞

(西北师范大学体育学院， 甘肃 兰州 730070)

目的：探讨补铁对低氧训练大鼠肝脏线粒体呼吸链功能的影响。方法：实验分为低氧对照组(HC)，低氧训练组(HT)，小剂量补铁+低氧训练组(SHT)，中剂量补铁+低氧训练组(MHT)，大剂量补铁+低氧训练组(LHT)，比较各组大鼠肝脏线粒体呼吸链酶复合体Ⅰ～Ⅳ(CⅠ～Ⅳ)的活性。结果：①与HC组相比： HT组CⅠ、CⅡ活性均显著提高(P<0.01)，CⅢ、CⅣ活性均有显著下降(P<0.05 ，P<0.01)；SHT组CⅠ～Ⅳ活性均显著提高(P<0.05 ，P<0.01)，MHT组CⅠ、CⅢ和CⅣ活性均显著提高(P<0.05 ，P<0.01)； LHT组CⅠ和CⅣ活性均显著提高(P<0.01)，CⅢ活性显著下降(P<0.01)。②与HT组相比： SHT组CⅠ活性显著性下降(P<0.05)，CⅢ和CⅣ活性均显著提高(P<0.01)； MHT组CⅠ和CⅡ活性均显著降低(P<0.01)，CⅢ和CⅣ活性均显著提高(P<0.01)；LHT组CⅡ活性显著降低(P<0.01)，CⅣ活性显著提高(P<0.01)。结论：低氧训练及复合补铁，对肝脏线粒体呼吸链功能的影响较为复杂，在提高呼吸链起始酶活性方面单独的低氧训练效果最佳，在提高呼吸链关键酶活性方面，小剂量和中剂量补铁的效应要好于大剂量补铁，大剂量补铁要好于单独的低氧训练。合理的低氧训练及补铁有可能改善线粒体呼吸链功能，但低氧训练期间补铁应慎重。

补铁；低氧训练；肝脏；线粒体；呼吸链；大鼠

iron supplement; hypoxia train; liver; mitochondria; respiratory chain; rat

低氧训练作为一种特殊的训练手段在国内外正逐渐流行,目前有关低氧训练与铁代谢关系的研究还比较少且主要集中在血液指标方面[1]。由于铁还是线粒体呼吸链重要的电子传递体，所以一旦铁缺乏将会影响线粒体呼吸链功能，进而影响机体的能量供应及运动能力。肝脏是铁代谢及其调节的中心器官，且对维持血糖稳定有重要作用，因此肝脏的物质代谢和能量代谢对运动能力的提高有积极的作用。为了进一步探讨铁元素对低氧训练效果的影响，本研究以大鼠为研究对象，利用人工低氧环境进行低氧训练并复合补充不同剂量的硫酸亚铁，通过测定大鼠肝脏线粒体呼吸链酶复合体的活性，探讨补铁对低氧训练大鼠肝脏线粒体呼吸链功能的影响。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

雄性健康2月龄Wistar大鼠55只(SPF级)，由甘肃中医学院实验动物中心提供[动物生产许可证：〔SCXK(甘)2005--007〕]，体重150 g 左右。动物适应性训练、筛选及常规管理参见文献[2]。将筛选出的40只大鼠随机分为5组(n=8)：低氧对照组(HC)，低氧训练组(HT)，小剂量补铁+低氧训练组(SHT)，中剂量补铁+低氧训练组(MHT)，大剂量补铁+低氧训练组(LHT)。

1.2 补铁方法及剂量

补铁组大鼠灌胃补充硫酸亚铁溶液，小剂量为28.85 mg/(kg·d)，中剂量为57.7 mg/(kg·d)，大剂量为115.4 mg/(kg·d)[3]。低氧对照组和低氧训练组补充中剂量的蒸馏水。所有大鼠每周周一称体重1次。

1.3 训练方案

用自制低压氧舱模拟海拔3 500 m(氧浓度为13.6%)的环境，训练大鼠在低氧环境进行每周6 d共5周的水平跑台(DSPT-202型动物跑台，中国杭州段氏制作)递增负荷训练[4-5]。第1周跑台速度为20 m/min ，运动时间为30 min ；第2周跑台速度为25 m/min ，运动时间为40 min；第3周跑台速度为25 m/min ，运动时间为50 min ；第4周跑台速度为30 m/min ，运动时间为60 min；第5周跑台速度为35 m/min ，运动时间为60 min。低氧对照组在低氧环境中生活，不进行任何运动训练。

1.4 取材及线粒体制备

第5周训练结束后在常氧环境中休息1天，第6周周一所有大鼠进行速度为35 m/min水平跑台力竭运动。所有大鼠力竭后即刻腹腔注射2%戊巴比妥钠麻醉后断头处死，取样及线粒体制备过程参见文献[6]。离心机为UNIVERSAL 32R台式高速冷冻离心机(德国)。

1.5 测试指标及方法

线粒体呼吸链酶复合体Ⅰ～Ⅳ (CⅠ～Ⅳ)活性参照Vyatlina等[7]的方法进行测定，考马斯亮蓝法测定蛋白质含量。分光光度计为UVmini-1240岛津紫外可见光分光光度计(日本岛津精密科学仪器有限公司)。

1.6 试剂与药品

NADH(nicotinamide adenine dinuclectide-reduced)、 鱼藤酮(rotenone)、2,3-dimethoxy-5-methyl-6-decyl-1,4-benzoquinone (DB，CoQ0)、细胞色素c(Cyt c)、抗霉素(antimycin)、β-裂解剂(Dodecyl-β-D-maltoside)、牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)、考马斯亮蓝G250为sigma公司产品，2,6-dichlorophenolindophenol sodium salt hydrate (DCPIP)为 Fluka 公司产品，其余为国产分析纯试剂。

1.7 数据统计处理

2 结果

与HC组相比(表1)： HT组CⅠ、CⅡ活性均显著提高(P<0.01)，分别提高81.5%、130.4%； CⅢ、CⅣ活性均显著下降，分别下降22%(P<0.05)、20.2%(P<0.01)。SHT组CⅠ～Ⅳ活性均显著提高，分别提高15.3%(P<0.05)、134.8%(P<0.01)、57.8%(P<0.01)和26.6%(P<0.01)。MHT组CⅠ、CⅢ和CⅣ活性均显著提高(P<0.01),分别提高18.8%、82.6%和26.8%； CⅡ活性下降14.5%，但无显著变化。LHT组CⅠ和CⅣ活性均显著提高(P<0.01)，分别提高67.7%和18.4%； CⅡ活性增长4.3%，但无显著变化； CⅢ活性显著下降36.9%(P<0.01)。

与HT组相比(表1)： SHT组CⅠ活性显著性下降36.4%(P<0.05)，CⅡ活性增长1.9%，无显著变化，CⅢ和CⅣ活性均显著提高(P<0.01)， 分别提高102.3%和58.7%； MHT组CⅠ和CⅡ活性均显著降低(P<0.01)，分别降低34.5%和62.9%，CⅢ和CⅣ活性均显著提高(P<0.01)，分别提高134%和58.9%。LHT组CⅠ和CⅢ活性分别降低7.6%和19.1%，但无显著性变化，CⅡ活性显著降低54.7%(P<0.01)，CⅣ活性显著提高48.5%(P<0.01)。

Tab. 1 Compare of activities of respiratory chain CⅠ～Ⅳ in rat liver mitochondria among groups(μmol/(mg pro·min)， ±s, n=8)

HC: Hypoxic control; HT: Hypoxic training; SHT: Small dose iron; MHT: Middle dose iron; LHT: Large dose iron; CⅠ： Respiratory chain complexes Ⅰ； CⅡ： Respiratory chain complexes Ⅱ； CⅢ： Respiratory chain complexesⅢ； CⅣ： Respiratory chain complexes Ⅳ

*P<0.05，**P<0.01vsHC group；#P<0.05，##P<0.01vsHT group

3 讨论

现已得知，线粒体氧化磷酸化是由线粒体内膜呼吸链完成的，而铁在线粒体氧化磷酸化过程中扮演着极为重要的角色，呼吸链组成的前3种复合物中都含有铁硫蛋白(Fe-S)，其是一种重要的电子传递体和载氧体，影响着生物体的物质代谢和能量代谢[8]。

本课题组前期研究表明，大强度运动训练期间复合补铁，可提高肝脏线粒体呼吸链功能及机体有氧工作能力。从运动能力考虑，中剂量补铁效应较好[6]。说明运动训练复合补铁对呼吸链功能有影响。

低氧暴露是指有机体以任何方式暴露于高原自然低氧或人工低氧环境中。低氧训练是一种特殊的低氧暴露，特指在运动训练周期中持续或者间断利用高原自然低氧或人工低氧环境，配合运动训练来增加运动机体的缺氧程度，从而产生一系列有利于提高机体抗缺氧的生理反应及适应能力，调动体内的机能潜力，进而达到提高运动能力的训练方法[9]。

低氧训练期间，运动员承受着低氧和运动训练双重刺激，都可能导致机体铁的缺乏，从而引起对机体的负面影响。大量研究结果都证实铁的补充可以有效地改善机体铁贮备下降的状况，从而有利于运动能力的恢复[1]。

由本实验结果可以看出，与低氧对照组相比，低氧训练组肝脏线粒体呼吸链酶CⅠ和CⅡ活性显著提高，CⅢ和CⅣ活性显著下降；小剂量补铁训练组CⅠ～Ⅳ活性均显著提高；中剂量补铁训练组CⅠ、CⅢ和CⅣ活性显著提高，CⅡ活性无显著性变化；大剂量补铁训练组CⅠ和CⅣ活性显著提高，CⅡ活性无显著变化， CⅢ活性显著下降。说明低氧训练及复合补铁均对肝脏线粒体呼吸链酶活性有影响，其影响程度不尽相同，CⅠ活性HT>LHT>MHT>HTS，CⅡ活性SHT>HT>LHT>MHT，CⅢ活性MHT>SHT>HT>LHT，CⅣ活性MHT>SHT>LHT>HT。其中单独低氧训练组CⅠ的活性最高，小剂量补铁低氧训练组CⅡ的活性最高，中剂量补铁低氧训练组CⅢ和CⅣ的活性均最高。另外，单独低氧训练使CⅢ和CⅣ活性显著下降，低氧训练复合大剂量补铁使CⅢ活性显著下降，低氧训练复合小剂量和中剂量补铁使CⅢ活性显著提高，低氧训练复合补铁均可提高CⅣ的活性。与单独的低氧训练组相比，小剂量补铁训练组CⅠ活性显著下降，CⅡ活性无显著性变化，CⅢ和CⅣ活性显著提高；中剂量补铁训练组CⅠ和CⅡ活性显著降低，CⅢ和CⅣ活性均显著提高。大剂量补铁训练组CⅠ和CⅢ活性无显著性变化，CⅡ活性显著降低，CⅣ活性显著提高。说明低氧训练复合补铁不利于CⅠ、CⅡ活性的进一步提高，而有利于CⅢ和CⅣ活性的改善。

已有研究认为氧化呼吸链中的限速步骤是在细胞色素b-c1(CⅢ)[10]，CⅣ是呼吸链唯一的氧化酶，其作用是催化4个电子与氧结合，最后生成2分子H2O。由此可看出，就本实验的训练方案，低氧训练复合补铁对肝脏线粒体呼吸链功能的影响较为复杂，单纯的低氧训练，可提高呼吸链起始酶——CⅠ和CⅡ的活性，但导致呼吸链关键酶——CⅢ和CⅣ活性显著下降，复合补铁后导致呼吸链起始酶——CⅠ和CⅡ的活性下降，呼吸链关键酶——CⅢ和CⅣ活性得到改善。在提高呼吸链起始酶活性方面单独的低氧训练效果最佳，在提高呼吸链关键酶活性方面，小剂量和中剂量补铁的效应要好于大剂量补铁，大剂量补铁要好于单独的低氧训练。其机制还有待进一步研究。单独低氧训练以及复合补铁都不能提高线粒体呼吸链的整体功能，这可能还与开始补充铁的时间段、补铁剂量和频率及低氧训练方案等有关。提示合理的低氧训练复合补铁有可能能改善线粒体呼吸链功能，但低氧训练期间补铁应慎重。

综述可见，低氧训练及复合补铁，对肝脏线粒体呼吸链功能的影响较为复杂，在提高呼吸链起始酶活性方面单独的低氧训练效果最佳，在提高呼吸链关键酶活性方面，小剂量和中剂量补铁的效应要好于大剂量补铁，大剂量补铁要好于单独的低氧训练。合理的低氧训练及补铁有可能改善线粒体呼吸链功能，但低氧训练期间补铁应慎重。

[1] 王 道. 运动、低氧训练与铁代谢[J]. 体育科研, 2009, 30(1): 62-64.[2] 李 洁， 张耀斌， 邢良美. 不同低氧训练模式对大鼠肝脏及肾脏组织内自由基代谢的影响[J]. 体育科学， 2008， 28(5)： 56-61， 68.

[3] 杨青俊， 荫士安， 赖建强， 等. 硫酸亚铁不同补充方法对大鼠铁营养的影响[J]. 中国公共卫生， 2006, 22 (7): 879-880.

[4] Bigard AX, Brunet A, Guezennec CY,etal. Skeletal muscle changes after endurance training at high altitude[J].JApplPhysiol, 1991, 71(6): 2114-2121.

[5] Koshelev VB, Tarasova OS, Storozhevykh TP,etal. Changes in the systemic hemodynamics and the vasular bed of the skeletal muscles in rats adapted to hypoxia[J].FiziolzhSSSRImIMSechenova, 1991, 77(9): 123-129.

[6] 李 洁， 何 茹. 不同剂量补铁对运动性低血红蛋白大鼠肝脏线粒体呼吸功能的影响[J]. 中国应用生理学杂志， 2013， 29(3)： 446-450.

[7] Vyatkina G, Bhatia V, Gerstner A,etal. Impaired mitochondrial respiratory chain and bioenergetics during chagasic cardiomyopathy development[J].BiochimBiophysActa, 2004, 1689(2): 162-173.

[8] 张浩东， 任 颖. 在生物体能量代谢中铁的载体作用[J]. 生物学通报， 1998， 33(2)： 16-17.

[9] 冯连世. 高原训练与低氧训练[J]. 体育科学， 2005， 25(11): 2.

[10]Moreno-Sanchez R, Espinosa-Garcia MT, Raja JC. Control of respition and ATP hydrolysis in uncoupled mitochondria[M]. In: Lemasters Hachenbrock CK, Thurman DG, Westerhoff HV(eds) Integration of michondrial function. Plenum, New York, 1988： 297-304.

国家自然科学基金(31060145)；甘肃省自然科学基金(1107RJZA087)

2014-11-03

2015-02-26

G804.7

A

1000-6834(2015)03-263-03

10.13459/j.cnki.cjap.2015.03.018

△【通讯作者】Tel: 13919079404; E-mail: lijie2005ty@126.com