运动和氧化应激及机体的抗氧化系统

叶梅聆 孔梅 张翔(曲阜师范大学体育科学学院 山东曲阜 273165)



运动和氧化应激及机体的抗氧化系统

叶梅聆 孔梅 张翔
(曲阜师范大学体育科学学院 山东曲阜 273165)

摘 要:文章运用文献资料研究法可得出,运动时有氧代谢增加是产生氧化应激的一个潜在原因。过量的活性氧会造成运动损伤以及多种疾病的发生,但是一定的活性氧对机体的代谢又是必须的。运动时机体会产生一系列适应性的变化降低氧化应激,包括增强抗氧化防御系统,减少基础氧化剂的产生,减少氧化磷酸化时自由基的泄露等等。该文就近年来关于运动中活性氧的产生机制,运动与氧化应激的关系以及活性氧清除体系等方面进行了综述。

关键词:运动 氧化应激 抗氧化剂 活性氧

活性氧是指机体在有氧代谢过程中产生的一类化学性质比较活泼的含氧自由基及其衍生物。在肌肉中,线粒体是产生这些活性中间体的一个重要的来源,包括超氧化物(O2°-),过氧化氢(H2O2)以及羟自由基(°OH)。在正常生物体内,活性氧的产生和消除处于平衡状态,但是当活性氧产生过多或者抗氧化系统出现故障时,就会引起机体自由基代谢失衡,即氧化应激,造成蛋白质、脂质、核酸等物质的氧化损伤。

1 细胞中主要的活性氧

活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)是指化学性质活跃的含氧原子或者原子团,细胞中产生的氧自由基有超氧阴离子自由基(O2°-),过氧化氢(H2O2),羟自由基(°OH)以及一氧化氮(NO)等等。超氧化物是通过在电子传递过程中氧气的不完全还原所形成的,是生化反应的一个中间物,该离子带负电荷,对于膜是不通透的。NO是通过一系列酶系统(一氧化氮合酶)产生的。H2O2是一种活性化合物,在特定的情况下能够产生自由基,例如羟自由基, H2O2是比较稳定的,可以透过细胞膜,在细胞内有相对较长的半衰期。羟自由基是一种具有高反应活性的物质,具有较强的氧化电位,由于它的高反应性,对膜是不通透的。正常情况下,机体ROS的产生和清除是处于动态平衡状态的,但是在剧烈或者离心运动过后,机体产生的ROS超过机体的清除能力,就会发生氧化应激,造成蛋白质、脂质、核酸等物质的氧化损伤。

2 运动时活性氧产生的主要机制

2.1 线粒体呼吸链是活性氧产生的重要来源

尽管线粒体的主要功能是产生能量,在氧化磷酸化过程中,线粒体同样会产生活性氧。这种活性物的释放占呼吸过程中氧气消耗的1%～5%,取决于基质和呼吸状态。在线粒体呼吸过程中,电子从NADH传递给复合物I(NADH泛醌还原酶复合体),然后从琥珀酸传递给复合物II(琥珀酸脱氢酶复合体)。最终,电子从COQ传递到复合物III(辅酶细胞色素C氧化酶),细胞色素C和复合体IV(细胞色素C氧化酶),复合物I,III以及辅酶COQ都是ROS产生的主要部位。

2.2 电子漏与质子漏

在线粒体呼吸过程中,有时会漏出少量电子将氧分子还原形成O2°-,即线粒体电子漏(Electron leak)。线粒体电子漏是内源性ROS产生的重要来源。在剧烈运动时,机体的耗氧量增加,进入呼吸链的氧还原量增加,从呼吸链漏出的电子也会增加,使O2°-的生成速率加快。如果电子传递过程中泵出的质子能通过其他途径返回线粒体机制,会形成质子漏(Proton leak),目前为止,质子漏的形成机制还不清楚。

3 运动与氧化应激

众所周知,经常进行体育锻炼对身体健康的好处是显而易见的,包括降低心血管疾病,癌症,骨质疏松症和糖尿病的风险。有些形式的运动能够改善骨骼肌功能以及血管的适应性,维持肌肉含量。研究表明,未经训练的受试者进行急性运动后,氧化应激会增加。然而,在进行一段时间连续运动后,会诱导机体产生适应性的变化,从而防止大量氧化性损伤的发生。我们推测,运动对健康的益处是通过上调抗氧化酶以及减少氧化剂来产生的。另外,耐力训练可以防止运动诱导的氧化应激的产生,提高骨骼肌和心肌抗氧化剂和抗氧化酶的水平。Leeuwenburgh等人发现,在经过10周的运动训练后,大鼠股四头肌中谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶的含量会增加。另一项研究表明,训练过的鼠与不训练的相比,谷胱甘肽过氧化物的活性增加了62%,超氧化物歧化酶的活性增加了27%。总之,对于未经训练的动物,急性运动会增加氧化剂的水平以及氧化应激的发生,但是长期运动可以通过提高抗氧化酶的活性,减少氧化剂的含量来对抗这种效果,从而保护肌肉不受损伤。

4 机体的抗氧化防御系统:抗氧化酶

细胞中主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD),谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)以及过氧化氢酶(GAT)。其他的一些抗氧化酶,例如过氧化物酶,谷氧还蛋白以及硫氧还蛋白还原酶同样有助

于保护细胞免受氧化反应的损伤。超氧化物岐化酶是在1969年由McCord和Fridovich发现的。哺乳动物体内主要存在3种形式的SOD(SOD1,SOD2,SOD3)。SOD的两个亚型位于细胞中,另一个亚型位于细胞外液中。SOD1需要铜-锌作为辅因子,主要位于胞浆和线粒体膜间隙内。SOD2需要锰作为辅因子,主要位于线粒体基质内。SOD3需要铜-锌作为辅因子,主要位于细胞外间隙。GSH-PX主要存在于细胞质中,少量存在于线粒体中,哺乳动物体内发现的GSH-PX有5种(GPX1-GPX5),主要处理来自线粒体和内质网的过氧化氢。过氧化氢酶主要存在于过氧化酶体中,主要作用是催化过氧化氢生成水和氧气。

5 结语

运动可以使体内ROS产生增加,从而诱发细胞产生氧化应激。适量的ROS对细胞是一种适应性刺激,但是过量的ROS会对机体造成运动损伤及多种疾病的发生。目前,关于运动与ROS的研究取得了较大进展,但是在ROS产生及调节的分子机制以及确切的生理学意义方面仍然需要进一步研究。

参考文献

[1] Mcardle A,Jackson M J.Exercise,oxidative stress and ageing[J].Journal of Anatomy,2000,197(4):539-541.

[2] Leeuwenburgh C,Heinecke J W.Oxidative Stress and Antioxidants in Exercise[J].Current Medicinal Chemistry, 2001,8(7):829-838.

[3] Powers S K,Jackson M J.Exercise-induced oxidative stress:cellular mechanisms and impact on muscle force production[J].Physiological Reviews,2008,88(4):1243-1276.

[4] Peake J,Suzuki K.Neutrophil activation, antioxidant supplements and exercise-induced oxidative stress[J]. Exercise Immunology Review,2004,10(1):129-141.

[5]闻剑飞,刘玉倩,王海涛,等.运动中线粒体活性氧产生机制的研究进展[J].河北师范大学学报:自然科学版,2009,33(2):271-275.

DOI:10.16655/j.cnki.2095-2813.2016.05.046

中图分类号:G8

文献标识码:A

文章编号:2095-2813(2016)02(b)-0046-02