运动应激与自由基的研究进展

董云峰，李文宇

DONG Yun-feng1，LI Wen-yu2

●运动人体科学●

运动应激与自由基的研究进展

董云峰1，李文宇2

DONG Yun-feng1，LI Wen-yu2

在运动医学领域，运动应激与自由基一直是研究热点。采用文献综述法，阐述了目前对于自由基的研究进展以及它与运动之间的内在机制，同时介绍了以动物模型和细胞模型为主的两种研究方法及研究成果，旨在为更深层次的探讨运动与自由基的内在机制提供一定参考，特别是为自由基理论在竞技体育和群众体育方面的应用提供帮助。

运动应激；自由基；动物模型；细胞模型

从20世纪中后期开始，运动医学界对运动与自由基代谢的相关研究就给予了密切的关注，同时也取得了一定的成果。我们所说的自由基，是指那些在外层轨道上具有不成对电子的分子或原子基团。自由基有很多种，一般而言体内的自由基主要是指含氧自由基（reactive oxygen species，ROS），按照种类来分一般有：超氧阴离子，羟自由基，过氧化氢，单线态氧，三线态氧等。过多的自由基一般会对细胞组织、脂肪组织和蛋白质内部结构产生不良影响，使得体内一些器官发生病理性变化导致疾病发生［1］。同时我们还发现它们的一些化学性质比较活跃，比如有比较强的氧化反应能力并且可以调节蛋白激酶，一般是指信号转导通路中氧化还原敏感的蛋白激酶，它会通过影响这些蛋白酶的活性，从而调节细胞的基因的表达［2-3］。体内氧自由基是自由基的主要成份，它们的化学性质活泼，易发生氧化还原反应，正常情况下，自由基的生成和分解处于平衡状态，过多的自由基会使机体氧化还原反应失衡，产生氧化应激。当氧化应激发生时，机体体内会形成一套相应的抗氧化应激系统，并且还会通过诱导出一系列保护性蛋白减轻机体所受的伤害。

1 自由基的研究进展

Comberg在18世纪年首先提出有机自由基的概念后，很多关于自由基的科学研究就不断发展起来，后来Harman提出来“自由基学说”，并发现某些疾病可能与体内的自由基有关。1968年McCord和Fridovich为首的科学家开创了自由基生物学方向的研究，因为他们发现了超氧化物歧化酶对于抗氧化有着必不可缺的重要性［4］。自由基是体内一种必不可少的活性元素，它一般情况下常作为第二信使参与细胞信号转导［5］。正常情况下自由基是不会对机体产生不良影响的，因为ROS的产生与消除是处在一种动态平衡当中的。而当某些化学性物质或外源体刺激机体后，机体会发生异常，自由基代谢增加继而发生脂质过氧化反应导致组织细胞发生氧化损伤［6-8］。

作为第二信使的ROS可以传递相应的应激信号，同时也会对细胞产生其他作用，这与细胞类型、ROS的剂量和作用时间都密切相关。Jennifer等科学家发现，如果是低剂量的ROS，则有助于促进细胞增值和有丝分裂，而ROS的量是中等的，对于细胞来说，会使其短期或长期的停止生长，对于过量的ROS而导致的严重氧化应激则可能会使细胞凋亡或坏死［9］。相关实验表明自由基对血管平滑肌、生物膜、内脏器官也会产生比较大的影响，同时它又与免疫系统功能、炎症和肿瘤等相关疾病有着重大关系。所以说自由基的研究不管是在生物学还是医学方面都有着重要意义。

2 运动对自由基的影响

2.1 运动和自由基形成的关系

研究发现运动与自由基尤其是其中的氧自由基有着密切的关系。一般来说疲劳基本上是氧自由基升高的重要原因，特别是对于运动中的运动员来说。细胞膜系统的一个重要构成成分是多不饱和脂肪酸，而当我们由于运动导致体内的ROS增多时，它就可能会与细胞膜上多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应，所以我们认为运动时多不饱和脂肪酸一般会是ROS攻击的对象。而这样导致的结果一般情况下会使细胞膜上的受体受损、相关的酶活性改变，严重的可能会破坏三羧酸循环的电子传递，从而导致发生运动性疲劳。

戴维斯等人在1982年研究发现了运动诱发自由基生成增多的直接证据，他们的研究表明力竭运动后，肝脏的自由基含量升高，肌肉中的自由基也有明显升高。在大强度运动情况下，机体消除自由基的能力不能够平衡运动过程中自由基的生成，进而使得脂质过氧化的增加，由此来判断可知运动是自由基生成的主要因素。张勇等［10］在以递增负荷力竭性运动为运动疲劳模型的情况下，研究了大鼠力竭运动后，肝脏和骨骼肌线粒体自由基的变化趋势，从而得出结论，在力竭运动后骨骼肌和肝脏线粒体中自由基的生成都有明显的增多趋势。这就说明了运动性内源自由基最主要的来源是来自骨骼肌和肝脏的线粒体呼吸链电子外漏形成的自由基，这个形成的过程是在递电子体传递过程中发生的［10］。

2.2 以动物为模型研究不同运动形式对自由基代谢的影响

20世纪后期，关于自由基和急性运动之间的关系已有了不少研究。有科学家采用ESR技术研究发现，急性运动后检测大鼠的肌肉，发现其中的自由基信号增强了2到3倍，杰克逊在1985年应用这种技术证明电刺激大鼠骨骼肌后，骨骼肌中的自由基会出现升高趋势［11］。我国的相关学者用ESR技术研究大鼠疲劳运动后发现，大鼠快肌中的自由基信号有显著升高，同时还表明它与疲劳的程度是一种正相关的关系。还有人研究关于小鼠在力竭性游泳运动后骨骼肌内的一些变化，比如自由基就会比安静时升高很多，过氧化脂 （Lipid peroxide，LPO）水平较安静组有明显升高，从而会使得肌细胞膜通透性改变，同时血清CK、LDH活性明显升高［12］。当然还有一部分研究表明短时间大强度运动也会使自由基的产生增加，可是对于其深层次的原因还不太清楚，这还需要我们从细胞分子的角度来进一步研究。对于耐力运动而言，其在运动过程中对自由基的代谢有一定的影响。郭林等通过研究发现，在大鼠进行耐力性运动前及运动后即刻不同时间段，肾脏的脂质过氧化水平表现有明显变化，结果发现大鼠肾脏在运动结束即刻与运动前比较自由基的水平有明显增加［13］。还有人在研究耐力运动对自由基活性影响时发现，中长跑运动员在进行大运动量训练后，其丙二醛（malonaldehyde，MDA）水平与安静时比较具有显著性差异［14］，从上述几个研究来看，长时间的耐力运动可以促进自由基的产生。研究表明运动连续2天跑台运动，60min/d，14m/min，10%grade，运动后即刻处死，可以引起鼠心肌 ROS增加，活化 Nrf2-Keap1（nuclear factor E2 related factor2/Kelch-like ECH-associated protein1）途径，机体抗氧化能力增强［15］。在有氧运动训练过程中所产生的ROS会通过NF-KB等转录因子，对细胞基因的表达进行调节以及调控线粒体的生物发生过程，所以认为由于耐力运动训练而形成的适应过程与其内源性氧化物介导的调节关系有着非常密切的联系［16］。

2.3 以细胞为模型不同电刺激形式对自由基代谢的影响

由于大部分细胞，比如分化的骨骼肌肌母细胞C2C12细胞，可以合成与在体骨骼肌细胞相同的蛋白质，并能完成与在体骨骼肌细胞同样的收缩。因此，我们把该类细胞当做是研究骨骼肌细胞功能的适宜细胞模型，这就为我们提供了一个研究在体实验的平台［17］。

所谓电刺激是指采用特定的频率、波形和脉冲电流，模拟在体肌肉收缩，人为的使肌肉进行收缩运动。这样方法现在很受重视，已经把它作为一种辅助手段和训练方法应用在了平时的训练当中。

活性氧是机体正常新陈代谢重要产物，它在我们机体内起着重要作用。一般情况下细胞内活性氧生成的主要来源主要有四种途径，分别是膜结合酶如NADPH氧化酶，线粒体电子传递链，黄嘌呤氧化酶，细胞质中的NADH氧化酶等［18-19］。在机体正常状况下，活性氧的产生与消除是处于动态平衡状态的，当外来刺激如运动作用于机体使体内自由基增加时，氧化还原平衡就会被打破，则机体会处于氧化应激状态，而且会对组织和细胞产生伤害，这时体内的抗氧化应激系统就会被激活，帮助清除多余的活性氧。研究表明活性氧可以作为第二信使改变体内相关的氧化还原状态，原理是通过调节相关的信号转导通路中多种靶分子的活性，而这些酶活性一般都与细胞增殖、分化及凋亡密切相关［20］。Isabella Irrcher等人利用电刺激细胞的方法进行过研究，发现对骨骼肌肌母细胞（C2C12）肌管进行一次性的电刺激后即刻，转录因子早期生长反应基因（Egr-1RNA）的表达迅速增加，分析其原因主要是调节了骨骼肌表型变化；所以我们认为一定的电刺激强度肌管能够使骨骼肌细胞的基因表达发生改变，而且可以诱发不同的特异的转录因子的表达同时还会引起骨骼肌出现一过性的适应性变化这主要取决于电刺激肌管收缩活动的时间和间隔［21］。Bayol S［22］等研究发现长时间低强度低频率的电刺激可引起C2C12细胞线粒体末端氧化酶、线粒体ATP合成酶等酶活性增高，氧化能力增强，线粒体增值及与收缩相关的基因表达的增加。Hood等（2001）也发现长时间的电刺激或运动训练会使的骨骼肌线粒体mRNA的表达升高，同时电刺激C2C12肌管还发现，细胞色素C氧化酶活性也会增加，并且与在体研究结果相似。

研究表明电刺激的频率与电刺激时间的长短对于ROS的产生有着很大影响。Leonardo R.Silveira等研究发现，如果用不同的电刺激强度来刺激骨骼肌细胞，结果发现高强度组的ROS的量无论是细胞内还是细胞外与对照组相比都有明显升高，但是中等强度组与对照组相比ROS的量则没有显著性变化，说明在中等强度下细胞内的状态还是比较稳定的。同时Pattwell DM的研究进一步说明了此理论，他通过研究发现增加电刺激细胞的频率后，线粒体活性与先前比较会有显著性升高，而且有自由基导致的过氧化氢的量与先前比较也会升高［23］。McArdle A等研究过ROS释放的时程规律，他们用已经分化6天的大鼠卫星细胞进行电刺激，且刺激强度为2ms，1Hz，30V，发现电刺激15min，体内的ROS便会快速升高。对于运动中线粒体自由基生成增多的原因，现在一般都认为是运动时氧化代谢较平时加快，进而促进了呼吸链产生更多的自由基。 潘红英等［24］认为在刺激强度为采用 45V，20ms，5Hz的情况下电刺激C2C12细胞，活性氧的量会增加，产生的过多自由基会使得细胞线粒体功能发生变化，同时SOD、MDA等一系列抗氧化酶系统也会发生改变，变化规律与某些在体研究相似，且这一强度相当于骨骼肌定量负荷非力竭性运动的强度。

3 小结

虽然现在关于不同运动对自由基产生的研究越来越多，但对于它们之间的一些更深层次的联系还有待进一步研究，比如反应自由基与氧化应激之间的内在机制指标问题，除了我们平时常用的MDA等指标，有无可能从更深次的基因变化方面去研究，还有自由基在竞技体育和群众体育健康方面的实际应用情况，以及一些还存在争议的观点等。如果这些问题能得到解决，那么对于我们在运动训练中合理安排运动员的训练时间、运动强度、休息时间等将会起到非常重要的作用，为进一步的减少运动损伤、运动性疲劳和提高大众健康等问题提供帮助。

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Research Progress of Exercise-Induced Stress Response and Free Radical

In the field of sports medicine， exercise-induced stress response and free radicals have always been the focus of research.By using literature review，the current research progress on free radicals and the internal mechanism between them and movement were described.At the same time，two research methods and results based on animal model and cell model was introduced to provide reference for the deeper exploration of the internal mechanism of the movement and the free radicals，especially for the application of free radical theory in competitive sports and mass sports.

Exercise-induced stress response； Free radical； Animal model； Cell model

G804.7

A

1003-983X（2017）11-0964-03

2017-09-07

山西大同大学青年科研基金项目（2016Q17）

董云峰（1988～），男，山西临汾人，硕士，助教，研究方向:运动生化与营养.

1.山西大同大学体育学院，山西 大同，037009；2.山西大同大学固体物理研究所，山西 大同，037009

1.Institute of Physical Education， Datong University， Datong Shanxi， 037009； 2.Institute of Solid State Physics， Datong University， Datong Shanxi， 037009