低剂量的毒物对生物有益？——比较毒物的单相剂量效应理论和双相剂量效应理论（5）

朱钦士

（美国南加州大学医学院）

（上接2020年第4 期第20 页）

3 活性氧在体育锻炼中的作用

体育锻炼对健康的好处被广泛认可。体育锻炼可增强体力、控制体重、改善情绪、帮助睡眠、提高免疫力、增进性能力、预防疾病及延长寿命等，是不靠药物干预而增进健康的重要手段。随着生活条件的改善，人们对健康和寿命也有更高的要求，体育锻炼也成为许多人的自觉行动。

同时，随着电视和智能手机的普及、网络信息的发达，久坐不动的人也在增加。他们中的一些人认为，活动少的人也能长寿，并且能举出一些例子。所以要证明体育锻炼真的对健康有利，不活动真的对身体有害，不能只看个例，而要看大量群体的统计结果。

2009年，德国3 所科学研究机构的科学家合作，综合分析了34 项有关体育锻炼和所有原因造成的死亡率之间关系的研究结果，总共涉及271 000 人。分析结果表明，体育锻炼确实能显著降低各种原因造成的总死亡率。中等强度的体育活动（例如散步和慢跑）可降低男性死亡率24%，女性死亡率降低31%。高强度的体育锻炼可进一步降低死亡率（男性和女性都降低35%）。而且体育锻炼对降低老年人死亡率的效果更好，例如，将男性对象分为65 岁以上和65 岁以下，中等强度的体育锻炼降低老年人的死亡率33%，而65 岁以下的人死亡率降低19%。动物实验也得出了类似的结果。终生运动的大鼠和小鼠，其平均寿命都显著延长。

即使是高强度的体育锻炼，即将肌肉力量用到极限的运动（例如许多专业运动员的活动），虽然能造成肌肉的暂时损伤，但是长期效果仍然对身体有利。2015年，加拿大科学家综合分析了54 项专业运动员（足球、篮球、橄榄球及自行车运动）的寿命，共涉及465 575 人。分析结果表明，这些专业运动员的寿命比平均人群高4～8 岁。

体育锻炼对身体有益，人们自然想知道其中的机制。但是科学研究得出的结果却让人感到困惑：体育锻炼会显著增加体内活性氧的生成，而活性氧却被普遍认为是对身体有害的，是人身体衰老的元凶。这该如何解释？

近年来的科学研究表明，体内过多的活性氧的确对身体有害，但是低浓度的活性氧，特别是体育锻炼产生的活性氧，却是传递信息的重要物质，将体育锻炼造成的对身体在能量、代谢、产热、缺氧和机械力等方面的压力转化为对健康有益的效果，所以活性氧也有正面的生理作用。下文分析这个过程是如何发生的。

3.1 体育锻炼增加细胞和组织中活性氧的产生 活性氧（reactive oxygen species，简称ROS）是含有氧原子且化学性质活泼的原子、原子团和分子，包括超氧负离子（O2·-）、氢氧自由基（HO·）、过氧化氢（H2O2）等。活性氧中的超氧负离子和氢氧自由基带有“未配对电子”，又叫做“自由基”（free radicals，符号中的圆点表示未配对电子）。活性氧的共同特性是化学反应性很强，能从许多原子或分子中夺取电子，改变它们的性质。

不同活性氧物质之间可互相转化，例如超氧负离子可自身歧化或被酶催化变为氧和过氧化氢；过氧化氢和超氧负离子反应可生成氢氧自由基；过氧化氢通过亚铁离子催化可形成氢氧负离子（HO-）和氢氧自由基（HO·）（芬顿反应Fenton reaction）。自由基与其他分子反应，可形成新的自由基，导致链式反应。因此在细胞中，一种活性氧物质的形成常会导致其他活性氧物质的生成。

体育锻炼是通过骨骼肌的使用而实现的，活性氧也主要在骨骼肌中产生。研究表明，骨骼肌中活性氧的产生途径主要有2 个，线粒体中的电子传递链和嘌呤代谢中的黄嘌呤氧化酶。

线粒体（mitochondria）是细胞的“动力工厂”，食物分子（例如葡萄糖和脂肪酸）在这里被氧化成为二氧化碳和水，释放的能量则被用于合成高能化合物ATP（三磷酸腺苷的英文缩写）。线粒体并不是使食物分子直接和氧分子反应，而是将食物分子中的氢原子“脱”下，让氢原子中的电子经过一条由多个蛋白复合物组成的电子传递链，一路释放能量，最后才和氧分子结合生成水。

这个电子传递过程一定要通过一个叫做“醌”（quinone，简写为Q）的非蛋白分子。醌能反复接收2 个电子和2 个质子，变成 “氢醌”（hydroquinone，QH2）。氢醌又可将氢原子中的电子传递下去，起到在蛋白复合物之间传递电子的作用。醌变为氢醌的反应不是“一步到位”的，而是先接收一个电子，变成“半醌”（semiquinone），再接收一个电子，才变成氢醌。而半醌本身就是自由基，性质不十分稳定，虽然有蛋白环境的保护，但氧分子还是能“钻空子”，将半醌上的那个电子“抢夺”后形成超氧负离子（O2·-），这是线粒体中活性氧形成的最初过程。超氧负离子很快又被线粒体中的“超氧化物歧化酶”（superoxide dismutase，SOD）催化，变为过氧化氢（H2O2）和氧（O2）。体育锻炼时，由于对ATP（即能量）的需求增高，电子传递链的工作加快，生成的超氧负离子和它转化成的过氧化氢也增多。

肌肉收缩会消耗大量的ATP，生成ADP（二磷酸腺苷）和AMP（一磷酸腺苷）。随着运动的进行，细胞中的ATP 会越来越少，而AMP 会越来越多。当细胞中AMP 的浓度高到一定程度时，AMP 分子中的腺嘌呤（adenine）会被脱去氨基变为次黄嘌呤（hypoxanthine）。黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XO）将次黄嘌呤氧化为黄嘌呤（xanthine），再将黄嘌呤氧化成为尿酸（uric acid），而这2 步反应的副产物都是过氧化氢（H2O2）。肌肉活动的时间越长，强度越高，通过黄嘌呤氧化酶生成的过氧化氢也越多。

在休息状态时，肌肉中过氧化氢的浓度大约是10～15 μmol／L。体育锻炼时肌肉中过氧化氢的浓度会明显升高，可达到休息状态时的2 倍，即30 μmol／L 左右。

活性氧是非常活泼的物质，容易与其遇到的分子发生反应。在生物系统中，活性氧能造成DNA 链的断裂，导致包括癌症在内的疾病；使蛋白质分子中赖氨酸、精氨酸、脯氨酸、组氨酸残基的侧链羰基化，即在这些侧链上形成原来没有的羰基（C=O），破坏蛋白质的结构和功能；还能使脂肪酸氧化，改变细胞膜的结构和性质。

在这些观察的基础上，美国科学家Denham Harman（1916—2014）在1956年提出了衰老的活性氧理论。该理论认为，活性氧是造成人体（及其他动物）衰老的原因：被活性氧破坏的分子日积月累，细胞的功能就会逐渐下降，最后导致生物体的死亡。因此，“抗氧化”也是这个理论的自然主张。现在市面上随处可见的“抗氧化”宣传告诉人们：体内的活性氧浓度越低越好，长期大量服用“抗氧化剂”，不仅能增进健康，还能延长寿命。

体内抗氧化系统的存在看来也支持这个理论。例如，体内有多种酶消灭活性氧：超氧化物歧化酶（SOD）可将超氧负离子转变为氧和过氧化氢；过氧化氢酶（catalase，CAT）可将过氧化氢转化为氧和水；谷胱甘肽过氧化酶（glutathione peroxidase，Gpx）和过氧化物还原酶（peroxireducxin，Tpx）也可消灭过氧化氢。除了这些抗氧化酶，生物体内还有非蛋白的对抗活性氧的物质，例如，维生素C、维生素E 和β-胡萝卜素等。对抗活性氧系统的存在本身就说明活性氧对身体有破坏作用。由于现在还无法通过服药提高人体内抗氧化酶的浓度，服用非蛋白的抗氧化物质，例如维生素C、维生素E和β-胡萝卜素，似乎就是符合逻辑的选择。

体育锻炼会增加体内活性氧的生成，从理论上说，这好像是自己和自己过不去：人们想方设法地减少和消灭的东西，为什么还要通过体育锻炼增加？ 另一方面，体育锻炼的好处又是显而易见的，或许体育锻炼还有其他机制促进身体健康？为了获得体育锻炼的好处而又不受体育锻炼增加的活性氧之害，许多人服用抗氧化剂。许多运动员更是服用大量的抗氧化剂，希望以此提高运动成绩和加快运动后身体的恢复过程。

但是大量科学研究的结果表明，服用抗氧化剂既不能提高体育活动的成绩，也不能加速运动后身体的恢复，反而会降低或抵消体育锻炼的效果。这些和理论预期相矛盾的事实，说明衰老的活性氧理论是不完善的，即只看到和强调活性氧的破坏作用，不了解或忽视活性氧正面的生理作用。

3.2 肌肉的正常工作需要一定浓度的活性氧 在多数人的想象中，活性氧既然对身体有害，对肌肉工作的效率也一定只有负面的作用。但是动物实验得到的结果却与此预期相反。在这个实验中，取出大鼠的横膈肌，浸泡在溶液中，两端固定于铂金电极上，这样电脉冲就可刺激肌肉收缩，收缩产生的拉力则通过电极所受的力而被记录。

如果在溶液中加入过氧化氢酶（CAT）或抗氧化剂以降低肌肉中过氧化氢的浓度，肌肉收缩产生的力量会下降，从电刺激到产生最大拉力的时间也会延长，即肌肉收缩的速度和力度都会下降。相反，如果在溶液中加入过氧化氢 （0.1～10 μmol／L），肌肉收缩的力度先是随着过氧化氢浓度的增高而加大，到一定浓度后则下降。如果在高过氧化氢浓度的溶液中再加入抗氧化剂，肌肉收缩的力度又会增加。如果在肌肉收缩前溶液中有抗氧化剂，就需要添加更多的过氧化氢才能使肌肉收缩时产生更大的力量。

这个实验结果表明，肌肉功能的正常发挥需要一定浓度的活性氧。高于或低于这个浓度都会使肌肉收缩的功能下降。在休息状态时，肌肉中活性氧的浓度是不足以满足肌肉收缩的需要的。运动员在比赛前先要“热身”，其中一个效果也许就是将肌肉内活性氧的浓度增加至肌肉收缩所需要的最佳浓度。

要了解活性氧的正面作用，需要先了解实现体育锻炼正面效果的蛋白质。

3.3 实现体育锻炼正面效果的蛋白质 体育锻炼导致的生理变化是多重的，也通过不同的蛋白质作出对身体有利的反应。

1）增加肌肉的能量供应。肌肉的收缩会消耗大量的ATP，同时使得细胞中AMP（ATP 的水解产物之一）的浓度增加。为了适应这种变化，肌肉细胞会增加线粒体的数量，即给细胞配备更多的“动力工厂”，以生产更多的ATP。

AMP／ATP 浓度比例的升高可被细胞感受到，即通过AMP 结合于“被AMP 活化的激酶”（AMPactivated kinase，AMPK）上，活化AMPK 的激酶活性，在其他蛋白分子上加上磷酸根，改变这些蛋白分子的性质，将信号传递下去。其中一个这样的蛋白被称为PGC-1α。PGC-1α 是一个转录因子（结合在基因的控制区段，影响基因表达的蛋白质），其名称是“过氧化物体增生因子活化的受体辅活化因子-1alpha”（peroxisome proliferator-activated receptor co-activator-1alpha）的缩写。PGC-1α 是线粒体增生的主控基因，可增加所需蛋白的合成，包括电子传递链上的蛋白、三羧酸循环的蛋白和与线粒体的分裂和融合有关的蛋白，以增加线粒体的数量。PGC-1α 也能动员脂肪组织中脂肪酸，增加它们的氧化，给运动提供更多的能量。

除了被肌肉细胞中AMP/ATP 比值活化，AMPK 还可被活性氧活化。例如，用0.3 mmol／L浓度的过氧化氢处理肌肉细胞，AMPK 的活性也会增加，因此体育锻炼造成的细胞内活性氧的增加也可活化AMPK。

除了蛋白PGC-1α，转录因子NFκB（nuclear factor kappa B） 也能增加抗氧化酶例如SOD 和CAT 的浓度。

线粒体数量的增加和更高的调动脂肪酸的能力使得人的能量供应充足，而抗氧化能力的增加除了在体育锻炼时保护组织少受活性氧的伤害外，还可在身体受到其他冲击（例如电离辐射、炎症、有毒金属及能在体内产生活性氧的物质等）时起到防护作用。

2）增强肌肉细胞抗氧化的能力。肌肉收缩除了会消耗ATP 外，还会产生大量的活性氧，而过高的活性氧浓度会对细胞造成损害。为了适应这种状况，体育锻炼会使肌肉内抗氧化酶的浓度增加。这主要是通过“有丝分裂因子活化的蛋白激酶”（mitogen-activated protein kinase，MAPK，注意不要和前面提到的AMPK 相混淆）的活化实现的。MAPK是细胞中信号通路中的重要激酶，可通过使其他蛋白磷酸化而调节许多基因的表达，包括各种抗氧化酶（SOD、CAT、Gpx 等）的表达，增强细胞的抗氧化能力。除了MAPK，前文提及的被AMPK 活化的PGC-1α 也能增加这些抗氧化酶的水平。这不仅能减轻活性氧生成的增加对细胞的伤害作用，还能将细胞内活性氧的浓度控制在肌肉收缩所需的范围内。

MAPK 能提高细胞对胰岛素的敏感性，加速血液中的葡萄糖通过细胞膜上的葡萄糖转运蛋白（Glut4）进入细胞，和脂肪酸一起，为肌肉提供更多的“燃料”，以满足肌肉的能量的需求。因此常运动的人不易患糖尿病，有糖尿病的人也有可能得到改善。

MAPK 还能增加肌肉蛋白的合成，使肌肉发达，身体更为强壮。

3）对低氧环境的适应。体育锻炼时肌肉会大量消耗氧气，可达到休息时耗氧量的百倍以上。为了增加氧气供应，运动时呼吸会加快，甚至大口喘气。但是血液的供氧能力毕竟有限，不能完全满足运动时极大增加的对氧气的需求，使得肌肉中的氧浓度不断降低。在休息状态下，肌肉中的氧分压（Po2）大约在4.53 kPa 左右，而剧烈运动可将肌肉中的氧分压降至0.27～0.67 kPa，造成肌肉局部缺氧（hypoxia）。在缺氧状态下，“低氧诱导的因子1”（hypoxia-induced factor-1，HIF-1）被活化。HIF-1能驱动许多抗低氧基因的表达，其中最重要的是“促红血球生成素”（erythropoietin，Epo）。Epo 能结合在红血球的前体细胞上，促进其增殖和分化为红血球，增加血液供氧的能力。经常进行体育锻炼的人，血液供应氧气的能力也比较高。

HIF-1 还能促进血管增生，使得肌肉的血液供应更加充足，肌肉的供氧量也会增加。

4）对局部升温的适应。体育锻炼在消耗大量能量的同时，也会释放大量的热，使得肌肉局部升温，蛋白质也容易变性。为了防止这种情况，细胞会增加“热休克蛋白”（heat shock protein，Hsp）的合成。热休克蛋白又被称为蛋白质分子的“伴侣”（chaperone），它们能结合在蛋白分子上，防止蛋白变性。热休克蛋白浓度的增加是通过激活“热休克因子1”（heat shock factor 1，Hsf 1）实现的。Hsf 1平时与热休克蛋白（例如Hsp 70 和Hsp 90等）结合，位于细胞质中。这时无论是Hsf 1 还是Hsp 都没有活性。在细胞遇到热冲击时，Hsf 1 会和Hsp 分离而彼此释放。Hsp 蛋白恢复活性，执行其防止蛋白变性的功能；而Hsf 1 则形成三聚体，进入细胞核，结合于DNA 上，调控基因表达，包括热休克蛋白基因的表达。

热休克蛋白的增加不仅可在运动时保护蛋白质分子不变性，也可在身体遇到其他逆境时（例如发烧、身体受感染、炎症、毒物如毒性金属、砷及乙醇等）保持蛋白质的稳定性。

5）增强细胞的修复能力。活性氧的化学性质非常活泼，一遇到其他分子就容易发生反应，所以有可能在遇到能消灭它们的抗氧化酶之前就完成破坏性反应。活性氧的分子很小，可到处“藏匿”，而抗氧化酶是蛋白质，相比之下是“巨大”的分子，不可能到达细胞内所有的“犄角旮旯”（就像大皮球进不了墙角），在抗氧化酶无法到达之处，活性氧就能破坏组成细胞的分子。非蛋白的抗氧化剂（例如维生素C 和维生素E），虽然比抗氧化酶更容易接近活性氧并且消灭它们，但是由于这些反应不是由酶催化的，反应速度要慢1 000 倍以上，在它们发挥作用前，有些活性氧已经完成了破坏活动。如果没有修复机制，细胞中被损伤的分子还是会逐渐积累。

但是细胞并不会被动地让这种情形发生，而是有各种修复机制。这与汽车受了剐蹭不会自己修复的情形不同。自噬（autophage）是细胞修复和更新自己的一种重要机制。自噬作用发生时，细胞内会形成由2 层膜组成的半球形结构，像缺气的皮球被从一侧捏向另一侧形成的半球。这个半球的开口就像一张“嘴”，可将细胞的各种内容物，包括细胞质中的各种分子和像线粒体这样的细胞器，都“吞”进去。随后口缩小，膜融合，就会将吞进的物质完全包裹起来。这样形成的小球和溶酶体（lysosome）融合，内容物就进入溶酶体了。溶酶体是细胞的“胃”，内部偏酸，含有各种水解酶，可消化吞进物中的蛋白质、核酸和脂肪，消化的产物（例如氨基酸、核苷酸和脂肪酸），又可重新加以利用，重新合成蛋白质、核酸和脂肪，类似于用拆旧毛衣的线再打新毛衣。通过这种方式，细胞能不断清除受损的分子和细胞器，让自己不断更新。在饥饿状态下，细胞还可用这种方式消化不再需要或不必需的成分，将资源改用于细胞生存最必要的地方。

自噬作用可由PDC-1α 蛋白的活化而增加。体育锻炼增强细胞的自噬活动，等于加快细胞去除受损的分子而更新自己的过程，人的健康状况也能得到改善。

（待续）