運動中活性氧與抗氧化劑補充的內穩(wěn)態(tài)研究述評

張京紅 盧 健 陳彩珍 劉承宜

摘要:有氧代謝不可避免地產生活性氧(reactive oxygen species,ROS)。盡管過多的ROS具有毒性作用,但一定的ROS卻在細胞信號轉導和抗氧化酶基因表達上起著重要的作用。運動訓練能建立和維持氧化-抗氧化內穩(wěn)態(tài)(oxidant-antioxidant homeostasis,OAH)。OAH可以將ROS維持在一定的水平。OAH可以抵抗的ROS漲落有一定的范圍(OAH-specific ROS level zone,oROZ),其最大值和最小值分別記為maxROZ和minROZ。將剛能引起氧化應激的ROS稱為應激ROS水平(stressful ROS level,sROS)。如果ROS水平經常低于minROZ,OAH就會退化。當ROS水平超過maxROZ達到sROS時,就可以打破現有OAH,建立抗氧化能力更強的新OAH。如果ROS水平引起細胞凋亡或損傷,補充外源性抗氧化劑是有益的。如果將ROS水平降低到minROZ之下,就會影響OAH的維持,外源性抗氧化劑的補充是有害的。如果將sROS降低到oROZ之中,就會影響新的OAH的建立,外源性抗氧化劑的補充是無益的。

關鍵詞:運動生物化學;活性氧;抗氧化劑;氧化應激;內穩(wěn)態(tài);綜述

中圖分類號:G804.2文獻標識碼:A文章編號:1006-7116(2009)11-0100-05

Review of researches on active oxygen and antioxidant supplementation during exercising from the perspective of homeostasis

ZHANG Jing-hong1,LU Jian1,CHEN Cai-zhen1,LIU Cheng-yi2

(1.School of Physical Education & Health,East China Normal University,Shanghai 200241,China;

2.Laboratory of Laser Sports Medicine,South China Normal University,Guangzhou 510006,China)

Abstract: It is inevitable for aerobic metabolism to produce active oxygen (OA). Although excessive OA is toxic, a certain level of OA plays an important role in cell signal transduction and antioxidase gene expression. Sports training can establish and maintain a homeostasis between oxidation and antioxidation (HO-A), which can maintain OA to a certain level. There is a certain range (RH) in which the HO-A is able to resist the fluctuation of the OA level. The maximum value and minimum value of RH are denoted as maxRH and minRH respectively. The OA level that is just high enough to cause an oxidation reaction is called the reactive active oxygen (ROA) level. If the OA level is frequently lower than the minRH, the HO-A will degenerate. When the OA level exceeds the maxRH to reach the ROA level, the existing HO-A can be broken, and a more powerful new HO-A will be established. If the OA level causes the decease or damage of cells, supplementing an exogenous antioxidant is helpful. If the OA level is lowered to a level below the minRH, the maintenance of the HO-A will be affected, and the supplementation of an exogenous antioxidant is harmful. If the ROA level is lowered to a level within the RH, the establishment of a new HO-A will be affected, and the supplementation of an exogenous antioxidant is useless.

Key words: sports biochemistry;active oxygen;antioxidant;oxidative reaction;homeostasis;overview

關于抗氧化劑的補充存在著較大的爭議[1]。面對激烈的競技體育發(fā)展趨勢,如何提高運動員的抗氧化能力,減少氧化損傷的發(fā)生,一直是世界各國運動醫(yī)學界面臨的一個難題,有關的基礎與臨床研究也在不斷地深入開展。對于這一情況,如果我們能正確地審視運動中活性氧(reactive oxygen species,ROS)的水平及作用,那么對抗氧化劑補充的問題就會有一個較為清晰的認識。本文從內穩(wěn)態(tài)的角度評述了運動中ROS與抗氧化劑補充的問題。

1運動訓練與ROS水平

有氧代謝時線粒體能量轉換不可避免的導致ROS生成甚至發(fā)生氧化應激。線粒體呼吸鏈電子漏是運動性內源ROS的主要源頭,運動強度越大ROS的生成也越多[2-3]。劉承宜等人[4]從內穩(wěn)態(tài)的角度將運動訓練分為超常訓練(extraordinary training,ET)和常規(guī)訓練(ordinary training,OT)兩類。ET階段ROS變化較大,生成較多,而OT階段ROS生成較穩(wěn)定[5]。

運動增加了ROS的生成,但也促進了抗氧化酶的表達,ROS由氧化-抗氧化的內穩(wěn)態(tài)(oxidant -antioxidant homeostasis,OAH)[6-7]維持在一定的水平。為了討論方便,將OAH所維持的ROS水平稱為OAH特異的ROS水平(OAH-specific ROS level,oROS)。OAH可以抵抗的ROS漲落有一定的范圍(OAH-specific ROS level zone,oROZ),其最大值和最小值分別記為maxROZ和minROZ。ROS水平超過oROZ就可以引起氧化應激。低水平氧化應激(low level oxidative stress,LOS)可以調節(jié)細胞的功能,屬于有益的應激[8],相應的ROS稱為應激ROS水平(stressful ROS level,sROS)。高水平氧化應激(high level oxidative stress,HOS)引起細胞凋亡甚至損傷細胞,屬于有害的應激[8]。由于個體差異,不同個體的各種ROS的水平是不同的。

2運動引起ROS的適應機制

不可否認運動中生成過量的ROS可導致代謝和心血管等方面的相關疾病,但最近人們開始關注ROS的信號轉導作用[9]。細胞內生成的ROS可能不是一種“副產品”,而是“目的性”的產物。ROS的角色是細胞內一類重要的信號分子[10],在細胞內穩(wěn)態(tài)調節(jié)等細胞生命活動中作為第二信使參與多種因子細胞生物學效應的啟動[11-12]。一般當ROS水平達到minROZ就可激活信號通路,引起體內抗氧化酶的表達[13]。當ROS水平超過maxROZ達到sROS 時,就可打破現有OAH,通過上調抗氧化酶的表達來建立抗氧化能力更強的OAH[6]。一旦ROS達到HOS水平就會導致細胞凋亡或氧化損傷。如果ROS水平經常低于minROZ,抗氧化酶表達失活,OAH就會退化,相當于運動員停訓引起運動水平降低或丟失[14]。

OAH的品質由oROS的高低和穩(wěn)定程度來表征。oROS越低,越穩(wěn)定,OAH的品質越高。運動訓練是提高OAH品質的方法之一[4]。ET通過產生LOS打破現有OAH,從而上調抗氧化酶表達建立新的品質更高的OAH[15];OT則維持新建立的OAH。這是提高機體抗氧化能力的一個重要方法。Finkel等人[16]提出提高機體內源性抗氧化能力的最好方法可能就是氧化應激本身。Ji[17]論述了通過對氧化還原敏感的信號轉導通路的激活,運動誘導的氧化應激作為一種重要的信號分子來刺激骨骼肌抗氧化系統對應激的適應。當然,運動中所產生的ROS水平不能太高,否則將引起細胞凋亡或造成氧化損傷,對機體的健康和運動成績不利[18]。

在ROS激活引起抗氧化酶表達上調的信號轉導通路中,促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路和核轉錄因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路是細胞處理氧化應激最為關鍵的兩條通路[6,15]。在MAPK通路上,升高的ROS激活RAS、Rac1和RhoA等,并進一步激活下游蛋白激酶,如Raf-1、MEKK1-3和MEKK4等,信號繼續(xù)下傳,直至激活ERK、P38和JNK,繼而激活AP-1等轉錄因子,引起抗氧化酶表達上調[19]。在NF-κB通路上,運動引起ROS升高,ROS激活酪氨酸蛋白激酶使IκBα Tyr位點磷酸化進而活化游離并移入核內的NF-κB[20]。運動是一個復雜的過程,運動中產生的ROS可引起復雜的信號轉導,而通過這些轉導可提高人體的抗氧化能力[6,17]。

3運動與抗氧化劑的補充

3.1抗氧化劑補充的益處

不同階段補充抗氧化劑的影響是不同的?？寡趸瘎┭a充是否有益取決于體內ROS的水平[21]。內源性抗氧化酶的表達可能具有滯后性[22]。機體無法應付HOS,需要補充外源性抗氧化劑來降低ROS水平。一系列研究也報道了運動中補充抗氧化劑帶來的益處。早期的一些文獻就報道了補充抗氧化維生素可減輕人體的氧化損傷[23-24]。Fang等人[25]的研究表明維生素C(vitamine C,VC)和維生素E(vitamine E,VE)的補充有助于提高體內抗氧化酶的活性。Claudio等人[26]對賽前訓練期間的5名優(yōu)秀足球運動員給予VC和VE補充,發(fā)現補充抗氧化劑降低了脂質過氧化和肌肉損傷水平,但沒有提高受試者的運動成績。同樣Kon等人[3]對18名日本優(yōu)秀劍道運動員進行隨機雙盲試驗,其中10名補充輔酶Q10(300 mg/d,持續(xù)20 d),另外8名給予同等劑量的安慰劑,發(fā)現給予輔酶Q10組的肌酸激酶和脂質過氧化物水平均比安慰劑組低。Kerksick等人[27]報道了補充抗氧化劑可降低HOS,提高機體的健康和運動成績。Sureda等人[28]通過隨機雙盲試驗,對14名參加半程馬拉松的業(yè)余運動員給予VC與VE混合物(分別為152 mg/d、50 mg/d)或安慰劑,為期1個月。他們發(fā)現,劇烈運動使安慰劑組發(fā)生了脂質過氧化,抗細胞凋亡因子-2表達下降,而抗氧化劑組運動誘導的氧化損傷較低,且沒有影響細胞對運動的適應。Jana等人[29]對48只Wistar雄性大鼠隨機分成4組,其中一組運動且給予亞硒酸鈉(6 mg/kg)混合硫酸鋅(3 mg/kg),10周后發(fā)現運動而不給予抗氧化劑組的生殖系統發(fā)生了氧化損傷,而給予亞硒酸鈉與硫酸鋅混合組卻得到了保護。最近,Mara?ón等人[30]采用對照試驗對參加跳躍比賽的24匹馬中的8匹給予甲基磺胺甲烷(methyl sulphonyl methane,MSM)(8 mg/kg),另外8匹給予MSM(8 mg/kg)混合VC(5 mg/kg),發(fā)現不給予抗氧化劑組發(fā)生了脂質過氧化,抗氧化酶的活性下降,給予MSM組未發(fā)生上述變化,而給予MSM混合VC組的各項指標均較佳。

針對上述補充抗氧化劑產生的良好效果的實驗,筆者認為機體的運動訓練可能處于ET階段,此時運動強度較高,會產生HOS 或LOS。在HOS時,適當補充外源性抗氧化劑可將OS水平降到LOS,既減少了氧化損傷,又能形成新的OAH。而在LOS時,補充抗氧化劑可能將ROS水平降到oROZ,雖消除了氧化應激,但只能維持現有OAH,無法建立更高品質的OAH,因此無助于提高運動成績。

3.2抗氧化劑補充的害處

由于難以定量ROS的各水平狀態(tài),運動中抗氧化劑的實際補充就顯得較難操作(補什么、何時補、補多少?)。有不少的文獻報道了抗氧化劑補充的不良影響。早在1971年,Sharman等人[31]報道了補充VE(400 IU/d,持續(xù)6周)對耐力成績有不利影響。同樣Brady等人[32]研究表明補充硒和VE沒有提高大鼠的游泳成績。Malm等人[33-34]發(fā)現在大強度運動后補充泛醌-10對人體產生了有害影響。Childs等人[35]讓受試者在補充VC(12.5 mg/kg)混合N-乙酰-L-半胱氨酸(N-Acetyl-cysteine,NAC)(10 mg/kg)后立即進行離心屈肘運動,增加了氧化應激。Coombes等人[36]觀察到補充VE降低了肌肉強直收縮的力量。對參與比賽的灰狗補充VC(1 g/d,為期4周)則顯著降低了它們的跑速[37]。Close等人[38]研究發(fā)現,補充VC(1 g/d,持續(xù)14 d)沒有減弱運動后肌肉的疼痛,反而延遲了恢復的過程。Gomez等人[39-40]的兩篇論文報道了補充抗氧化劑阻止了運動引起抗氧化酶表達的增加。最近Mari等人[41]通過隨機雙盲試驗,對14名參與8周訓練的運動員中的5人補充VC(1 g/d),同時又給24只運動的Wistar雄性大鼠補充VC(500 mg/kg),結果表明VC的補充阻止了抗氧化酶對運動訓練的適應,降低了訓練效果。

筆者分析了以上補充抗氧化劑不良影響的可能原因,認為機體的運動訓練可能已進入OT階段,補充抗氧化劑有可能將ROS水平降得比minROZ還低,體內抗氧化酶基因無法激活表達,導致OAH退化,造成抗氧化劑的補充無益甚至有害的情況[42]。長期的抗氧化劑補充或停訓會使機體ROS水平經常低于minROZ,降低了機體自身抗氧化酶的表達,削弱了機體本身抗氧化酶的活性,從而降低OAH的品質[43],不利于運動水平的提高。

4討論

minROZ與maxROZ之間的ROS水平可引起內源性抗氧化酶的表達,而sROS則能引起抗氧化酶表達的上調。體內表達的各種抗氧化酶其抗氧化能力不盡相同,這是因為各種酶要發(fā)揮抗氧化效應與其結構特征、生物活性以及在體內的濃度比例有關[2]。在抗氧化酶表達上調問題上,Pérez等人[44]最新研究讓我們對上調量需引起注意,因為抗氧化酶過多的表達可能對機體無意義。

我們應辯證地看待ROS在調節(jié)細胞氧化還原信號轉導方面的生物學意義。否則一味的利用抗氧化劑來清除它,可能會造成機體整個OAH的退化。Ji[17]最近研究表明,減少ROS的生成(直接通過化學抑制劑或補充大量的抗氧化劑)會阻止細胞對OAH的建立。

某些情況下,外源性抗氧化劑的補充可能暫時起到一定的抗氧化預防作用,但合成的抗氧化劑也許會有副作用[42]。運動員的抗氧化能力必須依靠運動訓練本身來解決[45]。適量運動可以說是預防和治療的最佳“抗氧化劑”,它可導致細胞抗氧化系統結構維持與重塑的革新[17]。無論是ET還是OT,其具體形式仍表現為耐力運動或抗阻運動,它們都可調節(jié)體內的OAH[2,45-46]。運動訓練的目標就是要打破品質低的OAH,使體內抗氧化系統的活性逐步上調,建立品質高的OAH[47]。我們找到“運動”這種天然的抗氧化手段,可以說是最經濟實惠了。運動的其抗氧化的能力受運動量、運動時間、運動認知等諸多因素的綜合影響。我們能否通過定量分析,建立出運動與發(fā)揮最佳功能所需ROS水平之間的數學模型并將其應用于臨床就需要我們各學科的科研人員共同努力,對這一最適手段作出更深的探究。

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[編輯:鄭植友]