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运动疲劳与衰老(2)

已有 5671 次阅读 2010-1-10 15:02 |个人分类:生命科学|系统分类:论文交流| 运动, 衰老, 疲劳

运动性疲劳与羰基应激

蔡建光

湖南科技大学体育学院

人类对于运动与疲劳的研究始于100多年前的Mosso[1],他认为疲劳是细胞内化学变化衍生物刺激引起的一种中毒现象。从此科学工作者从分子、细胞和生物化学的角度对运动与疲劳这一生命现象产生的可能机制,提出了不少的假说:如中枢疲劳理论、外周疲劳理论(包括能量衰竭学说和乳酸堆积学说)、神经-肌肉节点疲劳学说、综合性运动疲劳理论(包括内环境稳定失调学说、突变学说)、外周多层次影响疲劳理论等。此外,还有近年提出的自由基氧化学说,细胞凋亡学说,Ca2+稳态异常学说等等。这些学说分别从不同的角度对疲劳产生的可能机制进行了分析,并都有相关的实验数据或者生命现象支持这些学说。但这些学说对疲劳的解释产生了一些互相矛盾的结论[2]。然而,在人或动物疲劳(包括中枢疲劳、外周疲劳、慢性疲劳或者运动性疲劳)的一个共同重要评价指标是以丙二醛(Malondialdehyde, MDA)为代表的活性羰基类物质(或TBARS)水平的升高,因此探讨活性羰基类物质(Reactive carbonyl species, RCS)应激在疲劳中发生的可能机制有非常重要意义。

1 RCS的产生

机体RCS的产生是机体在物质代谢和能量代谢中的副产物。涉及到两个主要的生化过程:一个是自由基氧化介导的脂质过氧化;另一个称为美拉德反应。这两个生化过程中会产生大量的同时含有醛、酮结构,特别是含有α,β-不饱和醛酮结构的醛酮类物质,称其为RCS,代表性的产物有MDA、丙烯醛(acrolein)和4-羟基壬烯醛(4-HNE,它们具有与大多数蛋白质、核酸及不饱和脂肪酸等生物大分子反应的能力,从而改变细胞的生理状态和功能[3,4]

1.1自由基介导的活性醛类物质的形成

OH·是活性氧(ROS)诱导脂质过氧化过程中最重要的成分,它首先攻击多不饱和脂肪酸(PUFAs),形成脂自由基(),然后与基态氧反应生成脂过氧自由基(LOO·),LOO·再从其它磷脂多不饱和脂肪酸分子抽提一个H原子,形成脂氢过氧化物(LOOH),同时又形成新的脂自由基。在哺乳动物组织和细胞中的PUFAs主要是亚油酸(18:2)、亚麻酸(18:3)、花生四烯酸(20:4)和二十二碳六烯酸(22:6),这些PUFAs 能转化成共轭的位置异构氢过氧化物。从20:422:6的氢过氧化物能生成大量的在两个双键中夹有一个亚甲基的醛,氧化后生成氢过氧化醛,氢过氧化醛均裂(β裂解)可形成各种各样的RCS20:4氧化产物之一的2,4,7,10-十六碳四烯酸醛,反应后能生成14RCSMDA就是其产物之一。其它的具有代表性的RCS4-羟基壬烯醛(4-HNE)和4-羟基己烯醛(4-HHE),它们都具有很强的生物活性,许多的文献报导了它们的各种生物毒性[4,5]

1.2美拉德反应形成RCS的过程

美拉德反应(Maillard Reaction[6]是机体在无酶催化的条件下,蛋白质(氨基酸)与糖之间自动发生地、缓慢地、持续地形成糖基化蛋白的过程。该过程由葡萄糖与蛋白质或多肽中赖氨酸或羟基赖氨酸的ε-氨基通过西弗碱反应形成可逆的醛亚胺中间物,醛亚胺通过分子内重排生成结构较为稳定的糖-蛋白质酮胺结合物,即阿马多里重排产物,该产物通过一系列的缓慢而复杂的化学作用如脱氨、水解可产生脱氧邻酮醛糖等不饱和醛酮类,这就是所谓高级糖基化终产物(advanced glycosylation ends, AGEs)。脂质过氧化和美拉德反应中形成的RCS同时含有醛、酮结构,特别是一些αβ-不饱和醛酮,具有与大多数蛋白质和核苷酸、神经递质之类的生物分子反应的能力。当一些辅助功能团与不饱和醛酮分子进一步共轭时,就成为多功能醛酮化合物。

2RCS引起疲劳的可能机制

RCS能与生命活动中的一些关键分子(蛋白质、脂质、核酸和神经递质)直接或间接作用,从而影响生命活动的过程。机体疲劳是机体稳态破坏的一种应激保护作用,提示机体应改变目前的生命活动状态,因此机体疲劳必然涉及到机体正常生命活动中的一些生化过程的改变。

2.1 RCS应激与中枢疲劳

RCS引起动物中枢疲劳的最直接的实验证据是MDA经椎管注射入红耳龟,导致红耳龟的脑电受到抑制,出现了类似乙醇中毒疲劳样的脑电变化[7]。印大中等在分析了一系列神经递质,包括多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素、5-羟色胺、乙酰胆碱等的化学结构后指出,RCSα-醛或酮结构与神经递质之间的羰-胺共价交联,是导致机体衰老和疲劳的核心事件[8,9]。体外生物化学反应研究表明,MDA能与一系列的神经递质或者与睡眠相关的内分泌激素发生反应,包括组胺[10]5-羟色胺、melatonin[15]等。这一系列的生物化学事件应该不是巧合,是机体应对细胞物质代谢和能量代谢过程的副产物应激中,在长期的生命进化中形成的保护机制。这些研究结果提示我们,RCS在疲劳生理中的可能有非常重要的意义。

2.2 RCS应激引起外周疲劳的机制

2.2.1 MDA导致细胞中Ca2+稳态异常  MDA导致的细胞中Ca2+稳态异常也极有可能是机体疲劳的重要事件。动物实验表明,线粒体Ca2+作为调节细胞内能量转换的主要离子,在有氧运动产生的运动性疲劳中是重要的调控因子。运动性疲劳发生时,引发了线粒体膜的脂质过氧化反应,心肌和骨骼肌线粒体膜流动性显著降低,线粒体氧化代谢能力和钙调节能力均会有所下降;内质网(肌质网)Ca2+-ATPase活性下降,使钙离子逆浓度梯度转入内质网和将Ca2+释放到胞浆内的功能下降。MDA对细胞中Ca2+代谢和Ca2+稳态维持有重要的影响,作者比较详细地研究了引起MDA致海马神经元中钙离子稳态破坏的几种机制[16],包括使质膜上Ca2+-ATPase活性下降,细胞膜上电压依赖的Ca2+通道开放,使细胞外Ca2+内流;及细胞内钙库内质网膜上Ca2+通道的开放,使钙库内Ca2+释放,最终导致海马神经元胞质中Ca2+“超载”,产生所谓兴奋性毒性而细胞功能异常甚至坏死。国外Carini[17]以原代培养的肝细胞为模型,研究了4-HNE对其Ca2+的影响,得到了与作者基本一致的结论。

2.2.2 赖氨酸(Lys)、肌肽(carnosine)、牛磺酸(taurine)对机体RCS水平的抑制作用  Lys对促进神经肌肉兴奋,抗疲劳和提高运动能力,已被大多数营养学家接受和实验证实[18,19]。这是因为Lys在人体内经过分解代谢能直接进入三羧酸循环氧化释放能量,Lys也是肽激素和辅酶的前体物质之一,能促进体内丙酮酸代谢,加快三羧酸循环,Lys还有利于神经组织中的Ach的合成,促进神经递质的代谢从而兴奋神经中枢。肌肽和牛磺酸具有抗疲劳、抗衰老和降低机体MDA水平在国内外的研究已经得到了广泛的证实[20-21]。王贵等的研究表明,肌肽(即β-丙氨酰-L-组氨酸)之所以能清除机体MDA是因为其能与MDA直接作用(结果还没有发表);牛磺酸(即2-氨基乙磺酸),其分子结构上有与Lys、肌肽类似的能与RCS共价加成的氨基结构,因而同样也表现出了抗运动性疲劳和衰老的生物活性作用[22]以上这些研究结论提示,运动性疲劳及衰老过程与RCS应激之间必然存在密切相关性。

2.2.3 RCS应激导致的血液粘度的变化  在进行长时间大强度或长时间的力竭运动后,往往会导致血液流变学的变化。在大强度力竭运动后引起血液粘度变化的因素除了由于机体在运动中体内产热,水分蒸发加快和无机盐丢失外[23,24],与机体代谢速率加快,自由基及代谢过程中产生的生化副产物积累也不无关系。刘希斌等[25]在充分研究了MDA对人血浆体系、红细胞悬浮的血浆体系和红细胞悬浮的HEPES体系后,表明MDA能显著地影响各体系粘度的变化,而以其中的红细胞血浆悬浮体系粘度变化尤甚。在此基础上,他们还证明了自由基引起的红细胞血浆悬浮体系粘度变化的机制是通过MDARCS所介导的。换言之,自由基引起的红细胞血浆悬浮体系粘度的增加,自由基在其中的作用是一个启动因子,而直接发挥作用的还是MDA。并推测RCS引起的血液粘度升高主要是它们攻击了红细胞膜上的蛋白质。自由基在其中扮演的角色则是通过氧化存在于血浆中的脂类成分,形成RCS发挥作用[14]。血液粘度升高的另一表现是红细胞的聚集,引起红细胞聚集的原因是改变了红细胞表面的电荷状态,而MDARCS对红细胞膜蛋白的交联引起红细胞的聚集也应该引起我们的重视。

2.2.4 RCS与代谢酶类  酶类都是蛋白质,在分子结构上存在游离的-NH2-SH,这些基团往往都存在于蛋白质酶类的活性中心的关键氨基酸上。由于活性羰基类物的αβ-不饱和醛酮结构,使得它们易于与这些酶类共价交联而失活。自由基疲劳理论的很重要的一点就是随着疲劳的产生,自由基的产生增加而清除自由基的抗氧化相关酶类包括黄嘌呤氧化酶、SOD、谷胱甘肽氧化酶和转移酶等的活性下降[26,27]。这些酶类活性下降的原因也与自由基引发脂质过氧化,产生的RCS攻击这些酶蛋白导致其失活有密切关系。

3结语

随着1956Harman教授提出自由基氧化衰伤害学说[28],自由基-脂质过氧化疲劳理论一度成为运动性疲劳理论的核心。该理论的主要依据是运动特别是剧烈运动时自由基生成增加[29,29],升高的自由基由于对正常生命过程的伤害而导致疲劳。不可否认,自由基尤其是活性氧自由基产生与运动疲劳是紧密相关的生命过程。但是到底是由于运动提高了机体自由基水平,导致对细胞结构和线粒体的伤害,从而产生了疲劳过程;还是由于运动使得机体物质代谢和能量代谢异常升高,当机体细胞和线粒体处于某种应激状态下,从而发生所谓电子“泄漏”,提高了机体的自由基水平。也就是说机体疲劳产生与自由基氧化到底谁是因谁是果的问题,到目前为止还难以证实。或者说自由基引发的机体疲劳,是自由基的直接作用,还是在自由基的介导下,通过其脂质过氧化所产生的毒性副产物发挥作用?而且,越来越多的研究也表明,抗氧化剂的补充能够降低机体的自由基水平,但对于抗疲劳的作用却十分有限。

4参考文献

[1] Di Giulio C, Daniele F, Tipton CM. Angelo Mosso and muscular fatigue: 116 years after the first Congress of Physiologists: IUPS commemoration. Adv Physiol Educ, 2006, 30(2):51-57.

[2] 岳文雨. 运动性疲劳特征的研究综述. 中国体育科技, 2003, 39(10), 51-53.

[3] Esterbauer H, Gebicki J, Puhl, H, etal. The role of lipid peroxidation and antioxidants in oxidative modification of LDL. Free Radic Biol Med, 1992, 13(4), 341-390.

[4] Esterbauer H, Schaur RJ, Zollner, H. Chemistry and biochemistry of 4-hydroxynonenal, malonaldehyde and related aldehydes. Free Radic Biol Med, 1991, 11(1), 81-128.

[5] O'Brien PJ, Siraki AG, Shangari N. Aldehyde sources, metabolism, molecular toxicity mechanisms, and possible effects on human health. Crit Rev Toxicol, 2005, 35(7), 609-662.

[6] Maillard LC. Action des acides amines sur les sucres: Formation des melanoidines par voie methodique. C.R. Hebd. Seances. Acad. Sci, 1912, 154, 66-68.

[7] 李芳序.羰基应激抑制红耳龟的脑活动.长沙:湖南师范大学硕士学位论文, 2008, 1-36.

[8] Yin D, Brunk UF. Carbonyl toxification hypothesis of biological aging. In : Macieira-Coelho, A. (Ed.), Molecular Basis of Aging. CRC Press, Inc., New York, 1995: 421–436.

[9] Yin D, Chen K. The essential mechanisms of aging: Irreparable damage accumulation of biochemical side-reactions. Exp Gerontol, 2005, 40(6), 455-465.

[10] Li L, Li G, Sheng S, etal. Substantial reaction between histamine and malondialdehyde: a new observation of carbonyl stress. Neuro Endocrinol Lett, 2005, 26(6), 799-805.

[11] Allegra M, Reiter RJ, Tan DX, etal. The Chemistry of melatonin's interaction with reactive species. J Pineal Res, 2003, 34(1), 1-10.

[12] Reiter RJ. Oxidative damage in the central nervous system: Protection by melatonin. Prog Neurobiol, 1998, 56(3), 359-384.

[13] Cardinali DP, Bruseo Ll, Lloret SP, etal. Melatonin in sleep disorders and jet-lag. Neuroendoerinol Lett, 2002, 23(Suppll), 9-13.

[14] 李国林.衰老过程中的羰基应激. 长沙:湖南师范大学博士论文, 2006, 69-91.

[15] Li G, Li L, Yin D, etal. A novel observation: melatonin's interaction with malondiadehyde. Neuro Endocrinol Lett, 2005, 26(1), 61-6.

[16] Cai J, Chen J, He H, etal. Carbonyl stress: malondialdehyde induces damage on rat hippocampal neurons by disturbance of Ca(2+) homeostasis. Cell Biol Toxicol, 2009, 25(5), 435-445.

[17] Carini R, Bellomo G, Paradisi L, etal. 4-Hydroxynonenal triggers Ca2+ influx in isolated rat hepatocytes. Biochem Biophys Res Commun, 1996, 218(3), 772-776.

[18] 陈灏珠.实用内科学, 北京: 人民卫生出版社, 2001.

[19] 刘慧敏, 贺洪, 印大中. 赖氨酸对力竭运动后的大鼠保护作用. 湖南师范大学学报(医学版), 2007, 4(1), 49-51.

[20] 樊凤艳, 黄灵芝, 王广义, .肌肽对大鼠缺血一再灌注损伤后热休克蛋白70及炎性因子表达水平的影响. 医学分子生物学杂志, 2007, 4(1), 4-11.

[21] Hipkiss AR, Preston JE, Himswoth DT, etal. Protective effects of carnosine against malondialdehyde-induced toxicity towards cultured rat brain endothelial cells. Neurosci Lett. 1997, 238(3),135-138.

[22] 杨建成,冯颖,吕秋凤,.牛磺酸对老年雄性大鼠抗衰老作用的研究. 中国老年学杂志. 2007, 27(11), 1020-1022.

[23] Simchon S, Jan KM, Chien S. Influence of reduced red cell deformability on regional blood flow. Am J Physiol, 1987, 253(4pt2), 898-903.

[24] Small M, Barr-Nea L, Aronson M, etal. The effects of maximal exercise on blood rheology in normal males with and without bata-adrenoceptor antagonists. Clin Hemorheology, 1985, 5(3), 281-289.

[25] Liu X, Qin W, Yin D. Biochemical relevance between oxidative/carbonyl stress and elevated viscosity of erythrocyte suspensions. Clin Hemorheol Microcirc, 2004, 31(2), 149-156.

[26] 张雪琳. 关于运动性疲劳的氧自由基-脂质过氧化理论概述. 河北体育学院学报, 2000, 14(3), 67-71.

[27]Alessio HM. Exercise-induced oxidative stress. Med Sci Sports Exerc, 1993, 25(2), 218-224.

[28] Harman, D. Aging: a theory based on free radical and radiation chemistry. J Gerontol, 1956, 11(3), 298-300.

[29] 吴鹤群. 自由基生物学理论与运动性疲劳. 三明师专学报, 2000, 1, 75-76.



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