运动中活性氧与抗氧化剂补充的内稳态研究述评

    张京红 卢 健 陈彩珍 刘承宜

    摘要:有氧代谢不可避免地产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)。尽管过多的ROS具有毒性作用,但一定的ROS却在细胞信号转导和抗氧化酶基因表达上起着重要的作用。运动训练能建立和维持氧化-抗氧化内稳态(oxidant-antioxidant homeostasis,OAH)。OAH可以将ROS维持在一定的水平。OAH可以抵抗的ROS涨落有一定的范围(OAH-specific ROS level zone,oROZ),其最大值和最小值分别记为maxROZ和minROZ。将刚能引起氧化应激的ROS称为应激ROS水平(stressful ROS level,sROS)。如果ROS水平经常低于minROZ,OAH就会退化。当ROS水平超过maxROZ达到sROS时,就可以打破现有OAH,建立抗氧化能力更强的新OAH。如果ROS水平引起细胞凋亡或损伤,补充外源性抗氧化剂是有益的。如果将ROS水平降低到minROZ之下,就会影响OAH的维持,外源性抗氧化剂的补充是有害的。如果将sROS降低到oROZ之中,就会影响新的OAH的建立,外源性抗氧化剂的补充是无益的。

    关键词:运动生物化学;活性氧;抗氧化剂;氧化应激;内稳态;综述

    中图分类号:G804.2文献标识码:A文章编号: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

    关于抗氧化剂的补充存在着较大的争议[1]。面对激烈的竞技体育发展趋势,如何提高运动员的抗氧化能力,减少氧化损伤的发生,一直是世界各国运动医学界面临的一个难题,有关的基础与临床研究也在不断地深入开展。对于这一情况,如果我们能正确地审视运动中活性氧(reactive oxygen species,ROS)的水平及作用,那么对抗氧化剂补充的问题就会有一个较为清晰的认识。本文从内稳态的角度评述了运动中ROS与抗氧化剂补充的问题。

    1运动训练与ROS水平

    有氧代谢时线粒体能量转换不可避免的导致ROS生成甚至发生氧化应激。线粒体呼吸链电子漏是运动性内源ROS的主要源头,运动强度越大ROS的生成也越多[2-3]。刘承宜等人[4]从内稳态的角度将运动训练分为超常训练(extraordinary training,ET)和常规训练(ordinary training,OT)两类。ET阶段ROS变化较大,生成较多,而OT阶段ROS生成较稳定[5]。

    运动增加了ROS的生成,但也促进了抗氧化酶的表达,ROS由氧化-抗氧化的内稳态(oxidant -antioxidant homeostasis,OAH)[6-7]维持在一定的水平。为了讨论方便,将OAH所维持的ROS水平称为OAH特异的ROS水平(OAH-specific ROS level,oROS)。OAH可以抵抗的ROS涨落有一定的范围(OAH-specific ROS level zone,oROZ),其最大值和最小值分别记为maxROZ和minROZ。ROS水平超过oROZ就可以引起氧化应激。低水平氧化应激(low level oxidative stress,LOS)可以调节细胞的功能,属于有益的应激[8],相应的ROS称为应激ROS水平(stressful ROS level,sROS)。高水平氧化应激(high level oxidative stress,HOS)引起细胞凋亡甚至损伤细胞,属于有害的应激[8]。由于个体差异,不同个体的各种ROS的水平是不同的。

    2运动引起ROS的适应机制

    不可否认运动中生成过量的ROS可导致代谢和心血管等方面的相关疾病,但最近人们开始关注ROS的信号转导作用[9]。细胞内生成的ROS可能不是一种“副产品”,而是“目的性”的产物。ROS的角色是细胞内一类重要的信号分子[10],在细胞内稳态调节等细胞生命活动中作为第二信使参与多种因子细胞生物学效应的启动[11-12]。一般当ROS水平达到minROZ就可激活信号通路,引起体内抗氧化酶的表达[13]。当ROS水平超过maxROZ达到sROS 时,就可打破现有OAH,通过上调抗氧化酶的表达来建立抗氧化能力更强的OAH[6]。一旦ROS达到HOS水平就会导致细胞凋亡或氧化损伤。如果ROS水平经常低于minROZ,抗氧化酶表达失活,OAH就会退化,相当于运动员停训引起运动水平降低或丢失[14]。

    OAH的品质由oROS的高低和稳定程度来表征。oROS越低,越稳定,OAH的品质越高。运动训练是提高OAH品质的方法之一[4]。ET通过产生LOS打破现有OAH,从而上调抗氧化酶表达建立新的品质更高的OAH[15];OT则维持新建立的OAH。这是提高机体抗氧化能力的一个重要方法。Finkel等人[16]提出提高机体内源性抗氧化能力的最好方法可能就是氧化应激本身。Ji[17]论述了通过对氧化还原敏感的信号转导通路的激活,运动诱导的氧化应激作为一种重要的信号分子来刺激骨骼肌抗氧化系统对应激的适应。当然,运动中所产生的ROS水平不能太高,否则将引起细胞凋亡或造成氧化损伤,对机体的健康和运动成绩不利[18]。

    在ROS激活引起抗氧化酶表达上调的信号转导通路中,促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路和核转录因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路是细胞处理氧化应激最为关键的两条通路[6,15]。在MAPK通路上,升高的ROS激活RAS、Rac1和RhoA等,并进一步激活下游蛋白激酶,如Raf-1、MEKK1-3和MEKK4等,信号继续下传,直至激活ERK、P38和JNK,继而激活AP-1等转录因子,引起抗氧化酶表达上调[19]。在NF-κB通路上,运动引起ROS升高,ROS激活酪氨酸蛋白激酶使IκBα Tyr位点磷酸化进而活化游离并移入核内的NF-κB[20]。运动是一个复杂的过程,运动中产生的ROS可引起复杂的信号转导,而通过这些转导可提高人体的抗氧化能力[6,17]。

    3运动与抗氧化剂的补充

    3.1抗氧化剂补充的益处

    不同阶段补充抗氧化剂的影响是不同的。抗氧化剂补充是否有益取决于体内ROS的水平[21]。内源性抗氧化酶的表达可能具有滞后性[22]。机体无法应付HOS,需要补充外源性抗氧化剂来降低ROS水平。一系列研究也报道了运动中补充抗氧化剂带来的益处。早期的一些文献就报道了补充抗氧化维生素可减轻人体的氧化损伤[23-24]。Fang等人[25]的研究表明维生素C(vitamine C,VC)和维生素E(vitamine E,VE)的补充有助于提高体内抗氧化酶的活性。Claudio等人[26]对赛前训练期间的5名优秀足球运动员给予VC和VE补充,发现补充抗氧化剂降低了脂质过氧化和肌肉损伤水平,但没有提高受试者的运动成绩。同样Kon等人[3]对18名日本优秀剑道运动员进行随机双盲试验,其中10名补充辅酶Q10(300 mg/d,持续20 d),另外8名给予同等剂量的安慰剂,发现给予辅酶Q10组的肌酸激酶和脂质过氧化物水平均比安慰剂组低。Kerksick等人[27]报道了补充抗氧化剂可降低HOS,提高机体的健康和运动成绩。Sureda等人[28]通过随机双盲试验,对14名参加半程马拉松的业余运动员给予VC与VE混合物(分别为152 mg/d、50 mg/d)或安慰剂,为期1个月。他们发现,剧烈运动使安慰剂组发生了脂质过氧化,抗细胞凋亡因子-2表达下降,而抗氧化剂组运动诱导的氧化损伤较低,且没有影响细胞对运动的适应。Jana等人[29]对48只Wistar雄性大鼠随机分成4组,其中一组运动且给予亚硒酸钠(6 mg/kg)混合硫酸锌(3 mg/kg),10周后发现运动而不给予抗氧化剂组的生殖系统发生了氧化损伤,而给予亚硒酸钠与硫酸锌混合组却得到了保护。最近,Mara?ón等人[30]采用对照试验对参加跳跃比赛的24匹马中的8匹给予甲基磺胺甲烷(methyl sulphonyl methane,MSM)(8 mg/kg),另外8匹给予MSM(8 mg/kg)混合VC(5 mg/kg),发现不给予抗氧化剂组发生了脂质过氧化,抗氧化酶的活性下降,给予MSM组未发生上述变化,而给予MSM混合VC组的各项指标均较佳。

    针对上述补充抗氧化剂产生的良好效果的实验,笔者认为机体的运动训练可能处于ET阶段,此时运动强度较高,会产生HOS 或LOS。在HOS时,适当补充外源性抗氧化剂可将OS水平降到LOS,既减少了氧化损伤,又能形成新的OAH。而在LOS时,补充抗氧化剂可能将ROS水平降到oROZ,虽消除了氧化应激,但只能维持现有OAH,无法建立更高品质的OAH,因此无助于提高运动成绩。

    3.2抗氧化剂补充的害处

    由于难以定量ROS的各水平状态,运动中抗氧化剂的实际补充就显得较难操作(补什么、何时补、补多少?)。有不少的文献报道了抗氧化剂补充的不良影响。早在1971年,Sharman等人[31]报道了补充VE(400 IU/d,持续6周)对耐力成绩有不利影响。同样Brady等人[32]研究表明补充硒和VE没有提高大鼠的游泳成绩。Malm等人[33-34]发现在大强度运动后补充泛醌-10对人体产生了有害影响。Childs等人[35]让受试者在补充VC(12.5 mg/kg)混合N-乙酰-L-半胱氨酸(N-Acetyl-cysteine,NAC)(10 mg/kg)后立即进行离心屈肘运动,增加了氧化应激。Coombes等人[36]观察到补充VE降低了肌肉强直收缩的力量。对参与比赛的灰狗补充VC(1 g/d,为期4周)则显著降低了它们的跑速[37]。Close等人[38]研究发现,补充VC(1 g/d,持续14 d)没有减弱运动后肌肉的疼痛,反而延迟了恢复的过程。Gomez等人[39-40]的两篇论文报道了补充抗氧化剂阻止了运动引起抗氧化酶表达的增加。最近Mari等人[41]通过随机双盲试验,对14名参与8周训练的运动员中的5人补充VC(1 g/d),同时又给24只运动的Wistar雄性大鼠补充VC(500 mg/kg),结果表明VC的补充阻止了抗氧化酶对运动训练的适应,降低了训练效果。

    笔者分析了以上补充抗氧化剂不良影响的可能原因,认为机体的运动训练可能已进入OT阶段,补充抗氧化剂有可能将ROS水平降得比minROZ还低,体内抗氧化酶基因无法激活表达,导致OAH退化,造成抗氧化剂的补充无益甚至有害的情况[42]。长期的抗氧化剂补充或停训会使机体ROS水平经常低于minROZ,降低了机体自身抗氧化酶的表达,削弱了机体本身抗氧化酶的活性,从而降低OAH的品质[43],不利于运动水平的提高。

    4讨论

    minROZ与maxROZ之间的ROS水平可引起内源性抗氧化酶的表达,而sROS则能引起抗氧化酶表达的上调。体内表达的各种抗氧化酶其抗氧化能力不尽相同,这是因为各种酶要发挥抗氧化效应与其结构特征、生物活性以及在体内的浓度比例有关[2]。在抗氧化酶表达上调问题上,Pérez等人[44]最新研究让我们对上调量需引起注意,因为抗氧化酶过多的表达可能对机体无意义。

    我们应辩证地看待ROS在调节细胞氧化还原信号转导方面的生物学意义。否则一味的利用抗氧化剂来清除它,可能会造成机体整个OAH的退化。Ji[17]最近研究表明,减少ROS的生成(直接通过化学抑制剂或补充大量的抗氧化剂)会阻止细胞对OAH的建立。

    某些情况下,外源性抗氧化剂的补充可能暂时起到一定的抗氧化预防作用,但合成的抗氧化剂也许会有副作用[42]。运动员的抗氧化能力必须依靠运动训练本身来解决[45]。适量运动可以说是预防和治疗的最佳“抗氧化剂”,它可导致细胞抗氧化系统结构维持与重塑的革新[17]。无论是ET还是OT,其具体形式仍表现为耐力运动或抗阻运动,它们都可调节体内的OAH[2,45-46]。运动训练的目标就是要打破品质低的OAH,使体内抗氧化系统的活性逐步上调,建立品质高的OAH[47]。我们找到“运动”这种天然的抗氧化手段,可以说是最经济实惠了。运动的其抗氧化的能力受运动量、运动时间、运动认知等诸多因素的综合影响。我们能否通过定量分析,建立出运动与发挥最佳功能所需ROS水平之间的数学模型并将其应用于临床就需要我们各学科的科研人员共同努力,对这一最适手段作出更深的探究。

    

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