体育运动与自由基及抗氧化剂
周迎松
  （宁波大学体育学院 315211）
摘要
活性氧(ROS)的产生是需氧生物生命的正常过程。在生理的条件下，这些有毒性的物质大部分会被抗氧化系统清除掉，这个系统主要有具有抗氧化作用的维生素、蛋白质、硫醇和抗氧化酶组成。由于体内的抗氧化系统储备相当有限，在紧张的体育训练会引起大量的氧消耗，从而产生大量的ROS对抗氧化系统进行考验。在一场急性的高强度的训练中，可以刺激抗氧化酶的活性。这被认为在氧化压力下细胞的自我防御体系。然而，长时间的高负荷的训练会引起体内组织维生素E减少与谷光甘肽(GSH)与谷光甘肽过氧化物(GSSG)比率的改变。缺少抗氧化剂的营养物质会出现阻碍抗氧化系统，增加训练引起氧化压力，破坏体内的组织。长时间训练似乎可以使体内抗氧化物酶的活性增加和体内的GSH含量的提高。最近研究表明，补充抗氧化营养物质对于长期训练的运动员是非常必要的。
关键词：自由基，抗氧化剂，训练，活性氧
Physical activity and free redicals and antioxidant
Zhou ying-song
  (Physical department of Ningbo university 315211).
Abstract
Generation of reactive oxygen species (ROS) is a normal process in the life of aerobic organis-ms. Under physiological conditions, these deleterious species are mostly removed by the cellular antioxidant systems, which include antioxidant vitamins, protein and non-protein thiols, and anti-oxidant enzymes. Since the antioxidant reserve capacity in most tissues is rather marginal,  strenuous physical exercise characterized by a remarkable increase in oxygen consumption  with concomitant production of ROS presents a challenge to the antioxidant systems. An acute bout of exercise at sufficient intensity has been shown to stimulate activities of antioxidant enzymes. This could be considered as a defensive mec
hanism of the cell under oxidative stress. However, prolonged heavy exercise may cause a transient reduction of tissue vitamin E content and a change of glutathione redox status in various body tissues. Deficiency of antioxidants n-utrients appears to hamper antioxidant systems and augment exercise-induced oxidative stress
and tissue damage. Chronic exercise training seems to induce activities of antioxidant enzymes and perhaps stimulate GSH levels in body fluids. Recent research suggest that supplementation of certain antioxidant nutrients are necessary for physically active individuals.
Key word: free redicals, antioxidants, exercise,reactive oxygen species
1 前言
高强度高负荷的运动训练使整个机体尤其骨骼肌对氧气的摄入急剧增长。大部分氧气消耗是在线粒体中进行的，同时合成ATP。很多研究已经表明运动训练导致氧摄入的增长和自由基的产生有很大关联。有关学者估算每25个O2分子被正常的呼吸系统还原，产生一个自由基[1]
。在运动训练中，机体对氧气的消耗比平常活动要高出10-15倍，而且氧气在骨骼肌中流通量增长约100倍[2]。一部分的氧分子转变成单价不成对产物（如O2-· 、H2O2和OH·），从线粒体的电子传递链中渗漏出来[1]。O2-·和OH·之所以被定义为自由基，是由于在分子结构中存在不成对电子[3]。我们把这类物质总称为活性氧(ROS)。
活性氧的产生被认为是在训练过程中一系列生理生化发生变化的潜在机制，也是氧化反应程度的表现[4]。
然而，运动训练负荷与强度的增加而引起氧摄入的增加并不是体内产生自由基的唯一机制。例如，发生在举重中或者高强度的有氧运动引起短暂的组织缺氧能导致氢离子浓度增加，反过来氢离子能与过氧化物阴离子发应产生活性氧[5]。另一方面，组织缺氧也能导致一些过渡金属如Fe和Cu从正常的载体中脱离开来，这些自由金属可以进一步催化自由基的产生[6]。
一般来说，体内有足够的抗氧化物质在生理的环境下清除产生的ROS。这个抗氧化系统由维他命、谷胱甘肽、硫醇类和一些抗氧化酶等组成的reactive oxygen species名词解释[7]。每一种抗氧化剂在组织细胞中扮演各自的角，协同地作用从而消除体内的自由基。另外，也可能会发生某些特定的抗氧化剂通
过不同途径运输到器官内部。这个抗氧化防御系统在基础活动和温和的运动中，能保持动态平衡，然而在长时间的有氧运动会使ROS产生过量，从而破坏了自由基防御体系，进而将导致对大量的细胞和组织损伤。
2 运动与氧化
Davies等[8]，让大鼠在跑台上急性运动到力竭后，用电子顺磁共振波谱仪检测到大鼠的肌肉与肝脏具有自由基的信号；发现增加的自由基产物是半醌，同时引起了细胞的功能失调，例如脂质过氧化、肌浆网反应时减低、线粒体退耦合等[3,6]
由于EPR在技术上具有一定的局限性，已经发展了一些其他可供选择方法同时检测在运动中产生的ROS，Reid等[9]采用了2.7-二氯荧光黄作为一种细胞内探针来检测肌肉膈膜，他们发现ROS，包括O2-· 和H2O2的含量增加，而且可能也是导致肌肉疲劳的重要原因。虽然线粒体呼吸链通常被认为是在运动中产生自由基的最主要场所，但是还有其它途径被提出：（i）黄嘌呤氧化催化反应；（ii）中性粒细胞活化作用。前者发生在细胞质中，类似组织局部缺血损伤[10]。有报道说运动训练使体内的白细胞数量与功能发生改变，比如淋巴细胞、中性
粒细胞和巨噬细胞的数量增多；而且血浆内的儿茶酚胺与糖皮质激素的水平也同时增长[11]。
  有关报道说造血嗜中性粒细胞可以产生O2-·和H2O2自由基，当这些自由基和肌细胞与血管内皮细胞结合时，造成肌细胞血管内皮细胞发生损伤[3]。
3 脂质，蛋白质和DNA的情况
当在细胞膜上的多未饱和脂肪酸受到自由基攻击时，有氧分子存在的情况下，一连串的过氧化反应就会发生，最终导致碳氢化合物气体的形成（例如，甲烷、乙烷、戊烷和丙二醛）[12，13]。脂质过氧化产物经常被用来研究训练中氧化组织受到破坏的标志。Dillard等[14]，第一次发现运动员在长时间的训练中呼出的气体当中戊烷的浓度增加，这一发现已经得到了好几位研究人员证实。Kanter等[15]，研究发现在自行车训练实验中，运动员呼出气体中戊烷的浓度随着负荷的增加按比例地增加。然而，运动员呼出的气体中碳氢化合物成分是否能作为体内脂质过氧化的标志，还需进一步研究证实。在运动中发现各组织中的MDA的含量增加，而且发现脂质过氧化水平与运动强度有密切的联系。
在运动中不仅仅会发生脂质过氧化反应，而且ROS会对蛋白质和核酸发生氧化修饰反应[17]，然而有很少文献报道运动引起蛋白质的氧化。尿液中的8-羟基脱氧鸟嘌呤核苷(8-hydroxy deoxyguanosine)最近被用来检测稳定的未修复DNA的水平，研究表明一次马拉松比赛下来，运动员尿液中的8-羟基脱氧鸟嘌呤核苷显著提高，说明大量的DNA受到破坏。另外，最近有报道说训练会引起体温过高症，在大鼠力竭性疲劳实验中，发现由于热效应引起骨骼肌、心肌和肝脏中蛋白质失活 (heat-shock)[18]。
因此，我们可以做一下猜测，高负荷训练可以引起对细胞膜及细胞结构损害，也可以导致对遗传物质DNA的破坏，然而这些病理性的反应还需要进一步研究。
4 细胞氧化还原作用
稳定的细胞内氧化还原反应对有机体来说是至关重要的。一些酶必须有硫醇的存在才能维持它的活性。氧化这些硫醇可以可逆或不可逆激活这些酶[19]。细胞氧化还原状态出现紊乱的情况下会破坏某些辅酶的功能(如，NADH, NADPH)而且会破坏在蛋白质和DNA上的双硫横桥。Ji等[20]研究表明肌肉中线粒体的硫醇直接影响几种关键酶的活性；在大鼠急性运动实验
中，发现线粒体中蛋白硫醇含量下降，可逆地抑制了这些酶的功能。目前，训练导致对细胞氧化还原的影响研究中，广泛地采用谷胱甘肽系统。
  作为最重要的非蛋白质硫醇-谷胱甘肽在维持细胞的氧化还原平衡和抗氧化中起到非常重要的作用。但GSSG反应产物的增加对细胞有毒性，它能使蛋白质、酶和DNA中的双硫键发生断裂[21]。然而，这些研究在训练中还有待进一步证实。
5 免疫功能
有关研究报道，体育训练可以使体内的WBC的数量和功能发生改变，但改变的机制目前尚未清楚。
CD11b/CD18通称为Mac-1，有文献报道是其中一种3bi (C3bi)的受体，与吞噬细胞的噬菌性有关，例如粒细胞、单核细胞和巨噬细胞[22]。CD54是细胞间连接分子-1（ICAF-1），对白细胞起到配体作用，与抗原-1有联系，对白细胞依附到内皮细胞起到重要作用。在体育训练中由于白细胞的功能发生变化从而使这些受体的表达的改变。体育训练引起体内免疫参数发现一系列的改变。主要在这几个方面：(1)运动训练引发一些炎症或感染性反应；(2)训练后
免疫调节激素含量提高，这也可能引起骨髓释放出来的粒性细胞数目增加的主要原因；（3）大运动量的训练能引起一些免疫因子数量增加，例如白细胞介素IL-8、TNF-α和巨噬细胞激发因子(GM-CSF)。这些细胞素可以控制巨噬细胞上CD11b的表达。(4)类啡肽物质激素如β-endorphin和dynorphin，在体育训练中促使粒性细胞活动增强而分泌增加[22, 23]。体育训练会引起血浆中β-endorphin的浓度升高，这就激发了过氧化阴离子的活性与白细胞的趋化性。另外，长时间的游泳比赛能促使血浆中肾上腺素、去甲肾上腺素和11-羟皮质类固醇的水平。最近研究发现体育训练能增加CD11b受体，从而增强白细胞的噬菌作用和提高了H2O2活性[22，23]。
6 抗氧化系统与运动训练
生物抗氧化系统在保护由运动训练引起的细胞免受自由基的攻击起到非常重要的作用。缺乏或损耗各种抗氧化系统都会增加体内组织的氧化损伤。但增加其他抗氧化剂的摄入可以提高体内抗氧化水平。许多研究已经证实运动训练引起体内组织的氧化损伤，同时造成对抗氧化系统的冲击。
抗氧化酶 一次急性体育训练可以提高骨骼肌、心脏和肝脏中的各种抗氧化酶的活性，包括超
氧化气化歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)和谷光甘肽过氧化物酶 (GPX)[3]。短时间的运动训练就会激活体内各种抗氧化酶的活性，这些机制目前尚未清楚。可能是由于变构或者共价修饰作用激活酶的活性；部分酶与它们的底物相遇可以提高酶的接触反应[3,12,13]。细胞氧化加强会引发增加原核细胞对抗氧化酶所需的蛋白质的合成，但目前还没在哺乳动物中得到证实。
维他命类 Vitamin E是体内非常重要的脂溶性抗氧化剂，它主要存在细胞的膜的内表面，对有线粒体产生的自由基进行快速清除。这就毫不疑问Vitamin E在运动中维持细胞正常功能是必不可少的。Davies等[8]对体内缺乏Vitamin E大鼠进行力竭性运动训练，发现缺乏Vitamin E会增加肌肉与肝脏中自由基数量，同时加速脂质过氧化反应和出现线粒体功能紊乱。
    在每一克湿重的骨骼肌中含有约30–50 nmol的Vitamin E，而且不同的肌肉类型含量也各不相同。研究发现在耐力运动后在骨骼肌、心肌和肝脏中的Vitamin E都会有显著的降低。Packer等[24]，建议那些每天参加运动训练的运动员每天必须补充一定量的Vitamin E，因为在正常饮食习惯下，耐力训练会耗尽体内Vitamin E的储备。
  虽然，Vitamin C作为抗氧化剂也已经被确定，但它在保护细胞免受氧化的重要性尚不清晰。研究表明Vitamin C具有使Vitamin E自由基转化为Vitamin E的功能[25]。

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