抗疲劳功能（共4篇）
抗疲劳功能 篇1
柞蚕胚 (受精卵) 中含有丰富的蛋白质、游离氨基酸、三帖皂苷、三帖皂苷元、微量生物碱、黄酮甙及黄酮甙元、植物甾醇或甾体皂苷元、香豆精甙等, 同时还含有种类齐全的微量元素, 有机锌含量突出高, 有机锗含量很丰富。我们以柞蚕胚、绿豆胚、蛹虫草子实体为配料, 利用现代生物技术, 经过科学配方精细加工, 研制出一种产品“胚宝”。本研究对“胚宝”的抗疲劳和免疫调节功能进行了初步探讨, 现将功能性实验结果报告如下。
1 实验材料
“胚宝”按照相应的加工工艺自制;实验动物;其它实验室常规物品。
2 方法与结果
2.1 抗疲劳作用
委托北华大学医学院药理教研室完成, 采用小鼠负重游泳试验法。
2.1.1 药物配制方法
用蒸馏水配制成25%、12.5%、6.25%质量分数溶液 (5g、2.5 g、1.25 g/kg体重) , 分别相当于成人拟服剂量的50倍、25倍、12.5倍。红参:购自吉林市医药公司。
2.1.2 试验动物
昆明种小白鼠, 白医大实验动物部提供, 合格证号10-5107, 自卫生部生物制品引进。
2.1.3 方法
取小鼠50只, 18～22 g, 随机分成5组, 每组10只, 甲组每天灌胃给予25%蚕胚保健品0.2 mL/10 g, 乙组每天灌胃给予12.5%蚕胚保健品0.2 mL/10 g, 丙组每天灌胃给予6.25%蚕胚保健品0.2 mL/10 g, 丁组 (阳性对照组) 10%人参水煎液每天灌胃给予0.2 mL/10 g, 戊组生理盐水0.2 mL/10 g。每天灌胃1次, 连续7天, 末次给药30 min后, 在小鼠尾束一2克重物, 放入游泳缸内游泳, 规格:80 cm×300 cm×50 cm, 实验时水深20 cm, 水温20±0.5 ℃, 计时观察小鼠头部沉入水中不能浮出水面者, 为体力耗竭, 即刻计时为小鼠游泳时间。比较差异显著性。
2.2 提高免疫作用
委托北华大学医学院药理教研室完成, 采用小鼠碳粒廓清试验法。
2.2.1 药物配制
用蒸馏水配制成20%质量分数溶液。结果见表1。
2.2.2 试验动物
昆明种小白鼠, 白医大实验动物部提供, 合格证号10-5107, 自卫生部生物制品引进。
2.2.3 方法[2]
取昆明种小白鼠40只, 随机分成4组, 每组10只, 于试验前给予第1组20%质量分数、第2组15%质量分数、第3组10%质量分数0.2 mL/10 g, 第4组为生理盐水。每天灌胃给药一次, 共七天, 于末次给药30 min后, 给小鼠尾静脉注射印度墨汁 (预先稀释5倍) 0.05 mL/10 g, 注射后10 min和20 min分别由眼眶静脉丛取血20 μL, 溶于0.1%Na2CO3溶液2 mL中, 摇匀, 置于723分光光度计580nm下比色, 测定光密度 (OD) 。最后, 将小鼠颈椎脱臼处死, 分别称取肝、脾重量, 计算廓清指数K= (logOD1-logOD2) / (t1-t2) , 校正廓清指数α。其中, OD1、OD2为不同时间所取血样的光密度, t2-t1为取两样血的时间差。以X±SE表示各组的K值, 进行t测验, 比较差异的显著性。
从表1可以看出, “胚宝”高、中、低剂量组均可明显增强小鼠体力, 延长小鼠负重游泳时间, 与生理盐水组比差异显著。
2.2.4 结果 (见表2)
备注:与对照组比1p﹤0.05 2p﹤0.01 3p﹤0.005 4p﹤0.001
从表2可以看出, “胚宝”各浓度组均能明显提高廓清指数K值和校正廓清指数α, 说明对网状内皮系统吞噬功能具有明显的激活和增强作用。
3 讨论
本研究初步进行了“胚宝”在抗疲劳和免疫调节方面功能的研究, 发现“胚宝”可明显增强小鼠体力, 延长小鼠负重游泳时间, 与生理盐水组比差异显著。“胚宝”能明显提高廓清指数K值和校正廓清指数α, 对网状内皮系统吞噬功能具有明显的激活和增强作用。以上实验初步表明, “胚宝”具有一定的保健功能。在以后的研究中将按照《保健食品功能学评价程序和检验方法》要求, 对血乳酸、血清尿素氮、肝/肌糖原指标进行测定, 进行细胞免疫、体液免疫实验欠缺的两项生化指标和细胞免疫、体液免疫两项指标进行深入研究, 全面判定“胚宝”的抗疲劳和免疫调节功能。
抗疲劳功能 篇2
1 材料和方法
1.1 药品与试剂
中国被毛孢菌粉(青海久实虫草生物科技有限公司提供);印度墨汁(北京西中化工厂提供);二硝基氟苯(天津兴隆化工厂提供,使用前溶于4:1丙酮一橄榄油中配制成1%的溶液,空白组以单独涂布丙酮/橄榄油溶剂作为对照);注射用环磷酰胺(江苏恒瑞医药股份有限公司,批号10050821)。
1.2 实验仪器
全自动生化分析仪Olympas-au640 (日本);SBA-40B双电极生物传感分析仪(乳酸仪);离心机;752分光光度计;温度计。
1.3 实验动物
KM种小鼠(青海省实验动物中心提供,合格证号:青医动字第001号)。
1.4 实验方法
1.4.1 负重游泳实验时间测定[3]
取40只KM种小鼠,雄性,18～22 g,随机分4组,分别为空白对照组、中国被毛孢菌粉0.12 g/kg、0.24 g/kg、48 g/kg组,用蒸馏水配制一定浓度的混悬液,除空白对照组外各组小鼠每天灌胃,给药连续20 d,空白对照组每天灌胃同体积的生理盐水,末次灌胃前,称小鼠体重,将体重5%重的薄铅皮固定在小鼠尾根部。末次灌胃30 min后,将小鼠放入小动物游泳箱中(水深30 cm,水温25℃,每个玻璃缸房一只小鼠),以小鼠头部沉入水中10 s不能浮出水面为准(即认定为体力衰竭)。记录每只小鼠的游泳时间。
1.4.2 血乳酸含量的测定[4]
分组灌药同1. 4.1,末次给药30 min后,尾部负重2%体重放入30℃的水中游泳10 min,出水静止10 min后,小鼠眼球静脉丛取血,用乳酸仪测定其含量。
1.4.3 血清尿素氮含量的测定[4]
分组灌药同1.4.1,末次给药30 min后放入30℃的水中游泳90 min,出水后立刻取尾血测定血清尿素氮含量。
1.5 免疫调节作用研究
1.5.1 对小鼠碳廓清的实验[4]
KM种小鼠40只,雌雄各半,体重18～22 g,分组及灌药同1.4.1,末次给药30 min后尾静脉注射印度墨汁(使用前用生理盐水稀释3倍,超声处理后离心,弃去沉淀物)0.05～0.1 ml/10 g体重,与注射后1、11 min用吸管(预先用肝素溶液湿润)分别从眼眶后静脉丛取血20μl,溶于2 ml 0.1%Na3CO3溶液中摇匀,置752分光光度计680 nm下比色,测定t1和t11的吸光值(A1,A11)计算廓清指数K后,将小鼠脱颈椎处死,取肝脏和脾脏称重,计算吞噬指数α。,K=(logA1-logA1,)/(T11-T1)=log(A1/A11)/4。吞噬指数α=体质量/肝脾重×K1/3。
1.5.2 对免疫功能低下小鼠的迟发型超敏反应影响[5]
取KM种小鼠50只,雌雄各半,体重18～22 g,随机分为5组,每组10只,分别为空白组、模型组、中国被毛孢菌粉0.12 g/kg、0.24 g/kg和0.48 g/kg组,模型组和对照组给予等体积的生理盐水,给药15 d后,将每鼠腹部去毛,范围3cm×3 cm,将1%DNFB均匀涂抹于上,涂布当日除正常对照组外腹腔注射环磷酰胺50 mg/kg[6],隔日加强一次,首次致敏后给药5 d,末次给药后0.5 h,将1%DNFB均匀涂抹与小鼠右耳进行攻击,诱发迟发型变态反应,攻击后24 h,左耳涂布生理盐水作为对照,脱颈椎处死小鼠,剪下双耳,用打孔器分别取下直径8 mm的耳片,称重;同时取下小鼠胸腺和脾脏,称重。以左右耳片重量之差作为肿胀度,以每10 g小鼠脾脏和胸腺的重量分别计算脾指数和胸腺指数。
1.6 统计学处理计量资料以均数±标准差()表示,采用t检验,检验水准α=0.05。
计量资料以均数±标准差()表示,采用t检验,检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 小鼠抗疲劳试验结果
中国被毛孢菌粉0.12 g/kg和0.24 g/kg、0.48 g/kg组均能明显延长小鼠负重游泳时间,降低血乳酸值和血清尿素氮含量,具有一定的抗疲劳作用(P<0.05或P<0.01)。见表1。
2.2 小鼠巨噬细胞吞噬功能结果
中国被毛孢0.48 g/kg组能明显提高小鼠碳廓清能力,即可明显增强巨噬细胞吞噬功能(P<0.01)。见表2。
2.3 小鼠迟发性超敏反应的调节作用结果
模型组与空白组比较小鼠脾指数、胸腺指数、耳肿胀度明显降低(P<0.01)。中国被毛孢菌粉与模型组比较,0.24 g/kg、0.48 g/kg组能明显增加免疫功能低下小鼠耳肿胀度、胸腺和脾脏指数的下降(P<0.05或P<0.01)。见表3。
注:与空白组比较,*P<0.05,**P<0.01
注:与空白组比较,*P<0.01
注:与空白组比较,△P<0.01;与模型组比较,*P<0.05,**P<0.01
3讨论
冬虫夏草性味甘,平或微温,有效成分为虫草多糖、虫草素、虫草酸富含18种氨基酸和微量元素。具有补虚损,益精气,保肺肾,止血化疾等药理作用。近年来发现它的功效越来越广泛[7],使供不应求的市场推动了人工培育虫草菌粉的发展。具有和天然虫草相似的化学成分和药理作用[8],充分再现了冬虫夏草千年传承,独具魅力的神奇功效,进一步满足药源、广泛的应用临床,能最大限度地造福于人类。
本文研究表明,中国被毛孢菌丝体粉0.12 g/kg、0.24 g/kg、0.48 g/kg灌胃给药20 d后能延长小鼠负重游泳时间及降低运动后血乳酸、血清尿素氮含量(P<0.05,P<0.01),提示其具有抗疲劳的作用。中国被毛孢菌粉0.48 g/kg组能明显提高小鼠碳廓清能力,即可明显增强巨噬细胞吞噬功能(P<0.01)。中国被毛孢菌粉0.24 g/kg、0.48 g/kg均能明显增加环磷酰胺引起的免疫功能低下小鼠耳肿胀度、胸腺指数和脾脏指数(P<0.05或P<0.01),提示其具有抗疲劳和免疫增强作用。本研究证实了中国被毛孢菌粉与天然冬虫夏草在增强免疫功能和抗疲劳功能方面具有相似的功效,为其临床应用提供了实验依据。
摘要：目的 探讨中国被毛孢菌粉(HSFM)对小鼠抗疲劳、免疫功能的作用。方法 采用负重游泳试验法测定负重游泳时间、运动后血乳酸、尿素氮的含量,观察中国被毛孢菌粉对小鼠抗疲劳作用;采用碳粒廓清法、二硝基氟苯诱导小鼠迟发型变态反应试验法测定小鼠耳肿胀度、胸腺指数及脾指数,观察中国被毛孢菌粉对免疫低下小鼠的影响。结果 给予不同剂量HSFM(0.12 g/kg、0.24 g/kg、0.48 g/kg)20 d后,能显著延长小鼠负重游泳时间,降低运动后小鼠血乳酸、血清尿素氮含量(P＜0.05或P＜0.01);HSFM(0.48 g/kg)能显著增加小鼠碳廓清指数K及吞噬指数α(P＜0.01);在迟发型变态反应实验中,HSFM(0.24 g/kg、0.48 g/kg)能显著增加小鼠耳肿胀度、胸腺指数和脾指数(P＜0.05或P＜0.01)。结论 中国被毛孢菌粉对小鼠抗疲劳和环磷酰胺引起的免疫功能低下小鼠具有一定的增强作用。
关键词：中国被毛孢菌粉,抗疲劳,免疫功能
参考文献
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[7]李凤荣.冬虫夏草的化学成分及药理学研究概况[J].内蒙古中医药,2010,29(17):102-103.
抗疲劳功能 篇3
视觉疲劳是人们生产生活中遇到的普遍问题, 出现这种问题主要有两方面的原因, 其一是因为长时间的用眼, 而且没有相应的保护措施造成的视觉疲劳, 其二就是因为眼部营养的缺乏造成的视觉疲劳。无论是什么原因造成的眼部疲劳, 都应该正确的对待, 因为长时间的眼部疲劳会造成视力的下降, 因此在疲劳时需要进行有效的缓解, 而服用对眼部有帮助作用的功能性食品就是缓解眼部疲劳的有效方法。功能食品之所以能够缓解眼部疲劳, 主要是因为其成分和眼部需要的营养密切相关。
视觉疲劳概述
视觉疲劳是人们在用眼中出现的普遍性问题, 而伴随着视觉疲劳出现的, 就是视力下降, 这种现象对于人们正常用眼来讲消极作用非常明显, 而造成视力下降的原因也是多种多样, 这里着重分析三点。首要原因就是各种类型的屈光不正, 远视眼、近视眼以及散光眼的形成都与屈光不正有非常大的关系。在日常生活中, 人们用眼姿势的不科学, 包括用眼光线掌握不好以及护眼措施做的不到位或不及时, 都会发生屈光不正的现象。其次就是晶状体的浑浊。晶状体是眼部构造的关键性构建, 晶状体的浑浊往往会造成白内障, 这种疾病对视力的影响非常巨大。最后一种就是角膜疾病。眼角膜也是眼部构造的关键构建, 角膜混浊也会造成非常严重的视力下降。
功能食品的种类和功效成分分析
维生素类食品
维生素类食品可以有效缓解视觉疲劳, 而对视觉疲劳起到缓解作用的主要是富含维生素A和维生素C的食品。维生A的主要功效是促进视紫红质的再生, 在实践中, 视紫红质的缺乏会导致夜盲症、干眼症, 更严重的会造成角膜软化和角膜溃疡, 食用富含维生素A的食品, 可以有效避免上述眼部疾病的发生。维生素C的主要功效可以有效减弱光线和氧气对眼部晶状体的伤害, 这对于保护眼部晶状体而言意义重大。由于维生素C的作用, 白内障疾病可以得到很好地缓解。
矿物质食品
矿物质食品对于缓解视觉疲劳也有着重要的作用。在正常用眼活动中, 钙、铬和锌等元素发挥着重要的作用。其中钙元素与骨骼成长密切相关, 在眼睛发育成长的时候, 钙元素的缺失或是不足会造成近视, 所以在用眼过程中一定要注意钙元素的补充。铬元素的主要功效可以激活胰岛素, 从而保证胰岛素供应水平的正常, 铬元素的缺少或是供应不足, 同样会诱发近视。锌元素的缺乏可直接导致视力障碍, 因为锌元素是骨骼和血液构造的主要成分, 锌元素可以参与眼部维生素A的代谢和运输, 维持视网膜色素上皮的中长运转, 锌元素不足会诱发一系列眼部疾病。
叶黄素食品
叶黄素类产品的功效主要与叶黄素有光, 叶黄素是眼睛中黄斑的主要成分, 叶黄素可以预防视网膜黄斑的老化, 对视网膜黄复病有着积极地缓解作用。在临床试验中, 叶黄素可以有效的预防由于肌肉退化症造成的盲眼症, 而且叶黄素还有一个突出的作用就是可以过滤紫外线等一些对眼部有巨大伤害的光线。在目前电脑、手机普及的时代, 积极使用叶黄素产品, 可以有效的减少辐射因素带给眼部的伤害, 从而缓解视觉疲劳。
花色苷类食品
花色苷类产品发生作用的主要成分是花色苷类, 这是一种欧洲越橘提取物, 这种物质对缓解眼部疲劳具有重大的作用。花色苷类的首要功能就是可以保护毛细血管, 促进视红细胞的再生。眼部构造的毛细血管非常发达, 毛细血管的损坏会直接造成眼部创伤, 而花色苷类对眼部毛细血管的保护作用非常明显。花色苷类的另一个显著功能就是可以提高眼部对黑暗的适应能力, 这种适应能力的提高, 对于缓解视觉疲劳也有重大的帮助。
海带
海带最为突出的特点就是含碘量特别高, 在现代社会中, 海带也是一种非常有效缓解视觉疲劳的食品, 主要原因是海带中含有丰富的甘露醇。甘露醇的突出功效具有利尿作用, 可以有效的减轻眼部的压力, 这对于急性青光眼的治疗具有积极作用。另外, 和海带类似的裙带菜也含有甘露醇, 所以一般用于急性青光眼的辅助治疗。
结语
运动性疲劳与线粒体功能 篇4
1 线粒体Ca2+
线粒体是细胞有氧代谢的场所。在肌肉收缩过程中, 它通过氧化磷酸化, 提供肌肉收缩的能量。线粒体呼吸能力下降是运动性肌肉疲劳产生的重要原因。除了具有氧化代谢、生成体内需要的ATP外, 线粒体还具有摄取、释放、调节胞浆Ca2+浓度的作用。线粒体聚钙具有重要的生物学意义:①维持肌肉正常的兴奋——收缩——舒张;②减少细胞浆Ca2+升高对骨骼肌超微结构的破坏[1];③在调节Ca2+敏感性线粒体酶时发挥不可替代作用。张钧等发现[2]:力竭运动时大鼠心肌线粒体游离钙含量显著下降, 而90min运动组和24h恢复组与安静组相比均未有显著性差异。说明力竭运动可造成心肌线粒体游离钙含量显著下降, 90min运动对心肌线粒体游离钙无明显改变, 力竭运动后24h已基本恢复。线粒体依细胞类型而存在特定的细胞信号功能, 而任何功能都受细胞内钙稳态的影响, 反之亦然[3]。
1.1 线粒体Ca2+与“衰竭学说”
“衰竭学说”认为, 能源缺乏会明显加速疲劳过程。许多研究都已表明了某种能源的消耗与疲劳过程有直接关系。有人研究发现磷酸肌酸的浓度在最大强度运动中下降很快, 持续2~3min运动至筋疲力尽时, 磷酸肌酸浓度接近于零。
1.1.1 线粒体Ca2+与ATP
运动过程中骨骼肌收缩机能下降, 运动性疲劳的产生均与细胞呼吸水平下降、ATP生成减少有关;而机体生成ATP的主要场所是线粒体, 因此疲劳状态下线粒体氧化代谢能力应该有所下降。线粒体钙聚积在缓解胞浆Ca2+浓度升高, 延缓疲劳出现的同时, 又通过抑制线粒体本身的氧化磷酸化过程, 降低呼吸水平, 减少ATP生成。ATP生成减少, 使得线粒体肿胀、嵴断裂;而线粒体形态的改变进一步抑制自身的氧化磷酸化过程, 加剧离子代谢紊乱, 形成“恶性循环”。运动引起线粒体Ca2+摄取能力下降, 钙聚积, 抑制ATP生成, 并进一步抑制氧化磷酸化, 加剧离子代谢紊乱的“恶性循环”, 这可能是导致运动性骨骼肌疲劳的重要原因。
线粒体的正常形态、结构的维持需要ATP提供能量, 钙泵及钠钾泵的活动也需要ATP提供能量, 因此ATP含量的下降除进一步造成离子代谢紊乱外, 还可直接导致线粒体肿胀、嵴断裂等亚细胞结构的破坏, 导致氧化磷酸化脱耦联, 能量供应不足, 进而引起严重的离子代谢紊乱, 导致恶性循环, 最终导致肌细胞损伤, 造成运动机能下降。
实验表明, 剧烈运动后, 线粒体钙代谢紊乱, 抑制ATP合成是引起机体机能异常的重要原因。线粒体是细胞呼吸的重要器官, 是肌肉活动的能量来源。
已有很多研究发现运动后即刻细胞内ATP含量下降, 且合成效率下降[4]。ATP是肌肉活动的直接能量来源。急性长时间运动时骨骼肌线粒体ATP的再合成对于工作肌维持足够能量需求至关重要。实验观察到, 耗竭运动后在线粒体内膜流动性下降和呼吸链复合体Ⅰ活性改变的同时, 线粒体内膜ATP酶活性显著降低。表明经过长时间较大强度运动后, 骨骼肌线粒体内膜功能改变, ATP再合成障碍。这可能是运动性疲劳重要的线粒体膜特征之一。其机理可能是:①膜分子动力学改变。线粒体内膜有序性增高、流动性降低减弱了呼吸链组分与ATP酶的相互作用;②NADH呼吸链损害。按照Mitchell“化学渗透理论”, 线粒体ATP合成的驱动力为跨线粒体内膜的质子转运, 其直接依赖于电子传递和氧的摄取。复合体Ⅰ活性的改变可能使在这一部分已建立起的跨膜质子梯度丧失, 破坏磷酸化通过质子梯度的偶联而降低ATP酶的活性。
1.1.2 线粒体Ca2+与ATP酶
H+-ATP酶复合体是耦联磷酸化, 把ADP和Pi合成ATP的部位。在线粒体膜完整时, H+-ATP酶的功能是合成ATP;在膜不完整时, H+-ATP酶的作用表现为水解ATP。H+-ATP酶的水解活性间接反映了完整线粒体H+-ATP酶复合体合成ATP的能力。本实验运动后即刻线粒体H+-ATP酶的水解活性明显增加, 这有两种可能:一是运动中线粒体膜保持完整, H+-ATP酶起合成ATP的作用, H+-ATP酶的水解活性越强, 说明线粒体H+-ATP酶把ADP和Pi合成ATP能力越强;另一种可能是运动中线粒体膜的完整性受到破坏, H+-ATP酶复合体在运动中主要起水解ATP的作用。此时, H+-ATP酶的水解活性越强, ATP水解的越多, 细胞内ATP含量就越少。运动时胞浆Ca2+浓度增加可以引起肌纤维损伤, 线粒体肿胀、破碎。H+-ATP酶结构的变化可能与身体机能状态有关。曾有实验发现一次力竭性运动可使大鼠心肌线粒体H+-ATP酶水解活性下降, 线粒体膜的流动性改变, 而一定强度的运动, 不足以造成H+-ATP酶结构的变化。本实验中等强度和大强度运动后, 骨骼肌出现疲劳特征但并未出现力竭, H+-ATP酶水解活性增加非常明显。这提示:力竭性运动可能使线粒体膜的流动性发生变化后破坏了H+-ATP酶的结构, 引起H+-ATP酶活性降低。
线粒体膜上的Ca2+-ATP酶负责把胞浆中Ca2+的转运入线粒体基质中, 所需的能量由ATP水解来提供。线粒体H+-ATP酶的功能主要是合成ATP和转运H+。利用H+流回线粒体内膜基质释放出的能量, H+-ATP酶把ADP, Pi合成ATP。它在电子传递链复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ三个位置上耦联ATP的合成, 在每个位置, 每通过两个电子, 就能合成一个ATP分子。线粒体通过Ca2+-ATP酶转运Ca2+, 而ATP的最后合成必须有H+-ATP酶的参与, 这提示运动引起线粒体钙聚积, 抑制ATP合成可能与线粒体Ca2+-ATP酶和H+-ATP酶活性的变化有关。王翔[5]等研究发现:力竭运动后, 大鼠骨骼肌线粒体钙超载, 肌浆网Ca2+-ATPase活性降低, 可能是导致胞内钙浓度增加的一个因素, 从而改变了细胞内钙稳态、钙转运的功能, 影响了肌肉收缩特性, 致使运动性疲劳的产生。
中等强度长时间运动后, 线粒体Ca2+-ATP酶水解活性下降可能是因为:①线粒体肿胀、破裂和破坏。运动中有些因素如线粒体聚钙、脂质过氧化等可以损伤线粒体膜, 影响细胞呼吸, 一些酶因交联聚合失去活性或共活;②ATP含量减少。运动可造成ATP含量下降, 田野等报道, 运动后即刻肌肉内ATP含量比运动前下降了32.81%。肌细胞内ATP含量减少Ca2+-ATP酶的活性可能就要受到抑制;③线粒体内钙聚积可能对Ca2+-ATP酶的活性起抑制作用;④运动造成体温升高及某些离子平衡的改变可能也是Ca2+-ATP酶活性下降的原因之一。因此, 中等强度长时间运动后线粒体Ca2+-ATP酶活性下降可能是多种因素共同作用的结果。
1.2 线粒体Ca2+与“内环境稳定性”失调学说
线粒体是细胞内重要的钙贮存库, 线粒体钙含量随胞浆Ca2+浓度的变化而发生改变。研究证实, 运动疲劳后, 线粒体钙含量增加, 肌肉收缩机能下降。
运动性状态下心肌线粒体的结构和功能发生了明显变化, 这些变化可能是引起疲劳状态下心肌损伤的主要原因[6]。运动性肌肉疲劳状态下线粒体功能的改变一方面表现在线粒体氧化代谢能力的下降, 另一方面表现在线粒体离子代谢功能的下降, 尤其是钙调节能力的下降。线粒体钙调节能力下降主要表现为线粒体对胞浆Ca2+浓度变化的敏感性下降, 即摄钙减少。Tate首次发现大鼠力竭性跑台运动后, 骨骼肌线粒体钙含量显著性增加;田野证实大鼠力竭性与非力竭性跑台运动后线粒体钙含量显著增加。线粒体通过Ca2+-ATP酶摄取Ca2+, 而骨骼肌疲劳时, 线粒体钙含量发生变化, 这提示运动可能通过影响线粒体Ca2+-ATP酶的活性而改变线粒体钙含量。
线粒体Ca2+-ATP酶水解活性反映线粒体摄入Ca2+的能力, 酶的活性越大, 单位时间内线粒体通过Ca2+-ATP酶摄入的Ca2+量越多。中等强度长时间运动后, 线粒体Ca2+-ATP酶水解活性下降, 引起线粒体摄钙能力下降, 也就是Ca2+-ATP酶水解ATP释放能量把胞浆内Ca2+转运进入线粒体的能力下降。一方面, 运动造成胞浆Ca2+浓度持续增加, 另一方面却显著降低肌浆网和线粒体Ca2+-ATP酶转运Ca2+的能力, 这就造成胞浆Ca2+浓度不能很快恢复到正常水平, 胞浆Ca2+增多, 影响了骨骼肌机能, 引起骨骼肌疲劳。
2 “自由基”学说
所谓自由基是指那些带有奇数电子数的化学物质, 即外层电子轨道含有未配对电子的基团。这些电子导致了这些物质的高反应活性。由于自由基化学性质活泼, 能造成细胞功能和结构的损伤和破坏。运动时氧自由基增多最明显。
Dillord1978年首次把自由基的研究引入运动医学领域, 认为自由基与运动性疲劳有着密切的关系。ROS的产生主要是线粒体由状态Ⅲ向状态Ⅳ转换中高氧环境和高还原态的呼吸链使大量电子漏出并还原氧分子而形成的。线粒体是ROS的主要来源和促凋亡作用靶点[7]。许多研究揭示, 随着运动强度的增加, 脂质过氧化水平升高, 使肌肉的工作能力下降, 同时还能造成对肌肉等组织的损伤, 妨碍正常细胞代谢功能, 导致产生运动性疲劳。研究还发现, 自由基能引起线粒体呼吸链产生ATP的过程受到损害, 使细胞能量发生障碍, 影响肌纤维的收缩功能, 还能使某些酶失活产生一系列病理变化而导致疲劳。
大量研究表明, 力竭运动可使心肌、骨骼肌、肝脏等内源性自由基生成增多以及由此引发脂质过氧化加强。线粒体一线粒体的ROS信号通路组成了增加ROS产生的正反馈机制, 可以导致潜在的线粒体和细胞的严重损伤[8]。时庆德等发现, 以大鼠中等强度力竭性跑台为运动性疲劳模型, 骨骼肌和肝脏线粒体O2-生成较运动前安静时显著增加, 心肌线粒体O2-生成呈增加趋势[9]。熊静宇等研究表明:在较大负荷运动后即刻, 肝脏和骨骼肌线粒体中的MDA、ROS均显著增加[10]。张桂忠等发现:一次性耐力运动初期ROS大量产生, 这一过程使线粒体膜维持适宜的跨膜电位[11]。宫霞等人研究发现力竭游泳小鼠骨骼肌中SOD、GSH-Px的活性下降显著。GSH-Px和SOD是人体抗氧化系统中两种重要的抗氧化剂, 它们的减少无疑使机体抗氧化能力减弱, 使有氧运动产生的自由基不能及时清除。由此可以看出, 无论是力竭运动还是非力竭运动都会引起自由基生成增多且与强度成正比。
力竭运动自由基增多和脂质过氧化加强的机制可分为两个方面:一方面引起自由基生成增多, 另一方面导致自由基消除能力下降, 使自由基在体内积累, 从而引起疲劳。主要包括:黄嘌呤氧化酶途径、线粒体呼吸链途径和自由基防御系统受损[12,13,14]。
2.1 自由基净生成增多
运动性内源自由基的产生, 目前认为主要有两条途径:线粒体呼吸链途径和黄嘌呤氧化酶途径。①线粒体呼吸链途径运动过程中, 体内代谢水平加强, 能量消耗增多, 为满足机体的代谢需要, 加速ATP再合成, 线粒体氧耗增多, 氧化磷酸化加强, 使线粒体电子传递过程中产生自由基, 当代谢过程中出现氧单原子还原时, 即O2只接受1个电子, 就会生成O2-, 体内氧自由基的生成率与线粒体氧利用率成正比。因此, 运动中有氧代谢加强本身就可以促进氧自由基的生成。伴随着线粒体氧耗而产生的这些ROS, 可使有氧氧化关键酶柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶活性下降, ATP合成能力减弱等;②黄嘌呤氧化酶途径运动过程中, 能量消耗大于生成, ATP分解增多, ATP氧化产物—次贡嘌呤在黄嘌呤氧化酶作用下生成尿酸, 同时产生自由基。在缺氧条件下, 由于氧供应不足而使次黄嘌呤在体内积累, 运动后肌肉摄氧量增加, 促进次黄嘌呤和黄嘌呤与氧气反应生成自由基。
2.2 自由基消除能力降低的原因——抗氧化酶活性相对下降
大强度运动过程中, 体内缺氧, 糖酵解作用加强, 乳酸生成增多, 使还原型辅酶I (NADH) 、还原型辅酶Ⅱ (NDPH) 浓度下降, 体内抗氧化酶受破坏。即使体内抗氧化酶活性没变化, 也不如氧自由基增多明显, 使抗氧化酶活性相对下降。抗氧化酶主要包括:①超氧化物歧化酶 (SOD) 可以使O2-被氧化为O2及还原为H2O2, H2O2可被过氧化氢酶 (CAT) 分解为水及氧;②谷胱甘肽过氧化酶 (GSH-Px) 可使H2O2转变为H2O或使许多有机氧过氧化物 (ROOH) 还原为ROH, 但催化反应中需要还原型谷胱甘肽作为供氢体。
3 呼吸链质子漏水平
3.1 呼吸链电子漏水平增大
呼吸链电子漏是指在呼吸过程中, 线粒体电子传递链中途“漏出”少量的电子直接单价还原氧分子形成超氧自由基 (O2-) 的现象。聂金雷等研究表明:运动所致的心肌线粒体质子跨膜势能升高引发了活性氧的生成增加, 并进而增加质子漏, “活性氧循环”与Q循环和质子循环并存和共同运转可能是运动性内源活性氧生成及代谢的重要机制[15]。就线粒体而言, 合成ATP的效率可表达为E=lin/lin+lout, lin代表链内传递的电子流, 被用于ATP的合成, lout代表漏出链外的电子流, 进入氧自由基代谢[16]。呼吸链电子漏水平增大, 即会导致E=lin/lin+lout比值减小, 线粒体合成ATP的效率下降。
由于运动应激, 机体代谢增强, 碳水化合物和脂肪分解增多, 进入呼吸链的还原当量增加;高强度或衰竭运动引起细胞色素C氧化酶活性降低, 沿呼吸链传递的电子不能顺利地经细胞色素C氧化酶传递给氧, 使之还原成水, 导致细胞色素C氧化酶以上的各成分还原程度增大, 给电子趋势增强, 促进了CoQ直接与O2-的反应;由于运动时耗氧剧增, ATP生成增多, 而O2-生成与ATP生成近乎于“偶联”[17]。这些都增大了O2-的单电子还原速度, 增加了线粒体电子漏水平。
3.2 线粒体质子漏增加
质子漏是指质子不通过H+-ATP酶进行ATP合成, 而直接通过线粒体内膜回到基质的过程, 其结果导致贮存在ΔP中的自由能被消耗。在线粒体能力学研究中, 将有ADP存在的线粒体呼吸状态 (氧耗) 称为态3呼吸, 将没有ADP存在, 因磷酸化受体缺乏, 不出现磷酸化的呼吸状态称之为态4呼吸:一系列实验研究都观察到运动疲劳状态下, 肝脏、心肌和骨骼肌线粒体的态4呼吸速率显著增加, 表明线粒体的质子漏增加, 使ΔP中用于合成ATP的能量减少, 而产热增多。
疲劳状态下线粒体质子漏增加的原因可能包括3个方面:①电子漏引起质子漏增加:线粒体态4呼吸时, 线粒体内膜外侧富集质子使环境酸化 (pH=5左右) , O2-在酸性环境下易与H+生成质子化的HO2, 容易跨膜转移到线粒体内膜内侧 (基质侧) (pH=8) , 引起质子回漏[18]疲劳状态下, O2-生成增多, 增加了质子回漏的载体, 引起质子漏增加;②线粒体膜通透性改变, 致使非特异性质子渗漏的增加。力竭运动后, 自由基生成增多, 脂质过氧化水平增高, 损伤膜的完整性, 使膜通透性增高。疲劳状态下, 线粒体钙超载, 激活磷脂酶A2, 使膜脂降解, 导致线粒体膜的通透性改变[19], 也是线粒体质子漏增加的原因。
4 运动状态下线粒体膜功能
4.1 H+从线粒体外膜溢出导致ΔP的消耗
态4呼吸时, 线粒体内膜处在高ΔP状态可能会使H+泄漏出线粒体外膜 (线粒体外膜具有较高的通透性) , 导致ΔP的无效消耗, 同时称为细胞内环境酸化的因素。实验证实, 如果用KCN阻断细胞色素aa3向O2的电子传输, 并以人工电子受体计量还原当量, 在无ADP存在时质子溢出量与电子传递链的传递呈正相关。由此可以推测, 运动过程中还原底物大量动员, 在高还原势能作用下电子传递链高速运转, 大量质子被泵到线粒体内膜外侧, 一旦线粒体内ADP浓度降低, 线粒体即成为一个细胞内“酸性化源”[20]。
内环境酸化和运动中机体温度升高是限制机体运动能力的两个因素。虽然相对于其它供能过程, 线粒体的氧化磷酸化供能是对内环境影响最小的供能方式, 但线粒体合成ATP效率下降, 产热增多, 使机体温度升高和内环境酸化, 还是会导致运动能力的下降。
4.2 线粒体膜磷脂含量和膜流动性下降
曹兆丰报道, 耗竭运动后, 线粒体心磷脂含量显著下降。心磷脂 (CL) 是线粒体的特征性膜磷脂, 在线粒体的功能活动中有着重要作用。线粒体呼吸链中复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及H+-ATP酶均需与心磷脂结合才能表现其活性。运动疲劳状态下, 线粒体心磷脂的含量下降与其富含不饱和脂肪酸-亚油酸, 易受O2-攻击有关。
疲劳状态下, 氧自由基生成增多, 是由于膜脂质过氧化水平升高, 膜流动性降低。依照“碰撞假说”线粒体电子传递和偶联磷酸化均依赖呼吸链成分和ATP酶的碰撞过程。力竭性运动中线粒体内膜流动性下降, 有序性增高, 不仅改变膜蛋白 (如酶复合体) 侧向运动的微环境, 限制内膜电子传递中磷脂-磷脂、磷脂-蛋白质的相互作用, 还可能减弱呼吸链成分与ATP酶的碰撞过程, 从而改变内膜双层分子动力学特征, 影响呼吸链的电子传递与质子梯度偶联的磷酸化过程, 使ATP酶活性下降, ATP合成速率下降。力竭性运动造成的线粒体膜结构和功能的破坏, 是引起能量生成降低, 产生运动性疲劳的重要原因之一。
5 运动状态下的线粒体与细胞凋亡
近年来大量的研究工作提示细胞凋亡和细胞增生与分化具有同样重要的意义。线粒体是细胞重要的结构部分, 是进行能量转换的场所。线粒体氧化磷酸化功能与其基质内Ca2+浓度调节的关系十分密切, 三羧酸循环中氧化脱羧的3个关键酶都受其基质内Ca2+浓度的调解。所以研究不同运动条件下心肌线粒体Ca2+浓度的变化, 对探讨线粒体功能与内源性自由基的产生增加及细胞凋亡的关系有一定的理论意义[21,22,23]。细胞在有机体内部不断的衰老、磨损、畸变、过剩或已经完成功能或变为有害细胞, 一般通过细胞凋亡加以清除;另一方面, 又可通过细胞增殖加以补充。运动状态下, 线粒体产生大量的自由基, 可直接损伤线粒体DNA, 线粒体DNA较核DNA易受自由基攻击氧化损伤而引起突变, 其突变率是核DNA的10~100倍[24]。若线粒体内自由基持续增多, 就会使PTP打开, 耗氧量减少, ATP合成降低, 释放出Ca2+、Cytc、AIF、胱冬肽酶以及膜间隙中的其他凋亡因子从而诱发细胞凋亡[25]。众多实验证明[26], 氧化应激与线粒体功能失常是引起细胞凋亡的重要原因。在运动状态, 尤其在力竭性运动状态的后期, 由于体内抗自由基物质的耗竭致使体内大量的自由基堆积, 线粒体遭到破坏给细胞带来致命的损伤。
在力竭运动状态下, 线粒体的正常结构与功能遭到严重的破坏, 可使其产生许多诱导细胞凋亡的因素, 但细胞凋亡路径不是简单的直线图。顾容瑞等通过力竭生物运动实验证实力竭运动导致大鼠股四头肌红肌自由基生成显著加强, 使肌细胞系统的结构和功能发生损害, 同时肌质网膜及线粒体膜亦受损, 从而引发系列肌细胞代谢紊乱。线粒体的形态学改变在与其相关的细胞凋亡中具有重要的意义[27]。刘小红等对大鼠脊髓前角细胞线粒体超微结构的研究发现, 在更大强度的有氧运动后, 发现线粒体密度显著减少, 基质电子密集, 个别的膨大成絮状;在对大鼠脊髓前角细胞线粒体超微结构的研究中亦发现, 大强度运动力竭组出现线粒体脊断裂, 甚至线粒体裂解现象, 认为大强度力竭运动可引起线粒体形态不可逆的损害, 不利于机体健康[28]。王长青[29]通过大鼠游泳实验发现G4 (持续训练12天) 组线粒体膜电位显著升高, 电镜观察有细胞坏死。大强度运动后线粒体体积显著增加, 脊疏而断裂, 基质电子密度普遍降低, 这是组织严重缺氧的表现, 线粒体变性已发展到临界点。
线粒体是脊椎动物细胞凋亡的控制中心, 其结构和功能的改变与细胞凋亡之间存在极为密切的关系, 不同的运动强度会对线粒体产生不同的影响。中小强度的有氧训练更易于诱发细胞凋亡, 大强度有氧运动如果ATP下降较慢也可诱发细胞凋亡, 使新生的更具生命力的细胞不断代替凋亡的异常肌细胞, 使线粒体产生适应性改变 (线粒体数目增多, 氧化磷酸化水平提高, 抗氧化能力增强, 过氧化脂质反应减弱, 有氧代谢能力得到加强) , 从而促进体能的增长。大强度有氧力竭运动中如果ATP下降过快则可能使细胞线粒体的正常结构和功能遭到严重破坏, 从而导致细胞坏死, 引发一系列的运动性疾病。
综上所述, 运动状态下线粒体功能异常, 一方面通过影响Ca2+含量进而影响ATP含量、ATP酶活性致使能源物质“衰竭”导致运动性疲劳的产生, 另一方面运动状态下产生的通过线粒体途径产生的自由基作用于机体和线粒体本身, 使机体抗氧化能力减弱, 同时降低了线粒体和机体清除自由基的能力, 从而引起疲劳。此外, 运动状态下线粒体质子漏水平的变化、线粒体内膜外膜功能改变以及运动状态下线粒体途径相关的细胞凋亡都对机体运动功能有不同程度的作用及影响。由此可见, 线粒体在运动性疲劳的产生和消除中都有十分重要的作用。由于疲劳的理论有很多, 目前对疲劳的起因没有统一确定的结论, 以上是关于主导地位的疲劳理论与线粒体功能的探讨, 对线粒体与运动性疲劳之间全面、确切的相互作用还需要作进一步的研究和探讨。
摘要：在有关运动性疲劳的理论中占主要地位的“衰竭学说”、“内环境稳定性”失调学说、“自由基”学说都与机体线粒体功能有密切的关系;线粒体具有摄取、释放、调节胞浆Ca2+浓度的作用, 从而影响ATP合成、ATP酶的功能、肌肉收缩机能;力竭运动自由基增多和脂质过氧化加强通过黄嘌呤氧化酶途径、线粒体呼吸链途径和自由基防御系统受损途径, 作用于线粒体从而引起疲劳;对运动性疲劳与线粒体功能作一综述。