一氧化氮對運動的應(yīng)答及其運動生理效應(yīng)

葛 鴻

(黑龍江大學(xué)體育部,黑龍江 哈爾濱 150080)

自一氧化氮首次被發(fā)現(xiàn)在生物體內(nèi)可發(fā)揮信號傳遞作用,后逐漸被證實其是體內(nèi)重要的信使分子和效應(yīng)分子并被《Science》評為 1992年“年度分子”以來,其生物學(xué)意義受到越來越多的重視[1]。國內(nèi)外關(guān)于 NO對人體影響等方面的研究較多,其中 NO對系統(tǒng)間的生理、病理作用是目前生命科學(xué)的研究熱點問題。但是關(guān)于 NO對運動的應(yīng)答情況及其在運動生理學(xué)的相應(yīng)研究較少。基于此,本文對近年來 NO與運動的關(guān)系之研究成果作一綜述。

1 NO的生物合成與主要生理功能

NO實質(zhì)上是一種氣體自由基,化學(xué)性質(zhì)比較活潑。目前證實的 NOS同工酶有三種,一是神經(jīng)原型(nNOS),參與神經(jīng)分泌、神經(jīng)發(fā)育以及學(xué)習(xí)記憶等過程;二是內(nèi)皮型(eNOS),它能夠維持血管舒張、調(diào)血壓及抑制血小板聚集;三是誘導(dǎo)型(iNOS)。神經(jīng)原型(nNOS)和內(nèi)皮型(eNOS)合稱為結(jié)構(gòu)型 NOS(cNOS)。其活性依賴于鈣離子及鈣調(diào)蛋白,受胞漿內(nèi)鈣離子濃度的調(diào)節(jié),在細(xì)胞中表達(dá)呈現(xiàn)低水平,其催化生成的量較少,持續(xù)時間較短,但接受刺激后非常迅速[2]。誘導(dǎo)型 NOS存在于平滑肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞等中,可被 TNF-α等各種應(yīng)激所誘導(dǎo),無依賴性。在神經(jīng)系統(tǒng)方面,小腦、下丘腦及延髓中均含有 NOS。在調(diào)節(jié)心血管功能方面,NO可以使血管擴張、降低血壓、抑制血管中平滑肌細(xì)胞的增殖及阻礙血小板的聚集[3]。除此之外,NO還能夠?qū)σ恍┢鞴俚难髁窟M行有效的調(diào)節(jié)。在機體免疫系統(tǒng)中,NO在較低濃度的情況下起到保護細(xì)胞的作用,并參與機體防御機制,但體內(nèi)產(chǎn)生過多 NO時,會激活大量巨噬細(xì)胞并導(dǎo)致周圍組織的損傷。此外,NO還能有效地調(diào)節(jié)骨骼肌攝取氧以及促進其攝取和利用葡萄糖。

2 NO對運動的應(yīng)答和對運動系統(tǒng)的影響

NOS的三種同工酶在骨骼肌中均有表達(dá),以 nNOS為主,其次是 eNOS,iNOS僅在特殊條件下被誘導(dǎo)表達(dá)。通過研究表明,快肌纖維中能夠優(yōu)先表達(dá)的是 nNOS,而 eNOS則大部分分布在基質(zhì)和線粒體膜中,因此,含有豐富線粒體的慢肌纖維中含量較多,也與運動最為相關(guān)。NO可通過調(diào)節(jié)肌肉血流量與內(nèi)分泌因素間接影響骨骼肌,也能直接促進骨骼肌松弛。

2.1 急性運動對 NO代謝的影響

目前運動生理學(xué)研究的專家普遍認(rèn)為,是急性運動激活骨骼肌,從而促使 NO生成量的增加。Bode-Boger等通過實驗觀察耐力與非耐力運動員尿硝酸根中發(fā)現(xiàn),兩組受試者經(jīng)過最大功率的亞極量強度運動25min后,NO生成量均增加。Jungersten等也發(fā)現(xiàn) ,經(jīng)過2h的功率自行車運動后 ,運動員和常人血漿硝酸根離子濃度較靜息時均有明顯升高(P＜0.01),據(jù)此認(rèn)為,短期的急性運動促進 NO生成的急劇增加。

2.2 長期運動訓(xùn)練對 NO代謝的影響

研究結(jié)果顯示,長時間的運動鍛煉能夠促使 NOSmRNA上調(diào),同時增加骨骼肌和內(nèi)皮內(nèi) NO的生成能力。Kingwell等在試驗中讓15名身體健康男子進行為期4周的自行車訓(xùn)練,結(jié)果發(fā)現(xiàn):受試者前臂 NO生成的基礎(chǔ)量都有所增加。

2.3 力竭性運動對 NO代謝的影響

目前國內(nèi)外對該內(nèi)容研究很少,對其機制很模糊。要弄清力竭運動對體內(nèi) NO的代謝情況,尚需更多有針對性的實驗來證實。

3 NO對肌肉能量代謝的影響

3.1 NO對骨骼肌攝氧與耗氧的調(diào)節(jié)

目前很多實驗顯示,NO能夠有效地促進運動中氧攝入量和氧耗增加。在 Shen等的研究也證明 NO具有降低血管平滑肌細(xì)胞或肝實質(zhì)細(xì)胞氧耗的功效[4]。通過上述研究表明,在 NOS活性受到抑制的情況下,NO生成自然減少 ,導(dǎo)致骨骼肌及一些相應(yīng)器官在運動時可能產(chǎn)生更大量的氧耗,從而降低工作效率,研究發(fā)現(xiàn),NO可能具有調(diào)節(jié)機體運動性疲勞的作用。

3.2 NO與骨骼肌葡萄糖轉(zhuǎn)運

對于 NO對葡萄糖轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)的研究學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為,NO能夠促進葡萄糖轉(zhuǎn)運進入骨骼肌細(xì)胞,并且此作用可被L-NMMA所抑制。有學(xué)者認(rèn)為,NO促葡萄糖轉(zhuǎn)運是依賴于血流量的增加而實現(xiàn)的。對此說法 Bradley等人和 Kingwell等所進行的相關(guān)實驗研究都予以否定。McConell等(2006)認(rèn)為,通過動物實驗得出的相關(guān)結(jié)果雖存有一定的爭議,但是對于人類而言,NO在運動中對于骨骼肌葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)作用則已普遍得到認(rèn)同。

4 NO對肌肉血流量及收縮功能的影響

4.1 運動中 NO的變化及對血液重布的調(diào)節(jié)

通過 Hirai等的實驗證實,NO對于骨骼肌及其他器官系統(tǒng)的血流調(diào)節(jié)具有重要作用,但目前針對 NO在運動中調(diào)節(jié)血流重新分布作用的研究至今還沒有定論。多數(shù)學(xué)者認(rèn)同運動引發(fā)體內(nèi) NO含量增多,可直接作用于血管平滑肌而舒張血管,該效應(yīng)對穩(wěn)定機體血壓恒定有重要作用。特別是 NO在恢復(fù)期具有非常重要的作用。

4.2 NO對骨骼肌收縮功能的調(diào)節(jié)

學(xué)術(shù)界就 NO影響骨骼肌收縮功能還尚存一定的爭議。Kobzik等、El-Dwairi等、Perkins等均在相關(guān)實驗中得出NO具有抑制骨骼肌收縮,降低肌肉最大收縮速度及輸出功率[5]。筆者綜合分析認(rèn)為,研究結(jié)果不一致可能與具體的實驗對象、方法及控制等混雜因素有關(guān)。故 NO對骨骼肌收縮功能的調(diào)節(jié)作用尚需進一步研究。

5 運動引起 NO變化情況對某些疾病和細(xì)胞凋亡的影響

研究表明,中等強度運動可增加胸主動脈 cNOS活性,這可能是運動改善心血管功能的機制之一。適度運動還增加免疫細(xì)胞 iNOS的活性,一定程度增強機體免疫機能。此外還發(fā)現(xiàn)炎癥關(guān)節(jié)的軟骨細(xì)胞及滑膜成纖細(xì)胞中有大量 NO生成,其中以 iNOS催化為主 ,推測 NO與炎癥有關(guān),但其機制尚不清楚。Niess(2002)研究了24名男性耐力訓(xùn)練后體內(nèi) iNOS mRNA的表達(dá),發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練組 iNOS mRN A水平較對照組低,從而推測適度訓(xùn)練可能減少關(guān)節(jié)炎癥而導(dǎo)致 NOS mRNA表達(dá)上升。Kuru等(2002)發(fā)現(xiàn)服用 NOS抑制劑造成的高血壓大鼠經(jīng)≥4周的踏車或跑臺訓(xùn)練后,肌肉亞硝酸含量和 NOS活性增加,血壓降低。此外,NOS對關(guān)節(jié)炎因子有抑制作用,NO既可促進細(xì)胞凋亡也可抑制細(xì)胞凋亡。Albina(1993)首次報道了 NO的促細(xì)胞凋亡效應(yīng)。Mannick等(1994)等報道 B細(xì)胞中生成的 NO對細(xì)胞凋亡有抑制作用,后來證實 NO在體內(nèi)外可抑制不同刺激誘發(fā)的心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的發(fā)生。這種“雙向”作用,主要是因為 NO參與了多種生理功能的調(diào)節(jié)過程,且對細(xì)胞膜有很強的穿透能力,可對細(xì)胞凋亡的多個環(huán)節(jié)發(fā)揮作用[6]。總的說來,NO在對某些疾病和細(xì)胞凋亡方面的研究起步稍晚,有著非常廣闊的研究空間。

6 小結(jié)

通過研究表明:NO能夠?qū)C體運動產(chǎn)生很大的影響。它能夠擴張骨骼肌血管,使代謝性骨骼肌血流量得到提高,減少了骨骼肌的氧耗,從而促進了葡萄糖在骨骼肌細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運。無論訓(xùn)練時間長短,都會促進 NO合成的增多,短時間急性運動可使 NO合成急性增多,持續(xù)的運動訓(xùn)練可使NOSmRN A表達(dá)上調(diào),增加內(nèi)皮和骨骼肌生成 NO的能力。其中血管切應(yīng)力增大的刺激和搏動性血流是 NO合成的主要因素。研究還發(fā)現(xiàn),NO對運動肌血流量的調(diào)節(jié)機理、NO對骨骼肌收縮的調(diào)節(jié)原理等以及 NO與運動防病和細(xì)胞凋亡的作用機理及機制將成為運動醫(yī)學(xué)的未來研究熱點。

[1]Albina J E,Cui S,Mateo R B,et al.Nitric oxide-mediated apoptosis in murine peritoneal macrophages[J].J.Immunol.,1993,150(11):5080-5085

[2]Bode-Boger S M,Boger R H,Schroder E P,et al.Ex ercise increases systemic nitric oxide production in men[J].J Cardiovasc Risk,1994,1(2):173-178

[3]Bradley S J,Kingwell B A.Mcconell G K.Nitric oxide synthase inhibition reduces leg glucose uptake but not blood flow during dynamic exercise in humans[J].Diabetes,1999,48(9):1815-1821

[4]Forstermann U,Gorsky L D,Pollock J S,et al.Regional distribution of EDRF/NO- synthesizing enzyme(s)in rat brain[J].Biochem Biophys Res Commun,1990,168(2):727-732

[5]Green D J,Cable N T,Fox C,et al.Modification of forearm resistance v essels by exercise training in young men[J].J Appl Physiol,1994,77(4):1829-1833

[6]Green D J,O'driscoll G,Blanksby B A,et al.Control of skeletal muscle blood flow during dynamic exercise: contribution of endothelium-derived nitric oxide[J].Sports Med,1996,21(2):119-146