實驗性高海拔對犬SDH、LDH活性與骨骼肌超微結構的影響及其運動學意義

賈 磊 聶秀娟 方 梅

(1.黃山學院體育系,安徽黃山 245041;2.甘肅農業大學動物醫學院,甘肅蘭州 730070)

實驗性高海拔對犬SDH、LDH活性與骨骼肌超微結構的影響及其運動學意義

賈 磊1聶秀娟1方 梅2

(1.黃山學院體育系,安徽黃山 245041;2.甘肅農業大學動物醫學院,甘肅蘭州 730070)

通過對實驗性不同海拔地區犬心肌、骨骼肌中SDH、LDH含量及其骨骼肌超微結構特點進行的比較研究,結果發現適度高原低氧環境誘導SDH活性顯著增強,骨骼肌纖維糖原的積累和線粒體功能增強。并且對LDH酶的活性也有一定的促進作用。其運動學的意義在于適度的高原低氧環境訓練對耐力運動項目及短距離的項目均有積極的意義。

犬;高原缺氧環境;SDH;LDH;線粒體;肌糖原

氧是機體進行新陳代謝和維持生存的必要條件,足夠的氧供和能源物質是保證運動和提高運動能力的必要條件。而高海拔地區低氧環境與運動時造成的組織缺氧和能源物質消耗在生理機制上有很多相似之處[1-6]。因此,探討動物肌肉對不同海拔環境的生理響應不僅有重要的生物學意義,而且對研究競技體育和運動能力的提高也有特殊的理論與現實意義。本文對實驗性不同海拔地區犬(Canis familiaris)心肌、骨骼肌中琥珀酸脫氫酶(Succinate dehydrogenase,SDH)、乳酸脫氫酶(Lactate dehydrogenase,LDH)的含量及其骨骼肌超微結構特點進行了比較研究,并對其運動學意義進行了探討。

1 材料與方法

1.1 實驗動物分別從甘肅省蘭州地區(海拔1700m)購買臨診健康成年實驗犬16只(雌雄兼有),實驗性觀察喂養1周,各項生理指標均正常后隨機分A、B兩組,每組8只犬。A組犬被送往青海省煌中縣畜牧站(海拔高度2800m)飼養3月,B組犬在蘭州繼續飼養3月,兩組犬除海拔高度等環境影響因素外,其它飼養條件相同。實驗結束后,分別經股動脈放血致死后,立即剖檢、取材。按要求每例犬分別采取心肌和右側臀中肌(骨骼肌)數塊,液氮中凍存待用。同時,采取右側臀中肌(骨骼肌)電鏡材料。

1.2 儀器與試劑多功能免疫分析系統(Wallac 1420芬蘭),JEM-100CX透射電子顯微鏡(日本),紫外線分光光度計(美國Beckman DU-640),半自動生化分析儀(Rayto公司,德國),電子天平(瑞士產AB2042E),普通離心機(北京醫用離心機廠,LD422),低溫離心機(上海安亭科學儀器廠),超聲波清洗儀,恒溫水浴鍋(KS648)。LDH與SDH活性測定試劑盒(南京建成生物工程研究所,批號:20051028;20061062)。OLY MPUS BX-UCB/BX61型圖像分析系統。

1.3 電鏡觀察取新鮮犬右側臀中肌(骨骼肌)1mm3組織數塊置于2%戊二醛固定液中,在4℃下固定1-2h,然后用緩沖液反復洗滌2-3h(中間換液3次),再加入1%鋨酸固定2h,經緩沖液沖洗3次,每次15min,各級酒精充分脫水,環氧樹脂(Epon-812)包埋,超薄切片機切片,鈾鉛染色。透射電鏡觀察、照相。圖片采用圖像分析系統測量、分析[7]。

1.4 LDH和SDH測定取液氮中凍存待用的心肌、臀中肌(骨骼肌)樣品,用4℃生理鹽水洗去血污,每項測定稱取1.0g濕組織,加入5mL 0.2mol/L的Tris-HCl緩沖液,pH7.3,研磨成勻漿,然后以10000r/min于4℃離心20min,取上清液。再分別采用相應試劑盒進行檢測,所有步驟嚴格按試劑盒要求操作。操作結束后分別采用紫外分光光度法、半自動生化分析儀及酶標儀檢測并計算LDH和SDH含量。

1.5 統計學處理數據均采用 F檢驗及均數t檢驗,應用SPSS 11.0軟件進行統計學分析,計算P值。

2 結果

2.1 心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH和LDH活力比較

不同海拔高度對犬心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH和LDH活力分析見下表。

從表1中可以看出,高海拔低氧環境條件下,誘導了犬心肌、骨骼肌 SDH和LDH的顯著升高(P＜0.01或 P＜0.05),但在心肌、骨骼肌之間SDH與LDH升高的程度不等。表明高海拔地區實驗犬體內有氧代謝明顯高于低海拔犬,呈顯著增強的趨勢。同時,高海拔低氧環境也刺激了機體LDH酶活性的增強,增強的幅度雖沒有SDH酶活性的增強幅度高,但也表現出對無氧糖酵解作用的加強。

表1 心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH、LDH活力分析(±s)(U/g prot)

表1 心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH、LDH活力分析(±s)(U/g prot)

兩組犬組間差異比較:＊ P＜0.05 ＊＊ P＜0.01

動物 n SDH LDH SDH/LDH(%)心肌 臀中肌 心肌 臀中肌 心肌 臀中肌B組犬(蘭州) 8 2171.32±245.05 1653.48±230.56 1681.53±273.54 1345.33±303.35 1.29 1.27 A組犬(青海) 8 2843.75±211.05＊＊ 1961.25±188.33＊ 2068.06±385.05＊＊ 1548.75±295.48＊ 1.38 1.23

SDH/LDH的比值是反映組織中有氧代謝狀況的重要指標,比值高表明組織有氧代謝旺盛和加強。從表中也能看出,來自實驗A組的犬,其心肌SDH/LDH的比值也明顯高于實驗B組犬。這也表明,高海拔地區低氧環境促使犬體內有氧代謝活動高于低海拔地區犬。同時,表中也反映出相同犬組中心肌有氧代謝活動普遍高于骨骼肌。

2.2 臀中肌(骨骼肌)超微結構特性比較

超微結構觀察表明,犬骨骼肌細胞(骨骼肌纖維)也為長柱狀多核細胞,肌漿內含有許多與細胞長軸平行的肌原纖維,每條肌原纖維又有數千條平行的肌絲組成,包括粗肌絲和細肌絲,A帶、M線、I帶及H帶等結構明顯的特征(圖1、2)。

兩組犬骨骼肌超微結構圖像分析顯示,來自實驗A組的犬其肌原纖維之間線粒體的數量明顯高于實驗B組犬(圖3)。并且在實驗A組的犬肌原纖維間還有更多的糖原顆粒和較多的脂滴,尤其是肌節周圍或Z帶附近更加突出(圖2、4),表明其肌糖元在肌細胞中的積累明顯增強。次級溶酶體在高海拔犬骨骼肌中也明顯活躍,數量增多,這對線粒體的新陳代謝有明顯的積極作用。此外,對骨骼肌纖維間毛細血管數量進行比較分析顯示,來自實驗A組的犬毛細血管數量及開放率均高于低海拔犬。

圖1 B組犬骨骼肌橫切

圖2 A組犬骨骼肌橫切

圖3 A組犬骨骼肌橫切

圖4 A組犬骨骼肌橫切

3 討論

3.1 適度低氧環境誘導了犬骨骼肌細胞有氧代謝酶(SDH)活性顯著升高,增加其有氧代謝能力

琥珀酸脫氫酶(SDH)作為線粒體的標志酶,是線粒體內氧化磷酸化的中心,是三羧酸循環中唯一摻入線粒體內膜的酶,它直接與呼吸鏈聯系,琥珀酸脫氫產生的FADH2可以轉移到酶的鐵硫中心,然后進入呼吸鏈,對細胞內已初步分解的物質繼續進行氧化分解,從而產生能量,以供細胞活動[8]。SDH是三羧酸循環的一個關鍵酶,其活性的高低及含量的多少影響著三羧酸循環的速度。SDH活性也是評定細胞有氧代謝供能的重要指標。急性缺氧時,SDH活性受到抑制,線粒體氧化磷酸化功能受阻,ATP生成減少[9],直接影響細胞的能量代謝和活動。但在閾值以內的持續缺氧,又可以刺激SDH的活性,使氧化磷酸化的功能和能量供應有所恢復,這也是疲勞恢復的機制之一。

本實驗結果表明:(1)SDH對低氧刺激有著高度的敏感性;(2)高海拔低氧環境刺激誘導了實驗A組犬骨骼肌細胞中SDH的顯著增加,說明隨著海拔高度的遞增變化(1700m-2800m),犬骨骼肌組織有氧氧化酶產生了適應性反應,以適應低氧環境中進行有效有氧氧化代謝及提供充足的能量供應;(3)機體在缺氧時,對心肌SDH活性的影響大于骨骼肌,這是因為心肌有氧代謝活動普遍高于骨骼肌。所以在同樣的缺氧條件下,心肌更易受到損傷。同時,糖的有氧氧化能力的提高,還有其更重要的意義。由于三羧酸循環不僅為糖代謝所獨有的代謝通道,這條通道的很多成員可以從非糖物質轉化而來,包括脂肪水解生成的甘油和脂肪酸,蛋白質水解生成的氨基酸等,均可通過其自身的代謝過程參與此通路,因此三羧酸循環能力的提高還有利于其他非糖物質的氧化[10]。所以,SDH活性不僅關系到動物對低氧環境能否適應,而且也決定著機體運動時能夠達到的最高工作強度及最長持續時間,對提高運動能力產生直接影響。

3.2 適度低氧環境也誘導了骨骼肌細胞無氧代謝酶(LDH)的增高,增加其無氧酵解能力

LDH是機體糖酵解供能系統的關鍵酶之一,催化丙酮酸加氫生成乳酸的可逆反應(無氧酵解的終末步驟)。在有氧條件下,LDH將乳酸轉化成丙酮酸,再經三羧酸循環徹底氧化,釋放能量供細胞代謝活動;在無氧條件下,LDH催化丙酮酸還原成乳酸,從而完成葡萄糖的無氧酵解過程,釋放少量ATP分子為缺氧組織在短暫缺氧時提供能量。它有五種同工酶,其中,肌型LDH(M-LDH)主要存在于骨骼肌內,對保證肌肉在短暫缺氧時仍能獲取ATP至關重要,體現了糖酵解系統供能能力[11]。所以LDH活力升高既有利供能,又可減少乳酸在肌肉中的積累。

實驗證實,實驗犬在適度高海拔低氧環境適應后,可誘導心肌、骨骼肌的LDH也相應的升高,表現出在低氧條件下無氧酵解作用的增強,并促使乳酸等中間代謝產物的清除。這與陳揚等2000年進行的無論大強度短時間運動,還是長時間運動后血清中LDH活性均有明顯增高的結論[12]基本一致。其機理可能是:(1)因為海拔升高,導致組織缺氧,引起酸性代謝產物堆積以及兒茶酚胺激素分泌增加,致使細胞膜通透性增加,使LDH漏出細胞膜;(2)在一定閾值內低氧刺激誘導了LDH活性的一定升高與SDH活性的顯著增強,使之達到一個新的動態平衡,保持生命活力。

3.3 適度低氧環境能有效的提高心肌細胞SDH/LDH比值,增強心肌細胞有氧代謝能力

LDH和SDH分別參與細胞內糖的無氧酵解和三羧酸循環,SDH與LDH比值可用來反應細胞中氧代謝狀況,比值高表明細胞有氧代謝旺盛。從實驗中可以看出實驗A心肌比值明顯高于實驗B組,表明適度高海拔低氧環境對犬心肌有氧代謝有明顯的促進作用。同時,A、B兩組骨骼肌的SDH/LDH比值差異不明顯,也說明心肌中有氧代謝占優勢。

4 小結

綜上所述,適度高原低氧環境誘導SDH的活性顯著升高,同時也使LDH酶的活性有一定程度的上升。并且實驗還觀察到骨骼肌纖維糖原積累、線粒體功能增強。其運動學意義在于適度的高原低氧環境訓練不僅對耐力運動項目有積極意義,而且對一些以速度和爆發力為主的運動項目也會產生較好的效果。

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Effects of Canis Familiaris’Activity of SDH,LDHand Muscular Ultrastructure in Experimental Highland Environment and Meaning of Sports

Jia Lei1,Nie Xiujuan1,Fang Mei2
(1.Department of P.E.,Huangshan University,Huangshan,245041,Anhui,China;2.College of Veterinary Medicine,Gansu Agricultural University,Lanzhou,730070,Gansu,China)

Through the comparative study for the content of SDH,LDHof myocardium and muscle and muscular ultrastructure of canis familiaris in different highland environment experimentally,the results showed that appropriate highland hypoxia environment could induce conspicuous enhancing of activity of SDH,accumulating of muscle glycogen and enhancing of function of mitochondria.Meanwhile,it could have considerable promotive action to the activity of LDH.Therefore,these effects manifested the appropriate highland hypoxia environment had positive significance for all sports that need powers of endurance and short distance in meaning of sports.

canis familiaris;highland hypoxia environment;SDH;LDH;mitochondrion;muscle glycogen

G804.2

A

1672-1365(2010)01-0060-03

2009-07-27;

2009-09-25

安徽省教育廳自然科學項目(K J2009B274Z)和黃山學院引進人才啟動項目資助(2008xskq013)。

賈磊(1971-),湖南人,博士,副教授,研究方向為運動分子生物學及運動生理學。