高強度運動對氧化-抗氧化內穩態的提升

劉剛，潘華山，彭貽海，馮毅翀，劉承宜37

（1.廣州中醫藥大學 體育健康學院，廣東 廣州 510006；2.華南理工大學 體育學院，廣東 廣州 510641；3.華南師范大學 激光運動醫學實驗室，廣東 廣州 510006）

高強度運動對氧化-抗氧化內穩態的提升

劉剛1，潘華山1，彭貽海2，馮毅翀1，劉承宜327

（1.廣州中醫藥大學 體育健康學院，廣東 廣州 510006；2.華南理工大學 體育學院，廣東 廣州 510641；3.華南師范大學 激光運動醫學實驗室，廣東 廣州 510006）

為了探討高強度訓練對SD大鼠OAH品質的提高，將30只SD大鼠隨機分為訓練干預組與安靜對照組。訓練干預組以坡度10%、28 m/min、每次60 min、每天1次、每周5 d條件下于跑臺上運動8周；安靜對照組不施加運動干預措施。在最后一次訓練結束72 h即刻進行腓腸肌與血清的取材。檢測指標為骨骼肌與血清的丙二醛(malondialdehyde，MDA)、總超氧化物歧化酶(total super oxide dismutase，TSOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)和還原型谷胱甘肽(reduced glutathione，RGSH)。結果發現：骨骼肌與血清中的RGSH含量和TSOD活性顯著性增高；MDA在血清中顯著性降低，但在骨骼肌中顯著性升高；CAT活性在血清中顯著性增高，但在骨骼肌中不變。實驗表明：高強度訓練能夠實現SD大鼠OAH升級。

運動生物化學；氧化還原；內穩態；高強度運動；大鼠

內穩態是生理學[1]和功能醫學[2]的經典概念之一，但表征方法的缺乏妨礙了廣泛深入的應用。劉承宜等人[3-8]將穩定內環境的內穩態發展為穩定功能的功能內穩態(function-specific homeostasis，FSH)。FSH是維持功能充分穩定發揮的負反饋機制。FSH可以抵抗低于閾值的干擾，但超過閾值的應激(FSH-specific stress，FSS)則會打破 FSH[9]。氧化還原是生物系統的一種功能，其充分穩定的發揮由氧化-抗氧化內穩態(oxidant-antioxidant homeostasis，OAH)來維持[10]。運動會引起活性氧(reactive oxygen species，ROS)水平的增加[10]，運動強度越大，所產生的ROS水平越高。運動強度可以根據Bedford[11]的最大攝氧量模型確定。運動強度超過 90%最大攝氧量為高強度運動，運動強度相當于60%～70%最大攝氧量為中等強度運動。中等強度運動引起的ROS水平增加低于OAH的干擾閾值，只能暫時干擾OAH，但隨后會重新恢復。前文發現，中等強度運動后即刻 ROS水平和抗氧化酶活性都有顯著提高，但72 h后就恢復到安靜組的水平[12]。本工作研究高強度運動對OAH的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象與分組

5月齡無特定病原體(specific pathogen free，SPF)級雄性 Sprague-dawley(SD)大鼠 30 只(實驗動物使用許可證號：SYXK(粵)2008-0085，廣州中醫藥大學實驗動物中心，體重180～220 g)。隨機分為安靜對照組與運動干預組，每組15只，常規分籠喂養，自由飲水進食，動物室內溫度21～24 ℃，相對濕度40%～55%，室內空氣流通，光照時間l2 h。所有動物實驗前均未進行過跑臺跑運動。動物的處置符合山內鐘平[13]所著《實驗動物的環境與管理》要求。廣州中醫藥大學動物實驗中心相關教師認為該實驗方案符合動物倫理學[14]要求。

1.2 運動干預方式

安靜對照組: 正常生活狀態，不進行運動訓練；運動干預組大鼠運動條件為坡度10%、速度28 m/min，每次60 min，每天1次，每周訓練5 d，共進行8周訓練。在運動干預的第1、2和9天對運動干預組3、7、11和12號大鼠使用過聲音和毛刷刺激方法刺激大鼠跑動。造模運動過程中7和9號大鼠死亡。

1.3 動物取材和標本制備

實驗動物8周訓練結束后72 h安靜狀態下處死。于大鼠左后肢相同部位腓腸肌取2塊骨骼肌，約6 g

實驗數據均采用SPSS16.0 統計軟件進行處理，所有數據均以均數±標準差(±s)表示，采用單因素方差分析進行各組間的差異顯著性檢驗，顯著性水平為P<0.05。左右，用4 ℃生理鹽水清洗，濾紙吸干，立即放入清潔干燥密閉小瓶中，-20 ℃保存備用。

實驗動物8周訓練結束后，安靜對照組、運動干預組在最后1次訓練結束72 h后安靜狀態下處死摘眼球采血后于室溫下凝固，凝固后用竹簽沿試管四周壁輕輕剝離血塊，使血清盡快析出，然后于低溫冷凍離心機3 000 r/min離心15 min，傾出血清低溫保存備用。

1.4 實驗儀器與試劑

ZH-PT動物實驗跑臺(淮北正華生物儀器設備有限公司)、JJ-1型組織研磨機(深圳天南海北公司)、TDL-5-A 型低速離心機、722分光光度計(上海精密科學儀器公司)；丙二醛(malondialdehyde，MDA)試劑盒、總超氧化物歧化酶(total superoxide dismutase，TSOD)試劑盒、還原型谷胱甘肽(reduced glutathione，RGSH)試劑盒和過氧化氫酶(catalase，CAT)，試劑盒均為南京建成生物工程研究所提供。RGSH測定以二硫代二硝基苯甲酸與巰基化合物反應，能產生黃色化合物而比色定量。

1.5 活性氧和抗氧化酶活性測定

MDA、TSOD、RGSH和 CAT各項指標均嚴格按試劑盒使用說明書進行操作。

1.6 統計學分析

2 結果及分析

表1和表2總結了本研究的實驗結果。由表1可知，與安靜對照組比較，運動干預組骨骼肌TSOD活性、RGSH質量分數均有升高(均P<0.05)，差異具有統計學意義；運動干預組較安靜對照組CAT活性略有升高，但差異無顯著性。MDA質量摩爾濃度運動干預組低于安靜對照組，差異具有顯著性 (P<0.05)。

表1 72 h后安靜狀態下各組大鼠骨骼肌氧化還原子系統變化(±s)

表1 72 h后安靜狀態下各組大鼠骨骼肌氧化還原子系統變化(±s)

1)與安靜對照組比較，P<0.05

組別 n只 b(MDA)/(nmol·mg-1) TSOD 活性/(U·mg-1) CAT 活性/(U·mg-1) w(RGSH)/(mg·g-1)安靜對照組 15 4.47±1.28 7873.55±437.96 854.23±76.09 7.87±3.93運動干預組 13 4.96±0.141) 8025.62±26.091) 817.36±92.17 8.44±4.011)

由表2可知，與安靜對照組比較，運動干預組血清TSOD活性升高，差異具有顯著性；RGSH質量分數顯著性升高(P<0.05)；運動干預組較安靜對照組CAT活性升高，差異具有顯著性。MDA質量摩爾濃度運動干預組低于安靜對照組，差異具有顯著性(P<0.05)。

表2 72 h后安靜狀態下各組大鼠血清氧化還原子系統變化(±s)

表2 72 h后安靜狀態下各組大鼠血清氧化還原子系統變化(±s)

1)與安靜對照組比較，P<0.05

組別 n只 b(MDA)/(nmol·mg-1) TSOD 活性/(U·mg-1) CAT活性/(U·mg-1) w(RGSH)/(mg·g-1)安靜對照組 15 6.58±0.32 5 548.75±884.69 1 079.11±32.24 23.66±1.78運動干預組 13 5.66±0.141) 5 725.62±726.091) 1 167.06±58.171) 31.58±0.181)

3 討論

3.1 內穩態訓練理論

運動員的主要 FSH為項目內穩態(sport-specific homeostasis，SpSH)。按照劉承宜等人[6-9，15-16]提出的內穩態訓練理論，大鼠的訓練分為3個階段，第1個階段是超常訓練(extraordinary training，ET)，打破 SpSH1，建立了SpSH2的必需子系統(SpSH2-essential subsystem，SES)的內穩態(SES-specific homeostasis，SESH)；第2階段是常規訓練(ordinary training，OT)前期(OTA)，維持 SESH，建立 SpSH2的非必需子系統(SpSH2-non-essential subsystem，SNS)的內穩態(SNS-specific homeostasis，SNSH)并進一步整合建立SpSH2；第3階段是OT后期(OTB)，維持SpSH2。SES包括項目必需的骨骼肌、神經元系統和氧化還原系統。SNS包括項目非必需的骨骼肌，神經元系統，氧化還原系統，植物神經，免疫、心理和精神系統等。本研究的腓腸肌OAH屬于SESH，血清OAH屬于SNSH。

血清氧化還原標志物的研究較多，骨骼肌氧化還原標志物研究較少，兩者同時研究的就更少了。本工作同時研究了血清和骨骼肌的氧化還原標志物，結果發現，血清和骨骼肌大部分氧化還原標志物的變化一樣，但MDA和CAT有區別。骨骼肌中CAT活性沒有變化，血清CAT活性增加。骨骼肌中MDA上升，但血清MDA下降。前人也有運動不能引起骨骼肌CAT活性變化的報道。Higuchi等人[17]的人體實驗研究了運動對骨骼肌的影響。他們發現，將線粒體酶活性增加2～3倍的運動可以增加線粒體超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性，但不能改變CAT的活性。

3.2 內穩態品質

FSH的品質包括功能的復雜性和功能發揮的穩定性。負反饋機制所維持的穩定性越大，生物系統越復雜[18]。SpSH 可以用代謝組學[19]和功能核磁共振成像[20]來評價，OAH的品質由ROS的水平和抗氧化酶的活性來表征。本研究發現，8周高強度運動后72 h安靜狀態下，血清OAH高于對照組，MDA水平低于對照組，RGSH水平、CAT和TSOD活性則高于對照組；腓腸肌OAH基本上也高于對照組，雖然MDA水平高于對照組其CAT活性與對照組一樣，但RGSH水平和TSOD活性高于對照組。

無論是運動員，還是動物實驗，血液 OAH的研究較多。Dékány等人[21]將手球、水球和曲棍球的運動員分別與不運動的對照組進行了比較研究，發現運動員的血液 OAH的品質高于對照組，而且不同運動項目的運動員也各不相同。他們發現，運動員的SOD、谷胱甘肽過氧化酶(glutathione peroxidase，GPX)和CAT活性高于對照組，而且SOD活性與GPX活性呈正相關。Teixeira等人[22]對優秀運動員的研究發現，雖然SOD活性高于對照組，但總的抗氧化能力低于對照組。他們的進一步研究發現，血清的肌酸激酶高于對照組。

對骨骼肌OAH的研究較少。Higuchi等人[17]對人體運動適應的研究發現，可以將骨骼肌線粒體酶活性增加2～3倍的運動可以增加骨骼肌線粒體SOD活性，但不能改變CAT的活性。Sen等人[23]發現，獵兔犬55周和Wistar大鼠8周的耐力運動可以增加骨骼肌GPX活性。

本研究同時測定了血清和骨骼肌的MDA與RGSH水平和TSOD與CAT活性，發現高強度運動對這兩種OAH的提升是有區別的。

3.3 運動應激

FSH可以抵抗低于閾值的干擾，但超過閾值的應激(FSH-specific stress，FSS)則會打破 FSH[9]。FSS 也是生物系統的一種功能，存在相應的內穩態(FSS-specific homeostasis，FSSH)。遠離FSSH的FSS稱為不成功應激，只能破壞FSH。處于FSSH的FSS稱為成功應激，在打破FSH1之后能夠建立FSH2。本研究發現，8周高強度運動將低品質的OAH1提升為高品質的OAH2。顯然，8周高強度運動是一種成功的運動應激。

不成功應激會影響OAH。優秀運動員的血清SOD活性雖然高于對照組，但血清總的抗氧化能力低于對照組，其原因在于血清的肌酸激酶高于對照組[22]。這說明損傷會影響OAH。急性運動或遞增負荷沒有足夠的時間產生運動適應，其運動損傷也會影響OAH。李暉等[24]發現，遞增負荷運動只能干擾腎臟 OAH，SOD和MDA分別在運動后4和8 h就恢復到對照組的水平。Jimenez等人[25]研究了遞增負荷對心臟移植患者(heart transplant recipient，HRT)和耐力訓練健康對照組(endurance-trained healthy，age-matched control subject，HC)的影響。他們發現，HRT的紅細胞GPX活性低于HC，但紅細胞SOD高于HC。他們進一步發現遞增負荷不影響血漿MDA和GPX。Elokda等人[26]發現遞增負荷后60 min GSH就可以恢復。

此外，現有國內的一些遞增負荷研究因為沒有設計安靜對照組無法得到比較肯定的結論。本研究的另一個實驗特色是設計了安靜對照組，首次發現 SD大鼠高強度運動可以提升OAH的品質。

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Enhancement of oxidation–antioxidation homeostasis by high intensity exercising

LIU Gang1，PAN Hua-shan1，PENG Yi-hai2，FENG Yi-chong1，LIU Cheng-yi3
（1.School of Physical Education and Health，Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510006，China；
2.School of Physical Education，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China；
3.Laboratory of Laser Sports Medicine，South China Normal University，Guangzhou 510006，China）

In order to probe into the enhancement of the quality of oxidant-antioxidant homeostasis (OAH) by high intensity exercising, the authors divided 30 SD rats randomly into a training intervention group and a calm control group. The rats in the training intervention group ran on a treadmill for 8 weeks under such conditions as 10% slope,28m/min, 60min/time, 1 time/day, 5 days/week, while no exercising intervention measure was taken for the rats in the calm control group. Gastrocnemius muscle and blood serum were sampled at 72h after the last round of training.The test indexes were malondialdehyde (MDA), total superoxide dismutase (TSOD), catalase (CAT) and reduced glutathione (RGSH) in skeletal muscle and blood serum. The authors revealed the following findings: the content of RGSH and the activity of TSOD in skeletal muscle and blood serum increased significantly; MDA decreased significantly in blood serum, but increased significantly in skeletal muscle; the activity of CAT increased significantly in blood serum, but remained unchanged in skeletal muscle. The experiment indicated that high intensity training can realize the enhancement of OAH of SD rats.

sports biochemistry；redox; homeostasis；high intensity exercising；rats

G804.7

A

1006-7116(2012)02-0138-04

2011-08-25

廣東省科技廳科技計劃項目(2006B35604006)；國家自然科學基金(60878061)。

劉剛（1983-），男，助教，碩士，研究方向：運動療法研究。