基于生物節律對運動訓練影響的分子學機制及新視點研究

陳 梅（長安大學 陜西 西安 710064）

基于生物節律對運動訓練影響的分子學機制及新視點研究

陳 梅（長安大學 陜西 西安 710064）

體內的晝夜節律是由機體的內源性生物鐘驅動的，該生物鐘與許多生理和行為的過程有關，如睡眠-覺醒周期、體溫波動、激素水平等。本文主要綜述了生物節律的概念、發生的機制以及對運動訓練影響的分子生物學機制，以期為教練員運動中準確把握和利用生物節律，科學地安排、控制和調整訓練計劃提供理論依據。

生物節律 運動訓練 分子生物學 基因表達

1、生物節律概述

1.1、概念與分類

節律性是生命活動的基本特征之一，是生物在漫長的進化過程中適應自然界周期變化的結果。在生物體內，存在著一種類似時鐘的機構，調節著動物行為和生理變化的節律，生物學上把這種現象稱為生物節律。生物節律是存在于生物體內各個層次，從微觀的脫氧核糖核酸的復制和轉錄、酶的催化的生物化學反應，到細胞、組織、器官的生長與恢復以及人體機能活動都呈現出周期性的變化規律。人體的生物節律可按頻率高低分為高頻節律、中頻節律及低頻節律三類。（1）高頻節律：指節律周期短于一天的節律，如心電圖的變化周期、呼吸的變化周期等；（2）低頻節律：指節律周期長于一天的節律，它包括日節律、月節律和年節律：①日節律又稱日周期。以24小時為周期的節律，通稱晝夜節律（如體溫、血壓、血細胞數、糖皮質激素、代謝水平等均呈晝夜節律變動）。②月節律。約29．5天為一期，主要反映在動物動情和生殖周期上。③年節律。動物的冬眠、夏蟄、洄游，植物的發芽、開花、結實等現象均有明顯的年周期節律；（3）中頻節律：指節律周期為24小時的節律，即日周期，它是一種重要的生物節律。

1.2、生物節律的構成

生物節律的構成可包括兩方面：一是生物固有節律，即生物體本身具有的內在節律。二是生物節律受到自然界、環境變化的影響而能與環境同步。我們可以利用這一特點，調整人體某些功能的周期位相，為運動訓練服務。據研究，下丘腦存在有控制生物節律的中心。生物節律這一機體功能活動的特征，使機體對環境的變化能作出更好的前瞻性適應。如日周期可使機體生理功能根據晝夜變化有序地進行。了解生物節律知識的重要的生理意義在于使生物機體能更好地適應外環境的變化。

1.3、生物節產生的分子機制

就目前最新研究表明，下丘腦中的視交叉上核是形成生物節律的主要結構。關于生物節律分子機制的觀點。一種觀點認為，生物鐘基因是一種正常的持家基因（house-keepinggene），在所有細胞中都能進行常規表達，并為晝夜的生命活動提供基本功能。當這部分基因被激活后，就形成產生晝夜節律的調節網絡。這種觀點的證據，是許多生物分子的周期性變化都與晝夜節律有關，而不僅僅是某一種生物分子或生物過程由生物鐘調節或啟動。另一種觀點認為，晝夜節律由一種或幾種專一的、不同于持家基因的元件組成，這個元件的主要功能就是產生晝夜節律。這個觀點認為，存在著啟動和維持生物鐘的特定的基因。雖然還沒有證據表明，晝夜節律不是持家基因的次級結果，但越來越多的研究提示可能存在一系列專門的晝夜節律基因。無論晝夜節律以何種形式存在，它在幾乎所有的動物中發揮著重要的生物學功能則是毫無疑義的。

2、生物節律對運動訓練的影響及其機制

2.1、應激軸與生物節律

下丘腦-垂體-腎上腺軸（HPA）在機體在運動過程中起著重要的作用，它是機體感知內穩態失衡威脅時的反應部位，由下丘腦、垂體、腎上腺皮質組成，其功能結構是一個經典的神經內分泌環。同時，它對免疫功能亦有很大影響，如糖皮質激素具有免疫抑制的作用。HPA軸分泌的激素均呈現晝夜節律性，促腎上腺皮質激素釋放激素（CRH）、促腎上腺皮質激素（ACTH）和糖皮質激素的最高濃度出現在早上6點到8點，以后逐漸減少，最低濃度出現在夜間10點至凌晨2點，以后逐漸增加，這一節律與松果體褪黑素（MLT）恰恰相反，提示MLT和HPA軸之間可能存在一定的聯系，并且很多學者在研究中也證實了二者之間的了聯系，因此HPA軸很可能是松果體MLT調節免疫功能所經由的一個重要途徑。這就提示在運動訓練過程中，要盡量安排在HPA軸分泌的高峰期，這樣可以為運動訓練過程中保持能量供應和內環境的穩定以及運動后的恢復提供保證。

2.2、交感-腎上腺系統與生物節律

交感—腎上腺系統的主要機能是動員機體的能量貯備和機能能力，而人體正是依靠能量供應才能進行肌肉活動，即交感—腎上腺系統興奮，可使肝糖元迅速動員分解，以滿足人體活動的能量需要，而腎上腺皮質激素分泌量在24小時中是有節律的，在每天凌晨4時開始增多，上午8時達到高值，以后逐漸下降，到凌晨4時達到低值，這就提示，在進行短時間較大強度負荷訓練后，短時間休息比長時間休息效果好，比長時間的集中訓練后，長時間休息效果更好。

不過從各種生物節律綜合看，一個人一天中會出現兩個機能高潮，一個是上午9-11時，9時活動性提高；10時注意力和記憶力達到高峰，精力充沛，處于最佳運動狀態，最宜工作訓練；11時心臟依然努力工作，人體不易疲勞。另一次是在下午17-18時，17時工作效率更高，運動員的運動量可以增加，甚至可以加倍；18時體力和耐力達到最高峰。除了全天生理機能周期變化外，很多科學家還發現，人體最佳工作持續時間是90-100分鐘，工作這樣一段時間后就應該進行短時間休息，研究者將其稱為“工作—休息周期”。這樣既能使訓練刺激對肌肉、循環和呼吸系統發生作用，也能根據節奏促進人體的恢復過程，緩解疲勞，積蓄下一次訓練時所需的體力。

2.3、受體酪氨酸激酶與生物節律

受體酪氨酸激酶（receptortyrosinekinase，RTKs） RTKs是最大的一類酶聯受體，它既是受體，又是酶，能夠同配體結合，并將靶蛋白的酪氨酸殘基磷酸化。酪氨酸激酶2（PYK2）是骨祖細胞和骨形成的一種關鍵性調節物。PYK2可以促進破骨細胞功能和活動，降低破骨細胞活動，維持骨水平。但是，當前的研究顯示破骨過程不需要PYK2，PYK2的抑制實際上促進骨形成。目前發現受體酪氨酸激酶在生物節律中主要作用于兩方面：一是在細胞內直接通過磷酸化作用調節Per等節律基因蛋白，影響其核定位和基因表達；另一方面就是與中樞核團視交叉上核（SCN）的節律細胞活性的GABA、受體有時間節律地形成復合體，從整體影響機體的生物節律。因此，針對與青少年運動員，要充分利用受體酪氨酸激酶對生物節律的調節作用來促進骨的分化和生長。

3、研究展望

生物節律是生物體最普遍的一種節律，它的失調必然導致疾病。隨著現代時間生物學在體育運動中的廣泛應用，人們越來越注重用科學的生物節律理論與方法，但是人類對晝夜節律的完全認識還有很長一段路程。目前，對晝夜節律的研究資料多來自動物，那么作為運動員，他的機制是否與動物完全一樣？運動員自身生物學改造過程的有效性，除取決于整個機體生活制度和訓練安排，還取決于人體生理過程的自然節律。因此，研究生物節律是如何從整體上調節各組織器官的？有哪些基因參與晝夜節律的調節？調節的生物化學基礎是什么？另外，一些生理指標如心率、呼吸功能和耗氧量、血壓大體同體溫的生理節律變化同步，但血糖、肝糖、紅細胞與白細胞的數量以及血中氨基酸含量等盡量都具有24小時的節律變化，但這些因素并非完全同步，所以在運動訓練中怎樣運用這些因素的綜合效應，更合理地安排訓練計劃還有待于進一步探討、研究。這些問題的解決，可使機體對外環境變化能作出前瞻性適應，使人體的生理功能和運動能力能在特定的時間內得到最好的表現。這將對運動訓練過程實施科學監控，減少和避免運動損傷，提高運動訓練效果和成績提供更有力的保證。

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