熊正英王小剛
《首都體育學院學報》2006年02期
【作者單位】：陜西師范大學運動生物學研究所
收稿日期：2005-10-19
作者簡介：熊正英(1952-)，男，陜西，教授，主要研究方向為運動生物化學與營養學；
王小剛(1976-)，男，陜西，研究生，主要研究方向為運動生物化學與營養學。
作者單位：陜西師范大學運動生物學研究所，陜西西安710062
【摘要】：
從自由基穩衡動態性這個全新的概念出發，介紹了科學的訓練和機體自身及外源性抗氧化劑和營養因素之間相互影響和協調對機體的影響，討論了它與運動之間的關系。
自由基普遍存在于機體內，它的作用是雙方面的，一方面哺乳類動物中需要NO合酶(NO synthase)的酶促反應產生的NO自由基，發揮其生理學作用，另一方面過多的自由基會對機體產生傷害。為了維持生命，生物體內的某些重要物質均有其穩衡性動態(homeostasis)，自由基按理也不應例外，在人機體內自由基的產生、清除、利用、損傷及其修復所需物質與能量均直接或間接來源于營養物質及其代謝物。本文就從自由基穩衡動態性這個基本概念出發，從訓練、營養、抗氧化劑等幾方面來闡述如何使運動員機體內自由基達到穩衡動態，從而使其運動能力達到提高。
1系統科學的訓練對自由基穩衡動態性的影響
1．1運動訓練自由基的產生
1978年Dillard等初次報道運動后出現過氧化物，而四年之后Davies等初次應用電子自旋共振技術(ESR)找到了運動誘發自由基生成增多的直接證據。目前關于運動產生自由基的機制包括線粒體機制、黃嘌呤氧化酶機制、中性粒細胞機制、前列腺素機制和鈣機制等。張勇等以遞增負荷力竭性運動為運動疲勞模型，以大鼠為實驗對象，利用化學發光法直接且定量觀察了大鼠力竭運動后肝臟、骨骼肌和心肌線粒體超氧陰離子自由基的變化。發現力竭運動后肝臟和骨骼肌線粒體超氧陰離子自由基生成顯著增高，這個實驗表明肝臟和骨骼肌線粒體呼吸鏈，電子傳遞過程中，電子漏形成的超氧陰離子自由基是運動性內源性自由基的主要來源。鄭紅英等以耗竭性游泳的小鼠為急性運動模型，采用熒光法直接且定量觀察到運動后心肌線粒體H2O2生成顯著增加，線粒體對氰化鉀的敏感性顯著下降，表明線粒體電子漏可能是心肌運動性內源自由基的主要來源。而自由基的增多是引起運動性疲勞的主要原因之一，還有很多證據表明自由基與肌肉損傷有關系。
1．2系統科學的訓練能促進自由基穩衡動態性的建立
系統科學的訓練能提高機體自身抗氧化防御能力，有學者對男性短跑和中長跑運動員以及普通學生進行研究，發現有一定訓練程度的運動員體內紅細胞中SOD含量及活力均明顯高于同齡中沒有接受系統訓練的男大學生。曹國華，陳吉棣比較國家集訓隊男運動員和同齡一般大學生運動員，發現他們停止訓練和劇烈運動至少后，國家隊運動員的細胞中MAD含量顯著低于大學生運動員，而SOD力和GSH-PX活力則顯著高于大學生運動員。程詠梅等以平均年齡為67歲，堅持每天跑1小時以后持續2年多的健身跑老年人，與同齡不參加健身跑老年人比較，發現前者紅細胞中SOD活力顯著高于后者。代毅等在實驗中發現大鼠游泳至力竭后，運動后即刻MDA、GSH-PX無明顯變化，SOD則顯著上升，他們認為運動激活了大鼠大腦組織抗氧化酶SOD的活性，加快了腦組織自由基清除的速率，減弱了因力竭運動而產生的自由基對大腦的損傷，因此研究者認為大腦組織有較強的抗自由基損傷的能力。曹國華、陳吉棣研究發現，受試者在一定負荷下全力登自行車30秒后，其紅細胞中丙二醛(MDA)含量不僅沒有上升，反而有所下降，而紅細胞中超氧歧化酶(SOD)活力及谷光甘肽過氧化物酶(GSH-PX)活力在無氧運動后均有顯著性增加，這提示一次急性無氧運動不會導致體內脂質過氧化程度的增強，產生不同的影響，而適度的耐力訓練不但抑制運動中及運動后自由基的產生，而且延長到達力竭狀態運動時間并延緩疲勞出現，同時可提高安靜狀態下機體抗氧化酶的活性，這可能是耐力運動增強了機體的氧化應激，抗氧化酶基因表達增強，誘導抗氧化酶活性升高所致。一般說來運動強度越大和/或每日運動持續時間越長，越有利于提高骨骼肌抗氧化能力，以有氧代謝為主的耐力訓練引起Ⅰ型和Ⅱa型肌抗氧化酶活性提高有所不同，以無氧代謝為主的運動訓練只能引起Ⅱb型肌抗氧化酶活性提高。而且，運動訓練帶來的這種適應性變化是可逆的，長期停訓后這種改變將消失，訓練提高了機體自身抗氧化能力，機體的某些抗氧化成分含量增多，這是適應機體自由基的增多，因為機體的某些重要生成分要保持穩定，也就是此時機體自由基的穩衡動態性以建立，但不同于訓練前，只不過從一個平衡到了另外一個的平衡，但這種平衡的建立是與科學的訓練，合理的營養，即及時合理的外源性抗氧化劑分不開的。
1．3自由基穩衡動態性的建立對運動能力提高的意義
自由基穩衡動態性是運動員對運動訓練適應的機體良好表現，在運動中和運動完，自由基相對一般人或運動前是增加的，但長期系統運動訓練后體內自由基穩衡動態性在更高的水平建立后，體內抗氧化系統在自由基增多后會啟動防御機制，使過多的自由基被清除，使產生和消除達到一種高水平的平衡，而且體內所需有用的自由基將會保留，所以這種平衡是協調的，體內過多的自由基對人體損傷得以被證明的，而且在競技體育中運動量大，強度大，對人體要求很高，關鍵的是如何在運動中，使機體臟器不受到損傷以及運動后如何恢復。機體老化或損傷是體內一系列的反應，在自由基穩衡動態性建立后機體阻斷反應鏈或直接清除有害分子，加強靶細胞或保護線粒體以保護機體不受傷害，使得運動員成績提高，而系統科學的訓練，抗氧化劑及營養措施是建立運動員自由基穩衡動態性的關鍵。
2抗氧化劑能促進自由基穩衡動態性和運動建立良性互動關系
2．1抗氧化劑的定義及類型
Halliwell和Gutteridge在《抗氧化劑對DNA損傷的保護作用機制的研究》一文中將抗氧化劑定義為：在比可氧化物質濃度低很多的情況下，任何一種能明顯的延遲或抑制該物質氧化的物質。抗氧化劑分為酶類抗氧化劑和非酶類抗氧化劑，內源性抗氧化劑酶類包括超氧化我物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氫化物酶(POD)、谷光苷酞過氧化物酶(GPX)和谷光苷酞還原酶(GSH-R)。非酶類抗氧化劑包括：脂溶性物質，如微生素E、β-胡蘿卜素和黃酮類化合物等；水溶性物質，如維生素C，CSH。微量元素銅、鋅、錳等參與酶類抗氧化劑的合成。
2．2維生素抗氧化劑
研究表明，運動員適當補充維生素E對機體有積極意義。維生素E通過其二位的植醇側鏈和生物膜磷脂疏水區多不飽和脂肪酸特別是花生四烯酸通過脂-脂密切結合，分布于生物膜上。其色原烷醇環位于生物膜的極性面，可通過膜非極性面的活動而做非常快的分子運動，發揮其抗氧化功能。色原烷醇環第六位的羥基是維生素E的活性基團，是捕獲自由基、清除過氧化產物的部位(Anders，1989)。隨后的好多研究都表明維生素E可以保護有機體不受運動產生自由基的損傷，有研究表明維生素E可保持小鼠力竭后即刻SOD活性相對穩定；對腦組織的SOD活性、MDA含量沒有明顯作用。VitE作為體內一種重要的抗氧化劑，它的突出作用表現在對膜結構的保護作用。VitE保護膜的途徑有兩個方面：一是作為抗氧化劑直接阻斷脂質過氧化反應；二是參與膜的組成。Brady(1979)報導給大鼠補充VitE可抑制力竭性運動后肝MDA的升高。Davies(1982)研究發現缺乏VitE的大鼠運動耐力下降40％，并認為由于缺乏VitE的動物進行漸增負荷至力竭運動時自由基信號峰明顯增高，對線粒體膜造成氧化損傷導致了運動耐力的下降。氧化脂質的大量生成，使組織受損。維生素E作為重要的抗氧化劑，它在生物膜上的獨特位置及抗氧化功能使其在抗氧化系統中的地位很重要。研究表明，運動員適當補充維生素E對機體是有積極意義的。Sumida等對21名男大學生補充VE(4周，300mg/d，進行遞增負荷試驗到力竭)，發現與對照組相比，補充組運動前后血清MDA水平顯著下降，同時，運動后對照組血清葡萄糖醛酸酶活性升高23％，而補充組運動前后無明顯差異；運動后機體的心肌和肝內脂質過氧化降低，而骨骼肌內無變化，提示補充VE有減少組織氧化損傷的趨勢，避免脂質過氧化。
2．3谷胱胺酸GSH系統
谷胱甘肽抗氧化系統主要指谷胱甘肽(GSH+GSSG)、谷光甘肽過氧化酶(GSH-PX)、谷光甘肽轉硫酶(GST)、谷光甘肽還原酶(GR)GSH參加某些抗氧化酶的酶促反應，協調內源性與外源性抗氧化劑的作用，維持自由基的產生與清除于正常動態平衡，并使內環境處于穩定的還原態的很重要的抗氧化劑，如：
(1)GSH在消化道內可與親電子化合物結合，減少親電子化合物進入體內，并可與·OH等自由基反應，使消化道內自由基減少；
(2)GSH可在非酶反應中與·OH等活性氧反應，使活性氧清除，所產生的GSSG可在谷胱甘肽還原酶的作用下轉變為GSH，仍可起到清除自由基的作用；
(3)在GSH-Px的酶促反應中GSH氧化為GSSG，但在谷胱甘肽還原酶的作用下也轉變為GSH，遂可再發揮它參與GSH-Px的酶促反應的抗氧化作用；
(4)GSH還可通過氧化還原循環直接或間接地使清除自由基后的外源性抗氧化劑(如抗壞血酸維生素E)與某些內源性抗氧化劑(如α-硫辛酸)從氧化型轉變為原來的還原型；
(5)在谷胱甘肽轉硫酶(slutathionetransferase)的催化下使進入體內的各種親電子化合物及其代謝物與GSH結合而被清除；
(6)可作為半胱氨酸的儲備，以應體內急需；
(7)GSH參與硫氧還蛋白體系與谷氧還蛋白的生化作用。
硫氧還蛋白體系與谷氧還蛋白是調節體內氧化還原態的重要-SH蛋白，其生化作用為脫氧核苷酸的生物合成、氧化修飾蛋白的修復等。訓練能改善機體的代謝機能，提高機體的適應性，增強運動能力，對谷胱甘肽抗氧化系統也一樣，Kretzchmar等(1990)報道訓練有素的長跑運動員血漿中GSH濃度比同齡一般人高，而GSSG不變，Salmine等(1983)也報道耐力訓練提高了大鼠骨骼肌中GSH的濃度，而耐力訓練是大鼠肝臟中GST、GSH-PX、GR活性下降或不變，骨骼肌中酶活性卻升高。Sen等報道，力竭性跑臺跑與血漿中的Mn-SOD迅速增加有關。外源性GSH在控制運動性氧化應激中是有效的，而其對組織提供抗氧化保護的不力可能是組織獲得的外源性GSH不夠。Atalay等人測試了補充GSH對運動性RBC附著和中性粒細胞氧化活性的影響。與對照組相比，外周血中性粒細胞計數、氧化酶活性升高，實驗結果初次闡述了內源和外源性GSH補充誘發中性粒細胞代謝，降低運動性RBC附著的情況。報道顯示，至大運動負荷前，受試者口服NAC(20mg，4次/天，共2天)，測試當天早上額外給予800mg，可升高血漿中的過氧基消除能力，減少運動性血漿谷胱甘肽氧化，降低扭轉力峰值和推遲峰值出現時間，增強骨骼肌的工作能力和抑制急性疲勞出現。Khanna等研究胃內補充TIPOTE(150mg/kg體重，8周)，對肝、心、腎、骨骼肌內的脂質過氧化和谷胱甘肽依賴型抗氧化防御系統的影響。結果肝和血液中的谷胱甘肽總量增加，與離體實驗一致，表明在體補充TIPOTE可提高特定組織中的谷胱甘肽水平，但不影響如腎、心、骨骼肌內的谷胱甘肽總量水平。
2．4外源性植物天然抗氧化劑
各種廣泛使用的合成抗氧化劑由于其潛在毒性和致癌作用等逐漸受到人們的排斥，因此從植物中尋找天然、低毒抗氧化劑成為了目前抗氧化劑發展的一個必然趨勢，同時從天然植物中尋找體內自由基消除劑也將是現代醫藥和保健行業的發展趨勢之一。從目前的研究來看，已從單純的合成抗氧化劑和食品抗氧化劑逐漸發展成為天然抗氧化劑，目前研究較多的主要有含酚羥基類化合物、萜類化合物、不飽和脂肪酸、維生素E和維生素C、其他中藥及中藥復方和抗氧化功能食品，國內大量研究都表明這些天然抗氧化劑能有效的清除體內多的自由基，從而起到防病、健身的作用，而對于天然植物抗氧化劑對于運動能力的提高也有很多相關文獻報道，目前運動醫學領域的熱點是從基因表達的水平研究天然抗氧化劑對運動能力的提高。
3營養能促進自由基穩衡動態性與運動建立良性互動關系
3．1自由基的產生與營養物質的關系
生理情況下自由基產生量比較穩定，但由于運動導致營養缺乏或不良卻可影響其產生量的變化，活性氧與活性氮是氧代謝中以氧與氮為中心的氧自由基及其活性衍生物。因此，自由基的產生與營養物質的氧代謝正常與否密切相關。在動物體內非酶反應或酶反應中產生自由基所需的物質均直接或間接來源于營養物質，故自由基的產生是以營養物質及其代謝物為物質基礎的。營養缺乏可影響運動員體內自由基產生量，如：蛋白質與熱量的嚴重缺乏(kwashiokor)可使非蛋白結合鐵增加，造成活性氧產量增高；饑餓誘發營養不良使大鼠肝臟中抗氧化劑減少，GSH水平下降，從肝臟中釋放氧自由基的量增加。有報道，蛋白缺乏導致離子結合蛋白濃度的降低或細胞損傷所造成的細胞外或細胞內離子濃度的增加，將促進ROS的產生，脂質過氧化作用以及氧化應激的產生；Zn與Cu缺乏可使肝和肺微粒體內細胞色素P-450的活性，刺激ROS的產生并提高了腸道iNO的表達，這些結果導致了動物對脂質過氧化作用和胃腸道感染的更加敏感性。
3．2清除自由基系統的成分來源于營養素與抗氧化劑
營養缺乏導致清除自由基的能力降低。機體內SOD、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等抗氧化酶和非酶的內源性抗氧化劑如含有Zn的金屬硫蛋白、銅藍蛋白，與小分子的內源性抗氧化劑(如帶有-SH的化合物)的生物合成原料需要氨基酸、必需的金屬離子和ATP。作為必需外源性抗氧化劑的維生素本身就是營養素。另外還有一些非營養素的天然抗氧化劑(如黃酮類、多酚類)也是人體內清除自由基的物質來源。適量增加硒的含量，可以提高GSH-Px的活性，GSH-Px的活性提高，機體抗氧化能力增強，清除脂質過氧化物(LPO)速度和能力相應加強，從而使血清和組織中LPO含量降低，使細胞和亞細胞脂質膜免受過氧化損害。
降低銅缺乏大鼠的紅細胞中的GSH-Px和G-6-PD酶活性上升，CuZn-SOD活性下降紅細胞中的SOD活力與Cu水平呈正相關。蛋白質營養缺乏會使非酶的抗氧化劑水平降低。缺乏Zn還可使金屬硫蛋白的生物合成下降，在應激條件下，含鋅金屬硫蛋白對于機體內環境穩定性的維護是十分重要的，總之，營養缺乏或不良可使外源性抗氧化劑供給不足。
3．3發揮活性氧與NO的生理作用需要營養物質供給適宜與生理狀況正常
機體利用活性氧的信號轉導功能、對細胞分裂、分化和基因的調控以及其它的生理作用(如參與或調控前列腺素的生物合成)，并在特殊情況(如細菌侵入機體)下，通過激活的白細胞中的活性氧殺菌。活性氧的這些生理作用的發揮一定需要營養物質供給適宜與生理狀況正常，如活性氧與抗氧化劑對基因表達都起到重要作用；低濃度的NO還可以通過增加細胞內的谷膚甘膚而起到抗氧化作用，其活性氧的信號轉導與GSH和GSSG的水平有關。
蛋白質或精氨酸缺乏以及其它膳食因素均可影響NO合酶的生物合成或NO產生量。從而影響NO生理學作用的發揮。必須指出的是，缺乏精氨酸底物的NO合酶卻可催化O2為O2-，使活性氧的產生量增高。
3．4營養素與抗氧化劑是生物大分子損傷修復的物質基礎
在生理情況下，動物體內產生的自由基雖不斷地被清除，然而只能維持于正常的接近穩定平衡的低水平，除發揮生理作用外，過多的自由基會損傷生物膜脂質、蛋白質(如酶)、DNA等重要的生物大分子。不過，機體可使生物大分子損傷得到修復。DNA損傷與修復：已知·OH攻擊DNA后的氧化產物較多，其中8-羥基-脫氧鳥嘌呤核苷(8OH 2’deoxyguanoshle，oxo8dG)常作為DNA氧化損傷的標志物，渝澤蘭等人采用生物化學發光方法體外研究了仙人掌水提物對OH自由基的清除作用以及對DNA氧化損傷的保護作用。結果表明，野生仙人掌對·OH自由基有明顯的清除作用，能抑制·OH自由基對DNA的氧化損傷。
3．5運動員所面臨的營養問題
膳食營養是保證運動員對營養素的需要和維持體能重要的物質基礎。與其重要性不相適應的是運動員膳食的不平衡現象普遍存在，嚴重影響訓練的效果和訓練后的恢復。國內外膳食營養調查發現運動員膳食失衡主要涉及6個方面：
(1)碳水化合物(糖)攝入嚴重不足；
(2)脂肪或蛋白質攝入過多；
(3)部分維生素攝入不足；
(4)三餐攝食量分配不合理；
(5)鈣攝入不足；
(6)運動中忽視了水和無機鹽的及時補充。
在1996年國際奧委會建議提高運動員每天所攝取的抗氧化物營養成分的數量，其中，VC由250mg增至1000mg，VE由100增至400個國際單位，β-胡蘿卜素由3mg增至20mg，國際一些成熟的職業聯賽上近幾年也非常重視運動員的營養，非常重視補充營養素來抗氧化，防治機體自由基損傷，所以我們應根據我國的運動員體質、健康狀況及訓練體制，必須制定科學的營養配餐及疲勞恢復計劃。
4結束語
現在，衰老的自由基理論研究已進入成熟期，在此基礎上延緩衰老的有效措施正在不斷地探索和發現。自由基、抗氧化劑、營養素與健康的關系已成為自由基與營養的核心學術領域。近幾年來自由基、抗氧化劑是運動醫學領域的研究重點，自由基穩衡動態性在運動醫學領域較少提出，有人也研究營養、自由基、運動和抗氧化劑的關系，但較少把它們看成一個整體來研究，同時，目前的運動飲料也只起到補充水分和電解質的作用，很少涉及到消除自由基的問題，運動員的食物結構與一般人的差異是各種營養素量上，而抗氧化營養物質需要量則研究較少，因此增加抗氧化營養成分尤其天然抗氧化功能食品是今后的發展趨勢之一，而增加種類和數量又是我們需要長期研究的課題。