急性运动中线粒体的抗氧化分子调控

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1、急性运动中线粒体的抗氧化分子调控【摘要】线粒体是细胞内活性氧的主要来源。研究证实解偶联蛋白具有质子转运活性，能够减少线粒体活性氧的产生。而线粒体抗氧化酶也是机体重要的抗氧化防御机制。解偶联蛋白和抗氧化酶的激活和/或诱导表达可能在急性运动过程中的机体抗氧化保护中共同发挥作用，从而保持活性氧稳态，维持细胞正常功能。【关键词】急性运动；线粒体；活性氧；解偶联蛋白；抗氧化酶基金项目：国家自然科学基金（No.30270638和No.30470837）共同资助。10　　1978年Dillard等［1］首次报道了人以50%最大摄氧量负荷踏车运动1小时后，呼出气中脂质过氧

2、化产物戊烷含量明显增加。之后Davies等［2］又于1982年应用ESR技术直接检测到力竭运动后大鼠肝脏、骨骼肌中的自由基信号。目前急性运动应激状态下机体活性氧（ROS）生成及其引发的脂质过氧化水平升高已为大量研究所证实。活性氧的大量产生会导致机体细胞和组织的广泛氧化损伤，并被认为是运动性疲劳发生的重要机制之一。研究发现，线粒体是细胞内活性氧的主要来源，构成生物体活性氧生产量的95%以上［3］。体内活性氧在生成的同时也在不断地被清除。在生物进化过程中，线粒体形成了自身的一套抗氧化防御体系，以减缓活性氧的损伤攻击，其中温和解偶联抑制O2的单电子还原及抗氧化酶

3、的作用是两个重要的方面。　　1线粒体温和解偶联抑制活性氧生成、解偶联蛋白家族成员（UCPs）及其与运动　　线粒体态4呼吸向态3呼吸的转变能够完全阻止H2O2的累积，除了还原性呼吸载体的总量减少外，主要在于降低了半醌QH的生存期［4］。温和解偶联导致跨膜电位的轻微下降，就能阻断线粒体内超氧阴离子（O-·2）的积累过程。Nichols（1974）首次证实线粒体质子漏现象的存在。质子漏指在缺乏磷酸化受体ADP的情况下，质子（H+）不通过F0F1-ATPase进行ATP合成，而直接通过线粒体内膜回到基质，其结果导致贮存在质子电化学势能中的自由能被消耗。可以认为，质

4、子漏的发生减缓了线粒体内膜两侧电化学势的升高，减小了电子沿呼吸链传递的阻力，刺激了分子氧的消耗，缓解了O-·2的生成。单纯的磷脂双分子层的物理特性不能满意解释生理条件下线粒体质子漏的机制问题。内源质子载体负责线粒体质子漏的设想很早就受到人们的重视，刘树森等［5］提出线粒体呼吸生成的O-·2是内源质子载体引起质子漏的设想。O-·2具有酸碱双重特性，在酸性的线粒体膜外侧，O-·2可吸收H+形成质子化的HO2；在碱性的线粒体膜内侧，HO2脱质子化可释放H+。质子化形成的HO2在膜脂中有较大的溶解性，易跨膜转移，是理想的单个H+的“载体”10。此外，已发现的UCP

5、s被证实具有质子转运活性。目前在人和动物体内发现的UCPs主要有UCP-1、UCP-2和UCP-3，在脑线粒体内膜上还发现两种具有解偶联活性的蛋白质UCP-4和UCP-5（BMCP1）。UCPs具有对质子的转运活性，可引起质子经线粒体内膜回漏（即质子漏）增加，使合成ATP所依赖的线粒体质子跨膜梯度降低，ADP磷酸化合成ATP的效率下降，氧化与磷酸化解偶联。　　运动作为一种剧烈的刺激因素可以激发机体的应答反应。运动应激状态下ROS大量生成已被广泛证实，线粒体跨膜电位直接控制ROS的产生，UCPs可通过解偶联抑制分子氧的单电子还原而具有抗氧化应激的作用。Pat

6、rick等［6］发现急性运动对UCP-3LmRNA表达没有直接的影响，但在禁食状态下，运动后4小时UCP-3LmRNA的表达水平较安静时、运动后即刻和运动后2小时显著升高（平均约106%），实验中没有观察到运动中和运动后UCP-3SmRNA表达和UCP-3蛋白含量有明显变化。Zhou等［7］发现急性跑台跑能迅速（30分钟）诱导大鼠骨骼肌UCP-3mRNA表达，200分钟后达到7倍，而UCP-3蛋白相应增加4～6倍。Tsuboyama-Kasaoka等［8］人报告经过一个小时的训练后，大鼠的腓肠肌和四头肌的UCP-3表达上调，在训练后的24小时内UCP-3表

7、达的上调又会迅速消失。人体剧烈运动对UCP-3的表达没有影响，或仅仅使UCP-3一过性上调［9］。运动诱导的UCP-3上调的机制不明。UCP-3的迅速诱导表达提示它在运动中具有重要作用。　　2活性氧清除的酶系统与运动10　　线粒体内的抗氧化物包括低分子量的活性氧清除剂，如还原型谷胱甘肽（GSH）、NADPH、维生素E（VE）和维生素C（VC）等和催化过氧化物和氢过氧化物降解有关的酶。线粒体内主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（SOD，主要是Mn-SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽-S-转移酶（GST）、NAD（P）转氢酶

8、、巯基过氧化物酶等［10］。另外，在大鼠心肌线粒体内还发现有过氧化