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作者：王勇羅劍
作者單位：三明學(xué)院，體育系，福建，三明，365004
摘要：
對近年來大量的文獻研究，運動訓(xùn)練是人體的重要的應(yīng)激源，在運動應(yīng)激下會誘發(fā)骨骼肌細胞的凋亡，并且隨著運動形式與強度等改變而改變。骨骼肌中的細胞凋亡與運動能力的下降有著密切的聯(lián)系，這有可能是誘發(fā)運動性疲勞的機制之一。因此，研究運動訓(xùn)練與細胞凋亡的關(guān)系及運動導(dǎo)致骨骼肌細胞凋亡的機制意義重大。運動可以誘導(dǎo)骨骼肌細胞凋亡，細胞凋亡發(fā)生的比率和程度與運動形式、運動強度和運動持續(xù)時間密切有關(guān)。這些問題的研究對于預(yù)防和處理運動導(dǎo)致的骨骼肌損傷以及緩解運動性疲勞、提高運動成績提供了理論指導(dǎo)。
知名生理學(xué)家漢斯·塞坦（Hans Selye)于1936年將“應(yīng)激”的概念用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，他對應(yīng)激提出以下兩種定義：“應(yīng)激是通過特殊的綜合征全身適應(yīng)綜合征)而表現(xiàn)出來的一種狀態(tài)，它由生物體內(nèi)的、非特異地被引起的所有變化組成”；“生物的應(yīng)激是身體對加于它的任何要求的非特異性反應(yīng)”。對于在運動狀態(tài)下，機體處于應(yīng)激調(diào)整，機體自身正常的生理活動被打亂，使骨骼肌細胞內(nèi)鈣聚集，脂質(zhì)過氧化加強，蛋白質(zhì)發(fā)生降解，激活了鈣離子依賴性核酸內(nèi)切酶，DNA斷裂產(chǎn)生凋亡小體，終誘發(fā)了細胞凋亡。人體各種形式的運動，主要依靠肌細胞的收縮活動完成。而骨骼肌中的細胞凋亡與有運動能力的下降有著密切的聯(lián)系，因此成為運動人體科學(xué)研究的重點。目前研究認為運動訓(xùn)練導(dǎo)致骨骼肌細胞出現(xiàn)凋亡，應(yīng)激誘發(fā)的骨骼肌細胞凋亡存在一定的時相性和雙向性：該凋亡不是運動后即刻發(fā)生的，而是延遲發(fā)生的；運動可以導(dǎo)致骨骼肌細胞凋亡，但是運動可加速對已經(jīng)凋亡骨骼肌細胞清除作用或?qū)磳⒌蛲龅墓趋兰〖毎谢謴?fù)作用。
1運動應(yīng)激對骨骼肌細胞的影響
1．1運動應(yīng)激對細胞膜的影響
過量運動或不同的運動方式可造成骨骼肌損傷與細胞的脂質(zhì)過氧化，可導(dǎo)致細胞膜完整性嚴重的喪失，膜通透性增加，肌酸激酶(CK)、乳酸脫氫酶(LDH）、堿性磷酸酶(ALP)等胞內(nèi)酶釋放入血。粱克佳等對不同水平的滑雪運動員賽前賽后血清CK活性進行檢測，發(fā)現(xiàn)賽前CK活性無顯著差異，賽后高水平CK活性不如低水平升高明顯。
1．2運動應(yīng)激對骨骼肌細胞抗氧化系統(tǒng)的影響
不同強度運動應(yīng)激下機體會產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物如自由基、活性氧以及酸性物質(zhì)等，對骨骼肌細胞都有明顯的損傷作用。骨骼肌細胞受到氧化損傷后，機體的抗氧化系統(tǒng)會有相應(yīng)的變化。SOD酶、過氧化氫酶、谷胱苷肽酶都是抗氧化酶，骨骼肌產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，它們的活性會相應(yīng)升高，以阻止氧化損傷。另外，熱休克蛋白(HSPs)，又稱應(yīng)激蛋白，是機體細胞在一些應(yīng)激源（如環(huán)境高溫、缺氧、重金屬中毒、氧化應(yīng)激等條件)誘導(dǎo)下，激活HSPs基因，表達的一組進行高度保守的蛋白質(zhì)，對機體免受損傷有重要作用，具有對損傷肌細胞的修復(fù)作用。HSPs通常情況下處于較低水平，劇烈運動之后受到損傷的肌肉中的含量會升高。
1．3運動應(yīng)激對骨骼肌線粒體的影響
運動時線粒體產(chǎn)生的自由基能同時作用于自身，引起線粒體膜磷膜降解，膜流動性降低，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)和功能損傷。線粒體內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的失調(diào)是造成線粒體損傷的重要原因，有研究提示線粒體內(nèi)Ca2+的大量積聚可能激活了細胞凋亡的啟動程序。運動時肌肉缺血使胞漿內(nèi)Ca2+升高，與線粒低膜ATP的轉(zhuǎn)運有關(guān)。缺血時，線粒體膜上腺嘌呤核苷酸移位酶被抑制，使胞漿ATP含量下降，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜中依賴ATP的Ca2+-ATP酶和Na+、K+-ATP酶的活性降低而引起胞內(nèi)鈣超載。王革、魏源等通過對運動后心肌線粒體SOD酶活性、MDA含量、Ca2+總濃度的測量發(fā)現(xiàn)，力竭運動可對大鼠心肌線粒體造成損傷。何麗華等觀察到骨骼肌損傷與線粒體功能下降有關(guān)。
1．4運動對免疫系統(tǒng)的影響
劇烈運動引起的骨骼肌損傷，細胞因子（IL-1β、TNF-α、IL-6)在損傷處表達增強，接著在損傷局部發(fā)生炎癥。炎癥使白細胞和巨噬細胞進入組織，清除壞死的骨骼肌細胞。劇烈運動造成骨骼肌細胞損傷而發(fā)生炎癥反應(yīng)。Suzuki K研究發(fā)現(xiàn)，運動中和運動后中性白細胞增多是持久的變化。長時間的運動（如馬拉松)使肌肉損傷，引起運動中或運動后血液IL-6增加，并且它的變化可以作為肌細胞損傷的標志。
1．5運動對骨骼肌DNA的影響
8-羥基脫氧鳥嘌呤是修復(fù)DNA氧化損傷的產(chǎn)物，肌組織中的含量可以反映肌肉的損傷。Radaketal研究表明適量的運動對肌細胞的DNA有好處。Zsoltradak研究表明中等強度的耐力運動對機體有好處。DNA持續(xù)受到活性氧的攻擊，如果ROS的生成超過人體修復(fù)和保護能尤，DNA就會氧化損傷。保護系統(tǒng)是為了保證DNA的完整性，其中堿基修復(fù)系統(tǒng)是負責(zé)修復(fù)損傷的堿基。氨基嘧啶DNA糖基酶(FpR)和核酸內(nèi)切酶(endo-3)或它們的同系物是用來修復(fù)8-氧鳥嘌呤和損傷的嘧啶，以阻止DNA的氧化損傷。劇烈運動應(yīng)激可以增加ROS的生成而導(dǎo)致DNA的氧化損傷，同時改變DNA糖基酶的活性，對DNA修復(fù)酶活性也會有一定的影響。
2運動應(yīng)激與細胞凋亡
細胞凋亡是一種由基因調(diào)控的細胞主動死亡過程，是運動生命活動過程中重要的組成內(nèi)容。運動訓(xùn)練會誘發(fā)肌細胞產(chǎn)生凋亡是目前世界范圍內(nèi)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。運動應(yīng)激具有雙向性，可引起細胞凋亡和加速機體對凋亡細胞清除兩種結(jié)果。這兩種結(jié)果之間調(diào)控失衡，可能是造成骨骼肌運動損傷原因之一。由于骨骼肌細胞因運動訓(xùn)練而誘發(fā)凋亡的研究尚屬起步探索階段，因此細胞凋亡在運動性肌肉損傷與修復(fù)機制中占何地位，起何作用等仍需探討。
2．1骨骼肌細胞凋亡的形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)特征
在骨骼肌細胞凋亡的研究中，近幾年醫(yī)學(xué)界對肌肉細胞凋亡也開展了一些研究。發(fā)現(xiàn)肌肉在某些條件下可以發(fā)生細胞凋亡，其凋亡的肌細胞的形態(tài)學(xué)特點與一般的凋亡細胞特點一致，與壞死細胞的形態(tài)學(xué)表現(xiàn)也大相徑庭。主要表現(xiàn)為細胞體積變小，胞膜完整，胞漿濃縮，細胞器減少；核染色質(zhì)密度增高并凝聚在核周邊，核裂解并被包裹形成凋亡小體。凋亡細胞在形態(tài)學(xué)上明顯的變化是細胞破裂成凋亡小體，微絲和微管等細胞骨架的變化與凋亡小體的形成密切相關(guān)。凋亡小體是凋變細胞特征性的形態(tài)學(xué)變化。凋亡細胞的生物化學(xué)特征：保持較低的能量低謝，染色質(zhì)絲狀破裂，被內(nèi)切核酸酶降解，形成長度為180～200bps的DNA片段，凝膠電泳表現(xiàn)為梯狀條帶。細胞凋亡的另一生化特征是有新的RNA和蛋白質(zhì)的合成，這也是細胞凋亡主動性的一種有力證據(jù)。在一般情況下，肌細胞凋亡出現(xiàn)在壞死之前。
2．2細胞凋亡與壞死的比較
細胞凋亡與壞死(necrosis)是兩種截然不同的細胞學(xué)現(xiàn)象。細胞凋亡是一種主動的由基因決定的細胞自我破壞的過程，而壞死則是極端的物理、化學(xué)因素或嚴重的病理性刺激引起的細胞損傷和死亡。二者在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)等諸多方面均存在截然不同的差別，表現(xiàn)在以下幾點：
(1)凋亡細胞出現(xiàn)皺縮，細胞器大多正常，胞漿濃縮，細胞膜完整，后期細胞膜出芽，脫落，形成膜包被有細胞核裂片的凋亡小體；壞死細胞表現(xiàn)為胞體腫脹．同時細胞器腫脹，細胞膜破裂，形成小泡。
(2)凋亡細胞核染色質(zhì)濃縮，絲狀破裂，DNA變化啟動早，被內(nèi)切核酸酶降解成有組織的小片段(180～200bios)，在凝膠電泳上表現(xiàn)為梯帶DNA片段；壞死細胞核染色質(zhì)分解，DNA變化較遲，被溶酶體酶類降解為隨機片段，在電泳上表現(xiàn)為不規(guī)則的大片/污斑。
(3)凋亡過程中仍需要一些特定蛋白質(zhì)的合成，特別是一些與凋亡過程相關(guān)的基因表達，生成特殊的酶．因此，能量供應(yīng)也是必須的；壞死過程中，蛋白質(zhì)合成停止，能量供應(yīng)消失。
(4)凋亡死亡細胞的至后出路：凋亡細胞被巨噬細胞吞噬或被周圍細胞融合，可被再利用，因此，單個細胞的死亡不會對周圍正常細胞或組織造成次級損害或引發(fā)炎癥；壞死細胞則因胞內(nèi)物質(zhì)隨細胞破裂而滲漏出，對周圍組織細胞產(chǎn)生毒害作用，大片細胞死亡，組織出現(xiàn)炎癥反應(yīng)；壞死細胞終究也被吞噬細胞吞噬。
目前多數(shù)研究認為細胞凋亡與壞死作為細胞死亡的兩種模式。已有大量實驗表明，凋亡和死亡可相繼發(fā)生；許多因素(如氧自由基)既可引起凋亡，也可以引起壞死；在一定條件下，凋亡模式的死亡還可轉(zhuǎn)化為壞死模式的死亡；雖然二者之間存在著本質(zhì)的區(qū)別，但是它們既可以由同一個原因引起，又可以同時存在，因此二者之間仍然存在著某種聯(lián)系。在運動中引起的細胞凋亡與壞死也能表明這一觀點。
2．3對骨骼肌細胞凋亡的研究
在正常的發(fā)育中廣泛存在，也是在肌發(fā)生期間肌肉細胞數(shù)目、形狀的主要調(diào)節(jié)者。哺乳動物，包括人類，在胎兒肌肉發(fā)育的早期，高于40％的肌細胞要通過凋亡來清除。Donatella等的結(jié)果證明凋亡并不限于病理性肌肉，也可以發(fā)生在正常成熟的骨骼肌纖維。他們的研究數(shù)據(jù)證明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相關(guān)改變，如dys(dystrophin，抗肌萎縮蛋白)及一些相關(guān)蛋白下降，表示具備足夠開啟凋亡過程的信號。另外，與dys復(fù)合物有關(guān)的蛋白信號的紊亂也對激活凋亡起到一定作用。凋亡可能是一個被骨骼肌所利用的生理性機制，以適應(yīng)其被改變的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的功能需要。同時Sandri等用免疫細胞化學(xué)技術(shù)分析了與程序性死亡有關(guān)的蛋白在肌肉內(nèi)的含量，即在正常及缺乏肌增強因子肌肉內(nèi)的bcl-2、bax的表達發(fā)現(xiàn)，正常肌肉中bcl-2及bax陽性肌纖維幾乎是陰性特征，在對照組肌肉內(nèi)肌纖維的亞成分中bcl-2下調(diào)同時bax上調(diào)將出現(xiàn)凋亡肌核。Vescovo等研究證實，心力衰竭越嚴重，骨骼肌細胞凋亡的重要性越大。胡韻楠等發(fā)現(xiàn)失神經(jīng)支配的患者骨骼肌細胞中有凋亡特征的細胞核，隨著失神經(jīng)支配時間的延長，凋亡的細胞核數(shù)逐漸上升，表明細胞核凋亡確實與失神經(jīng)肌肉萎縮相關(guān)，萎縮越嚴重，凋亡的細胞核數(shù)越多。
2．4運動應(yīng)激下的骨骼肌細胞凋亡的機理
運動誘導(dǎo)骨骼肌細胞凋亡已被國內(nèi)外一些相關(guān)研究證實。鄭師陵等采用流式細胞儀及TUNEL法對大鼠不同游泳訓(xùn)練后骨骼肌細胞凋亡的情況進行了研究，認為運動可以引起機體一系列生化改變，不同運動量誘發(fā)骨骼肌細胞凋亡的程度不同。周未艾等研究表明運動訓(xùn)練可以導(dǎo)致肌細胞凋亡，氧自由基在其間起一定作用。研究表明凋亡在運動期間和之后的骨骼肌細胞損傷中具有重要作用。值得注意的是過度的運動應(yīng)激導(dǎo)致細胞支架成分在許多細胞內(nèi)引起細胞凋亡。Sandri等研究發(fā)現(xiàn)，運動后骨骼肌細胞都出現(xiàn)DNA碎片，經(jīng)分析認為大運動量的運動可引起骨骼肌細胞發(fā)生凋亡，并且是骨骼肌損傷的早期表現(xiàn)。他通過實驗進一步指出，骨骼肌細胞凋亡的增加是肌細胞抗肌萎縮蛋白缺乏性肌萎縮的病理生理機制，而過度運動可通過增加骨骼肌細胞的凋亡導(dǎo)致骨骼肌細胞的損傷。
目前，國內(nèi)外對骨骼肌細胞凋亡的基因調(diào)控研究，主要是從凋亡調(diào)控因子著手。Bcl-2蛋白、TNF-Ap(腫瘤壞死因子)及死亡蛋白酶Caspasep都屬于凋亡調(diào)控因子。研究表明，bcl-2家族蛋白是在細胞凋亡過程中起重要作用的一類蛋白質(zhì)，線粒體在細胞凋亡過程中起著“主開關(guān)”作用。自由基對細胞凋亡的影響，與自由基的量及活性密切相關(guān)，并通過以下途徑實現(xiàn)：引起細胞內(nèi)大分子的氧化損傷，使蛋白質(zhì)氧化、DNA鏈斷裂、脂質(zhì)過氧化等；損傷DNA，影響凋亡啟動蛋白和抑制蛋白的表達；激活ced-3等死亡基因；使細胞發(fā)生程序性死亡；Ca2+內(nèi)流。氧自由基可能參與了運動應(yīng)激所致肌肉細胞凋亡。其過程與以上所述相似，氧自由基在細胞凋亡和細胞壞死中均起著一定作用。自由基可以作為氧化緊張的結(jié)果直接觸發(fā)細胞凋亡，也可是其它因素引起凋亡的中間步聚之一。線粒體在凋亡早期先于核或染色體的改變即出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的變化，表現(xiàn)為線粒體膜完整性受損，通透性增加，膜內(nèi)的細胞色素C釋放入胞漿。線料體釋放細胞誘導(dǎo)因子，啟動細胞凋亡程序。在脊椎動物體細胞的凋亡過程中，線粒體被認為是凋亡控制中心。運動狀態(tài)下線粒體誘導(dǎo)細胞凋亡的潛在因素分析眾多實驗證明，氧化應(yīng)激與線粒體功能失常是引起細胞凋亡的重要原因。在運動狀態(tài)尤其在力竭性運動狀態(tài)的后期，由于體內(nèi)抗自由基物質(zhì)的耗竭致使體內(nèi)大量自由基堆積，線粒體遭到破壞，給細胞帶來致命的損傷。
2．5運動應(yīng)激引起骨骼肌細胞凋亡的途徑與階段
骨骼肌細胞凋亡的分子機理與普通細胞凋亡相似，其凋亡過程大致可分為三個階段，即啟始階段、效應(yīng)階段和降解階段。目前的研究表明，運動應(yīng)激引起骨骼肌細胞凋亡的途徑主要是：一是對脂類和細胞膜的破壞，從而導(dǎo)致細胞死亡；二是對細胞的線粒體造成損傷；三是對核酸和染色體的破壞，從而導(dǎo)致DNA鏈的斷裂，染色體的畸變和斷裂；四是細胞外基質(zhì)的破壞，從而使細胞外基質(zhì)變得疏松，彈性降低。生物體在生理條件下。正常代謝可以產(chǎn)生活性氧(ROS)，如H2O2、過氧化物、單線態(tài)氧、氫過氧化物等。同時運動過程中會造成機體組織缺氧，有研究證明低氧能誘導(dǎo)不同類型的細胞發(fā)生凋亡。細胞在0～0．15％的氧濃度中發(fā)生凋亡，氧濃度在1～3％之間不發(fā)生凋亡。馬焰等發(fā)現(xiàn)骨骼肌細胞缺氧復(fù)氧受損后可誘導(dǎo)肌細胞凋亡。ROS能夠激發(fā)并使組織氧化損傷擴散，被認為是運動中一系列生理生化改變的根本機制，并被看作氧化應(yīng)激的指標。當ROS在體內(nèi)得不到控制或細胞的保護能力下降時，便可以對組織細胞產(chǎn)生損傷。然而，生物體內(nèi)部存在一整套細胞防御體系，如果防御體系功能下降或活性氧大量生成，ROS便可以對細胞膜誘導(dǎo)不可逆化學(xué)改變，進而使蛋白質(zhì)、脂質(zhì)甚至核酸產(chǎn)生損傷，肌細胞受到氧化應(yīng)激的影響。
3運動應(yīng)激與骨骼肌線粒體凋亡
線粒體在肌肉收縮的能量轉(zhuǎn)換中占有重要地位，同時也是參與細胞凋亡的重要的細胞器；過量運動會引起心肌、骨胳肌線粒體磷脂含量下降及膜的流動性下降。在凋亡的早期階段，電子從線粒體膜的漏出靠NADH流入增加，使細胞膜保持完整，而在凋亡的后期，NADH流入的增加已無法保證膜電位，導(dǎo)致線粒體氧化利用能力降低，ATP缺失而細胞死亡。近幾年的資料已經(jīng)從多方面證明線粒體參與對凋亡的調(diào)控，膜電位下降的細胞將發(fā)生凋亡。通過TVNEL證實有規(guī)律的運動訓(xùn)練達到一定程度后，不僅使肌細胞氧化磷酸化功能增強，還可使有氧代謝功能儲備增加，長期的有氧運動訓(xùn)練可使線粒體產(chǎn)生適應(yīng)性改變。
運動訓(xùn)練與Ca2+濃度、線粒體膜電位、ATP水平是密不可分的，運動可以引起線粒體膜電位的變化，適宜運動訓(xùn)練使Ca2+濃度升高，線粒體膜電位下降，通過適應(yīng)、恢復(fù)，線粒體膜通透性運轉(zhuǎn)趨于正常，避免造成線粒體鈣釋放增加，保持了細胞內(nèi)游離鈣濃度的相對穩(wěn)定，防止了線粒體的損傷，換言之運動會引起不同程度的細胞凋亡，因此當運動使機體達到生理范圍內(nèi)至大的應(yīng)激時，是運動訓(xùn)練效果更好的時候。
4運動疲勞與骨骼肌細胞凋亡
一定強度和持續(xù)時間的運動應(yīng)激會導(dǎo)致凋亡細胞增多，可能誘發(fā)運動性疲勞疲勞的產(chǎn)生，是一種保護性的抑制，同時通過細胞凋亡使那些對運動刺激不適應(yīng)，衰老退化、功能低下的細胞清除出去，產(chǎn)生新的細胞，滿足機體生理的需要。從而認為，骨骼肌細胞凋亡的增加是導(dǎo)致運動性疲勞產(chǎn)生的重要原因。當運動量、強度過大引起過度疲勞時，骨骼肌的細胞凋亡就會轉(zhuǎn)化為細胞壞死。但當運動與活動減少時也會引起骨骼肌細胞的凋亡。王長青等觀察到運動性疲勞時，大鼠肌細胞出現(xiàn)凋亡，無細胞壞死，隨疲勞加深凋亡細胞比例增大，過度疲勞時出現(xiàn)細胞壞死。周日艾等觀察到訓(xùn)練后即刻出現(xiàn)凋亡的肌細胞，且隨著運動強度增加，凋亡細胞數(shù)目也隨之增加。劉麗萍等提出運動訓(xùn)練可致細胞凋亡，負荷強度是關(guān)鍵性因素。負荷強度過大時，細胞尚未對刺激作出反應(yīng)即發(fā)生壞死，刺激僅使細胞受到損傷時，則以凋亡的形式發(fā)生自殺性死亡。若細胞受損積累，也可導(dǎo)致細胞壞死，若在此負荷下長期訓(xùn)練即產(chǎn)生適應(yīng)，壞死的細胞可由凋亡途徑清除，不引起周圍組織的炎癥反應(yīng)。總起來說，運動應(yīng)激是雙方向的，一方面骨骼肌細胞凋亡的增加是導(dǎo)致運動性疲勞產(chǎn)生的重要原因，是機體的自我保護；同時運動應(yīng)激能加速機體凋亡細胞的清除，這兩個方向的調(diào)控還是由運動形式、強度、類型等決定的。
5結(jié)語
目前骨骼肌細胞在運動應(yīng)激狀態(tài)下誘發(fā)細胞凋亡的研究尚屬起步階段，依據(jù)目前的研究成果基本上可以對運動引發(fā)的骨骼肌細胞凋亡作出合理的解釋。運動應(yīng)激誘發(fā)的骨骼肌細胞凋亡與運動的形式、運動的強度以及運動的類型等方面都有重要的聯(lián)系，不同強度、不同類型的運動應(yīng)激后將執(zhí)行不同的損傷機制。因此，有必要從新的角度研究運動應(yīng)激下骨骼肌細胞凋亡的機制。對于骨骼肌細胞凋亡在運動應(yīng)激引起的運動性肌肉損傷與修復(fù)機制中起何作用的問題，我們目前還難以解釋，這些仍然需要更多的實驗研究來分析闡明。