低氧訓練對谷胱甘肽抗氧化系統的影響

摘要：采用文獻資料法，分析了谷胱甘肽系統的組成及其生理功能，并探討了不同運動方式以及低氧訓練對谷胱甘肽抗氧化系統的影響及其機制，可為提高低氧訓練效果提供理論參考依據。

關鍵詞： 低氧訓練；運動；谷胱甘肽

中圖分類號： G804.7文章編號：1009-783X(2006)06-0065-03文獻標識碼： A

近年來，低氧訓練作為一種特殊的訓練方法倍受國內外學者關注，許多科研工作者對此做了很多相關的研究，并取得了豐碩成果。自由基代謝及抗氧化酶與機體的機能狀態密切相關，低氧訓練對體內自由基抗氧化系統的影響一直倍受人們的關注。最近研究表明，谷胱甘肽(GSH、GSSG)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX) 基因也是低氧敏感基因［1］。目前，有關低氧訓練對自由基與抗氧化系統的變化報道研究相對較少，尤其對谷胱甘肽抗氧化系統的研究。本文主要探討低氧訓練以及不同運動方式下谷胱甘肽抗氧化系統的影響及其機制，為低氧訓練提供理論參考。

1谷胱甘肽抗氧化系統

1.1谷胱甘肽抗氧化系統的組成、存在及其代謝

谷胱甘肽抗氧化系統主要指GSH、GSH-PX、谷胱甘肽轉硫酶(GST)、谷胱甘肽還原酶(GR)。

谷胱甘肽是由γ-谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸組成的三肽，1921年Hopkins首先發現谷胱甘肽在人紅細胞中含量較多，幾乎全部是GSH。1957年Mills在牛紅細胞中發現GSH-PX，GSH-PX是一種硒依賴型谷胱甘肽過氧化物酶，含有四個相同的亞基所組成的四聚體，每個酶含四個Se和8個-SH基，不同組織GSH-PX活性不同，肝和(似乎用中文好一點)中酶活性最高，心和肺次之，肌肉中最低。GST主要指非硒依賴型的谷胱甘肽過氧化物酶，分子量為40000～50000的二聚體蛋白質，有多種同工酶。

肝臟是機體物質代謝的重要器官，肝臟不僅具有合成GSH的能力，而且具有運輸GSH的能力，可為周圍組織提供大量GSH。正常生理條件下，肝臟中90～95%的GSH被轉運到周圍組織，其中80～85%通過肝竇膜進入血液，只有5～10%的GSH在肝臟中氧化成GSSG。機體內GSH的生成主要是通過合成和還原兩條途徑，合成途徑是在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶催化合成；還原途徑是在NADPH存在條件下，GR作用GSSG還原生成GSH，反應中NADPH來源于葡萄糖磷酸戊糖途徑；另外還可通過巰基轉移酶作用生成GSH。

1.2谷胱甘肽抗氧化系統的主要生理功能

谷胱甘肽的主要生理功能是保護細胞膜中含巰基的蛋白質和其它膜蛋白的還原狀態，直接清除羥自由基、不飽和脂肪酸自由基、烷過氧自由基，是組成膜保護因子和細胞漿保護因子的必需成分，防止自由基損傷，同時也可以作為GSH-PX、GST底物，清除體內H2O2和LOOH。大量的研究表明，細胞內GSH的氧化作用對依賴氧化還原狀態的基因表達有調節作用，GSH含量的改變將影響具有解毒作用酶的基因轉錄、細胞增殖及細胞凋亡［2］。Cardoso SM［3］研究表明，內源性GSH的重要作用之一是保護蛋白巰基免受氧化損傷。GSH/GSSG的穩態是維持細胞正常生理過程的關鍵［4、5］，是細胞最重要的抗氧化系統之一。GSSG可以在GR催化下，以NADPH為供氫體，還原成GSH，維生素C也可以在GR催化下作為供氫體，使GSSG還原成GSH。當GSSG得不到及時的還原，GSH/GSSG比值即要發生改變。機體GSH/GSSG狀態改變，可使一些含巰基和二硫的酶活性發生改變，可見GSH可以使受到活性氧損傷的巰基酶復活。GSH-PX和GST對GSH具有高度的特異性，都可以催化GSH與各種內源性和外源性親電子化合物反應，生成無毒性或毒性小GSH硫結合物，但與GSH-PX不同的是，GST不能催化H2O2還原。通常生理條件下GSH-PX的作用比GST要大，但當GSH-PX活性下降時，GST顯示較為重要的補償作用，尤其如肝微粒體等不存在GSH-PX的組織，GST抗氧化作用就十分重要。

1.3谷胱甘肽抗氧化系統與運動能力

大量研究報道，運動引起機體自由基產生增加，導致脂質過氧化反應加強，造成細胞膜結構和功能的改變，當線粒體膜受到攻擊時，可降低線粒體的代謝功能，ATP供應減少［6］，肌肉機能下降，是力竭性運動機體疲勞的重要原因。而谷胱甘肽抗氧化系統在清除運動中自由基的堆積，降低LPO反應，對增強運動能力，延緩疲勞的發生有著重要意義。

2不同運動方式對谷胱甘肽抗氧化系統的影響及其機制

2.1短時間運動與谷胱甘肽抗氧化系統

短時間運動時，一般GSH、GSSG濃度不變，機體產生的自由基影響較小，生物膜發生脂質過氧化水平也較輕。Sen等觀察了大鼠6周的短距離疾跑訓練對比目魚肌、股四頭肌白肌成分、跖肌和趾長伸肌和心肌抗氧化的影響，結果發現，跖肌和趾長伸肌和心肌GSH-PX和GR活力增加，而比目魚肌和股四頭肌GSH酶活性變化不大［7］。許豪文報道，短時間運動過程中GSH-PX的活性趨于升高，MDA含量趨于下降。這表明短時間運動后產生的自由基少，而機體抗氧化系統的能力得到加強，體內生成的自由基能及時被清除。

2.2耐力運動與谷胱甘肽抗氧化系統

適宜的耐力運動能改善人體的許多代謝功能，提高機體的適應性，增強運動能力。目前，國內外大量的研究報道表明，適宜的耐力運動能提高大鼠GSH的含量［8］，增加GSH-PX的活性［8-9］。Somani和Rybak研究發現，大鼠經9周耐力訓練后，心肌中GSH-PX的mRNA水平比對照組提高了138%［10］。Leeuwenburgh(1997)報道，耐力訓練后導致大鼠深層股外側肌中GSH含量增加；心肌谷胱甘肽含量沒有顯著變化［8］。Kretzchmar等(1990)報道，訓練有素的長跑運動員血漿中GSH濃度比同年齡的一般人高，而GSSG不變［11］。這可能是：適宜的耐力運動導致谷胱甘肽抗氧化系統抗氧化能力提高。

2.3長時間力竭運動與谷胱甘肽抗氧化系統

目前，國內外大量研究報道，長時間力竭運動，機體GSH濃度下降，GSSG濃度升高，GSH/GSSG比值下降。Leichtweis (1997) 、Leeuwenburgh(1997)也分別報道了長時間力竭運動后心肌谷胱甘肽含量顯著下降［8，12］。這可能是：一方面，長時間力竭運動引起機體活性氧的增加，導致細胞內GSH的含量急劇下降，GSSG含量倍增，而細胞內GSSG由GR催化還原為GSH必須由NADPH提供還原當量，然而由于力竭運動能量的急劇消耗，GSSG的還原途徑與能量代謝途徑競爭NADPH，GSSG的形成速率超過細胞還原能力時，GSSG含量增加，GSH含量下降。另一方面，可能是長時間力竭運動刺激胰高血糖素、兒茶酚胺和血管加壓素釋放增加，導致進入血漿中GSH的量增加，肝臟GSH儲量減少，組織攝取GSH的量不能夠滿足由于活性氧所造成的需求，導致GSH的下降。

3低氧訓練對谷胱甘肽抗氧化系統的影響及其機制

3.1低氧與谷胱甘肽抗氧化系統

國內外大量的研究表明，適宜的低氧刺激能提高機體抗氧化能力，降低脂質過氧化水平。A.Y.Bogdanova1(2003)研究發現，低氧暴露導致細胞GSH水平快速增加［13］。Gonchar O（2003）的研究發現，大鼠吸入7%的氧氣和93%的氮氣的混合氣體后，其心、肝、肺、腦LPO降低，GR、GSH-PX、GSH的一些酶的活性明顯升高［14］。Vidal ML（2002）研究水生動物在缺氧環境下的氧化應激，發現缺氧引起GST活性的升高［15］。El'chaninova SA(2002)在研究間歇性低氧刺激對高血壓病人抗氧化酶活性的影響時，發現10天的低氧刺激后，GSH-PX酶的活性提高18%［16］。Murry（1986）報道低氧產生的自由基可激活抗氧化酶的活性，缺血缺氧預適應可上調抗氧化酶等基因的表達，從而預防因缺氧造成的損傷［17］。Czyzyk-Krzeska MF研究發現低氧導致GSH的濃度升高，導致蛋白質的巰基由氧化型向還型轉變，一些轉錄因子的構象發生改變，激活其結合DNA的活性，促進低氧敏感基因的轉錄表達［18］。研究發現，在低氧化刺激時GSH-PX、GR等抗氧化酶基因的表達量增加［19］。

然而，也有一些報道，低氧刺激不能提高機體抗氧化水平，且增加脂質過氧化水平。Jose Magalhaes（2004）研究發現，急性低氧（相當7000m海拔高度）能增加氧化應激，然而谷胱甘肽抗氧化系統在保護抗氧化方面所起的作用不是很顯著［20］。Hollander等(1998)研究發現，航天飛行后GSH減少，提示航天飛行下調了抗氧防御系統的能力［21］。Sarada，S.K.S.研究發現低氧暴露導致血漿中MDA水平增加，同時血液中GSH，GSH-PX減少［22］。可能是：氧濃度過低時，活性氧大量生成，導致細胞內GSH的含量急劇下降，GSSG倍增，而GSSG由GR催化還原為GSH必須由NADPH提供還原當量，然而由于低氧濃度過低，將導致能量的急劇消耗，GSSG的還原途徑與能量代謝途徑競爭NADPH，從而導致GSSG增加，GSH下降。

造成這兩種截然不同的結果可能是低氧刺激的模式、低氧刺激濃度、低氧刺激時間、低氧刺激周期、以及不同的運動方式和不同組織器官等因素的影響。

3.2低氧訓練與谷胱甘肽抗氧化系統

目前，國內外有關低氧訓練對谷胱甘肽抗氧化系統影響的報道較少。雷明光(2003) 研究模擬4000m高度對大鼠腓腸肌抗氧化能力的影響，發現高住低訓能提高大鼠腓腸肌GSH-PX的活性［23］。黃麗英 (2003)研究發現模擬3000m急性低氧訓練和經過4wk低氧適應后，大鼠心肌、肝臟和骨骼肌細胞液和線粒體GSH-PX活性顯著提高；然而，4000m急性低氧訓練對大鼠心肌、肝臟和骨骼肌細胞液和線粒體GSH-PX活性出現下降的趨勢，但經過4wk低氧適應后，GSH-PX活性變化不明顯［1］。陳曉彬(2006)研究模擬2500m高度對SD大鼠肝臟谷胱甘肽抗氧化系統影響，結果發現低住高練組和高住低練組大鼠肝臟GSH、GSH-PX、T-AOC均顯著高于平原運動組。該學者認為，低住高練和高住低練此兩種訓練方法均能提高機體谷胱甘肽抗氧化系統能力，這可能是機體存在適應性的調節機制，低氧誘導ROS適應性增加，導致GSH含量下降，GSSG含量上升，GSH/GSSG的比值下降，激活了氧化還原狀態的細胞轉錄敏感因子AP-1和NF-KB，誘導GCS的基因表達，最終導致GSH含量增加。同時，ROS也激活了GSH-PX的mRNA的轉錄［24］。

4問題與展望

隨著低氧訓練研究的不斷深入，將來可能會找到一種低氧訓練模式能使低氧刺激濃度、低氧刺激時間、低氧刺激周期達到高度的有機統一，從而更好地保持體內GSH的高濃度，防止自由基損傷，從而提高運動能力。

參考文獻：

［1］黃麗英.間歇低氧訓練對大鼠氧化應激及其低氧適應機制的研究［D］.華東師范大學博士學位論文，2003

［2］Arrigo a.P.Gene expression and the thiol redox state Free.Radic.Biol.Med，1999，27;936-944

［3］Cardoso SM，et al.Biochem Biophys Res Comm，1998，246(3)703-710

［4］Rah man I;Mac Nee W，Regu1ation of redox glutathione levels and gene transcription in lung inflammation:therapeutic appro-aches.Free Radic.Biol.Med，2000，28:1405-1420

［5］Schafer.F.Q;Buettner.G.R.Redox environment of the cell as viewed through the redox state of the glutathione disulfide/glutathione couple.Free Radic.Bio.Med，2001，30:1191-1212

［6］Alessio HM.MDA content increases in fast and slow twitch skeletal muscle with intensity of exercise in a rat.AM J Physiol，1988，255:8774

［7］Sen C K.Glutathione homeostasis in response to exercise tra-ining and nutritional supplements［J］.Mol Cell Biochem，1999，196(1/2):31-42

［8］Leeuwenburgh C，Hollander J，Leichtweis S.Adaptations of glutathione antioxidant system to endurance training are tissue and muscle fiber specific.Am J Physil，1997，272:R363-R369

［9］Ji LL.Antioxidant enzyme system in rat liver and skeletal muscle:influence of selenium deficiency acute exercise and chronic training.Arch Biochem Biophys，1998，5:156-170

［10］Somani S M，Rybak L P.Comparative effects of exercise tra-ining on transcription of antioxidant enzyme and the activity in old rat heart［J］.Indian J Physiol Pharmaco，1996，40(3):205-212

［11］Kretzchmar M，（補充其他人名） Influence of aging，training and acute physical exercise on plasma glutathione and LPO in man.Int.J.Sport.Med，1991，12(2)218-222

［12］Leichtweis S;Leeuwenburgh;Fiebig R;Rigorous swim training deteriorates mitochondrial function in rat heart［J］.Acta.Physiol Scand，1997，160:139-148

［13］A.Y.Bogdanova1.Pivotal Role of Reduced Glutathione in

Oxygen-induced Regulation of the Na ⁺/K ⁺ Pump in Mouse Erythrocyte Membranes.Journal of Membrane Biology，2003，195(1):33

［14］Gonchar O，Klyuchko E，Seredenko M，Corrections of proo-xidant-antioxidant homeostasis of organism under hypoxia of different genesis by yackton，a new pharmacological prepar-ation.Acta Physiol Pharmacol Bulg，2003，27(2-3):53-58

［15］Vidal ML，Basseres A，Narbonne JF，et al.Influence of tem-perature，pH，oxygenation，water-type and substrate on biomarker responses in the freshwater clam Corbicula fluminea (Muller).Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol，2002，132(1):93-104

［16］El'chaninova SA，Koreniak NA，Smagina IV，Intermittent hy-poxia in the treatment of dyscirculatory encephalopathy.Zh Nevrol Psikhiatr Im S S Korsakova，2002，102(11):29-32

［17］MurryCE，Jennings RB，Reimer KA.Preconditioning with is-chemia:a delay of lethal cell injury in ischemic myocardium.Circulation，1986，74(5)1124-1136

［18］Czyzyk-Krzeska MF.Molecular aspects of oxygen sensing in physiological adaptation to hypoxia.Respir Physiol，1997，110(2-3):99-111

［19］Kojima S，Matsuki O，Nomura T，Shimura N，Kubodera A，Yamaoka K，Tanooka H，Wakasugi H，Honda Y，Honda S，Sasaki T.Localization of glutathione and induction of glutathione synthesis related proteins in mouse brain by low doses of gamma rays.Brain Res，1998，808(2)262-269

［20］Jose Magalhaes，Antonio Ascensao，Jose M.C.Soares，Acute and severe hypobaric hypoxia-induced muscle oxidative stress in mice:the role of glutathione against oxidative damage.European Journal of Applied Physiology，2004，91(2/3)185-187

［21］Hollander J，Fiebig R，Gore M.Spaceflight downregulates anti-oxidant defense systems in rat liver.Free Radic Biol Med，1999.24(2):385-390

［22］Sarada，S.K.S.sarada，Sairam，M，Dipti，P et al.Role of selenium in reducing hypoxia-induced oxidative stress:an in vivo study.Biomedicine Pharmacotherapy;2002，56(4)：173-176

［23］雷明光.模擬高住低訓對大鼠腓腸肌抗氧化能力的影響［J］.中國運動醫學雜志，2003，22(6):606-608

［24］陳曉彬，林文，翁錫全.常壓模擬高住低練和低住高練對大鼠肝臟谷胱甘肽抗氧化系統影響的比較［J］.廣州體育學院，2006，26(2):89-92