一氧化氮對運動的應答及其運動生理效應

葛 鴻

(黑龍江大學體育部,黑龍江 哈爾濱 150080)

自一氧化氮首次被發現在生物體內可發揮信號傳遞作用,后逐漸被證實其是體內重要的信使分子和效應分子并被《Science》評為 1992年“年度分子”以來,其生物學意義受到越來越多的重視[1]。國內外關于 NO對人體影響等方面的研究較多,其中 NO對系統間的生理、病理作用是目前生命科學的研究熱點問題。但是關于 NO對運動的應答情況及其在運動生理學的相應研究較少。基于此,本文對近年來 NO與運動的關系之研究成果作一綜述。

1 NO的生物合成與主要生理功能

NO實質上是一種氣體自由基,化學性質比較活潑。目前證實的 NOS同工酶有三種,一是神經原型(nNOS),參與神經分泌、神經發育以及學習記憶等過程;二是內皮型(eNOS),它能夠維持血管舒張、調血壓及抑制血小板聚集;三是誘導型(iNOS)。神經原型(nNOS)和內皮型(eNOS)合稱為結構型 NOS(cNOS)。其活性依賴于鈣離子及鈣調蛋白,受胞漿內鈣離子濃度的調節,在細胞中表達呈現低水平,其催化生成的量較少,持續時間較短,但接受刺激后非常迅速[2]。誘導型 NOS存在于平滑肌細胞、心肌細胞等中,可被 TNF-α等各種應激所誘導,無依賴性。在神經系統方面,小腦、下丘腦及延髓中均含有 NOS。在調節心血管功能方面,NO可以使血管擴張、降低血壓、抑制血管中平滑肌細胞的增殖及阻礙血小板的聚集[3]。除此之外,NO還能夠對一些器官的血流量進行有效的調節。在機體免疫系統中,NO在較低濃度的情況下起到保護細胞的作用,并參與機體防御機制,但體內產生過多 NO時,會激活大量巨噬細胞并導致周圍組織的損傷。此外,NO還能有效地調節骨骼肌攝取氧以及促進其攝取和利用葡萄糖。

2 NO對運動的應答和對運動系統的影響

NOS的三種同工酶在骨骼肌中均有表達,以 nNOS為主,其次是 eNOS,iNOS僅在特殊條件下被誘導表達。通過研究表明,快肌纖維中能夠優先表達的是 nNOS,而 eNOS則大部分分布在基質和線粒體膜中,因此,含有豐富線粒體的慢肌纖維中含量較多,也與運動最為相關。NO可通過調節肌肉血流量與內分泌因素間接影響骨骼肌,也能直接促進骨骼肌松弛。

2.1 急性運動對 NO代謝的影響

目前運動生理學研究的專家普遍認為,是急性運動激活骨骼肌,從而促使 NO生成量的增加。Bode-Boger等通過實驗觀察耐力與非耐力運動員尿硝酸根中發現,兩組受試者經過最大功率的亞極量強度運動25min后,NO生成量均增加。Jungersten等也發現 ,經過2h的功率自行車運動后 ,運動員和常人血漿硝酸根離子濃度較靜息時均有明顯升高(P＜0.01),據此認為,短期的急性運動促進 NO生成的急劇增加。

2.2 長期運動訓練對 NO代謝的影響

研究結果顯示,長時間的運動鍛煉能夠促使 NOSmRNA上調,同時增加骨骼肌和內皮內 NO的生成能力。Kingwell等在試驗中讓15名身體健康男子進行為期4周的自行車訓練,結果發現:受試者前臂 NO生成的基礎量都有所增加。

2.3 力竭性運動對 NO代謝的影響

目前國內外對該內容研究很少,對其機制很模糊。要弄清力竭運動對體內 NO的代謝情況,尚需更多有針對性的實驗來證實。

3 NO對肌肉能量代謝的影響

3.1 NO對骨骼肌攝氧與耗氧的調節

目前很多實驗顯示,NO能夠有效地促進運動中氧攝入量和氧耗增加。在 Shen等的研究也證明 NO具有降低血管平滑肌細胞或肝實質細胞氧耗的功效[4]。通過上述研究表明,在 NOS活性受到抑制的情況下,NO生成自然減少 ,導致骨骼肌及一些相應器官在運動時可能產生更大量的氧耗,從而降低工作效率,研究發現,NO可能具有調節機體運動性疲勞的作用。

3.2 NO與骨骼肌葡萄糖轉運

對于 NO對葡萄糖轉運調節的研究學術界普遍認為,NO能夠促進葡萄糖轉運進入骨骼肌細胞,并且此作用可被L-NMMA所抑制。有學者認為,NO促葡萄糖轉運是依賴于血流量的增加而實現的。對此說法 Bradley等人和 Kingwell等所進行的相關實驗研究都予以否定。McConell等(2006)認為,通過動物實驗得出的相關結果雖存有一定的爭議,但是對于人類而言,NO在運動中對于骨骼肌葡萄糖代謝的調節作用則已普遍得到認同。

4 NO對肌肉血流量及收縮功能的影響

4.1 運動中 NO的變化及對血液重布的調節

通過 Hirai等的實驗證實,NO對于骨骼肌及其他器官系統的血流調節具有重要作用,但目前針對 NO在運動中調節血流重新分布作用的研究至今還沒有定論。多數學者認同運動引發體內 NO含量增多,可直接作用于血管平滑肌而舒張血管,該效應對穩定機體血壓恒定有重要作用。特別是 NO在恢復期具有非常重要的作用。

4.2 NO對骨骼肌收縮功能的調節

學術界就 NO影響骨骼肌收縮功能還尚存一定的爭議。Kobzik等、El-Dwairi等、Perkins等均在相關實驗中得出NO具有抑制骨骼肌收縮,降低肌肉最大收縮速度及輸出功率[5]。筆者綜合分析認為,研究結果不一致可能與具體的實驗對象、方法及控制等混雜因素有關。故 NO對骨骼肌收縮功能的調節作用尚需進一步研究。

5 運動引起 NO變化情況對某些疾病和細胞凋亡的影響

研究表明,中等強度運動可增加胸主動脈 cNOS活性,這可能是運動改善心血管功能的機制之一。適度運動還增加免疫細胞 iNOS的活性,一定程度增強機體免疫機能。此外還發現炎癥關節的軟骨細胞及滑膜成纖細胞中有大量 NO生成,其中以 iNOS催化為主 ,推測 NO與炎癥有關,但其機制尚不清楚。Niess(2002)研究了24名男性耐力訓練后體內 iNOS mRNA的表達,發現訓練組 iNOS mRN A水平較對照組低,從而推測適度訓練可能減少關節炎癥而導致 NOS mRNA表達上升。Kuru等(2002)發現服用 NOS抑制劑造成的高血壓大鼠經≥4周的踏車或跑臺訓練后,肌肉亞硝酸含量和 NOS活性增加,血壓降低。此外,NOS對關節炎因子有抑制作用,NO既可促進細胞凋亡也可抑制細胞凋亡。Albina(1993)首次報道了 NO的促細胞凋亡效應。Mannick等(1994)等報道 B細胞中生成的 NO對細胞凋亡有抑制作用,后來證實 NO在體內外可抑制不同刺激誘發的心肌細胞、內皮細胞凋亡的發生。這種“雙向”作用,主要是因為 NO參與了多種生理功能的調節過程,且對細胞膜有很強的穿透能力,可對細胞凋亡的多個環節發揮作用[6]。總的說來,NO在對某些疾病和細胞凋亡方面的研究起步稍晚,有著非常廣闊的研究空間。

6 小結

通過研究表明:NO能夠對機體運動產生很大的影響。它能夠擴張骨骼肌血管,使代謝性骨骼肌血流量得到提高,減少了骨骼肌的氧耗,從而促進了葡萄糖在骨骼肌細胞內的轉運。無論訓練時間長短,都會促進 NO合成的增多,短時間急性運動可使 NO合成急性增多,持續的運動訓練可使NOSmRN A表達上調,增加內皮和骨骼肌生成 NO的能力。其中血管切應力增大的刺激和搏動性血流是 NO合成的主要因素。研究還發現,NO對運動肌血流量的調節機理、NO對骨骼肌收縮的調節原理等以及 NO與運動防病和細胞凋亡的作用機理及機制將成為運動醫學的未來研究熱點。

[1]Albina J E,Cui S,Mateo R B,et al.Nitric oxide-mediated apoptosis in murine peritoneal macrophages[J].J.Immunol.,1993,150(11):5080-5085

[2]Bode-Boger S M,Boger R H,Schroder E P,et al.Ex ercise increases systemic nitric oxide production in men[J].J Cardiovasc Risk,1994,1(2):173-178

[3]Bradley S J,Kingwell B A.Mcconell G K.Nitric oxide synthase inhibition reduces leg glucose uptake but not blood flow during dynamic exercise in humans[J].Diabetes,1999,48(9):1815-1821

[4]Forstermann U,Gorsky L D,Pollock J S,et al.Regional distribution of EDRF/NO- synthesizing enzyme(s)in rat brain[J].Biochem Biophys Res Commun,1990,168(2):727-732

[5]Green D J,Cable N T,Fox C,et al.Modification of forearm resistance v essels by exercise training in young men[J].J Appl Physiol,1994,77(4):1829-1833

[6]Green D J,O'driscoll G,Blanksby B A,et al.Control of skeletal muscle blood flow during dynamic exercise: contribution of endothelium-derived nitric oxide[J].Sports Med,1996,21(2):119-146