核酸與運動能力

林文弢, 郭 瑩, 楊 玲

(1.珠海科技學院,廣東 珠海 519041; 2.廣州體育學院,廣東 廣州 510500; 3.韶關學院,廣東 韶關 512000 )

所有生物都含有核酸,核酸是細胞核的酸性物質,包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。新型冠狀病毒是一種僅含有RNA的病毒,病毒中特異性RNA序列是區分該病毒與其他病原體的標志物[1]。追本溯源,核酸是機體儲存和傳遞遺傳信息的重要物質,其與運動能力的關系十分密切。本文分析核酸的結構與生物學功能,探討核酸的特性和檢測手段,解析核酸、遺傳基因對運動能力的影響,為運動員科學選材與科學訓練提供參考。

1 核酸的結構與生物學功能

核酸是所有生命體中必不可少的組成物質,具有遺傳信息儲存和傳遞的功能,在遺傳變異、生長發育及蛋白質合成等代謝過程中起重要作用。人類對核酸的研究已經有150多年的歷史。1953年,Watson和Crick創建了DNA雙螺旋結構模型,不僅闡明了DNA分子的結構特征,而且提出了DNA作為執行生物遺傳功能的分子,從親代到子代的DNA復制過程中,遺傳信息的傳遞方式及高度保真性,揭示了生命的奧秘,為遺傳學進入分子水平奠定了基礎,成為現代分子生物學發展史上最為輝煌的里程碑。隨著研究[1]的深入,核酸良好的疏水/親水性、易于修飾的官能團、靈活的結構、高效的催化能力及構建各種復雜結構和模式的潛力被漸漸挖掘,促使研究人員引入納米技術,為核酸與納米材料的結合奠定了良好基礎,大大拓寬了它們的應用領域。由核酸產生的分子生物學及基因工程技術已滲透到醫藥、農業、化工等領域的各個學科,人類對生命本質的認識進入一個嶄新的天地。

1.1 核酸的結構分類

核酸是脫氧核糖核酸和核糖核酸的總稱,是由許多核苷酸單體聚合成的生物大分子化合物,為生命的最基本物質之一。核苷酸是組成核酸的基本單位,一個核苷酸分子由一分子含氮的堿基、一分子五碳糖和一分子磷酸組成。根據五碳糖的不同可將核酸分為DNA和RNA兩大類(表1)。

表1 核酸的分類

1.2 核酸的功能

核酸廣泛存在于所有動植物細胞和微生物體內,生物體內的核酸常與蛋白質結合形成核蛋白。不同核酸的化學組成、核苷酸排列順序等不同,化學組成不同的核酸功能也不同。DNA是儲存、復制和傳遞遺傳信息的主要物質基礎。RNA在蛋白質合成過程中起重要作用,其有3種:一是信使核糖核酸,簡稱mRNA,是合成蛋白質的模板;二是轉運核糖核酸,簡稱tRNA,在蛋白質合成過程中起著攜帶和轉移活化氨基酸的作用;三是核糖體的核糖核酸,簡稱rRNA,是細胞合成蛋白質的主要場所。

此外,核酸還有許多重要的生物學功能:第一,維持機體正常免疫。核酸對機體各系統產生直接影響,對免疫系統的影響最敏感。大量研究證明,動物或人補充足夠的外源性核苷酸可提高機體的免疫功能,維持細胞和體液免疫應答,還能部分解除免疫抑制。第二,充足的核苷酸營養可以調節其他營養素的吸收與利用,提高神經纖維蛋白合成,增加記憶力。第三,抗生物氧化功能。核苷酸營養可以增加單不飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的含量,提高機體的抗氧化能力,對機體增齡性形態改變有良好的改善作用,同時能較顯著地提高性激素的分泌水平。第四,促進細胞增殖分化,影響生物合成。核苷酸的營養水平能影響一些組織細胞的RNA含量和增殖細胞DNA水平。

2 核酸的性質與檢測

2.1 核酸的性質

化學性質:核酸的化學性質有酸效應和堿效應。在強酸和高溫下核酸可水解為堿基,即核糖或脫氧核糖和磷酸。堿效應使堿基的互變異構態發生變化,這種變化影響特定堿基間的氫鍵作用,導致DNA雙鏈解離,稱為DNA變性。由堆積的疏水堿基形成的核酸二級結構在能量上的穩定性被削弱,導致核酸變性。眾所周知,德爾塔變異毒株就出現了核酸變性,由新冠病毒B.1.617.2變異株進一步變異而成。

物理性質:包括黏性、浮力密度、穩定性等。DNA的高軸比等性質使其水溶液具有高黏性,很長的DNA分子又易于被機械力或超聲波損傷,同時黏度下降。核酸的結構相當穩定,主要是由堿基對間的氫鍵、堿基的堆積作用和環境中的陽離子等共同作用的結果。

2.2 核酸檢測

隨著新冠肺炎的暴發,“核酸檢測”這種醫學檢測手法進入大眾的視野。

2.2.1 聚合酶鏈反應

聚合酶鏈反應簡稱PCR,是以DNA半保留復制機制為基礎發展出的體外酶促合成、擴增特定核酸片段的一種方法。目前的新冠肺炎病毒核酸檢測就是運用PCR技術,檢測方法是技術人員合成一段與特定病原體DNA或RNA互補的單鏈核酸序列作為探針,運用生物素、放射性同位素、酶等進行標記,讓其與待測病原體的核酸進行雜交。如果探針能與待測病原體的核酸互補配對,便能觀察到標記物的信號,這樣就可以證實待測病原體的種類(圖1)。

圖1 PCR核酸檢測原理和流程

2.2.2 基因測序技術

目前,快速、準確、高靈敏、可以精確判定分子量的生物質譜、基因測序技術已非常普及,核酸的鑒定及其修飾物和復合物的測序質譜分析也成為熱點[2-3]。通過對病毒進行全基因組測序,可以了解新冠病毒不同傳播階段的變異情況,由此推測病毒對人的感染力的變化情況。另外,疫苗研發者可利用基因組測序技術觀察病毒變化情況,研究現有疫苗或正在研發的疫苗是否有效,從而對疫苗的研發策略進行修改,讓疫苗更有針對性,提高防治病毒的效果。

通過基因測序,可以了解運動員機體的全基因組,探索和研究基因與運動能力的關系,為科學選材、科學訓練提供理論依據與可靠方法[4]。

3 核酸、基因與運動能力

核酸是人類基因的遺傳物質,人類基因的遺傳具有不平衡性,因此個體有不同的天賦。基因遺傳是運動能力發展的一個重要因素,個人20%～28%生理功能的不同由基因決定,如攜氧能力、心肺功能及肌纖維的組成等。迄今為止,已有200多個基因位點被發現與人體生理功能有關,其中就包括與運動能力有關的基因(表2)。運動員的基因組成和多態性在很大程度上決定其體能,在運動員選材過程中,通過基因表型組學指標測量和運動基因檢測就能掌握基因型信息,依據其與某種運動能力的關系,推測運動員適合從事哪項運動,綜合評估其發展潛質[5]。

表2 與運動能力相關的基因

3.1 耐力素質相關基因

與耐力相關的基因研究最多的是血管緊張素轉移酶基因(ACE基因)。ACE基因位于17q23,全長21kb,含26個外顯子和25個內含子,是腎素-血管緊張素系統調控的關鍵酶。它能將無活性的血管緊張素I轉化為高活性的血管緊張素Ⅱ,從而刺激血管收縮,導致血壓升高,增強心肌收縮性,對心肌細胞產生正性變力和變時效應。研究發現,馬拉松運動員的ACE基因II型明顯高于普通人,攜帶ACE基因的人較適合從事耐力型項目,如中長跑、長距離游泳、馬拉松等[6]。除ACE基因外,研究還發現血管內皮生長因子(VEGF)及其受體基因、ATP 合成調控相關蛋白基因、PPARGC1 及其輔激活基因等都與有氧運動能力相關。

3.2 爆發力素質相關基因

α-輔肌動蛋白-3基因(ACTN3)與人體肌肉的爆發力密切相關,攜帶這種基因的運動員在接受相同負荷訓練時比非攜帶者更易取得佳績。在奧運會取得優異成績的爆發力項目運動員中,超過90%的運動員攜帶ACTN3基因[4,7]。攜帶ACTN3基因的人比較適合與爆發力素質相關的運動項目,如短跑、短跨、跳高、跳遠等。

3.3 運動適應相關基因

隨著基因治療技術的飛速發展,有些運動員可能通過基因增強的方法非法提高運動成績,但這會對人體產生潛在的嚴重的健康風險,甚至危及生命。目前,與提高運動能力相關的基因治療主要包括提高耐力、促進蛋白同化作用、促進合成代謝、加快骨折和神經損傷修復、減輕運動疼痛等。例如:促紅細胞生成素(EPO)、肌肉型胰島素樣生長因子(mlGF-1)與機械生長因子(MGF)、生長激素(GH)和生長激素釋放激素(GHRH)、骨形態發生蛋白(BMP)等[8]。

4 小 結

人體的任何生命活動都離不開核酸作用,核酸對機體的運動能力起重要作用,部分運動相關基因明顯影響運動員的運動天賦和體能。深入研究核酸與運動能力的關系,對提高運動選材成功率、優化訓練方法具有重要的現實意義。