熊正英王小刚
《首都体育学院学报》2006年02期
【作者单位】：陕西师范大学运动生物学研究所
收稿日期：2005-10-19
作者简介：熊正英(1952-)，男，陕西，教授，主要研究方向为运动生物化学与营养学；
王小刚(1976-)，男，陕西，研究生，主要研究方向为运动生物化学与营养学。
作者单位：陕西师范大学运动生物学研究所，陕西西安710062
【摘要】：
从自由基稳衡动态性这个全新的概念出发，介绍了科学的训练和机体自身及外源性抗氧化剂和营养因素之间相互影响和协调对机体的影响，讨论了它与运动之间的关系。
自由基普遍存在于机体内，它的作用是双方面的，一方面哺乳类动物中需要NO合酶(NO synthase)的酶促反应产生的NO自由基，发挥其生理学作用，另一方面过多的自由基会对机体产生伤害。为了维持生命，生物体内的某些重要物质均有其稳衡性动态(homeostasis)，自由基按理也不应例外，在人机体内自由基的产生、清除、利用、损伤及其修复所需物质与能量均直接或间接来源于营养物质及其代谢物。本文就从自由基稳衡动态性这个基本概念出发，从训练、营养、抗氧化剂等几方面来阐述如何使运动员机体内自由基达到稳衡动态，从而使其运动能力达到提高。
1系统科学的训练对自由基稳衡动态性的影响
1．1运动训练自由基的产生
1978年Dillard等初次报道运动后出现过氧化物，而四年之后Davies等初次应用电子自旋共振技术(ESR)找到了运动诱发自由基生成增多的直接证据。目前关于运动产生自由基的机制包括线粒体机制、黄嘌呤氧化酶机制、中性粒细胞机制、前列腺素机制和钙机制等。张勇等以递增负荷力竭性运动为运动疲劳模型，以大鼠为实验对象，利用化学发光法直接且定量观察了大鼠力竭运动后肝脏、骨骼肌和心肌线粒体超氧阴离子自由基的变化。发现力竭运动后肝脏和骨骼肌线粒体超氧阴离子自由基生成显著增高，这个实验表明肝脏和骨骼肌线粒体呼吸链，电子传递过程中，电子漏形成的超氧阴离子自由基是运动性内源性自由基的主要来源。郑红英等以耗竭性游泳的小鼠为急性运动模型，采用荧光法直接且定量观察到运动后心肌线粒体H2O2生成显著增加，线粒体对氰化钾的敏感性显著下降，表明线粒体电子漏可能是心肌运动性内源自由基的主要来源。而自由基的增多是引起运动性疲劳的主要原因之一，还有很多证据表明自由基与肌肉损伤有关系。
1．2系统科学的训练能促进自由基稳衡动态性的建立
系统科学的训练能提高机体自身抗氧化防御能力，有学者对男性短跑和中长跑运动员以及普通学生进行研究，发现有一定训练程度的运动员体内红细胞中SOD含量及活力均明显高于同龄中没有接受系统训练的男大学生。曹国华，陈吉棣比较国家集训队男运动员和同龄一般大学生运动员，发现他们停止训练和剧烈运动至少后，国家队运动员的细胞中MAD含量显著低于大学生运动员，而SOD力和GSH-PX活力则显著高于大学生运动员。程咏梅等以平均年龄为67岁，坚持每天跑1小时以后持续2年多的健身跑老年人，与同龄不参加健身跑老年人比较，发现前者红细胞中SOD活力显著高于后者。代毅等在实验中发现大鼠游泳至力竭后，运动后即刻MDA、GSH-PX无明显变化，SOD则显著上升，他们认为运动激活了大鼠大脑组织抗氧化酶SOD的活性，加快了脑组织自由基清除的速率，减弱了因力竭运动而产生的自由基对大脑的损伤，因此研究者认为大脑组织有较强的抗自由基损伤的能力。曹国华、陈吉棣研究发现，受试者在一定负荷下全力登自行车30秒后，其红细胞中丙二醛(MDA)含量不仅没有上升，反而有所下降，而红细胞中超氧歧化酶(SOD)活力及谷光甘肽过氧化物酶(GSH-PX)活力在无氧运动后均有显著性增加，这提示一次急性无氧运动不会导致体内脂质过氧化程度的增强，产生不同的影响，而适度的耐力训练不但抑制运动中及运动后自由基的产生，而且延长到达力竭状态运动时间并延缓疲劳出现，同时可提高安静状态下机体抗氧化酶的活性，这可能是耐力运动增强了机体的氧化应激，抗氧化酶基因表达增强，诱导抗氧化酶活性升高所致。一般说来运动强度越大和/或每日运动持续时间越长，越有利于提高骨骼肌抗氧化能力，以有氧代谢为主的耐力训练引起Ⅰ型和Ⅱa型肌抗氧化酶活性提高有所不同，以无氧代谢为主的运动训练只能引起Ⅱb型肌抗氧化酶活性提高。而且，运动训练带来的这种适应性变化是可逆的，长期停训后这种改变将消失，训练提高了机体自身抗氧化能力，机体的某些抗氧化成分含量增多，这是适应机体自由基的增多，因为机体的某些重要生成分要保持稳定，也就是此时机体自由基的稳衡动态性以建立，但不同于训练前，只不过从一个平衡到了另外一个的平衡，但这种平衡的建立是与科学的训练，合理的营养，即及时合理的外源性抗氧化剂分不开的。
1．3自由基稳衡动态性的建立对运动能力提高的意义
自由基稳衡动态性是运动员对运动训练适应的机体良好表现，在运动中和运动完，自由基相对一般人或运动前是增加的，但长期系统运动训练后体内自由基稳衡动态性在更高的水平建立后，体内抗氧化系统在自由基增多后会启动防御机制，使过多的自由基被清除，使产生和消除达到一种高水平的平衡，而且体内所需有用的自由基将会保留，所以这种平衡是协调的，体内过多的自由基对人体损伤得以被证明的，而且在竞技体育中运动量大，强度大，对人体要求很高，关键的是如何在运动中，使机体脏器不受到损伤以及运动后如何恢复。机体老化或损伤是体内一系列的反应，在自由基稳衡动态性建立后机体阻断反应链或直接清除有害分子，加强靶细胞或保护线粒体以保护机体不受伤害，使得运动员成绩提高，而系统科学的训练，抗氧化剂及营养措施是建立运动员自由基稳衡动态性的关键。
2抗氧化剂能促进自由基稳衡动态性和运动建立良性互动关系
2．1抗氧化剂的定义及类型
Halliwell和Gutteridge在《抗氧化剂对DNA损伤的保护作用机制的研究》一文中将抗氧化剂定义为：在比可氧化物质浓度低很多的情况下，任何一种能明显的延迟或抑制该物质氧化的物质。抗氧化剂分为酶类抗氧化剂和非酶类抗氧化剂，内源性抗氧化剂酶类包括超氧化我物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氢化物酶(POD)、谷光苷酞过氧化物酶(GPX)和谷光苷酞还原酶(GSH-R)。非酶类抗氧化剂包括：脂溶性物质，如微生素E、β-胡萝卜素和黄酮类化合物等；水溶性物质，如维生素C，CSH。微量元素铜、锌、锰等参与酶类抗氧化剂的合成。
2．2维生素抗氧化剂
研究表明，运动员适当补充维生素E对机体有积极意义。维生素E通过其二位的植醇侧链和生物膜磷脂疏水区多不饱和脂肪酸特别是花生四烯酸通过脂-脂密切结合，分布于生物膜上。其色原烷醇环位于生物膜的极性面，可通过膜非极性面的活动而做非常快的分子运动，发挥其抗氧化功能。色原烷醇环第六位的羟基是维生素E的活性基团，是捕获自由基、清除过氧化产物的部位(Anders，1989)。随后的好多研究都表明维生素E可以保护有机体不受运动产生自由基的损伤，有研究表明维生素E可保持小鼠力竭后即刻SOD活性相对稳定；对脑组织的SOD活性、MDA含量没有明显作用。VitE作为体内一种重要的抗氧化剂，它的突出作用表现在对膜结构的保护作用。VitE保护膜的途径有两个方面：一是作为抗氧化剂直接阻断脂质过氧化反应；二是参与膜的组成。Brady(1979)报导给大鼠补充VitE可抑制力竭性运动后肝MDA的升高。Davies(1982)研究发现缺乏VitE的大鼠运动耐力下降40％，并认为由于缺乏VitE的动物进行渐增负荷至力竭运动时自由基信号峰明显增高，对线粒体膜造成氧化损伤导致了运动耐力的下降。氧化脂质的大量生成，使组织受损。维生素E作为重要的抗氧化剂，它在生物膜上的独特位置及抗氧化功能使其在抗氧化系统中的地位很重要。研究表明，运动员适当补充维生素E对机体是有积极意义的。Sumida等对21名男大学生补充VE(4周，300mg/d，进行递增负荷试验到力竭)，发现与对照组相比，补充组运动前后血清MDA水平显著下降，同时，运动后对照组血清葡萄糖醛酸酶活性升高23％，而补充组运动前后无明显差异；运动后机体的心肌和肝内脂质过氧化降低，而骨骼肌内无变化，提示补充VE有减少组织氧化损伤的趋势，避免脂质过氧化。
2．3谷胱胺酸GSH系统
谷胱甘肽抗氧化系统主要指谷胱甘肽(GSH+GSSG)、谷光甘肽过氧化酶(GSH-PX)、谷光甘肽转硫酶(GST)、谷光甘肽还原酶(GR)GSH参加某些抗氧化酶的酶促反应，协调内源性与外源性抗氧化剂的作用，维持自由基的产生与清除于正常动态平衡，并使内环境处于稳定的还原态的很重要的抗氧化剂，如：
(1)GSH在消化道内可与亲电子化合物结合，减少亲电子化合物进入体内，并可与·OH等自由基反应，使消化道内自由基减少；
(2)GSH可在非酶反应中与·OH等活性氧反应，使活性氧清除，所产生的GSSG可在谷胱甘肽还原酶的作用下转变为GSH，仍可起到清除自由基的作用；
(3)在GSH-Px的酶促反应中GSH氧化为GSSG，但在谷胱甘肽还原酶的作用下也转变为GSH，遂可再发挥它参与GSH-Px的酶促反应的抗氧化作用；
(4)GSH还可通过氧化还原循环直接或间接地使清除自由基后的外源性抗氧化剂(如抗坏血酸维生素E)与某些内源性抗氧化剂(如α-硫辛酸)从氧化型转变为原来的还原型；
(5)在谷胱甘肽转硫酶(slutathionetransferase)的催化下使进入体内的各种亲电子化合物及其代谢物与GSH结合而被清除；
(6)可作为半胱氨酸的储备，以应体内急需；
(7)GSH参与硫氧还蛋白体系与谷氧还蛋白的生化作用。
硫氧还蛋白体系与谷氧还蛋白是调节体内氧化还原态的重要-SH蛋白，其生化作用为脱氧核苷酸的生物合成、氧化修饰蛋白的修复等。训练能改善机体的代谢机能，提高机体的适应性，增强运动能力，对谷胱甘肽抗氧化系统也一样，Kretzchmar等(1990)报道训练有素的长跑运动员血浆中GSH浓度比同龄一般人高，而GSSG不变，Salmine等(1983)也报道耐力训练提高了大鼠骨骼肌中GSH的浓度，而耐力训练是大鼠肝脏中GST、GSH-PX、GR活性下降或不变，骨骼肌中酶活性却升高。Sen等报道，力竭性跑台跑与血浆中的Mn-SOD迅速增加有关。外源性GSH在控制运动性氧化应激中是有效的，而其对组织提供抗氧化保护的不力可能是组织获得的外源性GSH不够。Atalay等人测试了补充GSH对运动性RBC附着和中性粒细胞氧化活性的影响。与对照组相比，外周血中性粒细胞计数、氧化酶活性升高，实验结果初次阐述了内源和外源性GSH补充诱发中性粒细胞代谢，降低运动性RBC附着的情况。报道显示，至大运动负荷前，受试者口服NAC(20mg，4次/天，共2天)，测试当天早上额外给予800mg，可升高血浆中的过氧基消除能力，减少运动性血浆谷胱甘肽氧化，降低扭转力峰值和推迟峰值出现时间，增强骨骼肌的工作能力和抑制急性疲劳出现。Khanna等研究胃内补充TIPOTE(150mg/kg体重，8周)，对肝、心、肾、骨骼肌内的脂质过氧化和谷胱甘肽依赖型抗氧化防御系统的影响。结果肝和血液中的谷胱甘肽总量增加，与离体实验一致，表明在体补充TIPOTE可提高特定组织中的谷胱甘肽水平，但不影响如肾、心、骨骼肌内的谷胱甘肽总量水平。
2．4外源性植物天然抗氧化剂
各种广泛使用的合成抗氧化剂由于其潜在毒性和致癌作用等逐渐受到人们的排斥，因此从植物中寻找天然、低毒抗氧化剂成为了目前抗氧化剂发展的一个必然趋势，同时从天然植物中寻找体内自由基消除剂也将是现代医药和保健行业的发展趋势之一。从目前的研究来看，已从单纯的合成抗氧化剂和食品抗氧化剂逐渐发展成为天然抗氧化剂，目前研究较多的主要有含酚羟基类化合物、萜类化合物、不饱和脂肪酸、维生素E和维生素C、其他中药及中药复方和抗氧化功能食品，国内大量研究都表明这些天然抗氧化剂能有效的清除体内多的自由基，从而起到防病、健身的作用，而对于天然植物抗氧化剂对于运动能力的提高也有很多相关文献报道，目前运动医学领域的热点是从基因表达的水平研究天然抗氧化剂对运动能力的提高。
3营养能促进自由基稳衡动态性与运动建立良性互动关系
3．1自由基的产生与营养物质的关系
生理情况下自由基产生量比较稳定，但由于运动导致营养缺乏或不良却可影响其产生量的变化，活性氧与活性氮是氧代谢中以氧与氮为中心的氧自由基及其活性衍生物。因此，自由基的产生与营养物质的氧代谢正常与否密切相关。在动物体内非酶反应或酶反应中产生自由基所需的物质均直接或间接来源于营养物质，故自由基的产生是以营养物质及其代谢物为物质基础的。营养缺乏可影响运动员体内自由基产生量，如：蛋白质与热量的严重缺乏(kwashiokor)可使非蛋白结合铁增加，造成活性氧产量增高；饥饿诱发营养不良使大鼠肝脏中抗氧化剂减少，GSH水平下降，从肝脏中释放氧自由基的量增加。有报道，蛋白缺乏导致离子结合蛋白浓度的降低或细胞损伤所造成的细胞外或细胞内离子浓度的增加，将促进ROS的产生，脂质过氧化作用以及氧化应激的产生；Zn与Cu缺乏可使肝和肺微粒体内细胞色素P-450的活性，刺激ROS的产生并提高了肠道iNO的表达，这些结果导致了动物对脂质过氧化作用和胃肠道感染的更加敏感性。
3．2清除自由基系统的成分来源于营养素与抗氧化剂
营养缺乏导致清除自由基的能力降低。机体内SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等抗氧化酶和非酶的内源性抗氧化剂如含有Zn的金属硫蛋白、铜蓝蛋白，与小分子的内源性抗氧化剂(如带有-SH的化合物)的生物合成原料需要氨基酸、必需的金属离子和ATP。作为必需外源性抗氧化剂的维生素本身就是营养素。另外还有一些非营养素的天然抗氧化剂(如黄酮类、多酚类)也是人体内清除自由基的物质来源。适量增加硒的含量，可以提高GSH-Px的活性，GSH-Px的活性提高，机体抗氧化能力增强，清除脂质过氧化物(LPO)速度和能力相应加强，从而使血清和组织中LPO含量降低，使细胞和亚细胞脂质膜免受过氧化损害。
降低铜缺乏大鼠的红细胞中的GSH-Px和G-6-PD酶活性上升，CuZn-SOD活性下降红细胞中的SOD活力与Cu水平呈正相关。蛋白质营养缺乏会使非酶的抗氧化剂水平降低。缺乏Zn还可使金属硫蛋白的生物合成下降，在应激条件下，含锌金属硫蛋白对于机体内环境稳定性的维护是十分重要的，总之，营养缺乏或不良可使外源性抗氧化剂供给不足。
3．3发挥活性氧与NO的生理作用需要营养物质供给适宜与生理状况正常
机体利用活性氧的信号转导功能、对细胞分裂、分化和基因的调控以及其它的生理作用(如参与或调控前列腺素的生物合成)，并在特殊情况(如细菌侵入机体)下，通过激活的白细胞中的活性氧杀菌。活性氧的这些生理作用的发挥一定需要营养物质供给适宜与生理状况正常，如活性氧与抗氧化剂对基因表达都起到重要作用；低浓度的NO还可以通过增加细胞内的谷肤甘肤而起到抗氧化作用，其活性氧的信号转导与GSH和GSSG的水平有关。
蛋白质或精氨酸缺乏以及其它膳食因素均可影响NO合酶的生物合成或NO产生量。从而影响NO生理学作用的发挥。必须指出的是，缺乏精氨酸底物的NO合酶却可催化O2为O2-，使活性氧的产生量增高。
3．4营养素与抗氧化剂是生物大分子损伤修复的物质基础
在生理情况下，动物体内产生的自由基虽不断地被清除，然而只能维持于正常的接近稳定平衡的低水平，除发挥生理作用外，过多的自由基会损伤生物膜脂质、蛋白质(如酶)、DNA等重要的生物大分子。不过，机体可使生物大分子损伤得到修复。DNA损伤与修复：已知·OH攻击DNA后的氧化产物较多，其中8-羟基-脱氧鸟嘌呤核苷(8OH 2’deoxyguanoshle，oxo8dG)常作为DNA氧化损伤的标志物，渝泽兰等人采用生物化学发光方法体外研究了仙人掌水提物对OH自由基的清除作用以及对DNA氧化损伤的保护作用。结果表明，野生仙人掌对·OH自由基有明显的清除作用，能抑制·OH自由基对DNA的氧化损伤。
3．5运动员所面临的营养问题
膳食营养是保证运动员对营养素的需要和维持体能重要的物质基础。与其重要性不相适应的是运动员膳食的不平衡现象普遍存在，严重影响训练的效果和训练后的恢复。国内外膳食营养调查发现运动员膳食失衡主要涉及6个方面：
(1)碳水化合物(糖)摄入严重不足；
(2)脂肪或蛋白质摄入过多；
(3)部分维生素摄入不足；
(4)三餐摄食量分配不合理；
(5)钙摄入不足；
(6)运动中忽视了水和无机盐的及时补充。
在1996年国际奥委会建议提高运动员每天所摄取的抗氧化物营养成分的数量，其中，VC由250mg增至1000mg，VE由100增至400个国际单位，β-胡萝卜素由3mg增至20mg，国际一些成熟的职业联赛上近几年也非常重视运动员的营养，非常重视补充营养素来抗氧化，防治机体自由基损伤，所以我们应根据我国的运动员体质、健康状况及训练体制，必须制定科学的营养配餐及疲劳恢复计划。
4结束语
现在，衰老的自由基理论研究已进入成熟期，在此基础上延缓衰老的有效措施正在不断地探索和发现。自由基、抗氧化剂、营养素与健康的关系已成为自由基与营养的核心学术领域。近几年来自由基、抗氧化剂是运动医学领域的研究重点，自由基稳衡动态性在运动医学领域较少提出，有人也研究营养、自由基、运动和抗氧化剂的关系，但较少把它们看成一个整体来研究，同时，目前的运动饮料也只起到补充水分和电解质的作用，很少涉及到消除自由基的问题，运动员的食物结构与一般人的差异是各种营养素量上，而抗氧化营养物质需要量则研究较少，因此增加抗氧化营养成分尤其天然抗氧化功能食品是今后的发展趋势之一，而增加种类和数量又是我们需要长期研究的课题。