作者：王勇罗剑
作者单位：三明学院，体育系，福建，三明，365004
摘要：
对近年来大量的文献研究，运动训练是人体的重要的应激源，在运动应激下会诱发骨骼肌细胞的凋亡，并且随着运动形式与强度等改变而改变。骨骼肌中的细胞凋亡与运动能力的下降有着密切的联系，这有可能是诱发运动性疲劳的机制之一。因此，研究运动训练与细胞凋亡的关系及运动导致骨骼肌细胞凋亡的机制意义重大。运动可以诱导骨骼肌细胞凋亡，细胞凋亡发生的比率和程度与运动形式、运动强度和运动持续时间密切有关。这些问题的研究对于预防和处理运动导致的骨骼肌损伤以及缓解运动性疲劳、提高运动成绩提供了理论指导。
知名生理学家汉斯·塞坦（Hans Selye)于1936年将“应激”的概念用于生物医学领域，他对应激提出以下两种定义：“应激是通过特殊的综合征全身适应综合征)而表现出来的一种状态，它由生物体内的、非特异地被引起的所有变化组成”；“生物的应激是身体对加于它的任何要求的非特异性反应”。对于在运动状态下，机体处于应激调整，机体自身正常的生理活动被打乱，使骨骼肌细胞内钙聚集，脂质过氧化加强，蛋白质发生降解，激活了钙离子依赖性核酸内切酶，DNA断裂产生凋亡小体，终诱发了细胞凋亡。人体各种形式的运动，主要依靠肌细胞的收缩活动完成。而骨骼肌中的细胞凋亡与有运动能力的下降有着密切的联系，因此成为运动人体科学研究的重点。目前研究认为运动训练导致骨骼肌细胞出现凋亡，应激诱发的骨骼肌细胞凋亡存在一定的时相性和双向性：该凋亡不是运动后即刻发生的，而是延迟发生的；运动可以导致骨骼肌细胞凋亡，但是运动可加速对已经凋亡骨骼肌细胞清除作用或对即将凋亡的骨骼肌细胞有恢复作用。
1运动应激对骨骼肌细胞的影响
1．1运动应激对细胞膜的影响
过量运动或不同的运动方式可造成骨骼肌损伤与细胞的脂质过氧化，可导致细胞膜完整性严重的丧失，膜通透性增加，肌酸激酶(CK)、乳酸脱氢酶(LDH）、碱性磷酸酶(ALP)等胞内酶释放入血。粱克佳等对不同水平的滑雪运动员赛前赛后血清CK活性进行检测，发现赛前CK活性无显著差异，赛后高水平CK活性不如低水平升高明显。
1．2运动应激对骨骼肌细胞抗氧化系统的影响
不同强度运动应激下机体会产生大量代谢产物如自由基、活性氧以及酸性物质等，对骨骼肌细胞都有明显的损伤作用。骨骼肌细胞受到氧化损伤后，机体的抗氧化系统会有相应的变化。SOD酶、过氧化氢酶、谷胱苷肽酶都是抗氧化酶，骨骼肌产生氧化应激反应，它们的活性会相应升高，以阻止氧化损伤。另外，热休克蛋白(HSPs)，又称应激蛋白，是机体细胞在一些应激源（如环境高温、缺氧、重金属中毒、氧化应激等条件)诱导下，激活HSPs基因，表达的一组进行高度保守的蛋白质，对机体免受损伤有重要作用，具有对损伤肌细胞的修复作用。HSPs通常情况下处于较低水平，剧烈运动之后受到损伤的肌肉中的含量会升高。
1．3运动应激对骨骼肌线粒体的影响
运动时线粒体产生的自由基能同时作用于自身，引起线粒体膜磷膜降解，膜流动性降低，导致膜结构和功能损伤。线粒体内钙稳态的失调是造成线粒体损伤的重要原因，有研究提示线粒体内Ca2+的大量积聚可能激活了细胞凋亡的启动程序。运动时肌肉缺血使胞浆内Ca2+升高，与线粒低膜ATP的转运有关。缺血时，线粒体膜上腺嘌呤核苷酸移位酶被抑制，使胞浆ATP含量下降，导致内质网和质膜中依赖ATP的Ca2+-ATP酶和Na+、K+-ATP酶的活性降低而引起胞内钙超载。王革、魏源等通过对运动后心肌线粒体SOD酶活性、MDA含量、Ca2+总浓度的测量发现，力竭运动可对大鼠心肌线粒体造成损伤。何丽华等观察到骨骼肌损伤与线粒体功能下降有关。
1．4运动对免疫系统的影响
剧烈运动引起的骨骼肌损伤，细胞因子（IL-1β、TNF-α、IL-6)在损伤处表达增强，接着在损伤局部发生炎症。炎症使白细胞和巨噬细胞进入组织，清除坏死的骨骼肌细胞。剧烈运动造成骨骼肌细胞损伤而发生炎症反应。Suzuki K研究发现，运动中和运动后中性白细胞增多是持久的变化。长时间的运动（如马拉松)使肌肉损伤，引起运动中或运动后血液IL-6增加，并且它的变化可以作为肌细胞损伤的标志。
1．5运动对骨骼肌DNA的影响
8-羟基脱氧鸟嘌呤是修复DNA氧化损伤的产物，肌组织中的含量可以反映肌肉的损伤。Radaketal研究表明适量的运动对肌细胞的DNA有好处。Zsoltradak研究表明中等强度的耐力运动对机体有好处。DNA持续受到活性氧的攻击，如果ROS的生成超过人体修复和保护能尤，DNA就会氧化损伤。保护系统是为了保证DNA的完整性，其中碱基修复系统是负责修复损伤的碱基。氨基嘧啶DNA糖基酶(FpR)和核酸内切酶(endo-3)或它们的同系物是用来修复8-氧鸟嘌呤和损伤的嘧啶，以阻止DNA的氧化损伤。剧烈运动应激可以增加ROS的生成而导致DNA的氧化损伤，同时改变DNA糖基酶的活性，对DNA修复酶活性也会有一定的影响。
2运动应激与细胞凋亡
细胞凋亡是一种由基因调控的细胞主动死亡过程，是运动生命活动过程中重要的组成内容。运动训练会诱发肌细胞产生凋亡是目前世界范围内生物学和医学领域研究的热点。运动应激具有双向性，可引起细胞凋亡和加速机体对凋亡细胞清除两种结果。这两种结果之间调控失衡，可能是造成骨骼肌运动损伤原因之一。由于骨骼肌细胞因运动训练而诱发凋亡的研究尚属起步探索阶段，因此细胞凋亡在运动性肌肉损伤与修复机制中占何地位，起何作用等仍需探讨。
2．1骨骼肌细胞凋亡的形态学和生物化学特征
在骨骼肌细胞凋亡的研究中，近几年医学界对肌肉细胞凋亡也开展了一些研究。发现肌肉在某些条件下可以发生细胞凋亡，其凋亡的肌细胞的形态学特点与一般的凋亡细胞特点一致，与坏死细胞的形态学表现也大相径庭。主要表现为细胞体积变小，胞膜完整，胞浆浓缩，细胞器减少；核染色质密度增高并凝聚在核周边，核裂解并被包裹形成凋亡小体。凋亡细胞在形态学上明显的变化是细胞破裂成凋亡小体，微丝和微管等细胞骨架的变化与凋亡小体的形成密切相关。凋亡小体是凋变细胞特征性的形态学变化。凋亡细胞的生物化学特征：保持较低的能量低谢，染色质丝状破裂，被内切核酸酶降解，形成长度为180～200bps的DNA片段，凝胶电泳表现为梯状条带。细胞凋亡的另一生化特征是有新的RNA和蛋白质的合成，这也是细胞凋亡主动性的一种有力证据。在一般情况下，肌细胞凋亡出现在坏死之前。
2．2细胞凋亡与坏死的比较
细胞凋亡与坏死(necrosis)是两种截然不同的细胞学现象。细胞凋亡是一种主动的由基因决定的细胞自我破坏的过程，而坏死则是极端的物理、化学因素或严重的病理性刺激引起的细胞损伤和死亡。二者在形态学、生物化学等诸多方面均存在截然不同的差别，表现在以下几点：
(1)凋亡细胞出现皱缩，细胞器大多正常，胞浆浓缩，细胞膜完整，后期细胞膜出芽，脱落，形成膜包被有细胞核裂片的凋亡小体；坏死细胞表现为胞体肿胀．同时细胞器肿胀，细胞膜破裂，形成小泡。
(2)凋亡细胞核染色质浓缩，丝状破裂，DNA变化启动早，被内切核酸酶降解成有组织的小片段(180～200bios)，在凝胶电泳上表现为梯带DNA片段；坏死细胞核染色质分解，DNA变化较迟，被溶酶体酶类降解为随机片段，在电泳上表现为不规则的大片/污斑。
(3)凋亡过程中仍需要一些特定蛋白质的合成，特别是一些与凋亡过程相关的基因表达，生成特殊的酶．因此，能量供应也是必须的；坏死过程中，蛋白质合成停止，能量供应消失。
(4)凋亡死亡细胞的至后出路：凋亡细胞被巨噬细胞吞噬或被周围细胞融合，可被再利用，因此，单个细胞的死亡不会对周围正常细胞或组织造成次级损害或引发炎症；坏死细胞则因胞内物质随细胞破裂而渗漏出，对周围组织细胞产生毒害作用，大片细胞死亡，组织出现炎症反应；坏死细胞终究也被吞噬细胞吞噬。
目前多数研究认为细胞凋亡与坏死作为细胞死亡的两种模式。已有大量实验表明，凋亡和死亡可相继发生；许多因素(如氧自由基)既可引起凋亡，也可以引起坏死；在一定条件下，凋亡模式的死亡还可转化为坏死模式的死亡；虽然二者之间存在着本质的区别，但是它们既可以由同一个原因引起，又可以同时存在，因此二者之间仍然存在着某种联系。在运动中引起的细胞凋亡与坏死也能表明这一观点。
2．3对骨骼肌细胞凋亡的研究
在正常的发育中广泛存在，也是在肌发生期间肌肉细胞数目、形状的主要调节者。哺乳动物，包括人类，在胎儿肌肉发育的早期，高于40％的肌细胞要通过凋亡来清除。Donatella等的结果证明凋亡并不限于病理性肌肉，也可以发生在正常成熟的骨骼肌纤维。他们的研究数据证明网络结构的相关改变，如dys(dystrophin，抗肌萎缩蛋白)及一些相关蛋白下降，表示具备足够开启凋亡过程的信号。另外，与dys复合物有关的蛋白信号的紊乱也对激活凋亡起到一定作用。凋亡可能是一个被骨骼肌所利用的生理性机制，以适应其被改变的结构和形态的功能需要。同时Sandri等用免疫细胞化学技术分析了与程序性死亡有关的蛋白在肌肉内的含量，即在正常及缺乏肌增强因子肌肉内的bcl-2、bax的表达发现，正常肌肉中bcl-2及bax阳性肌纤维几乎是阴性特征，在对照组肌肉内肌纤维的亚成分中bcl-2下调同时bax上调将出现凋亡肌核。Vescovo等研究证实，心力衰竭越严重，骨骼肌细胞凋亡的重要性越大。胡韵楠等发现失神经支配的患者骨骼肌细胞中有凋亡特征的细胞核，随着失神经支配时间的延长，凋亡的细胞核数逐渐上升，表明细胞核凋亡确实与失神经肌肉萎缩相关，萎缩越严重，凋亡的细胞核数越多。
2．4运动应激下的骨骼肌细胞凋亡的机理
运动诱导骨骼肌细胞凋亡已被国内外一些相关研究证实。郑师陵等采用流式细胞仪及TUNEL法对大鼠不同游泳训练后骨骼肌细胞凋亡的情况进行了研究，认为运动可以引起机体一系列生化改变，不同运动量诱发骨骼肌细胞凋亡的程度不同。周未艾等研究表明运动训练可以导致肌细胞凋亡，氧自由基在其间起一定作用。研究表明凋亡在运动期间和之后的骨骼肌细胞损伤中具有重要作用。值得注意的是过度的运动应激导致细胞支架成分在许多细胞内引起细胞凋亡。Sandri等研究发现，运动后骨骼肌细胞都出现DNA碎片，经分析认为大运动量的运动可引起骨骼肌细胞发生凋亡，并且是骨骼肌损伤的早期表现。他通过实验进一步指出，骨骼肌细胞凋亡的增加是肌细胞抗肌萎缩蛋白缺乏性肌萎缩的病理生理机制，而过度运动可通过增加骨骼肌细胞的凋亡导致骨骼肌细胞的损伤。
目前，国内外对骨骼肌细胞凋亡的基因调控研究，主要是从凋亡调控因子着手。Bcl-2蛋白、TNF-Ap(肿瘤坏死因子)及死亡蛋白酶Caspasep都属于凋亡调控因子。研究表明，bcl-2家族蛋白是在细胞凋亡过程中起重要作用的一类蛋白质，线粒体在细胞凋亡过程中起着“主开关”作用。自由基对细胞凋亡的影响，与自由基的量及活性密切相关，并通过以下途径实现：引起细胞内大分子的氧化损伤，使蛋白质氧化、DNA链断裂、脂质过氧化等；损伤DNA，影响凋亡启动蛋白和抑制蛋白的表达；激活ced-3等死亡基因；使细胞发生程序性死亡；Ca2+内流。氧自由基可能参与了运动应激所致肌肉细胞凋亡。其过程与以上所述相似，氧自由基在细胞凋亡和细胞坏死中均起着一定作用。自由基可以作为氧化紧张的结果直接触发细胞凋亡，也可是其它因素引起凋亡的中间步聚之一。线粒体在凋亡早期先于核或染色体的改变即出现结构和功能的变化，表现为线粒体膜完整性受损，通透性增加，膜内的细胞色素C释放入胞浆。线料体释放细胞诱导因子，启动细胞凋亡程序。在脊椎动物体细胞的凋亡过程中，线粒体被认为是凋亡控制中心。运动状态下线粒体诱导细胞凋亡的潜在因素分析众多实验证明，氧化应激与线粒体功能失常是引起细胞凋亡的重要原因。在运动状态尤其在力竭性运动状态的后期，由于体内抗自由基物质的耗竭致使体内大量自由基堆积，线粒体遭到破坏，给细胞带来致命的损伤。
2．5运动应激引起骨骼肌细胞凋亡的途径与阶段
骨骼肌细胞凋亡的分子机理与普通细胞凋亡相似，其凋亡过程大致可分为三个阶段，即启始阶段、效应阶段和降解阶段。目前的研究表明，运动应激引起骨骼肌细胞凋亡的途径主要是：一是对脂类和细胞膜的破坏，从而导致细胞死亡；二是对细胞的线粒体造成损伤；三是对核酸和染色体的破坏，从而导致DNA链的断裂，染色体的畸变和断裂；四是细胞外基质的破坏，从而使细胞外基质变得疏松，弹性降低。生物体在生理条件下。正常代谢可以产生活性氧(ROS)，如H2O2、过氧化物、单线态氧、氢过氧化物等。同时运动过程中会造成机体组织缺氧，有研究证明低氧能诱导不同类型的细胞发生凋亡。细胞在0～0．15％的氧浓度中发生凋亡，氧浓度在1～3％之间不发生凋亡。马焰等发现骨骼肌细胞缺氧复氧受损后可诱导肌细胞凋亡。ROS能够激发并使组织氧化损伤扩散，被认为是运动中一系列生理生化改变的根本机制，并被看作氧化应激的指标。当ROS在体内得不到控制或细胞的保护能力下降时，便可以对组织细胞产生损伤。然而，生物体内部存在一整套细胞防御体系，如果防御体系功能下降或活性氧大量生成，ROS便可以对细胞膜诱导不可逆化学改变，进而使蛋白质、脂质甚至核酸产生损伤，肌细胞受到氧化应激的影响。
3运动应激与骨骼肌线粒体凋亡
线粒体在肌肉收缩的能量转换中占有重要地位，同时也是参与细胞凋亡的重要的细胞器；过量运动会引起心肌、骨胳肌线粒体磷脂含量下降及膜的流动性下降。在凋亡的早期阶段，电子从线粒体膜的漏出靠NADH流入增加，使细胞膜保持完整，而在凋亡的后期，NADH流入的增加已无法保证膜电位，导致线粒体氧化利用能力降低，ATP缺失而细胞死亡。近几年的资料已经从多方面证明线粒体参与对凋亡的调控，膜电位下降的细胞将发生凋亡。通过TVNEL证实有规律的运动训练达到一定程度后，不仅使肌细胞氧化磷酸化功能增强，还可使有氧代谢功能储备增加，长期的有氧运动训练可使线粒体产生适应性改变。
运动训练与Ca2+浓度、线粒体膜电位、ATP水平是密不可分的，运动可以引起线粒体膜电位的变化，适宜运动训练使Ca2+浓度升高，线粒体膜电位下降，通过适应、恢复，线粒体膜通透性运转趋于正常，避免造成线粒体钙释放增加，保持了细胞内游离钙浓度的相对稳定，防止了线粒体的损伤，换言之运动会引起不同程度的细胞凋亡，因此当运动使机体达到生理范围内至大的应激时，是运动训练效果更好的时候。
4运动疲劳与骨骼肌细胞凋亡
一定强度和持续时间的运动应激会导致凋亡细胞增多，可能诱发运动性疲劳疲劳的产生，是一种保护性的抑制，同时通过细胞凋亡使那些对运动刺激不适应，衰老退化、功能低下的细胞清除出去，产生新的细胞，满足机体生理的需要。从而认为，骨骼肌细胞凋亡的增加是导致运动性疲劳产生的重要原因。当运动量、强度过大引起过度疲劳时，骨骼肌的细胞凋亡就会转化为细胞坏死。但当运动与活动减少时也会引起骨骼肌细胞的凋亡。王长青等观察到运动性疲劳时，大鼠肌细胞出现凋亡，无细胞坏死，随疲劳加深凋亡细胞比例增大，过度疲劳时出现细胞坏死。周日艾等观察到训练后即刻出现凋亡的肌细胞，且随着运动强度增加，凋亡细胞数目也随之增加。刘丽萍等提出运动训练可致细胞凋亡，负荷强度是关键性因素。负荷强度过大时，细胞尚未对刺激作出反应即发生坏死，刺激仅使细胞受到损伤时，则以凋亡的形式发生自杀性死亡。若细胞受损积累，也可导致细胞坏死，若在此负荷下长期训练即产生适应，坏死的细胞可由凋亡途径清除，不引起周围组织的炎症反应。总起来说，运动应激是双方向的，一方面骨骼肌细胞凋亡的增加是导致运动性疲劳产生的重要原因，是机体的自我保护；同时运动应激能加速机体凋亡细胞的清除，这两个方向的调控还是由运动形式、强度、类型等决定的。
5结语
目前骨骼肌细胞在运动应激状态下诱发细胞凋亡的研究尚属起步阶段，依据目前的研究成果基本上可以对运动引发的骨骼肌细胞凋亡作出合理的解释。运动应激诱发的骨骼肌细胞凋亡与运动的形式、运动的强度以及运动的类型等方面都有重要的联系，不同强度、不同类型的运动应激后将执行不同的损伤机制。因此，有必要从新的角度研究运动应激下骨骼肌细胞凋亡的机制。对于骨骼肌细胞凋亡在运动应激引起的运动性肌肉损伤与修复机制中起何作用的问题，我们目前还难以解释，这些仍然需要更多的实验研究来分析阐明。