不同运动负荷对大鼠心肌超微结构及一氧化氮与一氧化氮合酶的影响

孙红梅

摘要：目的：采用大鼠8周递增负荷游泳训练模型，探讨不同负荷运动对大鼠心肌超微结构的影响，以及引起心肌、血清中NO、NOS变化的原因。方法：纯种健康雄性SD大鼠36只，按体重随机分为对照组、适宜负荷组、过度负荷组，观察8周游泳训练后大鼠心肌超微结构及心肌、血清中NO、NOS的变化。结论：1) 不同负荷的游泳训练可以提高大鼠心肌、血清中NO的含量；2) 适宜负荷的游泳训练可以提高大鼠心肌、血清中cNOS活性，改善大鼠心肌超微结构，提高心血管系统的功能，推测适宜负荷的游泳训练提高大鼠心肌、血清中cNOS的活性可能有利于大鼠心肌超微结构的改善；3) 长时间过度负荷的游泳训练可以使大鼠心肌、血清中iNOS活性升高，大鼠心肌超微结构损伤，使心血管系统功能下降，推测过度负荷的游泳训练引起的大鼠心肌超微结构损伤可能与大鼠心肌、血清中iNOS活性的升高有关。

关键词：递增负荷；鼠；一氧化氮；一氧化氮合酶；心肌超微结构

中图分类号：G804.2文献标识码：a文章编号：1007-3612(2008)07-0936-03

目前有关运动对一氧化氮（NO）及一氧化氮合酶（NOS）的影响已有部分研究成果，但关于不同运动负荷对心肌超微结构、心肌和血清中NO、NOS影响的研究尚未见系统报道。本文采用大鼠8周递增负荷游泳训练模型，观察不同运动负荷时大鼠心肌超微结构和心肌、血清中NO、NOS的变化，探讨不同负荷运动对大鼠心肌超微结构的作用，以及引起大鼠心肌、血清中NO、NOS变化的原因，从而为探讨心脏对运动训练发生适应性变化的机制提供实验依据。

1研究对象与方法

1.1研究对象

纯种健康雄性SD大鼠36只，按体重随机分为对照组（n=12）、适宜负荷组（n=12）、过度负荷组(n=12)。分笼饲养，每笼6只。饲养温度21～24℃，湿度44％～55％，国家标准啮齿类动物饲料喂养，自由饮水进食，并记录每天饮食情况。

1.2研究方法

1.2.1运动条件游泳池100 cm×60 cm×70 cm，水深超过大鼠身长的2倍，水温31～32℃。

1.2.2运动方案参照北京医科大学运动医学研究所朱全等建立的大鼠过度训练模型［1］，本实验建立了大鼠递增负荷游泳训练模型：1） 对照组：平时不运动，饲养条件与运动训练组相同。大鼠开始正式训练前，每天先适应性游15 min，3 d后开始正式训练。2） 适宜负荷组：正式训练时，每周训练5 d，每天1次。第一次游20 min，以后逐日增加游泳时间。第一周末时每次游半小时，第二周末时每次游1 h，第三周末时每次游2 h。从第四周开始强度不再增加，保持到实验结束。

3） 过度负荷组：前三周过度负荷组和适宜负荷组训练完全相同，第四周起开始高强度训练。第四周开始时在过度负荷组大鼠尾部负0.5％体重的重物，每天游2 h。第四周末时负重增加至体重的1％，第五周末时增加至体重的1.5％，第六周末时增加至体重的2％，从第七周开始增加训练次数，每天上午训练一次，负2％～3％体重游2 h，下午训练一次，负3％～6%体重游1～1.5 h，直至训练结束。如有力竭表现（力竭标准为没入水中10 s不能浮出水面），捞出水面休息5 min后继续训练至完成训练任务。训练时间共8周。

1.3取材大鼠末次游泳训练后24 h，称重，断头处死，取血，分离血清备用。迅速解剖大鼠，取左心室，在冰生理盐水中浸泡，洗取残血，滤纸吸干水分，部分心肌组织用生理盐水制成10％匀浆，低温离心，取上清液备用；部分心肌组织用于制备电镜照片。

1.4指标测试NO、NOS测定：NO采用硝酸还原酶法，NOS采用比色法，匀浆上清液蛋白质采用考马斯亮兰法，试剂盒购于南京建成生物工程研究所，所有测定均按试剂说明进行。

心肌电镜照片：由湖南医科大学电镜实验室拍摄。

1.5结果处理全部数据均以均数±标准差（X±SD）表示。数理统计采用国际通用统计软件SPSS11.0 for Windows的t检验，显著性水平取P<0.05和P<0.01。

2结果

2.1不同负荷游泳训练后大鼠一般情况的变化

8周游泳训练后，对照组和适宜负荷组大鼠神态安静，皮毛光洁整齐，眼睛有神。适宜负荷组大鼠在训练后期能顺利完成训练任务。过度负荷组大鼠神态倦怠，眼神黯淡无光，毛发稀疏，易受惊吓，进食量明显减少，反应能力和运动能力降低，有的已经明显无法承受运动负荷，必须经过几次休息才能完成整个训练。

2.2不同负荷游泳训练对大鼠NO、NOS的影响

2.2.1不同负荷游泳训练对大鼠血清NO、NOS的影响8周游泳训练后，血清中NO含量，适宜负荷组、过度负荷组较对照组均有极显著性增加（P<0.01），且适宜负荷组较过度负荷组有显著性增加（P<0.05）；结构型一氧化氮合酶（cNOS）活性，适宜负荷组极显著高于对照组（P<0.01），过度负荷组稍高于对照组但无显著性差异，适宜负荷组极显著高于过度负荷组（P<0.01）；诱导型一氧化氮合酶（iNOS）活性，过度负荷组极显著高于对照组（P<0.01），适宜负荷组比对照组稍高但无显著性差异，过度负荷组极显著高于适宜负荷组（P<0.01）(表1)。

2.2.2不同负荷游泳训练对大鼠心肌NO、NOS的影响8周游泳训练后，心肌中NO含量，适宜负荷组较对照组有极显著性增加（P<0．01），过度负荷组较对照组稍有增加但无显著性差异，而适宜负荷组较过度负荷组有显著性增加（P<0．05）；cNOS活性，适宜负荷组极显著高于对照组、过度负荷组（P<0.01），过度负荷组比对照组稍低但无显著性差异；iNOS活性，过度负荷组极显著高于对照组、适宜负荷组（P<0．01），适宜负荷组比对照组稍低但无显著性差异(表2)。

2.3不同负荷游泳训练对大鼠心肌超微结构的影响

经过8周游泳训练，不同运动负荷使大鼠心肌超微结构发生不同变化：对照组心肌组织结构正常，肌丝排列整齐，线粒体数较多，呈带状排列，嵴排列整齐，线粒体膜完整，闰盘清晰，偶有扩张；与对照组相比，适宜负荷组心肌组织中肌丝排列整齐，数量增加，明暗带相间，结构清晰，线粒体数明显增多，嵴排列整齐规则且密集，线粒体膜完整，闰盘整齐，呈台阶状；与对照组相比，过度负荷组心肌组织结构不完整，肌丝粗细不均，部分肌丝呈节段性变形，线粒体肿胀，空泡变形，嵴排列不整齐，线粒体膜被损，闰盘出现明显扩张，部分闰盘不成形。

3分析与讨论

3.1不同负荷游泳训练对大鼠心肌、血清中NO水平的影响本研究的结果表明适宜负荷的游泳训练可以提高大鼠心肌、血清中NO的水平。研究证实，搏动性血流和血管剪切应力是调节NO释放的两个决定性因素［2］。大鼠经过8周递增负荷游泳训练后，尤其是适宜负荷组，心血管系统发生适应性变化，改变血流对心血管内皮细胞的机械作用，导致内皮细胞的剪切应力改变，血管剪切应力改变使细胞膜上的Ca2+依赖型K+通道开放，导致细胞内Ca2+增多，Ca2+通过钙调素(CaM)激活NOS，调节NO的合成［3］，使NO分泌增加。

NO的药理学研究表明［4］，去甲肾上腺素(NE)、乙酰胆碱(Ach)、缓激肽(BK)与位于内皮细胞膜上的α2－肾上腺素能受体、胆碱能受体、缓激肽受体结合可诱导NO释放。大鼠经过8周递增负荷游泳训练后血液中NE、Ach、BK生成增加，与相应受体结合，促进内皮细胞NO释放。此外，白细胞介素－1、干扰素－γ、肿瘤坏死因子等炎性细胞因子释放可促进血管和心肌细胞中iNOS基因的转录和表达，从而促进NO的大量合成和释放。大鼠经过8周递增负荷的游泳训练，尤其是过度训练后，血液中细胞因子大量生成，通过促进血管和心肌细胞中iNOS基因的转录和表达进而促进NO的生成。然而，单纯从NO生成的机械刺激和化学刺激两方面尚难完全解释运动使NO生成增加。NO的合成除了受剪切应力、机体代谢产物的影响外，还受血浆中NO前体－L-Arg的含量和 L-Arg跨膜转运能力以及NO清除率的影响。大鼠8周递增负荷游泳训练后，心血管系统L-Arg的跨膜转运能力增强，使合成NO的前体L-Arg数量增多，从而使NO合成增加。

由此可见，搏动性血流和血管剪切应力增强、血液NE、Ach、BK生成增加、炎性细胞因子增多及心血管系统L-Arg跨膜转运能力增强都可使NO合成增加。

3.2不同负荷游泳训练对大鼠心肌、血清中NOS活性的影响

3.2.1不同负荷游泳训练对大鼠心肌、血清中cNOS活性的影响本实验结果表明适宜负荷的游泳训练可以使大鼠心肌、血清中cNOS活性升高。有研究表明［3］，cNOS活性需Ca2+/CaM存在，受Ca2+浓度调节，当Ca2+/CaM复合物与cNOS结合时，导致此酶激活。任何能引起Ca2+进入细胞内的因素均能导致cNOS活性的增加。如Ach、BK以及剪切应力等刺激均可使Ca2+进入细胞增加，cNOS活性升高，导致内皮细胞NO合成增加。此外，有研究表明［4］，血流流动产生的剪切应力可以调控cNOSmRNA的表达。大鼠经过8周递增负荷的游泳训练，心血管系统的血流动力学发生改变，剪切应力加大，使cNOSmRNA表达上调。由此可见，机体运动时血流速度加快，剪切应力加大，以及细胞内Ca2+浓度升高，可能是导致大鼠心肌、血清中cNOS活性升高的原因。

3.2.2不同负荷游泳训练对大鼠心肌、血清中iNOS活性的影响本研究发现，长时间过度负荷的游泳训练可以使大鼠心肌、血清中iNOS活性升高。大鼠经过8周递增负荷的过度训练，机体不断处于缺氧状态。缺氧使内皮损伤，功能下降，可能是心肌、血清中iNOS活性升高的机制之一。此外，白细胞介素－1、干扰素－γ、肿瘤坏死因子等炎性细胞因子可以通过对iNOS基因的转录、翻译及翻译后的调控等方面的调控来调节iNOS的生成。长时间大负荷运动后，血液中白细胞介素－1、干扰素－γ、肿瘤坏死因子等炎性细胞因子大量合成和释放，这些细胞因子可以促进心肌、血清中iNOS基因的转录和表达［5］。由此可见，运动后炎性细胞因子水平提高可能也是大鼠心肌、血清iNOS活性升高的机制之一。

3.3不同负荷游泳训练对大鼠心肌超微结构的影响大量实验证明［6-8］，适宜的运动负荷可使心肌细胞发生适应性生理变化，而过度负荷及过度训练可导致心肌缺血、缺氧，损伤心肌超微结构，影响心肌的正常功能。本实验结果与已有报道的研究结果基本一致。适宜负荷组的运动是耐力性运动，属中低强度有氧训练，运动中机体供能、需能基本平衡，内环境基本保持稳定，运动中能够维持心脏的正常供能、供血、供氧；同时耐力训练的负荷又给大鼠心血管系统以一定刺激（化学的和机械性牵拉的），正是这种刺激导致了心肌结构的适应性变化，并为心脏机能的改善提供结构性基础。过度负荷组的运动是长时间的疲劳运动，在休息期内不允许机体有充分的恢复便进入第二次运动，使机体的内环境破坏增强，无法维持心脏的正常供能、供血、供氧，最终导致心肌细胞的损伤；同时血流动力学的改变也是过度训练中的一个很明显的特点，即过度训练中发生的剧烈的心血管系统反应使心肌受到过分的牵拉而导致心肌细胞损伤。耐力训练中心肌受到的牵拉是耐力训练使心脏发生适应性变化的原因，但过度训练中，在内环境严重破坏的情况下这种牵拉可能成为损伤性的［6］。

3.4大鼠心肌超微结构的变化与NO、NOS的变化存在的可能关系研究证实［9］，激活cNOS合成皮摩尔或飞摩尔水平的NO，激活iNOS合成纳摩尔水平的NO，较cNOS合成的NO浓度约高1000倍。NO作为一种自由基，是一把“双刃剑"，在低浓度调节生理功能，在高浓度则诱导和加重组织细胞损伤［3］。iNOS活性升高后，NO过量合成，NO的过量合成可造成低血压性休克，细胞损伤，直至细胞核酸的亚硝酰化、脱氨基、氧化、破坏DNA结构等多种病理损伤。同时随着NO的大量合成，底物L-Arg大量消耗，iNOS催化生成超氧阴离子，超氧阴离子进一步与NOS作用生成过氧化亚硝酸离子，而过氧化亚硝酸离子为强氧化剂，与H+生成HNO3， HNO3在pH为7时代谢出许多毒性产物，进一步造成细胞膜、蛋白质、酶类、核酸的损伤。本实验结果显示，经过8周递增负荷游泳训练，适宜负荷组大鼠心肌、血清中 cNOS与对照组相比活性升高（P<0.01），同时大鼠心肌超微结构产生适应性变化，使心血管系统功能增强；而过度负荷组大鼠心肌、血清中iNOS与对照组相比活性升高（P<0.01），同时伴有心肌超微结构的损伤，导致心血管系统功能下降。由此推测，运动训练引起大鼠心肌超微结构的改变可能与不同负荷运动使NOS活性发生不同的变化有关。适宜负荷的游泳训练使大鼠心肌、血清中cNOS活性升高，激活皮摩尔或飞摩尔水平的NO，可能对大鼠心肌细胞产生良性影响，使大鼠心血管系统功能增强；而长期的过度负荷使大鼠心肌、血清中iNOS活性升高，产生纳摩尔水平的NO，导致细胞毒作用产生，可能对大鼠心肌细胞产生负面影响，损伤大鼠心肌超微结构，使大鼠心血管系统功能下降。但是NO、NOS是通过何种机制来影响大鼠心肌超微结构的还需作进一步深入研究［10-12］。

4结论

1) 不同负荷的游泳训练可以提高大鼠心肌、血清中NO的含量。

2) 适宜负荷的游泳训练可以提高大鼠心肌、血清中cNOS活性，改善大鼠心肌超微结构，提高心血管系统的功能，推测适宜负荷的游泳训练提高大鼠心肌、血清中cNOS的活性可能有利于大鼠心肌超微结构的改善。

3) 长时间过度负荷的游泳训练可以使大鼠心肌、血清中iNOS活性升高，大鼠心肌超微结构损伤，使心血管系统功能下降，推测过度负荷的游泳训练引起的大鼠心肌超微结构损伤可能与大鼠心肌、血清中iNOS活性的升高有关。

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