一氧化氮对运动的应答及其运动生理效应

葛 鸿

(黑龙江大学体育部,黑龙江 哈尔滨 150080)

自一氧化氮首次被发现在生物体内可发挥信号传递作用,后逐渐被证实其是体内重要的信使分子和效应分子并被《Science》评为 1992年“年度分子”以来,其生物学意义受到越来越多的重视[1]。国内外关于 NO对人体影响等方面的研究较多,其中 NO对系统间的生理、病理作用是目前生命科学的研究热点问题。但是关于 NO对运动的应答情况及其在运动生理学的相应研究较少。基于此,本文对近年来 NO与运动的关系之研究成果作一综述。

1 NO的生物合成与主要生理功能

NO实质上是一种气体自由基,化学性质比较活泼。目前证实的 NOS同工酶有三种,一是神经原型(nNOS),参与神经分泌、神经发育以及学习记忆等过程;二是内皮型(eNOS),它能够维持血管舒张、调血压及抑制血小板聚集;三是诱导型(iNOS)。神经原型(nNOS)和内皮型(eNOS)合称为结构型 NOS(cNOS)。其活性依赖于钙离子及钙调蛋白,受胞浆内钙离子浓度的调节,在细胞中表达呈现低水平,其催化生成的量较少,持续时间较短,但接受刺激后非常迅速[2]。诱导型 NOS存在于平滑肌细胞、心肌细胞等中,可被 TNF-α等各种应激所诱导,无依赖性。在神经系统方面,小脑、下丘脑及延髓中均含有 NOS。在调节心血管功能方面,NO可以使血管扩张、降低血压、抑制血管中平滑肌细胞的增殖及阻碍血小板的聚集[3]。除此之外,NO还能够对一些器官的血流量进行有效的调节。在机体免疫系统中,NO在较低浓度的情况下起到保护细胞的作用,并参与机体防御机制,但体内产生过多 NO时,会激活大量巨噬细胞并导致周围组织的损伤。此外,NO还能有效地调节骨骼肌摄取氧以及促进其摄取和利用葡萄糖。

2 NO对运动的应答和对运动系统的影响

NOS的三种同工酶在骨骼肌中均有表达,以 nNOS为主,其次是 eNOS,iNOS仅在特殊条件下被诱导表达。通过研究表明,快肌纤维中能够优先表达的是 nNOS,而 eNOS则大部分分布在基质和线粒体膜中,因此,含有丰富线粒体的慢肌纤维中含量较多,也与运动最为相关。NO可通过调节肌肉血流量与内分泌因素间接影响骨骼肌,也能直接促进骨骼肌松弛。

2.1 急性运动对 NO代谢的影响

目前运动生理学研究的专家普遍认为,是急性运动激活骨骼肌,从而促使 NO生成量的增加。Bode-Boger等通过实验观察耐力与非耐力运动员尿硝酸根中发现,两组受试者经过最大功率的亚极量强度运动25min后,NO生成量均增加。Jungersten等也发现 ,经过2h的功率自行车运动后 ,运动员和常人血浆硝酸根离子浓度较静息时均有明显升高(P＜0.01),据此认为,短期的急性运动促进 NO生成的急剧增加。

2.2 长期运动训练对 NO代谢的影响

研究结果显示,长时间的运动锻炼能够促使 NOSmRNA上调,同时增加骨骼肌和内皮内 NO的生成能力。Kingwell等在试验中让15名身体健康男子进行为期4周的自行车训练,结果发现:受试者前臂 NO生成的基础量都有所增加。

2.3 力竭性运动对 NO代谢的影响

目前国内外对该内容研究很少,对其机制很模糊。要弄清力竭运动对体内 NO的代谢情况,尚需更多有针对性的实验来证实。

3 NO对肌肉能量代谢的影响

3.1 NO对骨骼肌摄氧与耗氧的调节

目前很多实验显示,NO能够有效地促进运动中氧摄入量和氧耗增加。在 Shen等的研究也证明 NO具有降低血管平滑肌细胞或肝实质细胞氧耗的功效[4]。通过上述研究表明,在 NOS活性受到抑制的情况下,NO生成自然减少 ,导致骨骼肌及一些相应器官在运动时可能产生更大量的氧耗,从而降低工作效率,研究发现,NO可能具有调节机体运动性疲劳的作用。

3.2 NO与骨骼肌葡萄糖转运

对于 NO对葡萄糖转运调节的研究学术界普遍认为,NO能够促进葡萄糖转运进入骨骼肌细胞,并且此作用可被L-NMMA所抑制。有学者认为,NO促葡萄糖转运是依赖于血流量的增加而实现的。对此说法 Bradley等人和 Kingwell等所进行的相关实验研究都予以否定。McConell等(2006)认为,通过动物实验得出的相关结果虽存有一定的争议,但是对于人类而言,NO在运动中对于骨骼肌葡萄糖代谢的调节作用则已普遍得到认同。

4 NO对肌肉血流量及收缩功能的影响

4.1 运动中 NO的变化及对血液重布的调节

通过 Hirai等的实验证实,NO对于骨骼肌及其他器官系统的血流调节具有重要作用,但目前针对 NO在运动中调节血流重新分布作用的研究至今还没有定论。多数学者认同运动引发体内 NO含量增多,可直接作用于血管平滑肌而舒张血管,该效应对稳定机体血压恒定有重要作用。特别是 NO在恢复期具有非常重要的作用。

4.2 NO对骨骼肌收缩功能的调节

学术界就 NO影响骨骼肌收缩功能还尚存一定的争议。Kobzik等、El-Dwairi等、Perkins等均在相关实验中得出NO具有抑制骨骼肌收缩,降低肌肉最大收缩速度及输出功率[5]。笔者综合分析认为,研究结果不一致可能与具体的实验对象、方法及控制等混杂因素有关。故 NO对骨骼肌收缩功能的调节作用尚需进一步研究。

5 运动引起 NO变化情况对某些疾病和细胞凋亡的影响

研究表明,中等强度运动可增加胸主动脉 cNOS活性,这可能是运动改善心血管功能的机制之一。适度运动还增加免疫细胞 iNOS的活性,一定程度增强机体免疫机能。此外还发现炎症关节的软骨细胞及滑膜成纤细胞中有大量 NO生成,其中以 iNOS催化为主 ,推测 NO与炎症有关,但其机制尚不清楚。Niess(2002)研究了24名男性耐力训练后体内 iNOS mRNA的表达,发现训练组 iNOS mRN A水平较对照组低,从而推测适度训练可能减少关节炎症而导致 NOS mRNA表达上升。Kuru等(2002)发现服用 NOS抑制剂造成的高血压大鼠经≥4周的踏车或跑台训练后,肌肉亚硝酸含量和 NOS活性增加,血压降低。此外,NOS对关节炎因子有抑制作用,NO既可促进细胞凋亡也可抑制细胞凋亡。Albina(1993)首次报道了 NO的促细胞凋亡效应。Mannick等(1994)等报道 B细胞中生成的 NO对细胞凋亡有抑制作用,后来证实 NO在体内外可抑制不同刺激诱发的心肌细胞、内皮细胞凋亡的发生。这种“双向”作用,主要是因为 NO参与了多种生理功能的调节过程,且对细胞膜有很强的穿透能力,可对细胞凋亡的多个环节发挥作用[6]。总的说来,NO在对某些疾病和细胞凋亡方面的研究起步稍晚,有着非常广阔的研究空间。

6 小结

通过研究表明:NO能够对机体运动产生很大的影响。它能够扩张骨骼肌血管,使代谢性骨骼肌血流量得到提高,减少了骨骼肌的氧耗,从而促进了葡萄糖在骨骼肌细胞内的转运。无论训练时间长短,都会促进 NO合成的增多,短时间急性运动可使 NO合成急性增多,持续的运动训练可使NOSmRN A表达上调,增加内皮和骨骼肌生成 NO的能力。其中血管切应力增大的刺激和搏动性血流是 NO合成的主要因素。研究还发现,NO对运动肌血流量的调节机理、NO对骨骼肌收缩的调节原理等以及 NO与运动防病和细胞凋亡的作用机理及机制将成为运动医学的未来研究热点。

[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