核酸与运动能力

林文弢, 郭 莹, 杨 玲

(1.珠海科技学院,广东 珠海 519041; 2.广州体育学院,广东 广州 510500; 3.韶关学院,广东 韶关 512000 )

所有生物都含有核酸,核酸是细胞核的酸性物质,包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。新型冠状病毒是一种仅含有RNA的病毒,病毒中特异性RNA序列是区分该病毒与其他病原体的标志物[1]。追本溯源,核酸是机体储存和传递遗传信息的重要物质,其与运动能力的关系十分密切。本文分析核酸的结构与生物学功能,探讨核酸的特性和检测手段,解析核酸、遗传基因对运动能力的影响,为运动员科学选材与科学训练提供参考。

1 核酸的结构与生物学功能

核酸是所有生命体中必不可少的组成物质,具有遗传信息储存和传递的功能,在遗传变异、生长发育及蛋白质合成等代谢过程中起重要作用。人类对核酸的研究已经有150多年的历史。1953年,Watson和Crick创建了DNA双螺旋结构模型,不仅阐明了DNA分子的结构特征,而且提出了DNA作为执行生物遗传功能的分子,从亲代到子代的DNA复制过程中,遗传信息的传递方式及高度保真性,揭示了生命的奥秘,为遗传学进入分子水平奠定了基础,成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。随着研究[1]的深入,核酸良好的疏水/亲水性、易于修饰的官能团、灵活的结构、高效的催化能力及构建各种复杂结构和模式的潜力被渐渐挖掘,促使研究人员引入纳米技术,为核酸与纳米材料的结合奠定了良好基础,大大拓宽了它们的应用领域。由核酸产生的分子生物学及基因工程技术已渗透到医药、农业、化工等领域的各个学科,人类对生命本质的认识进入一个崭新的天地。

1.1 核酸的结构分类

核酸是脱氧核糖核酸和核糖核酸的总称,是由许多核苷酸单体聚合成的生物大分子化合物,为生命的最基本物质之一。核苷酸是组成核酸的基本单位,一个核苷酸分子由一分子含氮的碱基、一分子五碳糖和一分子磷酸组成。根据五碳糖的不同可将核酸分为DNA和RNA两大类(表1)。

表1 核酸的分类

1.2 核酸的功能

核酸广泛存在于所有动植物细胞和微生物体内,生物体内的核酸常与蛋白质结合形成核蛋白。不同核酸的化学组成、核苷酸排列顺序等不同,化学组成不同的核酸功能也不同。DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础。RNA在蛋白质合成过程中起重要作用,其有3种:一是信使核糖核酸,简称mRNA,是合成蛋白质的模板;二是转运核糖核酸,简称tRNA,在蛋白质合成过程中起着携带和转移活化氨基酸的作用;三是核糖体的核糖核酸,简称rRNA,是细胞合成蛋白质的主要场所。

此外,核酸还有许多重要的生物学功能:第一,维持机体正常免疫。核酸对机体各系统产生直接影响,对免疫系统的影响最敏感。大量研究证明,动物或人补充足够的外源性核苷酸可提高机体的免疫功能,维持细胞和体液免疫应答,还能部分解除免疫抑制。第二,充足的核苷酸营养可以调节其他营养素的吸收与利用,提高神经纤维蛋白合成,增加记忆力。第三,抗生物氧化功能。核苷酸营养可以增加单不饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的含量,提高机体的抗氧化能力,对机体增龄性形态改变有良好的改善作用,同时能较显著地提高性激素的分泌水平。第四,促进细胞增殖分化,影响生物合成。核苷酸的营养水平能影响一些组织细胞的RNA含量和增殖细胞DNA水平。

2 核酸的性质与检测

2.1 核酸的性质

化学性质:核酸的化学性质有酸效应和碱效应。在强酸和高温下核酸可水解为碱基,即核糖或脱氧核糖和磷酸。碱效应使碱基的互变异构态发生变化,这种变化影响特定碱基间的氢键作用,导致DNA双链解离,称为DNA变性。由堆积的疏水碱基形成的核酸二级结构在能量上的稳定性被削弱,导致核酸变性。众所周知,德尔塔变异毒株就出现了核酸变性,由新冠病毒B.1.617.2变异株进一步变异而成。

物理性质:包括黏性、浮力密度、稳定性等。DNA的高轴比等性质使其水溶液具有高黏性,很长的DNA分子又易于被机械力或超声波损伤,同时黏度下降。核酸的结构相当稳定,主要是由碱基对间的氢键、碱基的堆积作用和环境中的阳离子等共同作用的结果。

2.2 核酸检测

随着新冠肺炎的暴发,“核酸检测”这种医学检测手法进入大众的视野。

2.2.1 聚合酶链反应

聚合酶链反应简称PCR,是以DNA半保留复制机制为基础发展出的体外酶促合成、扩增特定核酸片段的一种方法。目前的新冠肺炎病毒核酸检测就是运用PCR技术,检测方法是技术人员合成一段与特定病原体DNA或RNA互补的单链核酸序列作为探针,运用生物素、放射性同位素、酶等进行标记,让其与待测病原体的核酸进行杂交。如果探针能与待测病原体的核酸互补配对,便能观察到标记物的信号,这样就可以证实待测病原体的种类(图1)。

图1 PCR核酸检测原理和流程

2.2.2 基因测序技术

目前,快速、准确、高灵敏、可以精确判定分子量的生物质谱、基因测序技术已非常普及,核酸的鉴定及其修饰物和复合物的测序质谱分析也成为热点[2-3]。通过对病毒进行全基因组测序,可以了解新冠病毒不同传播阶段的变异情况,由此推测病毒对人的感染力的变化情况。另外,疫苗研发者可利用基因组测序技术观察病毒变化情况,研究现有疫苗或正在研发的疫苗是否有效,从而对疫苗的研发策略进行修改,让疫苗更有针对性,提高防治病毒的效果。

通过基因测序,可以了解运动员机体的全基因组,探索和研究基因与运动能力的关系,为科学选材、科学训练提供理论依据与可靠方法[4]。

3 核酸、基因与运动能力

核酸是人类基因的遗传物质,人类基因的遗传具有不平衡性,因此个体有不同的天赋。基因遗传是运动能力发展的一个重要因素,个人20%～28%生理功能的不同由基因决定,如携氧能力、心肺功能及肌纤维的组成等。迄今为止,已有200多个基因位点被发现与人体生理功能有关,其中就包括与运动能力有关的基因(表2)。运动员的基因组成和多态性在很大程度上决定其体能,在运动员选材过程中,通过基因表型组学指标测量和运动基因检测就能掌握基因型信息,依据其与某种运动能力的关系,推测运动员适合从事哪项运动,综合评估其发展潜质[5]。

表2 与运动能力相关的基因

3.1 耐力素质相关基因

与耐力相关的基因研究最多的是血管紧张素转移酶基因(ACE基因)。ACE基因位于17q23,全长21kb,含26个外显子和25个内含子,是肾素-血管紧张素系统调控的关键酶。它能将无活性的血管紧张素I转化为高活性的血管紧张素Ⅱ,从而刺激血管收缩,导致血压升高,增强心肌收缩性,对心肌细胞产生正性变力和变时效应。研究发现,马拉松运动员的ACE基因II型明显高于普通人,携带ACE基因的人较适合从事耐力型项目,如中长跑、长距离游泳、马拉松等[6]。除ACE基因外,研究还发现血管内皮生长因子(VEGF)及其受体基因、ATP 合成调控相关蛋白基因、PPARGC1 及其辅激活基因等都与有氧运动能力相关。

3.2 爆发力素质相关基因

α-辅肌动蛋白-3基因(ACTN3)与人体肌肉的爆发力密切相关,携带这种基因的运动员在接受相同负荷训练时比非携带者更易取得佳绩。在奥运会取得优异成绩的爆发力项目运动员中,超过90%的运动员携带ACTN3基因[4,7]。携带ACTN3基因的人比较适合与爆发力素质相关的运动项目,如短跑、短跨、跳高、跳远等。

3.3 运动适应相关基因

随着基因治疗技术的飞速发展,有些运动员可能通过基因增强的方法非法提高运动成绩,但这会对人体产生潜在的严重的健康风险,甚至危及生命。目前,与提高运动能力相关的基因治疗主要包括提高耐力、促进蛋白同化作用、促进合成代谢、加快骨折和神经损伤修复、减轻运动疼痛等。例如:促红细胞生成素(EPO)、肌肉型胰岛素样生长因子(mlGF-1)与机械生长因子(MGF)、生长激素(GH)和生长激素释放激素(GHRH)、骨形态发生蛋白(BMP)等[8]。

4 小 结

人体的任何生命活动都离不开核酸作用,核酸对机体的运动能力起重要作用,部分运动相关基因明显影响运动员的运动天赋和体能。深入研究核酸与运动能力的关系,对提高运动选材成功率、优化训练方法具有重要的现实意义。