朱欽士

（美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2020年第5 期第16 頁）

3.4 體育鍛煉對身體發(fā)出的信息主要由活性氧傳遞 前文所述的蛋白質(zhì)，包括AMPK、MAPK、PGC-1α、NFκB、HIF-1、Hsf-1，都能在體育鍛煉時被活化，使身體作出相應(yīng)的反應(yīng)，例如，增強細(xì)胞抗氧化的能力以對抗活性氧的增多；增加線粒體的數(shù)量，以及動員更多的葡萄糖和脂肪酸以向細(xì)胞提供更多的能量；增加肌肉中血管的數(shù)量和增加紅血球的數(shù)量以輸送更多的氧氣；生產(chǎn)更多的熱休克蛋白以對抗溫度升高引起的蛋白變性，促進(jìn)細(xì)胞的自噬能力，加快細(xì)胞的修復(fù)和更新等。這些增強的反應(yīng)不僅能使身體更好地對抗活性氧對身體的破壞作用，還使身體應(yīng)對各種壓力的能力增強，即身體更健康。

體育鍛煉如何活化這些蛋白質(zhì)是一個重要和有趣的問題?？茖W(xué)實驗表明，這些蛋白是被活性氧活化的。將低濃度的過氧化氫加在提取的大鼠肌纖維中，可使細(xì)胞中這些蛋白的活性增高，而用消滅活性氧的酶，例如，過氧化物歧化酶（SOD）或過氧化氫酶（CAT）處理，或用非酶的抗氧化劑（例如維生素C、維生素E 及科學(xué)實驗中常用的抗氧化劑乙酰半胱氨酸N-acetylcysteine，NAC） 處理，則會降低這些蛋白的活性。用黃嘌呤氧化酶（XO）的抑制劑“安樂普瑞諾”（allopurinol）和電子傳遞鏈中阻斷醌還原的物質(zhì)（例如粘噻唑myxothiazol）抑制過氧化氫的生成，大鼠肌肉中上述蛋白的活性也會下降。反之，用阻斷半醌被進(jìn)一步還原為氫醌的抑制劑（例如抗酶素antimycin）使醌的還原停留在半醌階段，從而增加氧氣奪取電子的機會，形成更多的超氧負(fù)離子及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物過氧化氫，大鼠肌肉中上述蛋白的活性則會增加。

結(jié)果說明，這些蛋白的活化需要活性氧，體育鍛煉帶給身體的好處也是通過活性氧傳遞信息的。在體育鍛煉前或體育鍛煉后服用大量的抗氧化劑，再測定體育鍛煉后肌肉中這些蛋白的活性，發(fā)現(xiàn)它們的活性并不像未服用這些抗氧化劑時那樣增加。從外面補充的抗氧化劑會降低活性氧的濃度，減少其帶給身體的有益信息，反而會抵消體育鍛煉的有益效果。

哪種類型的活性氧扮演著傳遞信息的作用？不是所有類型的活性氧分子都適合用于信息傳遞。氫氧自由基（·OH）化學(xué)性質(zhì)極為活潑，會立即與遇到的各種分子發(fā)生反應(yīng)，沒有選擇性，不適合作為傳遞信息的分子。超氧負(fù)離子（O2·-）活性比較高，容易與遇到的分子發(fā)生反應(yīng)，而且?guī)в胸?fù)電，不容易穿過細(xì)胞膜起作用，但是通過就近氧化蛋白分子中的鐵硫中心，還是可起到信息物質(zhì)的作用。過氧化氫（H2O2）具有一定的氧化能力，但性質(zhì)又相對穩(wěn)定，可擴散較長的距離，且不帶電，容易穿過細(xì)胞膜，最適合作為信息分子。體育鍛煉帶給身體的有益效果，主要由過氧化氫傳遞。

在具體介紹過氧化氫傳遞信息的機制之前，先介紹細(xì)胞傳遞信息的原理。

3.5 細(xì)胞傳遞信息的原理 生物體是由蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪和核酸等分子組成的，要用這些分子傳遞信息，并且組成信息傳遞鏈，似乎強“人”所難。但細(xì)胞簡單巧妙地解決了這個難題，即利用蛋白質(zhì)分子不同功能狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

蛋白質(zhì)是高度復(fù)雜的分子，氨基酸線性相連組成的肽鏈，按照“最低能量原則”折疊成為具有三維結(jié)構(gòu)的分子，其功能也高度依賴蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)。這個具有生理功能的折疊方式，是由蛋白質(zhì)分子內(nèi)電荷之間的相互作用（包括固定電荷之間的相互作用和色散力之間的作用），以及蛋白質(zhì)與溶液中的分子之間的作用而形成的，但容易受到外界因素的影響而改變折疊狀態(tài)，喪失功能。

一個明顯的例子是鐮刀型紅血球病（Sicklecell disease，SCD）。為血紅蛋白β 鏈編碼的基因上第6 位的GAG 變?yōu)镚TG，所編碼的氨基酸也從谷氨酸變?yōu)槔i氨酸。谷氨酸的側(cè)鏈帶負(fù)電，而纈氨酸的側(cè)鏈不帶電。僅一個電荷的改變，使血紅蛋白的折疊方式發(fā)生改變，輸送氧氣的能力極大降低。這相當(dāng)于血紅蛋白從有功能狀態(tài)變?yōu)闊o功能狀態(tài)。

血紅蛋白的這個氨基酸改變是由基因突變引起的，不可逆。但是如果此變化是可逆的，蛋白質(zhì)就能在功能的“開”和“關(guān)”之間來回轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于計算機傳輸信息時用的“1”和“0”。改變了狀態(tài)的蛋白又可與另一個蛋白結(jié)合，改變下一個蛋白的功能狀態(tài)。用這種方式，信息就可傳遞下去。信息傳遞鏈的終端蛋白通常是具有生理功能的分子，例如控制基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，在接收到信息被激活后，就可執(zhí)行其生理功能，實現(xiàn)細(xì)胞對信號的反應(yīng)。

可逆地改變蛋白分子狀態(tài)最簡單的辦法就是結(jié)合另一個分子，無論是蛋白分子還是非蛋白分子（例如鈣離子）。在與另一個分子或離子結(jié)合后，原來的能量狀態(tài)就不再是最低的，而要改變折疊狀況才能達(dá)到新的最低能量狀態(tài)，在此過程中也影響蛋白質(zhì)的功能，常常是從“關(guān)”到“開”。細(xì)胞膜上的許多“受體”（receptor）就是這樣接收細(xì)胞外部的信息的。受體結(jié)合外部分子（例如生長激素和胰島素）后，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，功能被激活，可將信息傳給細(xì)胞內(nèi)的分子。外來分子離開后，受體又恢復(fù)原來沒有功能的狀態(tài)。

可逆地改變蛋白分子狀態(tài)的另一個方法就是修飾此蛋白，例如，給它加上一個磷酸根（這個過程稱為蛋白質(zhì)分子的磷酸化phosphorylation，給蛋白加上磷酸根的酶稱為蛋白激酶protein kinase）。磷酸根是帶負(fù)電的，這個增加的負(fù)電可改變蛋白折疊狀況，功能狀態(tài)也隨之改變。如果去掉此磷酸根，蛋白質(zhì)分子又恢復(fù)原來的功能狀態(tài)。這是由去除磷酸根，稱為磷酸酶（phosphatase）的蛋白完成的。激酶和磷酸酶配合，就可使蛋白在“開”和“關(guān)”2 種狀態(tài)下來回變化，起到傳遞信息的作用。細(xì)胞內(nèi)的許多信息傳遞鏈都使用了這個機制。

除了蛋白的磷酸化，改變蛋白功能狀態(tài)的另一種方法是改變蛋白質(zhì)分子中半胱氨酸（cysteine）殘基的氧化還原狀態(tài)。

3.6 蛋白質(zhì)分子中半胱氨酸殘基氧化還原狀態(tài)的改變可傳遞活性氧所攜帶的信息 半胱氨酸是組成蛋白質(zhì)分子的20 種氨基酸之一。在組成蛋白質(zhì)分子的氨基酸中，半胱氨酸所占比例最小，但是對于蛋白質(zhì)分子的功能卻非常重要。例如，許多酶的活性中心含有半胱氨酸殘基，直接參與化學(xué)反應(yīng)。半胱氨酸殘基對蛋白分子的折疊狀態(tài)也起重要作用。

蛋白質(zhì)分子中的半胱氨酸殘基的側(cè)鏈?zhǔn)且粋€由硫原子和氫原子組成的“巰基”（-SH，“巰”讀“秋”，是化學(xué)家造的字，意思是硫加氫）。這個巰基可被氧化，加上一個氧原子，形成“磺酸”（sulphenic acid，-SOH）?；撬峥膳c另一個巰基發(fā)生反應(yīng)，生成1 分子水，2 個半胱氨酸殘基上的硫原子再直接相連，形成“二硫鍵”（-S-S-）。2 個半胱氨酸通過二硫鍵相連的結(jié)構(gòu)稱為胱氨酸（cystine，比cysteine 少一個字母）。二硫鍵可被細(xì)胞內(nèi)的還原性分子例如“谷胱甘肽”（glutathione） 還原，重新形成2 個半胱氨酸，因此，蛋白質(zhì)中的一些（不是全部）半胱氨酸殘基可在“氧化”和“還原”2 種狀態(tài)間來回變化。這種變化常伴有蛋白折疊狀態(tài)的變化，使蛋白質(zhì)的功能狀態(tài)發(fā)生變化。

在細(xì)胞內(nèi)的還原條件下，蛋白質(zhì)分子中絕大多數(shù)半胱氨酸殘基的側(cè)鏈都處于還原狀態(tài)，即都是自由的巰基（-SH）。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)活性氧的濃度增高時，活性氧中的過氧化氫分子能將蛋白分子中的一些半胱氨酸殘基氧化，同時使蛋白質(zhì)的功能發(fā)生變化，這個變化就可用于活化對體育鍛煉作出有益反應(yīng)的蛋白質(zhì)。本文以研究得比較清楚的情形為例，說明這個過程是如何發(fā)生的。

3.7 過氧化氫通過半胱氨酸傳遞體育鍛煉有益信息的機制 體育鍛煉的有益效果主要是通過蛋白激酶MAPK 和核因子NFκB 實現(xiàn)的，它們也都可被體育鍛煉時產(chǎn)生的活性氧所活化。研究表明，它們不是直接被過氧化氫所活化，而是通過活性氧中的過氧化氫，將細(xì)胞中信息鏈“上游”蛋白的半胱氨酸殘基氧化而活化這些蛋白質(zhì)，再通過信息傳遞鏈實現(xiàn)MAPK 和NFκB 的活化。

1）蛋白激酶MAPK。MAPK 不是直接被過氧化氫分子活化，而是通過被“細(xì)胞程序性死亡信號激酶”（apoptosis signaling kinase 1，ASK1）磷酸化而被活化的。ASK1 也不是直接被過氧化氫活化，而是通過另一個蛋白“過氧化物氧還蛋白1”（peroxiredoxin 1，Prx1）活化的。Prx1 分子中的半胱氨酸殘基首先被過氧化氫氧化，其被氧化的巰基與ASK1中的巰基形成分子間的二硫鍵，通過這種方式將Prx1 分子中半胱氨酸的氧化狀態(tài)“轉(zhuǎn)移”到ASK1分子中去，使ASK1 分子中的半胱氨酸殘基氧化。該氧化使ASK1 的激酶活性被活化，將MAPK 分子磷酸化，即在MAPK 分子上加上磷酸根，改變MAPK 的折疊狀態(tài)，從而激活MAPK。因此過氧化氫活化MAPK 的過程是：H2O2—Prx1—ASK1—MAPK 的活化。

2）NFκB。NFκB 被過氧化氫活化的過程就更復(fù)雜。在休息狀態(tài)下，NFκB 與一個抑制蛋白IκB（inhibitor of κB）結(jié)合，存在于細(xì)胞質(zhì)中，沒有活性。要活化NFκB，必須解除IκB 的抑制。一個稱為IκB 激酶（iκB kinase，IKK） 的蛋白能使IκB 磷酸化。被磷酸化的IκB 被泛素系統(tǒng)“認(rèn)識”，給IκB 分子連上泛素（ubiquitin，也是一種蛋白質(zhì)）“標(biāo)簽”，連上泛素的IκB 又被細(xì)胞的蛋白消化系統(tǒng)“認(rèn)識”，將其降解。IκB 被降解后，NFκB 被釋放，進(jìn)入細(xì)胞核，發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄因子的作用。

IκB 激酶IKK 的活化也是通過磷酸化而實現(xiàn)的。將IKK 磷酸化的激酶稱為 “蛋白激酶D”（protein kinase D，PKD），而PKD 的活化又是通過Src 激酶實現(xiàn)的。Src 激酶分子中第277 位的半胱氨酸殘基被過氧化氫氧化成磺酸基后，分子折疊情況改變，其第416 位的酪氨酸殘基被暴露出來，“自我” 磷酸化（其實是2 個同樣的分子彼此磷酸化），使Src 激酶被激活，激活后的Src 激酶通過磷酸化將PKD 激活，激活后的PKD 又使IKK 磷酸化而將其激活，激活后的IKK 再使IκB 磷酸化而被降解，NFκB 就被激活了。所以NFκB 被過氧化氫活化的機制是：H2O2—Src 激酶—PKD—IKK—IκB 降解—NFκB的活化。

這2 個例子表明，活性氧傳遞信息的機制是非常復(fù)雜的。實現(xiàn)體育鍛煉正面效果的蛋白質(zhì)確實是被活性氧中的過氧化氫活化，但不是直接與過氧化氫反應(yīng)而被活化，而是通過一個由激酶組成的信息傳遞鏈。位于信息鏈“上游”的蛋白通常是激酶（MAPK 活化中的ASK1 和NFκB 活化中的Src 激酶），它們分子中的半胱氨酸殘基被氧化后，激酶活性顯現(xiàn)，通過由激酶組成的信息傳遞鏈，順序磷酸化后面的蛋白，像多米諾骨牌依次倒下一樣，最后實現(xiàn)目標(biāo)蛋白的活化。在ASK1 的活化中，ASK1 還不是直接被過氧化氫氧化而被激活，而是Prx1 先被過氧化氫氧化，Prx1 再將巰基氧化的狀態(tài)轉(zhuǎn)移給ASK1。

由于MAPK 和NFκB 是傳遞體育鍛煉有益效應(yīng)的主要分子，它們被過氧化氫活化表明，體育鍛煉的有益效果主要是由活性氧的信息作用而被實現(xiàn)的。

而在同時，正因為活性氧傳遞信號機制非常復(fù)雜，研究比較困難，目前人們只知道AMPK 除了可通過結(jié)合AMP 而被活化外，還可被活性氧活化，但尚不了解具體機制。熱休克因子Hsf1 也可被活性氧活化，但具體的機制仍不清楚。不過這并不影響活性氧傳遞體育鍛煉有益效果的結(jié)論。

3.8 生物對抗活性氧的歷史和生物一樣古老 在生命形成的初期，地球大氣中的氧氣很少，據(jù)估計只有目前大氣含氧量的十萬分之一。釋氧光合作用的出現(xiàn)使生物來源的氧氣開始進(jìn)入大氣。一開始這些氧氣并不能顯著增加大氣中的氧含量，因為這些氧氣會被環(huán)境中的還原性物質(zhì)（例如大氣中的氫氣和硫化氫及海水中的亞鐵離子）所消耗。只有這些還原性物質(zhì)被大量消耗后，大氣中的氧含量才顯著上升。這個上升大約發(fā)生在24 億年前，被稱為是“大氧化事件”（great oxygenation event，GOE）。因此有人認(rèn)為，生物的抗氧化系統(tǒng)是在大氧化事件之后才逐漸發(fā)展的，以應(yīng)對氧氣及其在生物體內(nèi)形成的活性氧對生命的威脅。在此之前，大氣中氧氣的含量極低，發(fā)展出這樣的系統(tǒng)似乎沒有用處。

但在實際上，地球上所有現(xiàn)存的生物，包括原核生物中的細(xì)菌（Bacteria）和古菌（Archaea），以及所有的真核生物，都含有抗氧化酶。甚至嚴(yán)格的厭氧菌（生活不需要氧氣的存在，而且在許多情況下還不能在有氧的環(huán)境中生活）也含有抗氧化酶。對這三大類生物中的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物氧化還原蛋白（Prx）和過氧化物酶（CAT）的基因序列比較表明，這些酶有共同性，即它們是同源的。無論是細(xì)菌、古菌還是真核生物的過氧化物氧還蛋白，它們的氨基端都有一個保守的半胱氨酸殘基用于還原過氧化氫。

如果抗氧化酶是在大氧化事件之后才出現(xiàn)的，由于在24 億年前，細(xì)菌、真菌和真核生物早已分道揚鑣，它們就必須各自獨立地演化出自己的抗氧化酶。如果是這種情況，這些酶基因的DNA 序列和蛋白質(zhì)的氨基酸的序列就不可能具有同源性。結(jié)論只有一個，就是這些酶出現(xiàn)的時間非常早，在原核生物分化為細(xì)菌和真菌之前就出現(xiàn)了，即所有生物的共同祖先（last universal common ancestor，LUCA）中就已經(jīng)含有抗氧化酶。這個時間應(yīng)該早于38 億年前，因為原核生物中的藍(lán)細(xì)菌就已經(jīng)有38 億年的歷史。這說明最早的生物就有對抗活性氧的需要。這似乎與生物產(chǎn)生時地球上的還原環(huán)境相矛盾。

其實在生物出現(xiàn)之前，地球上就已經(jīng)有活性氧了。太陽光中的紫外線照射海水，就可產(chǎn)生活性氧，而不需要大氣中有氧的存在。例如，紫外線可打破水分子中氧原子和一個氫原子之間的化學(xué)鍵，形成氫氧自由基（OH·）和氫自由基（H·）。2 個氫氧自由基彼此結(jié)合，就可形成過氧化氫（H2O2）。通過多步驟的反應(yīng)，紫外線也可在海水中形成超氧負(fù)離子（O2·-）?；钚匝醍a(chǎn)生的速度隨緯度（即光照角度）的不同而不同，目前海水被紫外線照射時產(chǎn)生超氧負(fù)離子的平均速度大約是3 nmoL／（L·min），即每升海水每分鐘能產(chǎn)生3 nmol 的超氧負(fù)離子。

在地球形成的初期，太陽的電磁輻射要比現(xiàn)在強3 倍左右，在海水中形成的活性氧估計也比現(xiàn)在要多。由于細(xì)胞質(zhì)量的80%以上是水，活性氧不僅可在海水中產(chǎn)生，也可通過紫外線照射細(xì)胞內(nèi)的水而產(chǎn)生。地球上的生物就是在這種細(xì)胞內(nèi)、外都有活性氧的環(huán)境中形成的。能發(fā)展出抗氧化酶的生物就比沒有發(fā)展出抗氧化酶的生物有更大的優(yōu)越性，因此，存活下來并且繼續(xù)發(fā)展的生物就都含有抗氧化酶系統(tǒng)。

由于超氧負(fù)離子和過氧化氫對生物都有傷害作用，所以最簡單的抗氧化酶系統(tǒng)都至少由2 種酶組成：消滅超氧負(fù)離子的超氧化物歧化酶（SOD）或超氧化物還原酶（SOR，見下文），以及消滅過氧化氫的過氧化氫酶（CAT）。下文將分別介紹這2 種酶的演化史。

（待續(xù)）