潘善瑤，羅 麗，王國祥

劇烈運動時骨骼肌大量收縮， 此時肌纖維的氧流量是安靜狀態(tài)下的100～200 倍， 導(dǎo)致機體內(nèi)自由基急劇增加。 1982年，Davies 等發(fā)現(xiàn)大鼠進行力竭運動后，其肝臟和肌肉中的自由基均顯著增加[1]。 由于自由基的產(chǎn)生與氧化應(yīng)激、 組織損傷和肌肉功能下降有關(guān)，活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）和活性氮（Reactive Nitrogen Species，RNS）常被認為是運動時氧化代謝產(chǎn)生的對健康和肌肉功能有害的副產(chǎn)物。由于抗氧化劑具有消除自由基的功能，運動員和運動愛好者常采取補充高劑量外源性抗氧化劑的方式來抵消運動時產(chǎn)生的自由基。然而，許多研究表明，ROS 和RNS 不僅是細胞內(nèi)的重要信號分子，還是激活細胞內(nèi)多條信號傳導(dǎo)通路的關(guān)鍵物質(zhì)。 適量的自由基與胰島素敏感性[2]、線粒體再生[3]、免疫反應(yīng)[4]等生理功能的調(diào)節(jié)有關(guān)。 近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)外源性抗氧化劑的補充會通過消除運動時產(chǎn)生的自由基， 抑制其誘發(fā)的細胞防御功能層面的適應(yīng)性變化。還有一些研究發(fā)現(xiàn)，由于氧化還原狀態(tài)具有個體差異性， 自由基和抗氧化劑的作用會受到影響[5-7]。 目前，對于外源性抗氧化劑補充對運動引起的適應(yīng)性變化的影響，仍沒有明確的結(jié)論。

1 自由基與氧化應(yīng)激

在光熱等條件下， 化合物的共價鍵均裂形成的具有不成對電子的原子或分子被稱作為自由基。 生物體內(nèi)自由基主要來源于氧分子， 氧分子在有氧代謝過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物及其衍生的含氧物質(zhì)被統(tǒng)稱為ROS，包括單線態(tài)氧分子（O2）、超氧陰離子自由基羥基（·OH）、過氧化氫（H2O2）、脂質(zhì)過氧化物（ROOH）和含氮氧化物（NO）等。

自由基的產(chǎn)生有兩個主要路徑： 一是由機體的正常生理運作產(chǎn)生， 如人體會在正常新陳代謝和發(fā)生炎癥反應(yīng)時產(chǎn)生自由基來維持正常生理功能；二是由外界環(huán)境的影響引起，如抽煙、酒精、輻射、電磁波、環(huán)境污染、化學(xué)藥物濫用和精神狀況不佳等狀況都會導(dǎo)致機體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由基。

作為好氧生物， 機體內(nèi)部會源源不斷地產(chǎn)生自由基，與此同時，為了抵抗自由基的作用，體內(nèi)存在著兩種類型的抗氧化防御系統(tǒng)。 一類是酶促防御系統(tǒng)，由超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）與谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GSH-Px） 等組成，SOD 負責催化O2-分解為過氧化氫的反應(yīng)， 它構(gòu)成了體內(nèi)自由基的第一道防線； CAT 廣泛分布于細胞中， 可將某些細胞器如線粒體衍生的H2O2催化分解為H2O和O2；GSH-Px 對底物具有低特異性，可作用于H2O2和ROOH。 機體中另一類抗氧化防御系統(tǒng)涵蓋了一系列非酶類抗氧化劑， 包括位于細胞膜上的脂溶性抗氧化劑如維生素E（Vitamin E，VE）、β- 胡蘿卜素、輔酶Q、 多酚和黃酮類化合物等， 以及存在于細胞液、 線粒體或細胞外液中的水溶性抗氧化劑如維生素C（Vitamin C，VC）、谷胱甘肽（Glutathione，GSH）、尿酸、硫辛酸等。 同時，一些微量元素如銅、鋅、錳等也具有清除自由基的能力。

在正常情況下， 機體內(nèi)部的抗氧化防御系統(tǒng)足以將自由基的產(chǎn)生與消除維持在動態(tài)平衡的狀態(tài)。較低濃度的ROS 是機體重要的信號分子，參與維持細胞穩(wěn)態(tài)、 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程及細胞的增殖分化與遷移等生理功能的調(diào)節(jié)過程[8]。 然而，如果機體長時間暴露于過量增加的ROS 和RNS 下， 機體內(nèi)活性氧組分和抗氧化防御系統(tǒng)之間的平衡被打破， 產(chǎn)生的過氧化物和自由基可能會誘發(fā)毒性作用， 對細胞大分子物質(zhì)（蛋白質(zhì)、脂類和DNA）的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生破壞，這些反應(yīng)統(tǒng)稱為機體的氧化應(yīng)激。機體內(nèi)發(fā)生的氧化應(yīng)激常被認為是造成阿斯伯格綜合癥、自閉癥、阿爾茲海默癥、帕金森、注意力缺陷多動癥、動脈粥樣硬化、心臟衰竭、癌癥及II 型糖尿病等疾病的原因之一[9-12]。

2 運動與抗氧化防御能力

2.1 運動與自由基

在正常運動過程中，ROS 和RNS 介導(dǎo)的一些氧化還原信號通路與機體對運動產(chǎn)生的分子及細胞反應(yīng)有關(guān)[13]，從而使骨骼肌產(chǎn)生一些急性與慢性反應(yīng)，包括內(nèi)源性抗氧化酶水平、肌肉收縮力[14]、肌肉肥大[15]、線粒體再生[3]、葡萄糖攝取及肌肉胰島素敏感性[2]的改變。 許多研究表明， 適度運動可以被認為是一種“抗氧化劑”， 因為它有助于提高機體內(nèi)源性抗氧化酶活性及增強機體清除多余自由基的能力； 但在劇烈運動的情況下， 機體內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)不足以消除運動時產(chǎn)生的大量自由基，導(dǎo)致運動性氧化應(yīng)激。

線粒體機制和黃嘌呤氧化酶機制是被普遍認可的在眾多運動中產(chǎn)生自由基的機制。 在氧化應(yīng)激領(lǐng)域， 線粒體的呼吸作用常被認為是運動過程中ROS/RNS 形成的最重要來源。 由于運動時，肌肉的代謝率比靜息狀態(tài)高100 倍， 因此線粒體氧通量的顯著升高被認為是運動誘導(dǎo)的超氧化物形成的主要機制，特別是線粒體復(fù)合體I、II 和III 上發(fā)生的電子傳遞的不充分耦合可能會導(dǎo)致電子泄漏， 與氧結(jié)合形成超氧自由基。此外，運動時關(guān)節(jié)與肌肉的顯著缺血和再灌注會增加氧化應(yīng)激， 酸性代謝物的增加會影響自由基的清除， 兒茶酚胺類等物質(zhì)氧化生成自由基， 抗氧化系統(tǒng)遭到破壞也被認為是運動時自由基產(chǎn)生增多的主要機制。

2.2 急性運動與抗氧化防御能力

機體在進行急性運動時，會產(chǎn)生大量的自由基。國內(nèi)外很多研究表明， 急性劇烈運動增加嚙齒動物各種組織（包括骨骼肌和心肌等）的SOD 活性[16]。 然而， 周永偉等針對力竭運動對大鼠心肌細胞一氧化氮合酶信使核糖核酸（eNOS mRNA）表達水平及自由基代謝的影響進行探究， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 與對照組相比，運動組心肌中丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量顯著增加，SOD 含量顯著下降， 表明力竭運動會通過促進機體內(nèi)自由基的產(chǎn)生， 降低抗氧化酶的活性來降低心肌eNOS mRNA 表達水平， 從而影響心血管功能[17]。

在人體研究中， 急性運動對抗氧化能力影響結(jié)果較不一致。 Farney 等比較了訓(xùn)練有素的受試者在非運動狀態(tài)下及3 種不同運動負荷下的血氧化應(yīng)激生物標志物，發(fā)現(xiàn)運動后1 h 內(nèi)，運動訓(xùn)練并未導(dǎo)致血氧化應(yīng)激顯著增加[18]。 專業(yè)自行車運動員在5 h距離為22 km 的運動后， 肌肉中氧化應(yīng)激生物標志物亦沒有發(fā)生顯著的變化[19]。 但未經(jīng)訓(xùn)練的受試者在45 min 自行車運動后，股外側(cè)肌的SOD 蛋白含量升高[20]。 梁輝通過功率自行車對肥胖人群進行急性高負荷無氧運動訓(xùn)練，結(jié)果顯示運動組SOD、GSH-Px、總抗氧化能力（Total Antioxidant Capacity，T-AOC）活性顯著增加， 提示肥胖者可以通過高負荷無氧運動增強自身清除自由基的能力[21]。

綜上所述， 急性運動對機體抗氧化能力的作用不僅受到運動強度和運動時間的影響， 還會因受試者自身運動水平而產(chǎn)生不同， 接受過良好訓(xùn)練的運動員機體內(nèi)部可能已經(jīng)對運動產(chǎn)生了良好的適應(yīng)，故急性運動不會對其抗氧化能力產(chǎn)生顯著影響。 然而， 急性運動會促進未經(jīng)訓(xùn)練者機體中自由基及脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生， 與此同時， 抗氧化酶SOD、GSH-Px 的活性也會略微增加。

2.3 長期運動與抗氧化防御能力

長期運動可以誘導(dǎo)體內(nèi)抗氧化酶數(shù)量及活性的增加，使機體消除自由基的能力增強，足以承受運動誘發(fā)的氧化應(yīng)激。

糖尿病患者機體各組織的氧化應(yīng)激水平很高，而運動可以提高糖尿病患者的抗氧化能力。 Kanter等研究了鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)的糖尿病大鼠在經(jīng)歷4 周低強度跑步機運動后心肌氧化應(yīng)激水平的變化，結(jié)果顯示用低強度運動治療糖尿病動物，可以抑制其心肌組織中MDA 水平的升高， 并增加SOD、GSH-Px 和CAT 的活性， 提示低強度運動可以通過減少氧化應(yīng)激來維持心肌完整性[22]。 Hegde 等研究了3 個月瑜伽干預(yù)對接受標準治療的II 型糖尿病患者抗氧化能力的影響， 結(jié)果顯示瑜伽可以顯著增加患者GSH 和VC 的濃度，可以作為降低II 型糖尿病患者氧化應(yīng)激的有效療法[23]。

隨著年齡的增長，機體抗氧化能力會不斷下降，適當?shù)倪\動可以通過提高抗氧化酶活性及增強機體清除自由基的能力來緩解衰老對機體抗氧化能力的影響。 Muhammad 等對18 個月大的老年小鼠進行4周的游泳訓(xùn)練， 結(jié)果表明有氧運動可以降低衰老小鼠腓腸肌中脂質(zhì)過氧化程度，且增加了CAT 及SOD等抗氧化酶的活性[24]。 國內(nèi)也有研究報道，6 周低負荷運動訓(xùn)練可以抑制D- 半乳糖衰老大鼠骨骼肌中MDA 和脂褐素含量的增加，促進SOD 活性的增加，從而改善其骨骼肌組織中激素代謝紊亂和自由基代謝紊亂的情況[25]。

此外， 曹姣等對肥胖大鼠進行6 周3 種不同強度的跑臺運動干預(yù)， 來探討運動強度對肥胖大鼠氧化應(yīng)激水平的影響，結(jié)果表明，有氧運動能有效提高肥胖大鼠肝臟抗氧化酶的活性， 增強肝臟清除自由基能力， 且中等強度效果優(yōu)于低強度或遞增負荷強度[26]。邊林莉等的研究表明，用中等強度有氧運動的方式治療心肌損傷的大鼠模型， 有利于提高大鼠血清中CAT 和SOD 的活性，降低MDA 水平，減少氧自由基的生成，達到保護心肌細胞的作用[27]。盡管上述研究并沒有采取同樣的運動方式或同類受試對象，但這些研究結(jié)果提示，長期的中低強度訓(xùn)練對各種氧化應(yīng)激過高的情況有改善作用， 有助于將氧化還原狀態(tài)維持在正常水平并適應(yīng)運動負荷。

3 外源性抗氧化劑補充與運動誘導(dǎo)的適應(yīng)性變化

為了抵抗自由基的消極作用， 運動愛好者常攝取外源性抗氧化劑來消除自由基。 常用的外源性抗氧化劑主要包括VC、VE、番茄紅素、胡蘿卜素、輔酶Q等物質(zhì)，它們可以消除自由基，防止脂質(zhì)、核酸及蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的過氧化，并穩(wěn)定細胞功能[28]。外源性抗氧化劑有消除自由基的能力， 因其具有安全有效、無毒性及非興奮劑的特點，被國內(nèi)外眾多學(xué)者廣泛應(yīng)用于研究。

抗氧化劑消除自由基的同時是否會影響運動中自由基誘發(fā)的一系列機體適應(yīng)性變化，目前尚無定論。

3.1 外源性抗氧化劑與抗氧化防御能力

Gabrial 等對每周進行2～3 次劇烈運動的男性青少年進行90 d 的VC 干預(yù)， 通過測定氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）、肌酸激酶（CK）、乳酸脫氫酶（LDH）來觀察肌肉損傷，測定MDA 來評估脂質(zhì)過氧化程度[29]。 結(jié)果顯示， 與對照組相比，VC 組的AST、CK、LDH 和MDA 均顯著降低，表明補充VC 可以減少劇烈運動誘發(fā)的肌肉損傷及氧化應(yīng)激。 丹娟等采用2 周復(fù)合抗氧化劑（VE、VC、Se）干預(yù)，探討其對運動員抗氧化能力、氧化應(yīng)激以及脂質(zhì)過氧化損傷的影響，在運動員進行大強度離心跑步運動后， 測量其血漿中白細胞介素-6（IL-6）含量及血清SOD、GSH-Px、MDA水平， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)聯(lián)合抗氧化劑能有效提高人體的抗氧化能力，減少高強度運動引起的氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化損傷和骨骼肌微損傷[30]。苗小寶等[31]和周國霞[32]還報道過， 補充天然蝦青素和百合等抗氧化劑可顯著提高大鼠力竭運動后骨骼肌、 心臟和肝臟的抗脂質(zhì)過氧化及清除自由基的能力。

但一些研究認為， 補充外源性抗氧化劑可能會抵消運動對骨骼肌抗氧化能力的影響。 Morrison 等研究結(jié)果顯示，4 周耐力訓(xùn)練可以顯著提高健康成年男性骨骼肌中SOD 活性，增加骨骼肌中SOD2 及線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TFAM）等蛋白質(zhì)的含量，而補充VC 和VE 會抑制骨骼肌產(chǎn)生這些細胞適應(yīng)[33]。動物研究中，Meier 等人的研究結(jié)果顯示耐力訓(xùn)練時補充抗氧化劑會抑制GSH-Px、SOD、 過氧化物還原酶mRNA 的 表 達[34]。

3.2 外源性抗氧化劑與線粒體生物發(fā)生

耐力訓(xùn)練可以提高骨骼肌線粒體數(shù)量及功能，從而提高機體有氧供能能力。 線粒體生物發(fā)生需要腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target of Rapamycin，mTOR）、鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶（CaMKs）、絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinases，MAPKs）等蛋白激酶的調(diào)節(jié)及PGC-1α、NRF-1/2 等關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的激活。絕大部分研究表明，外源性抗氧化劑補充會影響運動引起的線粒體生物發(fā)生的信號及轉(zhuǎn)錄因子的增加。 Paulsen 等研究發(fā)現(xiàn)，11 周的耐力訓(xùn)練會使受試者股四頭肌中COX4 和PGC-1α 增加，而訓(xùn)練的同時補充VC、VE 會抑制這一效應(yīng)[35]。Wadley等也報道過黃嘌呤氧化酶抑制劑雖然沒有損害耐力訓(xùn)練帶來的線粒體的良好適應(yīng)， 但抑制了一些線粒體再生有關(guān)的信號及轉(zhuǎn)錄因子（p38 MAPK、AMPK、ERK1/2）[36]。 較少研究結(jié)果顯示抗氧化劑和運動對線粒體再生具有協(xié)同作用，Andreani 等建立衰老加速小鼠模型，進行兩個月輔酶Q10 補充和中等強度運動， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動可以改善氧化應(yīng)激模型的線粒體功能，且輔酶Q10 的補充可以增強此效果[37]。

3.3 外源性抗氧化劑與骨骼肌的結(jié)構(gòu)及功能

Makanae 等將大鼠隨機分為假手術(shù)組、VC 組及安慰劑組， 對VC 組及安慰劑組大鼠進行了右后肢的腓腸肌與比目魚肌的切除，建立跖肌超負荷模型，并對VC 組其進行14 d 的VC 補充， 結(jié)果顯示VC組和安慰劑組的跖肌濕重和蛋白質(zhì)濃度無顯著差異，但安慰劑組的磷酸化p70s6k、Erk1/2（肌肉蛋白質(zhì)合成的正調(diào)節(jié)劑）的表達顯著高于假手術(shù)組，肌肉萎縮標志物顯著低于假手術(shù)組， 這表明補充VC 會抑制大鼠過載引起的骨骼肌肥大[38]。 Paulsen 等研究發(fā)現(xiàn)VC 和VE 的補充會抑制10 周力量訓(xùn)練引起的蛋白信號，但不會影響肌肉增長[39]。 Bj?rnsen 等以老年男性作為受試對象， 針對VC 和VE 的補充對連續(xù)進行12 周力量訓(xùn)練的老年男性的肌肉量的影響進行探究， 結(jié)果顯示VC、VE 補充組的總肌肉量和股直肌厚度的增量都顯著低于安慰劑組， 表明補充VC、VE 會抑制老年男性力量訓(xùn)練引起的肌肉肥大[40]。Dutra 等得出了類似的結(jié)論， 長期補充VC、VE 會降低10 周力量訓(xùn)練后年輕女性的股四頭肌的厚度、峰值扭矩及總工作能力[41]。 上述研究結(jié)果顯示，補充VC、VE 可能會抵消運動對骨骼肌結(jié)構(gòu)及功能的有益影響。

但不同的抗氧化劑對運動后骨骼肌結(jié)構(gòu)及功能的影響似乎不同。 在嚙齒動物研究中，Jannig 等報道，補充N- 乙酰半胱氨酸（NAC）對急性有氧運動后大鼠離體骨骼肌力量及抵抗疲勞的能力具有改善作用[42]。 在人體研究中，Levers 等的研究結(jié)果顯示，健康年輕男性在進行力量訓(xùn)練的同時補充櫻桃提取物不僅可以促進其運動后肌力的恢復(fù)， 還可以減輕其肌肉酸痛[43]。

3.4 外源性抗氧化劑與葡萄糖攝取、胰島素敏感性

長期進行各種體育鍛煉已經(jīng)被證實可以提高胰島素的敏感性，從而改善機體調(diào)控血糖的能力[44]。已有證據(jù)表明ROS 和RNS 與運動過程中骨骼肌對葡萄糖的攝取和胰島素敏感性有關(guān)[45]，但由于針對外源性抗氧化劑對此作用的研究較少， 故補充外源性抗氧化劑是否對其產(chǎn)生影響尚不明朗。

Ristow 等研究發(fā)現(xiàn)，4 周運動訓(xùn)練及VC、VE 的共同干預(yù)會抑制運動引起的胰島素敏感性增加[46]。但Yfanti 等將訓(xùn)練時間增至12 周時， 發(fā)現(xiàn)VC、VE的補充不會影響運動引起的胰島素敏感性及胰島素相關(guān)蛋白質(zhì)mRNA 表達的增加[47]。 除了VE、VC 外，還有些研究采用了其他抗氧化劑，Trewin 等采用了向受試者體內(nèi)輸注NAC 的干預(yù)手段，結(jié)果發(fā)現(xiàn)補充NAC 可抑制運動引起的胰島素敏感性增加[48]。

3.5 外源性抗氧化劑影響運動引起的適應(yīng)性變化的可能機制

抗氧化劑的補充對運動帶來的適應(yīng)性變化產(chǎn)生抑制作用， 這可能是由于內(nèi)源性細胞氧化還原狀態(tài)的調(diào)節(jié)依賴于機體中自由基的產(chǎn)生和消除系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以精確地調(diào)節(jié)特定的自由基， 但上述研究中使用的抗氧化劑如VC 和VE 不具備特異性消除自由基的能力， 從而破壞了機體這些系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力[49]，不僅消除了有害的ROS/RNS，還影響細胞適應(yīng)所需的ROS/RNS 相關(guān)信號。Merry 和Ristow 對此提出ROS/RNS 濃度對訓(xùn)練適應(yīng)性和運動表現(xiàn)具有非線性作用見圖1[50]。 總的來說，生物劑量的ROS/RNS可以促進訓(xùn)練適應(yīng)和運動表現(xiàn)， 當抗氧化劑消除了生物劑量范圍內(nèi)的ROS/RNS，就會影響運動帶來的良好效果；高劑量的ROS/RNS 則會抑制機體的訓(xùn)練適應(yīng)和運動表現(xiàn)，此時，抗氧化劑的干預(yù)可能有助于消除過多自由基的有害作用[50]。

圖1 ROS/RNS 濃度對訓(xùn)練適應(yīng)性和運動表現(xiàn)的非線性作用[50]Figure 1 Nonlinear Effect of ROS / RNS Concentration on Exercise Adaptability and Performance[50]

此外，有研究提出，以往研究在探討運動或抗氧化劑對于機體氧化還原狀態(tài)的影響時， 都沒有將氧化還原狀態(tài)的個體差異考慮在內(nèi)[5]。 Block 等研究發(fā)現(xiàn)， 只有當機體氧化應(yīng)激水平的初始值 （休息狀態(tài)下） 很高時，VC 和VE 的補充才會減少機體內(nèi)氧化應(yīng)激的生物標志物[6]。 Veskoukis 等報道，還原型GSH初始值較低者的運動表現(xiàn)較低、氧化應(yīng)激水平較高、細胞氧化代謝能力較差，他們的研究還探討了NAC對氧化還原狀態(tài)的影響，結(jié)果顯示補充NAC 只對休息狀態(tài)下GSH 值較低者的氧化還原狀態(tài)有改善作用，對休息狀態(tài)下GSH 值正?；蜉^高者都無顯著影響[7]。 機體初始氧化還原狀態(tài)可能會影響運動和/或抗氧化劑對于機體氧化還原狀態(tài)的作用， 故上述的各類研究結(jié)果的差異， 也有可能是由于受試者們在接受干預(yù)前機體氧化還原狀態(tài)存在差異導(dǎo)致。

4 結(jié)論與建議

ROS/RNS 濃度對運動訓(xùn)練適應(yīng)性和運動表現(xiàn)具有非線性作用，運動時產(chǎn)生的適量ROS/RNS 有利于機體對運動產(chǎn)生良好的適應(yīng)性變化， 當運動時產(chǎn)生的ROS/RNS 難以達到對機體有害的濃度范圍時，外源性抗氧化劑的補充可能會影響細胞適應(yīng)所需的ROS/RNS 相關(guān)信號，抑制機體對運動產(chǎn)生適應(yīng)性變化。 未來相關(guān)研究可以采用對機體某些組織或細胞具有特定抗氧化作用的抗氧化劑 （如線粒體特異性抗氧化劑） 來取代VC、VE 等非特異性抗氧化劑；在招募受試者時可對其基礎(chǔ)氧化還原狀態(tài)進行測定，以保證受試者在進行干預(yù)前氧化還原狀態(tài)無顯著差異。