林文弢, 郭 瑩, 楊 玲

(1.珠海科技學(xué)院,廣東 珠海 519041; 2.廣州體育學(xué)院,廣東 廣州 510500; 3.韶關(guān)學(xué)院,廣東 韶關(guān) 512000 )

所有生物都含有核酸,核酸是細胞核的酸性物質(zhì),包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。新型冠狀病毒是一種僅含有RNA的病毒,病毒中特異性RNA序列是區(qū)分該病毒與其他病原體的標(biāo)志物[1]。追本溯源,核酸是機體儲存和傳遞遺傳信息的重要物質(zhì),其與運動能力的關(guān)系十分密切。本文分析核酸的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能,探討核酸的特性和檢測手段,解析核酸、遺傳基因?qū)\動能力的影響,為運動員科學(xué)選材與科學(xué)訓(xùn)練提供參考。

1 核酸的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能

核酸是所有生命體中必不可少的組成物質(zhì),具有遺傳信息儲存和傳遞的功能,在遺傳變異、生長發(fā)育及蛋白質(zhì)合成等代謝過程中起重要作用。人類對核酸的研究已經(jīng)有150多年的歷史。1953年,Watson和Crick創(chuàng)建了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,不僅闡明了DNA分子的結(jié)構(gòu)特征,而且提出了DNA作為執(zhí)行生物遺傳功能的分子,從親代到子代的DNA復(fù)制過程中,遺傳信息的傳遞方式及高度保真性,揭示了生命的奧秘,為遺傳學(xué)進入分子水平奠定了基礎(chǔ),成為現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展史上最為輝煌的里程碑。隨著研究[1]的深入,核酸良好的疏水/親水性、易于修飾的官能團、靈活的結(jié)構(gòu)、高效的催化能力及構(gòu)建各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和模式的潛力被漸漸挖掘,促使研究人員引入納米技術(shù),為核酸與納米材料的結(jié)合奠定了良好基礎(chǔ),大大拓寬了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。由核酸產(chǎn)生的分子生物學(xué)及基因工程技術(shù)已滲透到醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域的各個學(xué)科,人類對生命本質(zhì)的認識進入一個嶄新的天地。

1.1 核酸的結(jié)構(gòu)分類

核酸是脫氧核糖核酸和核糖核酸的總稱,是由許多核苷酸單體聚合成的生物大分子化合物,為生命的最基本物質(zhì)之一。核苷酸是組成核酸的基本單位,一個核苷酸分子由一分子含氮的堿基、一分子五碳糖和一分子磷酸組成。根據(jù)五碳糖的不同可將核酸分為DNA和RNA兩大類(表1)。

表1 核酸的分類

1.2 核酸的功能

核酸廣泛存在于所有動植物細胞和微生物體內(nèi),生物體內(nèi)的核酸常與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白。不同核酸的化學(xué)組成、核苷酸排列順序等不同,化學(xué)組成不同的核酸功能也不同。DNA是儲存、復(fù)制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。RNA在蛋白質(zhì)合成過程中起重要作用,其有3種:一是信使核糖核酸,簡稱mRNA,是合成蛋白質(zhì)的模板;二是轉(zhuǎn)運核糖核酸,簡稱tRNA,在蛋白質(zhì)合成過程中起著攜帶和轉(zhuǎn)移活化氨基酸的作用;三是核糖體的核糖核酸,簡稱rRNA,是細胞合成蛋白質(zhì)的主要場所。

此外,核酸還有許多重要的生物學(xué)功能:第一,維持機體正常免疫。核酸對機體各系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響,對免疫系統(tǒng)的影響最敏感。大量研究證明,動物或人補充足夠的外源性核苷酸可提高機體的免疫功能,維持細胞和體液免疫應(yīng)答,還能部分解除免疫抑制。第二,充足的核苷酸營養(yǎng)可以調(diào)節(jié)其他營養(yǎng)素的吸收與利用,提高神經(jīng)纖維蛋白合成,增加記憶力。第三,抗生物氧化功能。核苷酸營養(yǎng)可以增加單不飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的含量,提高機體的抗氧化能力,對機體增齡性形態(tài)改變有良好的改善作用,同時能較顯著地提高性激素的分泌水平。第四,促進細胞增殖分化,影響生物合成。核苷酸的營養(yǎng)水平能影響一些組織細胞的RNA含量和增殖細胞DNA水平。

2 核酸的性質(zhì)與檢測

2.1 核酸的性質(zhì)

化學(xué)性質(zhì):核酸的化學(xué)性質(zhì)有酸效應(yīng)和堿效應(yīng)。在強酸和高溫下核酸可水解為堿基,即核糖或脫氧核糖和磷酸。堿效應(yīng)使堿基的互變異構(gòu)態(tài)發(fā)生變化,這種變化影響特定堿基間的氫鍵作用,導(dǎo)致DNA雙鏈解離,稱為DNA變性。由堆積的疏水堿基形成的核酸二級結(jié)構(gòu)在能量上的穩(wěn)定性被削弱,導(dǎo)致核酸變性。眾所周知,德爾塔變異毒株就出現(xiàn)了核酸變性,由新冠病毒B.1.617.2變異株進一步變異而成。

物理性質(zhì):包括黏性、浮力密度、穩(wěn)定性等。DNA的高軸比等性質(zhì)使其水溶液具有高黏性,很長的DNA分子又易于被機械力或超聲波損傷,同時黏度下降。核酸的結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定,主要是由堿基對間的氫鍵、堿基的堆積作用和環(huán)境中的陽離子等共同作用的結(jié)果。

2.2 核酸檢測

隨著新冠肺炎的暴發(fā),“核酸檢測”這種醫(yī)學(xué)檢測手法進入大眾的視野。

2.2.1 聚合酶鏈反應(yīng)

聚合酶鏈反應(yīng)簡稱PCR,是以DNA半保留復(fù)制機制為基礎(chǔ)發(fā)展出的體外酶促合成、擴增特定核酸片段的一種方法。目前的新冠肺炎病毒核酸檢測就是運用PCR技術(shù),檢測方法是技術(shù)人員合成一段與特定病原體DNA或RNA互補的單鏈核酸序列作為探針,運用生物素、放射性同位素、酶等進行標(biāo)記,讓其與待測病原體的核酸進行雜交。如果探針能與待測病原體的核酸互補配對,便能觀察到標(biāo)記物的信號,這樣就可以證實待測病原體的種類(圖1)。

圖1 PCR核酸檢測原理和流程

2.2.2 基因測序技術(shù)

目前,快速、準確、高靈敏、可以精確判定分子量的生物質(zhì)譜、基因測序技術(shù)已非常普及,核酸的鑒定及其修飾物和復(fù)合物的測序質(zhì)譜分析也成為熱點[2-3]。通過對病毒進行全基因組測序,可以了解新冠病毒不同傳播階段的變異情況,由此推測病毒對人的感染力的變化情況。另外,疫苗研發(fā)者可利用基因組測序技術(shù)觀察病毒變化情況,研究現(xiàn)有疫苗或正在研發(fā)的疫苗是否有效,從而對疫苗的研發(fā)策略進行修改,讓疫苗更有針對性,提高防治病毒的效果。

通過基因測序,可以了解運動員機體的全基因組,探索和研究基因與運動能力的關(guān)系,為科學(xué)選材、科學(xué)訓(xùn)練提供理論依據(jù)與可靠方法[4]。

3 核酸、基因與運動能力

核酸是人類基因的遺傳物質(zhì),人類基因的遺傳具有不平衡性,因此個體有不同的天賦。基因遺傳是運動能力發(fā)展的一個重要因素,個人20%～28%生理功能的不同由基因決定,如攜氧能力、心肺功能及肌纖維的組成等。迄今為止,已有200多個基因位點被發(fā)現(xiàn)與人體生理功能有關(guān),其中就包括與運動能力有關(guān)的基因(表2)。運動員的基因組成和多態(tài)性在很大程度上決定其體能,在運動員選材過程中,通過基因表型組學(xué)指標(biāo)測量和運動基因檢測就能掌握基因型信息,依據(jù)其與某種運動能力的關(guān)系,推測運動員適合從事哪項運動,綜合評估其發(fā)展?jié)撡|(zhì)[5]。

表2 與運動能力相關(guān)的基因

3.1 耐力素質(zhì)相關(guān)基因

與耐力相關(guān)的基因研究最多的是血管緊張素轉(zhuǎn)移酶基因(ACE基因)。ACE基因位于17q23,全長21kb,含26個外顯子和25個內(nèi)含子,是腎素-血管緊張素系統(tǒng)調(diào)控的關(guān)鍵酶。它能將無活性的血管緊張素I轉(zhuǎn)化為高活性的血管緊張素Ⅱ,從而刺激血管收縮,導(dǎo)致血壓升高,增強心肌收縮性,對心肌細胞產(chǎn)生正性變力和變時效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),馬拉松運動員的ACE基因II型明顯高于普通人,攜帶ACE基因的人較適合從事耐力型項目,如中長跑、長距離游泳、馬拉松等[6]。除ACE基因外,研究還發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)及其受體基因、ATP 合成調(diào)控相關(guān)蛋白基因、PPARGC1 及其輔激活基因等都與有氧運動能力相關(guān)。

3.2 爆發(fā)力素質(zhì)相關(guān)基因

α-輔肌動蛋白-3基因(ACTN3)與人體肌肉的爆發(fā)力密切相關(guān),攜帶這種基因的運動員在接受相同負荷訓(xùn)練時比非攜帶者更易取得佳績。在奧運會取得優(yōu)異成績的爆發(fā)力項目運動員中,超過90%的運動員攜帶ACTN3基因[4,7]。攜帶ACTN3基因的人比較適合與爆發(fā)力素質(zhì)相關(guān)的運動項目,如短跑、短跨、跳高、跳遠等。

3.3 運動適應(yīng)相關(guān)基因

隨著基因治療技術(shù)的飛速發(fā)展,有些運動員可能通過基因增強的方法非法提高運動成績,但這會對人體產(chǎn)生潛在的嚴重的健康風(fēng)險,甚至危及生命。目前,與提高運動能力相關(guān)的基因治療主要包括提高耐力、促進蛋白同化作用、促進合成代謝、加快骨折和神經(jīng)損傷修復(fù)、減輕運動疼痛等。例如:促紅細胞生成素(EPO)、肌肉型胰島素樣生長因子(mlGF-1)與機械生長因子(MGF)、生長激素(GH)和生長激素釋放激素(GHRH)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等[8]。

4 小 結(jié)

人體的任何生命活動都離不開核酸作用,核酸對機體的運動能力起重要作用,部分運動相關(guān)基因明顯影響運動員的運動天賦和體能。深入研究核酸與運動能力的關(guān)系,對提高運動選材成功率、優(yōu)化訓(xùn)練方法具有重要的現(xiàn)實意義。