运动训练对大鼠运动能力和不同类型肌纤维自由基代谢的影响

陈珍珍，郑建飞，林 诚，曾晓芳，潘燕霞

运动疲劳是限制运动的主要因素，但机制尚未完全清楚。研究显示，高强度运动时自由基大量生成，造成骨骼肌细胞损伤，是运动疲劳的主要机制［1－2］。然而，体内存在清除自由基的抗氧化系统，包括抗氧化酶和非酶类抗氧化剂，以保持自由基平衡。研究发现，中低强度的慢性运动（运动训练）能增强骨骼肌总抗氧化能力（T－AOC）和抗氧化酶活性，降低骨骼肌自由基水平［3－5］；而大强度耐力训练则降低骨骼肌抗氧化酶活性，增加自由基水平［1，6］。造成这种差异除了与运动强度有关，还与骨骼肌纤维类型有关。Hollander等认为，不同强度的运动训练对自由基影响的差异，其基础是参与的骨骼肌纤维类型不同所致［7］。但多数研究仍以整个骨骼肌为研究对象，对不同类型肌纤维的自由基和抗氧化酶的研究较少。少数文献报道力竭运动结束即刻的不同类型肌纤维的自由基变化［7－8］，但对力竭运动恢复期不同类型肌纤维自由基变化并不清楚。为了探讨运动训练对不同类型肌纤维自由基代谢的影响，本实验以大鼠比目鱼肌（Ⅰ纤维）、腓肠肌（Ⅱa和Ⅱb纤维）为研究对象，观察中低强度运动训练对大鼠运动能力的影响以及力竭运动恢复期不同类型肌纤维丙二醛（MDA）含量、T－AOC、超氧化物歧化酶（SOD）活性的变化，旨在揭示运动训练提高骨骼肌运动能力和抗疲劳的作用机制。

1 材料与方法

1.1 动物 成年雄性SD 大鼠26只［中国科学院上海实验动物中心提供，动物合格证号SCXK（沪）－2007－005）］，体质量300～350g。随机分成安静组（n＝6）、非训练组（n＝10）和训练组（n＝10）。训练组大鼠进行8周跑台运动，并在运动前和运动结束后24h进行运动能力测试；非训练组大鼠除了在相同时间点进行运动能力测试外，其余时间自由活动；安静组大鼠自由活动，未进行任何干预，作为安静状态自由基水平的对照值。动物房温度21～23℃，湿度40%～60%，自由摄食饮水。

1.2 方法

1.2.1 仪器和试剂 FT－200动物电动跑台（成都泰盟科技有限公司），ELX800 型酶标仪（美国BioTek公司），FSH－Ⅱ型高速电动匀浆器（江苏金坛市环宇科学仪器厂），离心机（美国Themo公司）。MDA、SOD、T－AOC试剂盒（南京建成生物工程研究所），BCA 蛋白测定试剂盒（江苏碧云天科技公司）。

1.2.2 运动训练方案 运动组大鼠采用递增强度的耐力训练方案［9］，每天在跑台上运动60 min，每周6d，共8周。具体方法如下：动物跑台一端铺有电栅，必要时通以电流驱赶动物。第1周，跑台速度10～15m／min，运动时间从10min／d开始，每天延长10min，直至60min／d；第2周，运动时间固定60 min／d，跑台速度从10～15m／min逐渐增至15～20 m／min；第3周开始，跑台速度和运动时间固定在20m／min和60min／d，直至运动训练结束，这一训练方案的运动强度达55% 最大摄氧量（VO2max）［9］。实验过程中配合手动木棍驱赶，以减少电刺激对动物造成的应激。跑道铁质隔板下方进行必要防护处理，以防止大鼠尾部皮肤刮伤。训练组无大鼠死亡，其中1只因不能稳定在跑台上运动，中途退出；余9只大鼠的数据纳入统计学分析。

1.2.3 运动能力测试 运动训练之前，训练组和非训练组大鼠进行运动能力测试，以了解运动能力的基础水平。测试前3d放入跑台，以10m／min速度，每天运动10min以适应跑台。测试时，跑台速度从10 m／min，每3 min 增 加3 m／min，直 至31m／min，维持此速度直至动物出现力竭体征，记录最大运动距离和运动时间。力竭的判断标准：动物从跑台履带上落到跑台后部，电击和木棒驱赶无效，动物身体蜷缩、背部弓起，呼吸急促等，顽固拒跑［8］。8周训练结束后，再次测试两组大鼠运动能力。

1.2.4 不同类型肌纤维MDA、T－AOC、SOD 活性测定 训练组与非训练组大鼠在第2次运动能力测试结束后24h，在深麻醉下迅速分离大鼠比目鱼肌（Ⅰ型）和腓肠肌（Ⅱ型），在冰盘上再分离出浅层腓肠肌（Ⅱb型）和深层腓肠肌（Ⅱa型）；安静组大鼠于对应时间点取材。所有肌肉标本－80℃保存待测。检测时，冷冻的肌肉组织按1∶9质量比加入预冷生理盐水，剪碎组织，移入试管，试管浸在冰水中，用电动匀浆机进行匀浆，4℃离心（3 000r／min）10～15min，取上清，分装成小份，－20℃保存待测。MDA 采用硫代巴比妥酸法，SOD 测定采用黄嘌呤氧化酶法，T－AOC的检测采用菲林法，按照说明书进行加样操作，用酶标仪测定标本吸光度；BCA 法测定组织蛋白浓度，上述指标的单位以每毫克蛋白（mg prot）表示。

1.3 统计学处理 数据以±s表示，采用SPSS 17.0软件处理数据。3组间比较采用单因素方差分析，组间差异有意义是采用SNK－q检验进行两两比较。训练前后大鼠运动能力变化采用配对t检验，P＜0.05为差别有统计学意义。

2 结果

2.1 运动训练对大鼠运动能力的影响 运动训练前，训练组和非训练组最大运动时间和运动距离无显著差别（表1）。运动8周后，训练组最大运动时间和运动距离较运动前显著提高，分别从（10.8±1.5）min和（145.8±24.3）m 增加到（22.3±2.8）min和（428.6±68.3）m（P＜0.01），且均高于非训练组（P＜0.01）。

表1 运动训练对大鼠运动能力的影响Tab 1 Effect of exercise training on the exercise capacity in rats

2.2 运动训练对不同类型肌纤维MDA的影响安静组Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb三种纤维的MDA 含量经方差分析，差别有统计学意义（F＝5.5，P＝0.013）；两两比较结果显示，Ⅰ与Ⅱa纤维MDA 含量相当，但高于Ⅱb纤维（表2，P＜0.05）。与安静组比较，非训练组Ⅰ纤维MDA 含量轻度升高，但差别未达到统计学意义；Ⅱa、Ⅱb纤维MDA 含量较安静组分别升高了44%和160%（表2，P＜0.01）；而训练组Ⅰ、Ⅱa纤维MDA 含量与安静组相比无明显差异，Ⅱb纤维MDA 含量较安静组升高了133%（表2，P＜0.01）。

2.3 运动训练对不同类型肌纤维T－AOC的影响安静组Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb三种纤维的T－AOC经方差分析，差别无统计学意义（F＝0.73，P＝0.494）。与安静组比较，力竭运动降低非训练组Ⅱb纤维T－AOC（表2，P＜0.05），但对Ⅰ、Ⅱa纤维T－AOC抑制作用尚未达到统计学意义；力竭运动后，训练组Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb纤维T－AOC均明显高于非训练组（P＜0.05），且训练组Ⅰ、Ⅱa纤维T－AOC 也高于安静组（表2，P＜0.05）。

2.4 运动训练对不同类型肌纤维SOD 活性的影响安静组Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb三种纤维的SOD 含量经方差分析，差别无统计学意义（F＝0.73，P＝0.494）。与安静组相应类型纤维比较，力竭运动后，非训练组Ⅰ、Ⅱa和Ⅱb纤维SOD 活性无明显改变；训练组Ⅰ和Ⅱa纤维SOD 活性较安静组分别升高了39%和33%（表2，P＜0.05），Ⅱb纤维SOD 活性则无明显改变。

表2 运动训练对大鼠不同类型肌纤维MDA、T－AOC 及SOD 活性的影响Tab 2 Effects of exercise training on MDA，T－AOC and SOD activity in different muscle fibers in rats

3 讨论

运动疲劳是骨骼肌运动能力下降的表现，也是限制运动的主要因素。但是，中低强度的慢性运动（运动训练）能提高骨骼肌运动能力、减轻运动疲劳。本实验观察到，8周中低强度跑台训练明显增加大鼠到达力竭运动的时间和距离，表明运动训练能增强骨骼肌运动能力、延缓运动疲劳的发生。运动训练抗疲劳的机制目前尚未完全清楚。多数研究显示，适度运动能降低骨骼肌自由基含量，预防或减轻自由基对骨骼肌细胞造成的损伤，发挥抗疲劳作用［3－5］。但也有文献报道，大强度运动训练后，骨骼肌内自由基水平升高，反而加重骨骼肌的运动损伤［1，6］。不同强度的运动训练对骨骼肌自由基代谢产生截然相反的影响，除了与运动强度有关外，还决定于不同类型骨骼肌纤维的结构和功能特点。骨骼肌纤维主要分为Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb型。Ⅰ型肌纤维富含肌红蛋白，有氧代谢和抗疲劳能力强，但收缩速度慢；Ⅱb 型肌纤维收缩速度快，但抗疲劳能力弱；Ⅱa型肌纤维介于Ⅰ型和Ⅱb型之间，收缩速度快，抗疲劳能力强。本实验结果显示，安静时三种类型骨骼肌纤维MDA 含量不同，Ⅰ型和Ⅱa型纤维的MDA 含量高于Ⅱb型，这种差异可能与Ⅰ型和Ⅱa型纤维富有肌红蛋白、有氧代谢酶活性较高的特点有关，也说明不同类型肌纤维自由基的基础水平可以有所不同。陈英杰等应用电子自旋共振法（ESR）技术直接检测骨骼肌内自由基信号，也证实安静时红肌的自由基含量高于白肌［8］。

力竭是骨骼肌运动能力暂时丧失的一种表现，可能由长时间、大强度运动导致骨骼肌内自由基堆积对细胞造成损伤和功能抑制所致［2］。但力竭是可逆的，多数研究检测了力竭运动即刻骨骼肌中自由基的变化，对恢复期的变化报道甚少。本研究检测力竭运动恢复期骨骼肌自由基变化，正是为了比较训练和非训练骨骼肌运动能力恢复的差异。结果显示，非训练组Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb肌纤维MDA 含量较安静组分别升高了18.5%，44%和160%，而训练组Ⅰ、Ⅱa肌纤维MDA 含量与安静组相比无明显差异，仅Ⅱb肌纤维MDA 含量高于安静组，而且训练组Ⅱb肌纤维MDA 升幅小于非训练组，提示运动训练能增强Ⅰ、Ⅱa型纤维自由基代谢，加速自由基清除，促进骨骼肌运动功能的恢复。

自由基清除速度快慢与体内抗氧化能力有关，包含抗氧化酶和抗氧化物质。SOD 是清除自由基的第一道防线，SOD 将超氧阴离子转化为过氧化氢（H2O2），在过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶作用下，H2O2进一步转化生成H2O，并释放O2。大量研究表明，运动训练能增强骨骼肌SOD 活性，但对不同类型肌纤维SOD 活性的影响是否相同目前并不清楚。本研究发现，运动训练提高Ⅰ型和Ⅱa纤维SOD 活性，对Ⅱb纤维SOD 活性无明显影响，而非训练组三种肌纤维SOD 活性与安静组相比均无明显改变。这一结果表明运动训练主要提高Ⅰ和Ⅱa纤维SOD 活性，这可能是训练组Ⅰ型和Ⅱa纤维MDA 含量低于安静组的原因。而运动训练增强SOD 活性的机制，Hollander 等认为主要与增加Mn－SOD蛋白表达有关［7］。本研究还显示，非训练组Ⅱb纤维T－AOC降低，这可能与力竭运动后骨骼肌内抗氧化物质含量降低有关［8，10］。因此，训练组Ⅰ、Ⅱa纤维T－AOC升高，主要与SOD 活性提高有关。除了SOD，T－AOC 升高还可能与运动训练后过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性增强有关［5，11］。至于运动训练是否提高不同类型肌纤维这两种抗氧化酶的活性有待今后进一步研究。

总之，本实验结果表明，运动训练提高Ⅰ和Ⅱa型肌纤维总抗氧化能力和抗氧化酶活性、降低自由基水平，这可能是运动训练提高骨骼肌运动能力对抗运动疲劳的细胞机制。

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