職業教育論文-運動員專業領域內對運動與骨骼肌細胞凋亡相關問題的探討【摘要】通過檢閱相關文獻資料，本文從細胞凋亡概念著手，進而闡述細胞凋亡的特征及誘因、產生機制，最后著重論述運動與骨骼肌細胞凋亡相關問題，為預防和處理運動導致的骨骼肌損傷和某些骨骼肌疾病的運動保健與功能恢復提供相關實踐理論參考。【關鍵詞】細胞凋亡骨骼肌運動一、細胞凋亡的概述細胞凋亡是由Kerr等人于1972年首次提出的。自20世紀80年代Wyllie揭示了細胞凋亡獨特的生物學特征，即180200bp單體或寡聚核小體DNA片段，其電泳譜為典型的“梯形帶”以來，細胞凋亡的研究倍受世人關注。目前，學術界較一致的認為，細胞凋亡是以多基因為主導，包括信息傳遞、基因表達、蛋白合成和酶學機制等共同構成的一個遺傳性的受一系列基因調控的復雜有序的系統過程。它廣泛存在于組織細胞的基本生物學現象，是細胞應答不同有害刺激或疾病而發生的一種特殊的細胞自殺行為。細胞凋亡的一般性特征表現在以下幾方面：在形態學上，細胞首先收縮變圓，微絨毛消失，核質固縮并凝集于核膜周邊、核膜皺折，胞漿濃縮、細胞器集中、胞膜起泡或出芽、形成凋亡小體，最后被巨噬細胞或鄰近細胞吞噬。在超微結構下，盡管細胞裂解為多個凋亡小體，但小體仍然有膜包圍，其溶酶體、線粒體等膜結構完好，維持著內外滲透壓梯度的平衡和密封狀態。由于不存在細胞內容物的外溢現象，因而不引起組織的炎癥反應.生化上，細胞核里有長度為180200bps的DNA片段的形成，生成在凝膠電泳上表現為梯帶的DNA片段；而細胞質在早期，存在Ca2+內流引起胞漿內Ca2+濃度升高，激活Ca2+依賴性核苷酸內切酶，這些酶在降解DNA的同時，Ca2+也常常激活Calpain、谷酰胺轉化酶和蛋白酶C，受轉谷酰氨酶作用，形成由谷氨酰胺提供的賴氨酸異二肽交聯，使之能抵抗機械斷裂和化學攻擊。在細胞凋亡期間細胞膜變化劇烈，暴露出其特別的標記物，同時凋亡細胞本身的外層質膜上磷脂酰絲氨酸暴露于外層膜表面，而使磷脂不對稱分布被打破，這些變化均引起了吞噬細胞的積極活動，從而防止細胞內有害物質滲漏出細胞外環境而引起炎癥反應。細胞凋亡的以上特征與壞死表現的細胞成群丟失、細胞膜不完整、染色質凝集成塊不均一、染色質DNA被隨機降解并有嚴重的炎癥反應等等特征有明顯的不同。細胞凋亡的另一生化特征是有新的RNA和蛋白質的合成。細胞凋亡對機體有利有弊。它存在于發育、成熟和衰老過程之中，消除損傷、衰老、突變的細胞，以維持生理平衡。Fidzianska報道了包括人類在內的哺乳動物，在胎兒肌纖維發育早期，有40%以上的肌細胞是通過細胞凋亡被清除的。另一方面，細胞凋亡能導致大量自由基增多、Ca2+濃度升高、線粒體膜電位下降，引起運動能力的下降。它也存在于多種現代疾病中，其異常與多種肌細胞疾病的發生機制有關。有研究證明，骨骼肌細胞凋亡是肌營養不良癥、肌廢用性萎縮以及心力衰竭病人運動耐受力下降的原因。二、骨骼肌的細胞凋亡哥本哈根大學的研究人員在電鏡下觀察到去神經比目魚肌出現細胞皺縮、核固縮、核周期擴大、染色質濃縮等細胞凋亡的形態學特征，但未發現明顯核碎片。原位缺口末端標記(insitunicktailing，ISNT)未發現DNA裂解，認為這可能是一種無DNA降解的細胞凋亡，但這種凋亡在正常情況下是否發生還有待證明。Tews等做完動物實驗后則比較肯定地認為失去神經支配后的肌肉存在細胞凋亡現象。在另外一些動物實驗中，在體的和離體的肌肉在經歷各自不同的刺激后，表現出典型的細胞凋亡的形態學、生物化學和分子生物學的特點。細胞凋亡通常是受細胞外部刺激因素造成細胞所處環境變化時，因那些外部刺激通過一些特殊的信息通路啟動凋亡程序而發生的。目前已知生物體內外多種因素可影響細胞凋亡的發生和發展，如運動訓練引起內環境的變化，衰老、病理、激光照射等均有可能導致細胞啟動凋亡程序。這些外部刺激通常并不直接控制凋亡，僅是決定細胞自殺或存活信息的一部分，因此，需要一些特殊的信號通路啟動凋亡程序。目前，已確認參與了凋亡過程的關鍵分子包括鈣、蛋白激酶和cAMP、NO等。與運動明顯相關的幾種重要的骨骼肌細胞信號轉導途徑，它們分別存在于細胞絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)介導的信號系統和腺苷一磷酸(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)信號系統中。前者有細胞外信號調節的蛋白激酶1/2(ERK1/2)途徑、c-jun氨基端激酶(JNK)途徑、p38途徑和ERK5途徑(真核細胞中)，后者有磷脂酰肌醇3-激酶(PI3-K)信號途徑、絲氨酸/蘇酸蛋白激酶(PKB/Atk)、糖原合成酶激酶3(GSK3)及P70核蛋白S6激酶(p70S6K)。三、運動與骨骼肌1.運動誘發骨骼肌細胞凋亡的基調控因子或調節分子目前國內外對骨骼肌細胞凋亡的基因調控研究主要是從凋亡調控因子著手，而bcl-2蛋白、TNF-a及死亡蛋白酶Caspase都屬于凋亡調控因子，其它的還有c-myc、p53、ICE、Fas等。金其貫研究指出：適量的運動訓練可使大鼠骨骼肌細胞中bcl-2蛋白表達增加，長期負荷的運動訓練可使骨骼肌細胞中bcl-2蛋白表達下降，力竭訓練大鼠骨骼肌細胞中出現Fas蛋白的陽性表達，誘發細胞凋亡。Eguchi等報道Bcl-2基因在不同組織中表達不同。在成年雞骨骼肌中檢測不到，而在胚胎期肌肉中Bcl-2基因表達水平較高。有人研究了人類Mcl-1基因發現Mcl-1多在高分化細胞的表層上皮中表達，而Bcl-2多見于低分化細胞基底膜的內面。Mcl-1的表達在骨骼肌和心肌中較高。腫瘤壞死因子(TNF-a)可以誘導第二信使神經鞘氨醇(sphingosine，SPH)產生，從而間接作用于骨骼肌細胞，造成細胞凋亡；而神經鞘氨醇作為第二信使將細胞外的信息傳遞到細胞內啟動細胞凋亡。目前的研究已得出，促進凋亡作用的調節分子如bax、bcl-x(s)、bak、bad和抑制凋亡作用的bcl-2、bcl-x1、bfl-1、Mbcl-x、c-myc、ras等調節分子共同調控細胞凋亡外，運動誘導細胞凋亡與運動對凋亡的信號分子影響有關。骨骼肌細胞凋亡的分子機理與普通細胞凋亡相似，其凋亡過程大致可分為三個階段，即啟始階段、效應階段和降解階段。在啟始階段得先釋放凋亡活性物質，即原先位于線粒體內的某些與凋亡相關的活性物質會被釋放出來，包括細胞色素C、凋亡誘導因子(AIF)、cap3和cap9等。在多種應激因素如氧化劑、毒素、鈣離子超載及其他促凋亡活性蛋白作用下，線粒體都會釋放出細胞色素C。一旦細胞色素C釋放，細胞將通過兩條路徑死亡。一是通過快速凋亡機制，包括Apat-1(凋亡促進因子-1)介導的凋亡過程。二是細胞進入一種慢速的壞死過程，線粒體膜通透性(MPT)孔的開放、線粒體基質由于高滲而膨脹破裂、跨膜電位的快速崩潰、細胞色素C的大量釋放、電子傳遞受阻、ATP產量驟減，無法維持供能，細胞走向壞死。2.不習慣運動后骨骼肌的細胞凋亡及其生物物質基礎Sandri等認為肌營養不良和正常小鼠在不習慣運動后骨骼肌細胞中存在細胞調亡，這種細胞凋亡是由不習慣負荷練習誘導的。泛肽被認為是一種與細胞凋亡緊密相關的應激蛋白，為含76個氨基酸的多肽。泛肽不僅直接調節蛋白質的合成，決定蛋白質的命運，而且控制與細胞凋亡相關的重要蛋白如p53、c-myc、c-fos、c-jun和EIA的合成與分解。已證明在有絲分裂中，胞核的改變與泛肽誘導的組蛋白的分解有關。Sandri等發現正常骨骼肌細胞中多聚泛肽含量較低，但運動后達到較高水平，至少為不運動時肌細胞含量的2倍。對于哺乳動物，在不同情況的肌肉狀態惡化誘導細胞凋亡的過程中，泛肽的含量增加，因此，運動后肌纖維泛肽水平的提高，提示在經過不習慣負荷練習后骨骼肌纖維中具有與細胞凋亡相關的物質基礎。Sandri等人研究認為，肌營養不良細胞內鈣離子增加，激活鈣依賴性蛋白酶和鈣調蛋白酶。這種蛋白酶對細胞內蛋白質有廣泛的作用，普遍認為鈣調蛋白可致細胞凋亡。機體在進行不習慣負荷練習時，特別是骨骼肌的大運動量離心收縮后，機體的缺氧會導致氧化應激反應，這是一種活性氧的細胞毒作用，常導致胞內產生活性氧基，使位于內質網、線粒體及胞膜上Ca2+轉位酶中的-SH被氧化失活，致使膜內外Ca2+濃度平衡失控，胞質內Ca2+濃度增加。目前認為，細胞內Ca2+濃度變化而誘導細胞凋亡的內因有兩種解釋，第一種，Ca2+切酶及谷氨酰胺轉移酶而誘導細胞凋亡；第二種，Ca2+耗竭是一種細胞凋亡信號，由于線粒體中Ca2+吸收途徑受線粒體膜電位的控制，能量降低會造成Ca2+Ca2+釋放，氧化應激作用可加速Ca2+周期循環速度，甚至達到極限，這勢必造成能量消耗的增加和膜電位的極度下降，最終誘導細胞凋亡。鈣吸收阻斷劑釕紅對成纖維細胞L929及脾細胞凋亡的抑制作用支持了這一觀點。Monici等實驗后也認為骨骼肌線粒體的胞膜電位下降是構成細胞凋亡的一個至關重要的早期事件。四、小結目前，運動與細胞凋亡方面的研究熱點多多。對凋亡機制的了解，可以找到關鍵的調控基因，利用其抑制與調節作用，設計運動性營養補劑，以利于提高運動成績的提高或全民健身；