1、第 十 二 章運動適應的分子調控第 十 二 章運動適應的分子調控學習目標 掌握DNA雙螺旋結構模型、DNA自我復制、RNA的生物合成及功能、運動適應的分子調控機制;了解與運動關系較密切的細胞信號轉導通路;了解人類基因組計劃以及真核生物基因表達的過程。學習目標 生命在于運動，運動在于肌肉肌肉源于細胞，細胞源于分子構成生命的最重要分子核酸與蛋白質DNA構成染色體 肌球蛋白支撐肌肉收縮生命在于運動，運動在于肌肉構成生命的最重要分子核酸與蛋白本章即將揭秘：運動中細胞內核酸與蛋白質做了哪些事？這些事件如何調控代謝過程、骨骼肌生長、運動能力？這些事件與人體健康以及許多慢性疾病的防治有何關聯？基因表達 運動

2、/運動能力 ？本章即將揭秘：基因表達 第一節分子生物學基礎第一節分子生物學基礎核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單核酸的分類及分布 (deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸 核糖核酸 存在于細胞核和線粒體內。存在于胞核、胞液和線粒體。攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的遺傳型(genotype)。參與遺傳信息的復制與表達調控基因表達（microRNA）核酸的分類及分布 (deoxyribonucleic ac核酸

3、的基本組成單位是核苷酸 (nucleotide)。堿基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸 。RNA的基本組成單位是核糖核苷酸 。核酸的基本組成單位是核苷酸 (nucleotide)。堿基戊嘌呤 嘧啶 堿基腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有一、核苷酸的結構每種核酸都含有四種堿基 。嘌呤 嘧啶 堿基腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)堿 基嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌嘧啶(pyrimidine)胞

4、嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)戊 糖（構成RNA）核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)戊 糖（構成RNA）核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核堿基和核糖（或脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（或脫氧核苷）。堿基和核糖（或脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（或脫氧核苷）核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷（脫氧核苷）和磷酸以酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。 核苷酸：核苷（脫氧

5、核苷）和磷酸以酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 細胞內重要能量載體ATP 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 環化核苷酸: cAMP，cGMP 細胞內重要信號分子第二信使 環化核苷酸: cAMP，cGMP5端3端核苷酸之間以3 , 5 -磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸（DNA、RNA）。核酸的一級結構：核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。CGA5端3端核苷酸之間以3 , 5 -磷酸二酯鍵連接形 DNA 與RNA的區別 DNA 與RNA的區別二、 DNA的結構與功能二、 DNA的結構與功能DNA雙螺旋結構模型要點

6、 1. 兩條DNA鏈反向平行，圍繞同一中心軸構成右手雙螺旋 (double helix)。DNA雙螺旋結構模型要點 1. 兩條DNA鏈反向平行，圍繞同2. 兩條鏈通過堿基間的氫鍵相連，A對T有兩個氫鍵，C對G有三個氫鍵，這種A-T、C-G配對的規律，稱為堿基互補規則。3. 維持雙螺旋穩定的因素：氫鍵，堿基疏水力。TAGC2. 兩條鏈通過堿基間的氫鍵相連，A對T有兩個氫鍵，C對G有DNA雙螺旋結構的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNADNA雙螺旋結構的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNADNA在真核生物細胞核內的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質構成，其基本單位是 核小體(nucleosome)

7、。核小體的組成DNA：約200bp 組蛋白：H1H2A，H2BH3H4DNA在真核生物細胞核內的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質核小體染色體真核生物染色體DNA組裝DNA核小體染色體真核生物染色體DNA組裝DNA DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式裝載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；蚴侵窪NA分子中的特定區段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。 基因組是指細胞或生物體的全套遺傳物質。 DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式裝載遺傳信息，DNA進行復制時，雙螺旋結構解開而成為兩股單鏈，各自作為模板，用于合成新的互補鏈

8、。子代細胞出現新的DNA雙鏈，其中一股單鏈是從親代完整地接受過來的，另一股單鏈是完全重新合成，且與母鏈按堿基配對原則互補。 DNA的生物合成半保留復制DNA進行復制時，雙螺旋結構解開而成為兩股單鏈，各自作為模板 DNA半保留復制 DNA半保留復制三、RNA的生物合成與功能三、RNA的生物合成與功能動物細胞內主要RNA的種類及功能動物細胞內主要RNA的種類及功能RNA的生物合成轉錄轉錄：生物體以DNA為模板合成RNA的過程 。 也就是把DNA的堿基序列抄錄成RNA的堿基序列。RNA的生物合成轉錄轉錄：生物體以DNA為模板合成RNA復制與轉錄的異同點 復制 轉錄 DNA模板 雙鏈 單鏈（模板鏈）

9、原料 dNTP NTP 堿基配對 C=G, A=T C=G, A=U,T=A 合成方向 53 53 酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 引物 需要 不需要復制與轉錄的異同點 蛋白質的合成翻譯 DNA上的遺傳信息傳遞到mRNA上（轉錄），mRNA接受到了DNA的信息，便會指導蛋白質的生物合成，mRNA便成了蛋白質生物合成的直接模板。由mRNA指導蛋白質合成的過程叫翻譯（translation）。蛋白質的合成翻譯 DNA上的遺傳信息傳遞到mRNA轉錄后輸出細胞核，由核糖體完成蛋白質合成（翻譯）。mRNA轉錄后輸出細胞核，由核糖體完成蛋白質合成（翻譯）。生物學中心法則DNA、RNA、蛋白質之間的關系生物

10、學中心法則DNA、RNA、蛋白質之間的關系四、真核生物基因表達和調控四、真核生物基因表達和調控通常情況下，真核生物細胞只有2-15%的基因處于有轉錄活性的狀態。表達調控是研究不同的環境和條件以及各種因素如何令基因表達或不表達，而且按一定的時間、空間有次序高效地運作。調控水平： 轉錄、轉錄后、翻譯、翻譯后通常情況下，真核生物細胞只有2-15%的基因處于有轉錄活性的順式作用元件：真核生物結構基因上游的調控區，有特定的相似或一致性的序列（DNA片段：堿基序列）。反式作用因子：和順式作用元件相結合或間接影響其作用的蛋白質（轉錄因子、轉錄調節因子）。RNA順式作用元件：真核生物結構基因上游的調控區，有特

11、定的相似或一順式作用元件與反式作用因子的結合DNA結構簡單：開放或關閉 序列不變轉錄因子/蛋白質結構復雜、多變 二者結合基因表達調控的多變性順式作用元件與反式作用因子的結合DNA結構簡單：轉錄因子/蛋順式作用原件轉錄因子轉錄輔激活因子轉錄輔抑制因子褐色脂肪白色脂肪舉例：雌激素相關受體ERR轉錄活性的調控冷刺激運動饑餓轉錄抑制轉錄激活脂肪酸氧化線粒體生物發生氧化磷酸化脂肪酸氧化線粒體生物發生氧化磷酸化Trends Endocrinol Metab.Oct 2008;19(8): 269276.順式作用原件轉錄因子轉錄輔激活因子轉錄輔抑制因子褐色脂肪白色第二節運動適應的分子事件第二節運動適應的分子

12、事件運動方式與分類持續時間長肌肉不加額外阻力心肺功能增加 運動強度可控間歇性肌肉附加額外阻力肌肉力量增加運動強度可控耐力運動抗阻運動持續時間不確定動作復雜多變生理適應復雜運動強度時刻變化復雜混合型運動運動方式與分類持續時間長間歇性耐力運動抗阻運動持續時間不確定一、耐力運動誘導的適應性改變骨骼肌纖維類型轉化：Type I肌纖維增加Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol.2009 Feb;296(2):R326-33.一、耐力運動誘導的適應性改變骨骼肌纖維類型轉化：Type I線粒體增殖PLoS One.2012;7(7):e41817.線粒體增殖PLoS O

13、ne.2012;7(7):e4181有氧代謝能力提高Am J Physiol Endocrinol Metab.2004 Nov;287(5):E857-62肌內脂滴含量增加三羧酸循環酶含量增加有氧代謝能力提高Am J Physiol Endocrino毛細血管增生J Physiol.2008 Dec 15;586(Pt 24):6021-35.Proc Natl Acad Sci U S A.2009 Dec 15;106(50):21401-6.血管內皮生長因子VEGF表達增加肌纖維血管密度表達增加毛細血管增生J Physiol.2008 Dec 15;5二、抗阻運動誘導的適應性改變骨骼肌

14、蛋白質合成增加肌纖維蛋白質合成速率（FSR）在1組(1SET)和3組(3SET)抗阻運動后的5h、29hJ Physiol.2010 Aug 15;588(Pt 16):3119-30.二、抗阻運動誘導的適應性改變骨骼肌蛋白質合成增加肌纖維蛋白質骨骼肌衛星細胞的增殖和分化運動后4天骨骼肌衛星細胞密度變化率抗阻運動 (RE), 耐力運動(AE), 混合型運動(CE)Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol.2012 Jun 15;302(12):R1458-65.骨骼肌衛星細胞的增殖和分化運動后4天骨骼肌衛星細胞密度變化率心肌肥大(myocardial hyp

15、ertrophy)心肌肥大(myocardial hypertrophy)代謝產物變化CP肌糖原含量增加無氧代謝酶活性增加骨骼肌無機鹽密度增加Type II型肌纖維增加12周持續抗阻運動使II型肌纖維（MHCIIa）增加28%， I型肌纖維（MHCI）略降 （Young women）J Appl Physiol (1985).2012 May;112(10):1625-36.代謝產物變化12周持續抗阻運動使II型肌纖維（MHCIIa）三、與運動能力直接相關的基因基因多態性與運動員選材基因多態性（polymorphism）是指在一個生物群體中，同時和經常存在兩種或多種不連續的變異型或基因型（ge

16、notype）或等位基因（allele）。同一基因的不同變異型與其運動能力存在相關性。三、與運動能力直接相關的基因基因多態性與運動員選材基因多態性與杰出耐力有關的基因mtDNA序列血管緊張轉移酶ACE過氧化物酶體增殖物激活受體PPAR-PPAR-輔激活因子PGC-1線粒體轉錄因子：Tfam核呼吸因子2(NRF2)肌酸激酶CKMM肉堿棕櫚酰轉移酶(CPT-1)結果：這些基因在優秀耐力運動員與普通人之間存在基因多態性差異。結論：先天具備某一特定基因型的人對耐力運動較為敏感，有較大可能創造耐力項目上的優異成績。與杰出耐力有關的基因mtDNA序列結果：這些基因在優秀耐力運與肌肉力量有關的基因肌肉生長抑

17、制素(GDF-8)維生素D受體(VDR)肌肉生長限制因子Myostatin睫狀神經營養因子CNTF胰島素樣生長因子結合蛋白IGFBP3肌動蛋白ACTN3TNFRSF11B結果：這些基因在優秀力量運動員與普通人之間存在基因多態性差異。結論：先天具備某一特定基因型的人對力量訓練較為敏感，有較大可能創造力量項目上的優異成績。與肌肉力量有關的基因肌肉生長抑制素(GDF-8)結果：這些基第三節運動適應的分子調控第三節運動適應的分子調控我們已經知道DNA是基因的載體核酸（核苷酸序列）RNA是基因轉錄的產物脫氧核酸蛋白質是RNA翻譯的產物氨基酸序列耐力運動與抗阻運動產生不同的生理效應問題：生理效應的獲得機制

18、？與DNA、RNA、蛋白質之間是什么關系？概念：細胞信號轉導？我們已經知道DNA是基因的載體核酸（核苷酸序列）概念跨膜細胞信號轉導的一般步驟特定的細胞釋放信息物質（第一信使）信息物質經擴散或血循環到達靶細胞與靶細胞的受體特異性結合受體對信號進行轉換并啟動細胞內信使系統（第二信使）靶細胞產生生物學效應跨膜細胞信號轉導的一般步驟特定的細胞釋放信息物質（第一信使）例：胰島素介導細胞攝取葡萄糖例：胰島素介導細胞攝取葡萄糖 化學性質分類：* 蛋白質和肽類（如生長因子、細胞因子、胰島素等）* 氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲狀腺素、腎上腺素等）* 類固醇激素（如糖皮質激素、性激素等）* 脂酸衍生物（如前列腺

19、素）* 氣體（如一氧化氮、一氧化碳）等 一、細胞間信息物質 化學性質分類： 一、細胞間信息物質蛋白激酶、蛋白磷酸酶 二、細胞內信息物質蛋白質生物活性與磷酸化狀態有關磷酸化位點：絲氨酸/蘇氨酸，酪氨酸細胞膜上很多受體本身就是蛋白激酶蛋白激酶蛋白磷酸酶蛋白激酶、蛋白磷酸酶 二、細胞內信息物質蛋白質生物活性與磷酸 GTP結合蛋白G蛋白蛋白質本身結合GTP，GTP水解調控蛋白質活性細胞膜上的很多受體有GTP水解酶活性 GTP結合蛋白G蛋白蛋白質本身結合GTP，GTP水解調第二信使： Ca2+、小分子代謝產物化學本質：小分子代謝物，非蛋白質產生信號放大效應第二信使： Ca2+、小分子代謝產物化學本質：小分子代謝物，轉錄調節因子（第三信使）與DNA或其他轉錄因子結合將胞漿信號傳遞至細胞核，發揮轉錄調控作用很多蛋白激酶、受體也是轉錄調節因子P53蛋白在細胞核發揮轉錄調控作用轉錄調節因子（第三信使）與DNA或其他轉錄