长时间运动中线粒体钙运输的作用
作者：丁树哲
单位：丁树哲(华东师范大学，上海 200062)
关键词：线粒体钙循环；有氧运动；氧化磷酸化；运动疲劳
摘要
摘要：本文介绍了线粒体钙循环的生理意义，着重分析了对线粒体氧化磷酸化能力的影响。总结了近年来线粒体钙循环与有氧运动能力关系的研究成果。提出中等强度、长时间运动发生疲劳过程中，线粒体钙循环是一个非常重要的中介调节环节，该环节的调节作用具有可逆保护性和特别的敏感性。对深入研究运动疲劳、过度疲劳、疲劳恢复的发生机制有重要的意义。
分类号：R804.2 文献标识码：A
文章编号：1007-5496(2000)03-0394-02
, http://www.100md.com
Effect of mitochondria calcium transportation during long-time exercise
DING Shu-zhe
(East-China Teacher-training University .Shanghai 200062,China )
Abstract：The present paper reviews the physiological function of mitochondria calcium cycle and pays attention to analyse the effects of mitochondria calcium cycle on its oxidative phosphorylation.It summarizes the key findings concerning the relation between the mitochondria calcium cycle and the ability of aerobic exercise.Available evidence further suggests that mitochondria calcium cycle is a very important mediated modulation link at the moderate intensity,prolonged exercise fatigue appeasance.This modulation link is reversible protective and sensitive.So this is important to make a thorough study on hte mechanism of exercise fatiguing ,overloading,recoverying.
, 百拇医药
Key words：mitochondria calcium cycle;aerobic exercise;oxidative phosphorylation;exercise fatigue
在高等动物机体的细胞中，95%的ATP来自其线粒体的氧化磷酸化过程。有氧运动所需的能量，几乎完全依赖线粒体这种ATP产生的数量和速率。但在线粒体氧化磷酸化产生的ATP有相当一部分会在机体有氧运动过程中被其主动转运钙离子而分流消耗。并且，流进流出的钙离子对线粒体的三羧酸循环、电子传递链功能以及由质子提供的内膜电位(ψH+)均有明显的影响。随着时相的变化，线粒体内膜的渗透性发生变化，非特异性转运钙离子发生后，钙离子还会严重影响其本身的功能结构完整，甚至凋亡。因此，线粒体钙离子摄取、释放构成的循环过程就对有氧运动形成了重要的调节作用。
1线粒体钙循环的调节作用
有关线粒体钙循环的传统认识有5种：(1)调节胞浆游离钙浓度；(2)在胞浆钙离子过量时为保证其稳态而作为临时钙库；(3)作为钙激活因子的释放源；(4)保护胞浆免遭高钙含量的损害；(5)调节线粒体基质游离钙，从而控制其基质中钙依赖脱氢酶类及其它钙依赖酶类的活性水平。线粒体通过3种转运机制构成钙循环：(1)耗能的内流机制；(2)耗能的外流机制，包括钠依赖外流和非钠依赖外流(钙-氢交换)；(3)可通透性转换(Permeability transition)。线粒体内的游离钙可以激活三羧酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶等，促进电子传递，激活F1-ATP酶和嘌呤核苷酸移位酶。在新生机体的心脏肌组织、肝脏组织中以及无训练经历的骨骼肌组织中，线粒体氧化磷酸化产生ATP的调节过程是以“底物-产物反馈”(Substrate-Prod-uct feedback)调节机制为主的，而在成熟的心肌、肝脏和有训练的骨骼肌组织则是以“钙循环”调节机制为主的。因此称底物-产物反馈调节是“拖欠”式机制(Default)，而钙循环调节是“选择”式机制(Alternative)。对有训练的骨骼肌线粒体研究表明，其氧化磷酸化本身的代谢能力变化不甚明显，但其代谢控制过程，特别是钙循环调节更向心肌类型发展[1]。这说明在运动训练的机能提高过程中，就线粒体来说其调节参与元件较之结构参与元件可能意义更大。
, http://www.100md.com
2长时间运动的线粒体钙运输
现在认为，线粒体以循环这种转运方式运输钙离子，其主要目的是有序地阻隔胞浆与线粒体基质中钙敏感代谢步骤，使之变得可调控。另外，通过主动摄取钙以保护胞浆免遭高钙损害及通过主动释放钙降低可通透性转换孔洞的出现，从而保护其自身[2]。近年来我们通过测定大鼠心肌线粒体钙摄取、钙释放、基质游离钙、总钙等，观察了长时间有氧运动后线粒体钙循环的变化规律[3,4]。提出了线粒体钙离子作为调节细胞内能量转换的主要离子，在有氧运动产生的运动性疲劳中是重要的调控因子，同时对机体的细胞及线粒体本身也是一种保护的调节。我们曾报道长时间有氧运动后大鼠心肌线粒体总钙增加、非特异性释放量增加、钙摄取能力下降、游离钙减少[4]，线粒体内膜表面电位下降[5]。线粒体氧化磷酸化生成ATP过程受其跨膜电位影响，跨膜电位下降表现为P/O下降，在其释放量增加的情况下，总钙仍保持较高水平，说明在线粒体基质中钙多以与磷酸根结合的盐形式存在，同时摄取能力下降，造成其功能形式游离钙减少，基质游离钙离子对基质中钙离子敏感性酶类有激活作用，长时间有氧运动后，线粒体钙离子的转运状态从多位点调低其ATP的产生量，但此时氧化磷酸化系统本身的功能状态可能变化并不大。总钙含量增加使线粒体氧化磷酸化解偶联作用增强。一方面钙增加过程是通过消耗ATP的主动摄取完成的，并降低其跨膜电位。另一方面基质总钙对线粒体腺苷酸转运载体功能有抑制作用，对H+-ATP酶抑制蛋白从H+-ATP酶分子中释放起抑制作用[6]。总钙增加还可以激活磷酯酶A2，使线粒体膜脂结构发生变化，从而促进线粒体钙离子可通透性转换的释放孔洞开放(Permeability transition pore,PTP)。本实验室最新完成的研究工作观察到，长时间游泳(300±50)min后的大鼠心肌线粒体磷酯酶A2活性增加，游离钙减少。这表明运动疲劳发生过程中总钙增加至一定程度，线粒体尚可通过其膜结构的变化增加钙释放量调节功能状态。PTP可导致膜电位过程崩溃，甚至基质蛋白质丢失。膜脂质过氧化增加以及与此相关的巯基转化双硫键的增加表现为线粒体巯基含量的下降、NADH/NAD+和NADPH/NADP+比值下降，特别是NADPH/NADP+的比值下降、磷酯酶A2的激活等均与PTP形成有关，并且均需钙离子的存在，因此氧应激和线粒体总钙增加是线粒体PTP形成的重要诱导因素。无论是在可逆的生理条件下，还是在不可逆的病理条件下，这一过程都是不可缺少的。长时间有氧运动使横纹肌线粒体产生活性氧增多，进而生成PTP，使跨膜电位耗散并释放诸如，Ca2+、细胞色素C等物质，Ca2+循环的改变及细胞色素C外释可以激活凋亡蛋白酶，进而使细胞出现程序性死亡。当然，如果线粒体有大量的PTP形成，细胞内ATP浓度很快下降，在致凋亡的蛋白酶被活化前就可能坏死，但PTP诱导生成可以是一种因活性氧浓度积累而缓慢和持续的状态。因此，长时间力竭运动可能会引起一部分细胞凋亡，必须指出的是，细胞凋亡是组织细胞发育生长的正常过程，在维持身体健康方面具有重要作用，只有当出现病理性失衡时才会出现严重后果。
, 百拇医药
3钙运输及活性氧在运动中的调节作用
长时间有氧运动过程中机体线粒体是产生运动性内源自由基的主要部位，自由基对线粒体膜的作用与其钙离子的转运关系极其密切。我们曾提出中等强度的运动性疲劳是以运动性内源自由基为先导，以钙离子为中介的具有保护作用的功能调节过程。这种过程一方面造成机体局部或整体疲劳，一方面可调节氧的提供和基质底物的利用，并可阻止因线粒体的过度利用而出现的破裂趋势的发展。因此运动性疲劳首先是一种自我保护机制，在这种机制的形成过程中，内源性自由基和钙离子可能是以调节因子的形式发挥作用的[4,5,7～9]。最新的一项基础研究结果强有力地支持了我们近年来所提出的理论。该研究表明，在受氧自由基等因素影响的情况下，线粒体钙转运失调可能首先发生，之后通过影响基质内3个钙敏感的脱氢酶而使其能量转换功能降低。该工作还发现，解偶联或呼吸抑制的心肌线粒体转运(包括钙的摄取和释放)功能仍未完全消失，这表明线粒体的钙转运并非完全依赖于其呼吸链功能，而很可能与非H+梯度形成的膜电位差有关。受氧自由基的影响，这部分钙转运(包括钙的摄取和释放)功能也有明显降低，其降低的幅度与受相同强度的氧自由基影响的正常线粒体的降低幅度基本一致。即在氧自由基强度减弱到一定程度(更接近体内生理状态)，心肌线粒体膜脂物理状态与能量转换功能的改变已不显著，但其钙循环的变化仍很明显。此外，氧自由基对依赖非H+梯度所形成的膜电位差钙转运有明显影响。提示线粒体钙离子循环可能是线粒体结构与功能变化的更为敏感的指标。因此深入研究线粒体(横纹肌线粒体，肝、肾脏线粒体，脑组织线粒体)钙循环与有氧运动能力之间的关系，对进一步理解中等强度、长时间运动产生的疲劳机制、过度疲劳以及疲劳的恢复机制将会有重要的意义。
, http://www.100md.com
作者简介：丁树哲(1963-)，男，黑龙江人，副教授，系副主任，博士，曾应邀访美讲学一
年。研究方向：运动及适应的分子机制。
参考文献 ：
[1]Clerk BJ,Acker MA,McCully K,et al .In vivo31P-NMRsepctroscopy of chron9cally stimulated canine skeletal muscle[J].Am J Physiol,1998,154(Cell Physiol,23):C566,[2]Gunter TE,Gunter KK,Sheu SS,et al.Mitochondrial calcium transport:physiological and pathological relevance[J]Am J Physiol,1994,267(Cell Physiol.36):313
, http://www.100md.com
[3]丁树哲，王文信，许豪文，等.阿霉素对大鼠心肌线粒体钙运输的影响[J].科学通报，1993，38(16)：1524
[4]丁树哲，王文信，许豪文，等.力竭游泳对大鼠心肌线粒体钙运输的影响[J].生物化学杂志，1995，11(3)：336
[5]王文信，丁树哲，许豪文.耗竭性游泳对大鼠心肌线粒体膜功能的影响[J].生物化学与生物物理学报，1994，26(2)：243
[6]Harris DA,Amibh M.DAS:Control of mitochondrial ATP synthesis in the heart[M].Biochem,1991,280
[7]丁树哲，许豪文，程伯基.运动性内源自由基对大鼠心肌线粒体膜的影响[J].生物化学与生物物理学报，1991，23(4)：305
[8]丁树哲，许豪文，程伯基.疲劳运动后大鼠心肌线粒体的研究[J].中国运动医学杂志，1992，11(1)：22
[9]丁树哲，许豪文.长时间运动对线粒体膜Ca2+-ATP酶的影响[J].体育科学，1993，13(1)：56
收稿日期：2000-01-24, 百拇医药
单位：丁树哲(华东师范大学，上海 200062)
关键词：线粒体钙循环；有氧运动；氧化磷酸化；运动疲劳
摘要
摘要：本文介绍了线粒体钙循环的生理意义，着重分析了对线粒体氧化磷酸化能力的影响。总结了近年来线粒体钙循环与有氧运动能力关系的研究成果。提出中等强度、长时间运动发生疲劳过程中，线粒体钙循环是一个非常重要的中介调节环节，该环节的调节作用具有可逆保护性和特别的敏感性。对深入研究运动疲劳、过度疲劳、疲劳恢复的发生机制有重要的意义。
分类号：R804.2 文献标识码：A
文章编号：1007-5496(2000)03-0394-02
, http://www.100md.com
Effect of mitochondria calcium transportation during long-time exercise
DING Shu-zhe
(East-China Teacher-training University .Shanghai 200062,China )
Abstract：The present paper reviews the physiological function of mitochondria calcium cycle and pays attention to analyse the effects of mitochondria calcium cycle on its oxidative phosphorylation.It summarizes the key findings concerning the relation between the mitochondria calcium cycle and the ability of aerobic exercise.Available evidence further suggests that mitochondria calcium cycle is a very important mediated modulation link at the moderate intensity,prolonged exercise fatigue appeasance.This modulation link is reversible protective and sensitive.So this is important to make a thorough study on hte mechanism of exercise fatiguing ,overloading,recoverying.
, 百拇医药
Key words：mitochondria calcium cycle;aerobic exercise;oxidative phosphorylation;exercise fatigue
在高等动物机体的细胞中，95%的ATP来自其线粒体的氧化磷酸化过程。有氧运动所需的能量，几乎完全依赖线粒体这种ATP产生的数量和速率。但在线粒体氧化磷酸化产生的ATP有相当一部分会在机体有氧运动过程中被其主动转运钙离子而分流消耗。并且，流进流出的钙离子对线粒体的三羧酸循环、电子传递链功能以及由质子提供的内膜电位(ψH+)均有明显的影响。随着时相的变化，线粒体内膜的渗透性发生变化，非特异性转运钙离子发生后，钙离子还会严重影响其本身的功能结构完整，甚至凋亡。因此，线粒体钙离子摄取、释放构成的循环过程就对有氧运动形成了重要的调节作用。
1线粒体钙循环的调节作用
有关线粒体钙循环的传统认识有5种：(1)调节胞浆游离钙浓度；(2)在胞浆钙离子过量时为保证其稳态而作为临时钙库；(3)作为钙激活因子的释放源；(4)保护胞浆免遭高钙含量的损害；(5)调节线粒体基质游离钙，从而控制其基质中钙依赖脱氢酶类及其它钙依赖酶类的活性水平。线粒体通过3种转运机制构成钙循环：(1)耗能的内流机制；(2)耗能的外流机制，包括钠依赖外流和非钠依赖外流(钙-氢交换)；(3)可通透性转换(Permeability transition)。线粒体内的游离钙可以激活三羧酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶等，促进电子传递，激活F1-ATP酶和嘌呤核苷酸移位酶。在新生机体的心脏肌组织、肝脏组织中以及无训练经历的骨骼肌组织中，线粒体氧化磷酸化产生ATP的调节过程是以“底物-产物反馈”(Substrate-Prod-uct feedback)调节机制为主的，而在成熟的心肌、肝脏和有训练的骨骼肌组织则是以“钙循环”调节机制为主的。因此称底物-产物反馈调节是“拖欠”式机制(Default)，而钙循环调节是“选择”式机制(Alternative)。对有训练的骨骼肌线粒体研究表明，其氧化磷酸化本身的代谢能力变化不甚明显，但其代谢控制过程，特别是钙循环调节更向心肌类型发展[1]。这说明在运动训练的机能提高过程中，就线粒体来说其调节参与元件较之结构参与元件可能意义更大。
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2长时间运动的线粒体钙运输
现在认为，线粒体以循环这种转运方式运输钙离子，其主要目的是有序地阻隔胞浆与线粒体基质中钙敏感代谢步骤，使之变得可调控。另外，通过主动摄取钙以保护胞浆免遭高钙损害及通过主动释放钙降低可通透性转换孔洞的出现，从而保护其自身[2]。近年来我们通过测定大鼠心肌线粒体钙摄取、钙释放、基质游离钙、总钙等，观察了长时间有氧运动后线粒体钙循环的变化规律[3,4]。提出了线粒体钙离子作为调节细胞内能量转换的主要离子，在有氧运动产生的运动性疲劳中是重要的调控因子，同时对机体的细胞及线粒体本身也是一种保护的调节。我们曾报道长时间有氧运动后大鼠心肌线粒体总钙增加、非特异性释放量增加、钙摄取能力下降、游离钙减少[4]，线粒体内膜表面电位下降[5]。线粒体氧化磷酸化生成ATP过程受其跨膜电位影响，跨膜电位下降表现为P/O下降，在其释放量增加的情况下，总钙仍保持较高水平，说明在线粒体基质中钙多以与磷酸根结合的盐形式存在，同时摄取能力下降，造成其功能形式游离钙减少，基质游离钙离子对基质中钙离子敏感性酶类有激活作用，长时间有氧运动后，线粒体钙离子的转运状态从多位点调低其ATP的产生量，但此时氧化磷酸化系统本身的功能状态可能变化并不大。总钙含量增加使线粒体氧化磷酸化解偶联作用增强。一方面钙增加过程是通过消耗ATP的主动摄取完成的，并降低其跨膜电位。另一方面基质总钙对线粒体腺苷酸转运载体功能有抑制作用，对H+-ATP酶抑制蛋白从H+-ATP酶分子中释放起抑制作用[6]。总钙增加还可以激活磷酯酶A2，使线粒体膜脂结构发生变化，从而促进线粒体钙离子可通透性转换的释放孔洞开放(Permeability transition pore,PTP)。本实验室最新完成的研究工作观察到，长时间游泳(300±50)min后的大鼠心肌线粒体磷酯酶A2活性增加，游离钙减少。这表明运动疲劳发生过程中总钙增加至一定程度，线粒体尚可通过其膜结构的变化增加钙释放量调节功能状态。PTP可导致膜电位过程崩溃，甚至基质蛋白质丢失。膜脂质过氧化增加以及与此相关的巯基转化双硫键的增加表现为线粒体巯基含量的下降、NADH/NAD+和NADPH/NADP+比值下降，特别是NADPH/NADP+的比值下降、磷酯酶A2的激活等均与PTP形成有关，并且均需钙离子的存在，因此氧应激和线粒体总钙增加是线粒体PTP形成的重要诱导因素。无论是在可逆的生理条件下，还是在不可逆的病理条件下，这一过程都是不可缺少的。长时间有氧运动使横纹肌线粒体产生活性氧增多，进而生成PTP，使跨膜电位耗散并释放诸如，Ca2+、细胞色素C等物质，Ca2+循环的改变及细胞色素C外释可以激活凋亡蛋白酶，进而使细胞出现程序性死亡。当然，如果线粒体有大量的PTP形成，细胞内ATP浓度很快下降，在致凋亡的蛋白酶被活化前就可能坏死，但PTP诱导生成可以是一种因活性氧浓度积累而缓慢和持续的状态。因此，长时间力竭运动可能会引起一部分细胞凋亡，必须指出的是，细胞凋亡是组织细胞发育生长的正常过程，在维持身体健康方面具有重要作用，只有当出现病理性失衡时才会出现严重后果。
, 百拇医药
3钙运输及活性氧在运动中的调节作用
长时间有氧运动过程中机体线粒体是产生运动性内源自由基的主要部位，自由基对线粒体膜的作用与其钙离子的转运关系极其密切。我们曾提出中等强度的运动性疲劳是以运动性内源自由基为先导，以钙离子为中介的具有保护作用的功能调节过程。这种过程一方面造成机体局部或整体疲劳，一方面可调节氧的提供和基质底物的利用，并可阻止因线粒体的过度利用而出现的破裂趋势的发展。因此运动性疲劳首先是一种自我保护机制，在这种机制的形成过程中，内源性自由基和钙离子可能是以调节因子的形式发挥作用的[4,5,7～9]。最新的一项基础研究结果强有力地支持了我们近年来所提出的理论。该研究表明，在受氧自由基等因素影响的情况下，线粒体钙转运失调可能首先发生，之后通过影响基质内3个钙敏感的脱氢酶而使其能量转换功能降低。该工作还发现，解偶联或呼吸抑制的心肌线粒体转运(包括钙的摄取和释放)功能仍未完全消失，这表明线粒体的钙转运并非完全依赖于其呼吸链功能，而很可能与非H+梯度形成的膜电位差有关。受氧自由基的影响，这部分钙转运(包括钙的摄取和释放)功能也有明显降低，其降低的幅度与受相同强度的氧自由基影响的正常线粒体的降低幅度基本一致。即在氧自由基强度减弱到一定程度(更接近体内生理状态)，心肌线粒体膜脂物理状态与能量转换功能的改变已不显著，但其钙循环的变化仍很明显。此外，氧自由基对依赖非H+梯度所形成的膜电位差钙转运有明显影响。提示线粒体钙离子循环可能是线粒体结构与功能变化的更为敏感的指标。因此深入研究线粒体(横纹肌线粒体，肝、肾脏线粒体，脑组织线粒体)钙循环与有氧运动能力之间的关系，对进一步理解中等强度、长时间运动产生的疲劳机制、过度疲劳以及疲劳的恢复机制将会有重要的意义。
, http://www.100md.com
作者简介：丁树哲(1963-)，男，黑龙江人，副教授，系副主任，博士，曾应邀访美讲学一
年。研究方向：运动及适应的分子机制。
参考文献 ：
[1]Clerk BJ,Acker MA,McCully K,et al .In vivo31P-NMRsepctroscopy of chron9cally stimulated canine skeletal muscle[J].Am J Physiol,1998,154(Cell Physiol,23):C566,[2]Gunter TE,Gunter KK,Sheu SS,et al.Mitochondrial calcium transport:physiological and pathological relevance[J]Am J Physiol,1994,267(Cell Physiol.36):313
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[3]丁树哲，王文信，许豪文，等.阿霉素对大鼠心肌线粒体钙运输的影响[J].科学通报，1993，38(16)：1524
[4]丁树哲，王文信，许豪文，等.力竭游泳对大鼠心肌线粒体钙运输的影响[J].生物化学杂志，1995，11(3)：336
[5]王文信，丁树哲，许豪文.耗竭性游泳对大鼠心肌线粒体膜功能的影响[J].生物化学与生物物理学报，1994，26(2)：243
[6]Harris DA,Amibh M.DAS:Control of mitochondrial ATP synthesis in the heart[M].Biochem,1991,280
[7]丁树哲，许豪文，程伯基.运动性内源自由基对大鼠心肌线粒体膜的影响[J].生物化学与生物物理学报，1991，23(4)：305
[8]丁树哲，许豪文，程伯基.疲劳运动后大鼠心肌线粒体的研究[J].中国运动医学杂志，1992，11(1)：22
[9]丁树哲，许豪文.长时间运动对线粒体膜Ca2+-ATP酶的影响[J].体育科学，1993，13(1)：56
收稿日期：2000-01-24, 百拇医药