實(shí)驗(yàn)性高海拔對犬SDH、LDH活性與骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的影響及其運(yùn)動學(xué)意義

賈 磊 聶秀娟 方 梅

(1.黃山學(xué)院體育系,安徽黃山 245041;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

實(shí)驗(yàn)性高海拔對犬SDH、LDH活性與骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的影響及其運(yùn)動學(xué)意義

賈 磊1聶秀娟1方 梅2

(1.黃山學(xué)院體育系,安徽黃山 245041;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

通過對實(shí)驗(yàn)性不同海拔地區(qū)犬心肌、骨骼肌中SDH、LDH含量及其骨骼肌超微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行的比較研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)適度高原低氧環(huán)境誘導(dǎo)SDH活性顯著增強(qiáng),骨骼肌纖維糖原的積累和線粒體功能增強(qiáng)。并且對LDH酶的活性也有一定的促進(jìn)作用。其運(yùn)動學(xué)的意義在于適度的高原低氧環(huán)境訓(xùn)練對耐力運(yùn)動項(xiàng)目及短距離的項(xiàng)目均有積極的意義。

犬;高原缺氧環(huán)境;SDH;LDH;線粒體;肌糖原

氧是機(jī)體進(jìn)行新陳代謝和維持生存的必要條件,足夠的氧供和能源物質(zhì)是保證運(yùn)動和提高運(yùn)動能力的必要條件。而高海拔地區(qū)低氧環(huán)境與運(yùn)動時造成的組織缺氧和能源物質(zhì)消耗在生理機(jī)制上有很多相似之處[1-6]。因此,探討動物肌肉對不同海拔環(huán)境的生理響應(yīng)不僅有重要的生物學(xué)意義,而且對研究競技體育和運(yùn)動能力的提高也有特殊的理論與現(xiàn)實(shí)意義。本文對實(shí)驗(yàn)性不同海拔地區(qū)犬(Canis familiaris)心肌、骨骼肌中琥珀酸脫氫酶(Succinate dehydrogenase,SDH)、乳酸脫氫酶(Lactate dehydrogenase,LDH)的含量及其骨骼肌超微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了比較研究,并對其運(yùn)動學(xué)意義進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動物分別從甘肅省蘭州地區(qū)(海拔1700m)購買臨診健康成年實(shí)驗(yàn)犬16只(雌雄兼有),實(shí)驗(yàn)性觀察喂養(yǎng)1周,各項(xiàng)生理指標(biāo)均正常后隨機(jī)分A、B兩組,每組8只犬。A組犬被送往青海省煌中縣畜牧站(海拔高度2800m)飼養(yǎng)3月,B組犬在蘭州繼續(xù)飼養(yǎng)3月,兩組犬除海拔高度等環(huán)境影響因素外,其它飼養(yǎng)條件相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,分別經(jīng)股動脈放血致死后,立即剖檢、取材。按要求每例犬分別采取心肌和右側(cè)臀中肌(骨骼肌)數(shù)塊,液氮中凍存待用。同時,采取右側(cè)臀中肌(骨骼肌)電鏡材料。

1.2 儀器與試劑多功能免疫分析系統(tǒng)(Wallac 1420芬蘭),JEM-100CX透射電子顯微鏡(日本),紫外線分光光度計(美國Beckman DU-640),半自動生化分析儀(Rayto公司,德國),電子天平(瑞士產(chǎn)AB2042E),普通離心機(jī)(北京醫(yī)用離心機(jī)廠,LD422),低溫離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠),超聲波清洗儀,恒溫水浴鍋(KS648)。LDH與SDH活性測定試劑盒(南京建成生物工程研究所,批號:20051028;20061062)。OLY MPUS BX-UCB/BX61型圖像分析系統(tǒng)。

1.3 電鏡觀察取新鮮犬右側(cè)臀中肌(骨骼肌)1mm3組織數(shù)塊置于2%戊二醛固定液中,在4℃下固定1-2h,然后用緩沖液反復(fù)洗滌2-3h(中間換液3次),再加入1%鋨酸固定2h,經(jīng)緩沖液沖洗3次,每次15min,各級酒精充分脫水,環(huán)氧樹脂(Epon-812)包埋,超薄切片機(jī)切片,鈾鉛染色。透射電鏡觀察、照相。圖片采用圖像分析系統(tǒng)測量、分析[7]。

1.4 LDH和SDH測定取液氮中凍存待用的心肌、臀中肌(骨骼肌)樣品,用4℃生理鹽水洗去血污,每項(xiàng)測定稱取1.0g濕組織,加入5mL 0.2mol/L的Tris-HCl緩沖液,pH7.3,研磨成勻漿,然后以10000r/min于4℃離心20min,取上清液。再分別采用相應(yīng)試劑盒進(jìn)行檢測,所有步驟嚴(yán)格按試劑盒要求操作。操作結(jié)束后分別采用紫外分光光度法、半自動生化分析儀及酶標(biāo)儀檢測并計算LDH和SDH含量。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理數(shù)據(jù)均采用 F檢驗(yàn)及均數(shù)t檢驗(yàn),應(yīng)用SPSS 11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,計算P值。

2 結(jié)果

2.1 心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH和LDH活力比較

不同海拔高度對犬心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH和LDH活力分析見下表。

從表1中可以看出,高海拔低氧環(huán)境條件下,誘導(dǎo)了犬心肌、骨骼肌 SDH和LDH的顯著升高(P＜0.01或 P＜0.05),但在心肌、骨骼肌之間SDH與LDH升高的程度不等。表明高海拔地區(qū)實(shí)驗(yàn)犬體內(nèi)有氧代謝明顯高于低海拔犬,呈顯著增強(qiáng)的趨勢。同時,高海拔低氧環(huán)境也刺激了機(jī)體LDH酶活性的增強(qiáng),增強(qiáng)的幅度雖沒有SDH酶活性的增強(qiáng)幅度高,但也表現(xiàn)出對無氧糖酵解作用的加強(qiáng)。

表1 心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH、LDH活力分析(±s)(U/g prot)

表1 心肌和臀中肌(骨骼肌)中SDH、LDH活力分析(±s)(U/g prot)

兩組犬組間差異比較:＊ P＜0.05 ＊＊ P＜0.01

動物 n SDH LDH SDH/LDH(%)心肌 臀中肌 心肌 臀中肌 心肌 臀中肌B組犬(蘭州) 8 2171.32±245.05 1653.48±230.56 1681.53±273.54 1345.33±303.35 1.29 1.27 A組犬(青海) 8 2843.75±211.05＊＊ 1961.25±188.33＊ 2068.06±385.05＊＊ 1548.75±295.48＊ 1.38 1.23

SDH/LDH的比值是反映組織中有氧代謝狀況的重要指標(biāo),比值高表明組織有氧代謝旺盛和加強(qiáng)。從表中也能看出,來自實(shí)驗(yàn)A組的犬,其心肌SDH/LDH的比值也明顯高于實(shí)驗(yàn)B組犬。這也表明,高海拔地區(qū)低氧環(huán)境促使犬體內(nèi)有氧代謝活動高于低海拔地區(qū)犬。同時,表中也反映出相同犬組中心肌有氧代謝活動普遍高于骨骼肌。

2.2 臀中肌(骨骼肌)超微結(jié)構(gòu)特性比較

超微結(jié)構(gòu)觀察表明,犬骨骼肌細(xì)胞(骨骼肌纖維)也為長柱狀多核細(xì)胞,肌漿內(nèi)含有許多與細(xì)胞長軸平行的肌原纖維,每條肌原纖維又有數(shù)千條平行的肌絲組成,包括粗肌絲和細(xì)肌絲,A帶、M線、I帶及H帶等結(jié)構(gòu)明顯的特征(圖1、2)。

兩組犬骨骼肌超微結(jié)構(gòu)圖像分析顯示,來自實(shí)驗(yàn)A組的犬其肌原纖維之間線粒體的數(shù)量明顯高于實(shí)驗(yàn)B組犬(圖3)。并且在實(shí)驗(yàn)A組的犬肌原纖維間還有更多的糖原顆粒和較多的脂滴,尤其是肌節(jié)周圍或Z帶附近更加突出(圖2、4),表明其肌糖元在肌細(xì)胞中的積累明顯增強(qiáng)。次級溶酶體在高海拔犬骨骼肌中也明顯活躍,數(shù)量增多,這對線粒體的新陳代謝有明顯的積極作用。此外,對骨骼肌纖維間毛細(xì)血管數(shù)量進(jìn)行比較分析顯示,來自實(shí)驗(yàn)A組的犬毛細(xì)血管數(shù)量及開放率均高于低海拔犬。

圖1 B組犬骨骼肌橫切

圖2 A組犬骨骼肌橫切

圖3 A組犬骨骼肌橫切

圖4 A組犬骨骼肌橫切

3 討論

3.1 適度低氧環(huán)境誘導(dǎo)了犬骨骼肌細(xì)胞有氧代謝酶(SDH)活性顯著升高,增加其有氧代謝能力

琥珀酸脫氫酶(SDH)作為線粒體的標(biāo)志酶,是線粒體內(nèi)氧化磷酸化的中心,是三羧酸循環(huán)中唯一摻入線粒體內(nèi)膜的酶,它直接與呼吸鏈聯(lián)系,琥珀酸脫氫產(chǎn)生的FADH2可以轉(zhuǎn)移到酶的鐵硫中心,然后進(jìn)入呼吸鏈,對細(xì)胞內(nèi)已初步分解的物質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行氧化分解,從而產(chǎn)生能量,以供細(xì)胞活動[8]。SDH是三羧酸循環(huán)的一個關(guān)鍵酶,其活性的高低及含量的多少影響著三羧酸循環(huán)的速度。SDH活性也是評定細(xì)胞有氧代謝供能的重要指標(biāo)。急性缺氧時,SDH活性受到抑制,線粒體氧化磷酸化功能受阻,ATP生成減少[9],直接影響細(xì)胞的能量代謝和活動。但在閾值以內(nèi)的持續(xù)缺氧,又可以刺激SDH的活性,使氧化磷酸化的功能和能量供應(yīng)有所恢復(fù),這也是疲勞恢復(fù)的機(jī)制之一。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)SDH對低氧刺激有著高度的敏感性;(2)高海拔低氧環(huán)境刺激誘導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)A組犬骨骼肌細(xì)胞中SDH的顯著增加,說明隨著海拔高度的遞增變化(1700m-2800m),犬骨骼肌組織有氧氧化酶產(chǎn)生了適應(yīng)性反應(yīng),以適應(yīng)低氧環(huán)境中進(jìn)行有效有氧氧化代謝及提供充足的能量供應(yīng);(3)機(jī)體在缺氧時,對心肌SDH活性的影響大于骨骼肌,這是因?yàn)樾募∮醒醮x活動普遍高于骨骼肌。所以在同樣的缺氧條件下,心肌更易受到損傷。同時,糖的有氧氧化能力的提高,還有其更重要的意義。由于三羧酸循環(huán)不僅為糖代謝所獨(dú)有的代謝通道,這條通道的很多成員可以從非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來,包括脂肪水解生成的甘油和脂肪酸,蛋白質(zhì)水解生成的氨基酸等,均可通過其自身的代謝過程參與此通路,因此三羧酸循環(huán)能力的提高還有利于其他非糖物質(zhì)的氧化[10]。所以,SDH活性不僅關(guān)系到動物對低氧環(huán)境能否適應(yīng),而且也決定著機(jī)體運(yùn)動時能夠達(dá)到的最高工作強(qiáng)度及最長持續(xù)時間,對提高運(yùn)動能力產(chǎn)生直接影響。

3.2 適度低氧環(huán)境也誘導(dǎo)了骨骼肌細(xì)胞無氧代謝酶(LDH)的增高,增加其無氧酵解能力

LDH是機(jī)體糖酵解供能系統(tǒng)的關(guān)鍵酶之一,催化丙酮酸加氫生成乳酸的可逆反應(yīng)(無氧酵解的終末步驟)。在有氧條件下,LDH將乳酸轉(zhuǎn)化成丙酮酸,再經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底氧化,釋放能量供細(xì)胞代謝活動;在無氧條件下,LDH催化丙酮酸還原成乳酸,從而完成葡萄糖的無氧酵解過程,釋放少量ATP分子為缺氧組織在短暫缺氧時提供能量。它有五種同工酶,其中,肌型LDH(M-LDH)主要存在于骨骼肌內(nèi),對保證肌肉在短暫缺氧時仍能獲取ATP至關(guān)重要,體現(xiàn)了糖酵解系統(tǒng)供能能力[11]。所以LDH活力升高既有利供能,又可減少乳酸在肌肉中的積累。

實(shí)驗(yàn)證實(shí),實(shí)驗(yàn)犬在適度高海拔低氧環(huán)境適應(yīng)后,可誘導(dǎo)心肌、骨骼肌的LDH也相應(yīng)的升高,表現(xiàn)出在低氧條件下無氧酵解作用的增強(qiáng),并促使乳酸等中間代謝產(chǎn)物的清除。這與陳揚(yáng)等2000年進(jìn)行的無論大強(qiáng)度短時間運(yùn)動,還是長時間運(yùn)動后血清中LDH活性均有明顯增高的結(jié)論[12]基本一致。其機(jī)理可能是:(1)因?yàn)楹０紊?導(dǎo)致組織缺氧,引起酸性代謝產(chǎn)物堆積以及兒茶酚胺激素分泌增加,致使細(xì)胞膜通透性增加,使LDH漏出細(xì)胞膜;(2)在一定閾值內(nèi)低氧刺激誘導(dǎo)了LDH活性的一定升高與SDH活性的顯著增強(qiáng),使之達(dá)到一個新的動態(tài)平衡,保持生命活力。

3.3 適度低氧環(huán)境能有效的提高心肌細(xì)胞SDH/LDH比值,增強(qiáng)心肌細(xì)胞有氧代謝能力

LDH和SDH分別參與細(xì)胞內(nèi)糖的無氧酵解和三羧酸循環(huán),SDH與LDH比值可用來反應(yīng)細(xì)胞中氧代謝狀況,比值高表明細(xì)胞有氧代謝旺盛。從實(shí)驗(yàn)中可以看出實(shí)驗(yàn)A心肌比值明顯高于實(shí)驗(yàn)B組,表明適度高海拔低氧環(huán)境對犬心肌有氧代謝有明顯的促進(jìn)作用。同時,A、B兩組骨骼肌的SDH/LDH比值差異不明顯,也說明心肌中有氧代謝占優(yōu)勢。

4 小結(jié)

綜上所述,適度高原低氧環(huán)境誘導(dǎo)SDH的活性顯著升高,同時也使LDH酶的活性有一定程度的上升。并且實(shí)驗(yàn)還觀察到骨骼肌纖維糖原積累、線粒體功能增強(qiáng)。其運(yùn)動學(xué)意義在于適度的高原低氧環(huán)境訓(xùn)練不僅對耐力運(yùn)動項(xiàng)目有積極意義,而且對一些以速度和爆發(fā)力為主的運(yùn)動項(xiàng)目也會產(chǎn)生較好的效果。

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Effects of Canis Familiaris’Activity of SDH,LDHand Muscular Ultrastructure in Experimental Highland Environment and Meaning of Sports

Jia Lei1,Nie Xiujuan1,Fang Mei2
(1.Department of P.E.,Huangshan University,Huangshan,245041,Anhui,China;2.College of Veterinary Medicine,Gansu Agricultural University,Lanzhou,730070,Gansu,China)

Through the comparative study for the content of SDH,LDHof myocardium and muscle and muscular ultrastructure of canis familiaris in different highland environment experimentally,the results showed that appropriate highland hypoxia environment could induce conspicuous enhancing of activity of SDH,accumulating of muscle glycogen and enhancing of function of mitochondria.Meanwhile,it could have considerable promotive action to the activity of LDH.Therefore,these effects manifested the appropriate highland hypoxia environment had positive significance for all sports that need powers of endurance and short distance in meaning of sports.

canis familiaris;highland hypoxia environment;SDH;LDH;mitochondrion;muscle glycogen

G804.2

A

1672-1365(2010)01-0060-03

2009-07-27;

2009-09-25

安徽省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目(K J2009B274Z)和黃山學(xué)院引進(jìn)人才啟動項(xiàng)目資助(2008xskq013)。

賈磊(1971-),湖南人,博士,副教授,研究方向?yàn)檫\(yùn)動分子生物學(xué)及運(yùn)動生理學(xué)。