运动生物化学(第二版)课件第十二章运动适应的分子调控.ppt

1、第第 十十 二二 章章运动适应的分子调控运动适应的分子调控学习目标 掌握DNA双螺旋结构模型、DNA自我复制、RNA的生物合成及功能、运动适应的分子调控机制;了解与运动关系较密切的细胞信号转导通路;了解人类基因组计划以及真核生物基因表达的过程。生命在于运动，运动在于肌肉生命在于运动，运动在于肌肉肌肉源于细胞，细胞源于分子肌肉源于细胞，细胞源于分子构成生命的最重要分子构成生命的最重要分子核酸与蛋白质核酸与蛋白质DNA构成染色体构成染色体 肌球蛋白支撑肌肉收缩肌球蛋白支撑肌肉收缩本章即将揭秘：本章即将揭秘：n运动中细胞内核酸与蛋白质做了哪些事？运动中细胞内核酸与蛋白质做了哪些事？n这些事件如何调控

2、代谢过程、骨骼肌生长、运动能力？这些事件如何调控代谢过程、骨骼肌生长、运动能力？n这些事件与人体健康以及许多慢性疾病的防治有何关联？这些事件与人体健康以及许多慢性疾病的防治有何关联？基因表达基因表达 运动运动/运动能力运动能力？第一节第一节分子生物学基础分子生物学基础核核 酸酸(nucleic acid)是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。分子，携带和传递遗传信息。核酸的分类及分布核酸的分类及分布 (deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸 存

3、在存在于细胞核于细胞核和线粒体内。和线粒体内。存在存在于胞核、胞液于胞核、胞液和线粒体和线粒体。携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型体的遗传型(genotype)。参与遗传信息的复制与表达参与遗传信息的复制与表达调控基因表达（调控基因表达（microRNA）核酸的基本组成单位是核苷酸核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide)。碱基碱基戊糖戊糖磷酸磷酸核苷酸核苷酸核苷核苷核酸核酸DNA的基本组成单位是的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是的基本组成单位是核糖核苷酸核糖核苷酸。嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 碱基碱基腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟

4、嘌呤（G）胞嘧啶（胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（尿嘧啶（U）DNA、RNA均有均有DNA有有RNA有有一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构每种核酸都含有四种碱基每种核酸都含有四种碱基。嘌呤嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3戊戊 糖糖（构成（构成RNA）核糖核糖(

5、ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)12453OOHOHHHHCH2OHHOHOHOHHHHCH2OHHOH12345碱基和核糖（或脱氧核糖）通过碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键糖苷键连连接形成接形成核苷核苷（或脱氧核苷）。（或脱氧核苷）。腺嘌呤核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键胞嘧啶脱氧核苷1NNONH212OHOHHHHCH2OHH糖苷键核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键酯键连接形成连接形成核核苷酸

6、苷酸（脱氧核苷酸）。（脱氧核苷酸）。糖苷键酯键腺苷酸NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO5l 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 细胞内重要能量载体细胞内重要能量载体ATPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-OOPOO-OPO-OO一 磷 酸 腺 苷（AM P）二 磷 酸 腺 苷（ADP）三 磷 酸 腺 苷（ATP）l 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMP 细胞内重要信号分子细胞内重要信号分子第二信使第二信使NNNNNH2OOHOHHHCH2HOPHOOcAMP5 端端3 端端n核苷酸之间以核苷酸之间以3 ,5 -磷酸磷酸二酯键二酯键连

7、接形成多核苷酸链，即连接形成多核苷酸链，即核酸（核酸（DNA、RNA）。）。n核酸的一级结构：核酸的一级结构：核酸中核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以间的差异主要是碱基不同，所以也称为也称为碱基序列碱基序列。CGA DNA 与与RNA的区别的区别二、二、DNA的结构与功能的结构与功能DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 1.两条两条DNA链反向平行，围绕同一链反向平行，围绕同一中心轴构成中心轴构成右手双螺旋右手双螺旋(double helix)。2.两条链通过碱基间的氢键相连，两条链通过碱基间的氢键相连，A对对T有两个氢键，有两个氢

8、键，C对对G有有三个氢键，这种三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为配对的规律，称为碱基互补规则碱基互补规则。3.维持双螺旋稳定的因素：氢键，碱基疏水力。维持双螺旋稳定的因素：氢键，碱基疏水力。DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性Z型型DNAB型型DNAA型型DNADNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体核小体染色体染色体真核生物染色体真核生物染

9、色体DNA组装组装DNADNA DNA的功能的功能DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式装载遗传信息，并的形式装载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。也是个体生命活动的信息基础。基因基因是指是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。列顺序决定了基因的功能。基因组基因组是指细胞或生物体的全套遗传物质。是指细胞或生物体的全套遗传物质。DNA进行复制时，双螺旋结构解开而成为两股单链，各自作为模板，用于合成新的互补链。子代细胞出现新的D

10、NA双链，其中一股单链是从亲代完整地接受过来的，另一股单链是完全重新合成，且与母链按碱基配对原则互补。DNA的生物合成的生物合成半保留复制半保留复制 DNA半保留复制半保留复制三、三、RNARNA的生物合成与功能的生物合成与功能动物细胞内主要动物细胞内主要RNA的种类及功能的种类及功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白

11、质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成

12、熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNARNA的生物合成的生物合成转录转录转录：转录：生物体以生物体以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 。也就是把也就是把DNADNA的碱的碱基序列抄录成基序列抄录成RNARNA的碱基序列。的碱基序列。复制与转录的异同点复制与转录的异同点 复制复制 转录转录 DNA模板模板 双链双链 单链（模板链）单链（模板链）原料原料 dNTP NTP 碱基配对碱基配对 C=G,A=T C=G,A=U

13、,T=A 合成方向合成方向 53 53 酶酶 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 引物引物 需要需要 不需要不需要蛋白质的合成蛋白质的合成翻译翻译 DNA上的遗传信息传递到上的遗传信息传递到mRNA上（转录），上（转录），mRNA接受到了接受到了DNA的信息，便会指导蛋白质的生物合成，的信息，便会指导蛋白质的生物合成，mRNA便成了蛋白质生物合成的直接模板。由便成了蛋白质生物合成的直接模板。由mRNA指导指导蛋白质合成的过程叫翻译（蛋白质合成的过程叫翻译（translation）。）。mRNA转录后输出细胞核，由核糖体完成蛋白质合成（翻译）。转录后输出细胞核，由核糖体完成蛋白质合成（翻译）

14、。生物学中心法则生物学中心法则DNA、RNA、蛋白质之间的关系、蛋白质之间的关系四、真核生物基因表达和调控四、真核生物基因表达和调控通常情况下，真核生物细胞只有通常情况下，真核生物细胞只有2-15%2-15%的基因处于有的基因处于有转录活性的状态。转录活性的状态。表达调控是研究不同的环境和条件以及各种因素如何表达调控是研究不同的环境和条件以及各种因素如何令基因令基因表达或不表达表达或不表达，而且按一定的时间、空间有次，而且按一定的时间、空间有次序高效地运作。序高效地运作。调控水平：调控水平：转录、转录后、翻译、翻译后转录、转录后、翻译、翻译后顺式作用元件顺式作用元件：真核生物结构基因上游的调控

15、区，有特定：真核生物结构基因上游的调控区，有特定的相似或一致性的序列（的相似或一致性的序列（DNADNA片段：碱基序列片段：碱基序列）。）。反式作用因子反式作用因子：和顺式作用元件相结合或间接影响其作用：和顺式作用元件相结合或间接影响其作用的的蛋白质蛋白质（转录因子、转录调节因子）。（转录因子、转录调节因子）。RNARNA顺式作用元件与反式作用因子的结合顺式作用元件与反式作用因子的结合DNADNA结构简单：结构简单：开放或关闭开放或关闭 序列不变序列不变转录因子转录因子/蛋白质蛋白质结构复杂、多变结构复杂、多变 二者结合二者结合基因表达调控的多变性基因表达调控的多变性顺式作用原件顺式作用原件转

16、录因子转录因子转录辅激活因子转录辅激活因子转录辅抑制因子转录辅抑制因子褐色脂肪褐色脂肪白色脂肪白色脂肪举例：雌激素相关受体ERR转录活性的调控冷刺激冷刺激运动运动饥饿饥饿转录抑制转录抑制转录激活转录激活脂肪酸氧化脂肪酸氧化线粒体生物发生线粒体生物发生氧化磷酸化氧化磷酸化脂肪酸氧化脂肪酸氧化 线粒体生物发生线粒体生物发生 氧化磷酸化氧化磷酸化 Trends Endocrinol Metab.Oct 2008;19(8):269276.第二节第二节运动适应的分子事件运动适应的分子事件运动方式与分类运动方式与分类持续时间长肌肉不加额外阻力心肺功能增加 运动强度可控间歇性肌肉附加额外阻力肌肉力量增加运

17、动强度可控耐力运动耐力运动抗阻运动抗阻运动持续时间不确定动作复杂多变生理适应复杂运动强度时刻变化复杂混合型运动复杂混合型运动一、耐力运动诱导的适应性改变一、耐力运动诱导的适应性改变骨骼肌纤维类型转化：Type I肌纤维增加Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol.2009 Feb;296(2):R326-33.线粒体增殖PLoS One.2012;7(7):e41817.有氧代谢能力提高Am J Physiol Endocrinol Metab.2004 Nov;287(5):E857-62肌内脂滴含量增加三羧酸循环酶含量增加毛细血管增生J Physiol.

18、2008 Dec 15;586(Pt 24):6021-35.Proc Natl Acad Sci U S A.2009 Dec 15;106(50):21401-6.血管内皮生长因子VEGF表达增加肌纤维血管密度表达增加二、抗阻运动诱导的适应性改变二、抗阻运动诱导的适应性改变骨骼肌蛋白质合成增加肌纤维蛋白质合成速率（FSR）在1组(1SET)和3组(3SET)抗阻运动后的5h、29hJ Physiol.2010 Aug 15;588(Pt 16):3119-30.骨骼肌卫星细胞的增殖和分化运动后4天骨骼肌卫星细胞密度变化率抗阻运动(RE),耐力运动(AE),混合型运动(CE)Am J Phy

19、siol Regul Integr Comp Physiol.2012 Jun 15;302(12):R1458-65.心肌肥大(myocardial hypertrophy)代谢产物变化CP肌糖原含量增加无氧代谢酶活性增加骨骼肌无机盐密度增加Type II型肌纤维增加12周持续抗阻运动使II型肌纤维（MHCIIa）增加28%，I型肌纤维（MHCI）略降（Young women）J Appl Physiol(1985).2012 May;112(10):1625-36.三、与运动能力直接相关的基因三、与运动能力直接相关的基因基因多态性与运动员选材基因多态性与运动员选材基因多态性（基因多态性（p

20、olymorphism）是指在一个生物群体中，同时和经常存在两种或多种不连续的变异型或基因型（genotype）或等位基因（allele）。同一基因的不同变异型同一基因的不同变异型与其运动能力存在相关性。与杰出耐力有关的基因与杰出耐力有关的基因mtDNA序列血管紧张转移酶ACE过氧化物酶体增殖物激活受体PPAR-PPAR-辅激活因子PGC-1线粒体转录因子：Tfam核呼吸因子2(NRF2)肌酸激酶CKMM肉碱棕榈酰转移酶(CPT-1)结果：这些基因在优秀耐力运动员与普结果：这些基因在优秀耐力运动员与普通人之间存在基因多态性差异。通人之间存在基因多态性差异。结论：先天具备某一特定基因型的人对结论

21、：先天具备某一特定基因型的人对耐力运动较为敏感，有较大可能创造耐耐力运动较为敏感，有较大可能创造耐力项目上的优异成绩。力项目上的优异成绩。与肌肉力量有关的基因与肌肉力量有关的基因肌肉生长抑制素(GDF-8)维生素D受体(VDR)肌肉生长限制因子Myostatin睫状神经营养因子CNTF胰岛素样生长因子结合蛋白IGFBP3肌动蛋白ACTN3TNFRSF11B结果：这些基因在优秀力量运动员与普通结果：这些基因在优秀力量运动员与普通人之间存在基因多态性差异。人之间存在基因多态性差异。结论：先天具备某一特定基因型的人对力结论：先天具备某一特定基因型的人对力量训练较为敏感，有较大可能创造力量项量训练较为

22、敏感，有较大可能创造力量项目上的优异成绩。目上的优异成绩。第三节第三节运动适应的分子调控运动适应的分子调控我们已经知道我们已经知道DNADNA是基因的载体是基因的载体核酸（核苷酸序列）核酸（核苷酸序列）RNARNA是基因转录的产物是基因转录的产物脱氧核酸脱氧核酸蛋白质是蛋白质是RNARNA翻译的产物翻译的产物氨基酸序列氨基酸序列耐力运动与抗阻运动产生不同的生理效应耐力运动与抗阻运动产生不同的生理效应问题：生理效应的获得机制？与问题：生理效应的获得机制？与DNADNA、RNARNA、蛋白质之间是什么关系？、蛋白质之间是什么关系？概念：概念：细胞信号转导？细胞信号转导？跨膜细胞信号转导的一般步骤跨

23、膜细胞信号转导的一般步骤特定的细胞释放信息物质（第一信使）特定的细胞释放信息物质（第一信使）信息物质经扩散或血循环到达靶细胞信息物质经扩散或血循环到达靶细胞与靶细胞的受体特异性结合与靶细胞的受体特异性结合受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统（第二信使）受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统（第二信使）靶细胞产生生物学效应靶细胞产生生物学效应例：胰岛素介导细胞摄取葡萄糖 化学性质分类：化学性质分类：*蛋白质和肽类（如生长因子、细胞因子、胰岛素等）蛋白质和肽类（如生长因子、细胞因子、胰岛素等）*氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等）氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等）*

24、类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等）类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等）*脂酸衍生物（如前列腺素）脂酸衍生物（如前列腺素）*气体（如一氧化氮、一氧化碳）等气体（如一氧化氮、一氧化碳）等 一、细胞间信息物质一、细胞间信息物质l蛋白激酶、蛋白磷酸酶蛋白激酶、蛋白磷酸酶 二、细胞内信息物质二、细胞内信息物质p蛋白质生物活性与磷酸化状态有关p磷酸化位点：丝氨酸/苏氨酸，酪氨酸p细胞膜上很多受体本身就是蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶l GTP结合蛋白结合蛋白G蛋白蛋白p蛋白质本身结合GTP，GTP水解调控蛋白质活性p细胞膜上的很多受体有GTP水解酶活性l第二信使：第二信使：Ca2+、小分子

25、代谢产物、小分子代谢产物p化学本质：小分子代谢物，非蛋白质p产生信号放大效应NNNNNH2OOHOHHHCH2HOPHOOcAMPl转录调节因子（第三信使）转录调节因子（第三信使）p与DNA或其他转录因子结合p将胞浆信号传递至细胞核，发挥转录调控作用p很多蛋白激酶、受体也是转录调节因子P53P53蛋白在细胞核发挥蛋白在细胞核发挥转录调控作用转录调控作用低强度低强度运动运动高强度高强度运动运动J Appl Physiol(1985).2007 Jul;103(1):388-95.l 丝裂原激活蛋白激酶（丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）通路）通路三、运动与细胞信号转导通路三、运动与细胞信号转导通路p

26、激活脂肪酸摄取、氧化p激活葡萄糖转运p提升有氧氧化能力运动运动肌肉收缩肌肉收缩AMPKAMPK激活剂激活剂l腺苷一磷酸激活蛋白激酶（腺苷一磷酸激活蛋白激酶（AMPK）通路）通路p激活脂肪酸氧化、葡萄糖转运p激活线粒体生物发生J Physiol.2006 Jul 1;574(Pt 1):17-31.l磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇3-激酶激酶/蛋白激酶蛋白激酶B（PI3-K/Akt）通路）通路p激活细胞生长、增殖p介导抗阻运动引起的肌肉蛋白质合成l哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号转导通路）信号转导通路p本身也是蛋白激酶，受PI3K/Akt激活p调控蛋白质翻译过程，介导抗阻运动引起的肌肉蛋白质合成l钙调蛋白激酶（钙调蛋白激酶（CaMK）信号转导通路）信号转导通路p蛋白激酶活性被Ca2+激活p增加线粒体生物发生和血管再生，介导耐力运动的分子适应l胰岛素信号转导通路胰岛素信号转导通路p2型糖尿病的主要发病机理：胰岛素抵抗p增加葡萄糖摄取、糖原合成、脂肪合成，抑制糖异生p介导耐力运动引起的代谢改善本章内容结束。本章内容结束。