細胞如何感知氧氣獲2019年諾貝爾生理學獎:有氧運動提升耐力原來如此神奇!
Aaron Yang

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昨天下午17時30分許,瑞典卡洛琳斯卡醫學院在斯德哥爾摩宣佈,將2019年諾貝爾生理學或醫學獎授予三位科學家。他們分別是來自:哈佛醫學院達納-法伯癌症研究所的 威廉·凱林(William G. Kaelin,Jr.),牛津大學和法蘭西斯·克裡克研究所的 彼得·拉特克利夫(Peter J. Ratcliffe)以及美國約翰霍普金斯大學醫學院的 葛列格·塞門紮(GreggL. Semenza)。以表彰他們在理解細胞感知和適應氧氣變化機制中的貢獻。

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一、今年諾獎關注了氧氣是如何被細胞感知的

說起氧氣,即便是普通大眾也不會陌生,我們一刻不停的從空氣中吸入氧氣,經過心肺系統和血液運輸,將氧氣運輸到全身供新陳代謝需要,也就是說氧氣是體內眾多生化代謝途徑不可或缺的物質。

人體感受氧氣濃度並且根據氧氣濃度產生相應的生理變化及活動這一複雜過程人們對此卻所知甚少。

三位科學家闡明了在分子水準上人體是如何感受氧濃度的基本原理,揭示了其中重要的信號機制,為貧血、心血管疾病、黃斑退行性病變以及腫瘤等多種疾病開闢了新的臨床治療途徑。

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事實上,人體運動,特別是有氧運動,作為一種特殊的生理現象,其中很多機制也可以用今年諾貝爾生理學/醫學獎的成果進行解釋,或者說今年的諾獎為有氧運動研究開啟了一個新的重要研究方向;因為運動時本身需氧量和耗氧量都會大大增加,缺氧狀態在運動時表現得很明顯,這恰恰是諾獎今年關注的核心問題——“細胞是如何感知氧氣濃度的”!

二、缺氧可以促進腎臟分泌EPO

當氧氣缺乏時,會腎臟分泌一種激素——促紅細胞生成素(顧名思義就是可以促進紅細胞生成,英文簡稱EPO)。

EPO可以刺激骨髓生成新的紅細胞。比如當我們在高原活動時,由於缺氧,人體的新陳代謝發生變化,開始生長出新的血管,製造新的紅細胞,從而更有效率地運輸氧氣,來彌補空氣中氧含量的不足。

這也是為什麼耐力項目,比如中長跑運動員和馬拉松運動員需要經常到高原進行訓練的原因所在!

因為高原缺氧環境可以促進腎臟分泌EPO,從而促進紅細胞生成,另外高原缺氧環境本身就增加了對於心肺系統的刺激。

因此,通過高原訓練可以有效從運動能力和體內物質兩個方面提升人體耐力。

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另一方面,長期世居高原的人們在缺氧環境中也進化出一系列機制使得他們心肺耐力更好,更能耐受缺氧,我國優秀馬拉松運動員董國建來自雲南;多布傑來自西藏,競走名將切陽什姐來自青海就是證明,因為世居在雲貴高原、青藏高原這些高海拔地區的人們確實具有天生的耐力優勢。

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同樣的道理,東非高原比如肯亞、衣索比亞等地區也盛產優秀耐力高手,並且來自這些國家的中長跑運動員依舊仍然統治著從中距離跑到馬拉松幾乎所有項目。

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三、EPO作為興奮劑在競技運動中被濫用

利用高原缺氧環境促進體內EPO的產生,進而在體內產生更多紅細胞,這本身是一種物理手環,但非治療目的外源性注射EPO顯然就是使用興奮劑。

濫用EPO最臭名昭著的就是已經被剝奪連續七次環法自行車賽冠軍,遭到終身禁賽的美國自行車運動員——阿姆斯壯!

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此外,肯亞首位女子馬拉松奧運冠軍桑姆貢在2017年一次興奮劑賽外檢查中同樣被查出EPO(促紅細胞生成素)陽性,桑姆貢是2016年裡約奧運會女子馬拉松冠軍,也是肯亞歷史上首位女子馬拉松奧運冠軍,世界馬拉松系列賽排名非常高的選手。

桑姆貢興奮劑被查讓素有“長跑王國”之稱的肯亞體育蒙上了一層陰影。

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2016年,德國電視一台以及英國《星期日泰晤士報》聯合調查發現,在距離肯亞首都奈洛比西北約300公里的依騰訓練中心,運動員服用興奮劑的情況很普遍,攝像機甚至捕捉到了醫生公然向運動員兜售EPO的場景。

而在過去三年多時間裡,有超過40名肯亞運動員未能通過藥檢,這也導致長跑王國的聲譽再度受到衝擊,變得岌岌可危。

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運動員非法注射EPO本身檢測難度也很大,因為這些藥物在體內代謝速度很快,除非在運動員剛剛注射EPO,檢測其尿樣也許可以發現其代謝物,否則過了12-24小時,EPO在體內就無影無蹤了;

這也是為什麼要對運動員進行飛行藥檢的原因所在,即便這樣,抓住現行的可能性也很小。

近年來,一種新的反興奮劑檢測技術——生物護照技術得到普及,生物護照技術顧名思義給每一名運動員建立“生物護照”。

運動員的每一次檢測結果都被跟蹤記錄下來,這樣就可以反映運動員一段時間內的生理資料變化,如果某些資料在某個階段呈現無法解釋的異常波動,那麼就意味著運動員可能使用了興奮劑。

舉例來說,紅細胞含量在體內保持有限的波動,如果某一次檢測發現紅細胞含量異常上升,則該運動員則可能使用了EPO(促紅細胞生成素),此時雖然並沒有發現運動員使用EPO的直接證據,但也可以判定服用了興奮劑。

生物護照技術的應用讓運動員賽外使用興奮劑面臨很大風險。

因為該技術並不是憑藉一次結果進行判定,而是對長期生理資料進行跟蹤,這就要求運動員需要長期對自己體內物質負責。

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四、今年諾獎揭示缺氧促進腎臟分泌EPO的這個“開關”

講了那麼多EPO的知識,我們還是繼續回到諾獎上面。

雖然科學家們很早就知道缺氧可以促進腎臟分泌EPO,但其具體調節機制仍然不得而知,也就是說我們知道了因和果,但其中的過程仍然是黑箱,獲得今年諾貝爾生理學/醫學獎的科學家們就是通過揭示這個黑箱而獲獎的。

這幾位科學家們發現缺氧促進腎臟分泌EPO的這個“開關”是一種叫做缺氧誘導因數(Hypoxia-induciblefactors,簡稱HIF)的物質。

在供氧正常的情況下,這個物質含量很少,而機體缺氧時,這個物質卻大量產生並誘發一系列基因表達,最終使得腎臟分泌了EPO;當然,HIF絕不僅僅是促進腎臟分泌EPO那麼簡單,它具有一系列廣泛的生物學作用,比如促血管產生、參與胚胎發育、免疫和腫瘤過程等等。

這其中有些是好的作用,有些是不好的作用。好的作用我們可以加以利用或者時候開發藥物來促進其產生;而不好的作用則要盡可能控制或者同樣開發抑制劑來抑制其產生。

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五、今年諾獎跟運動關係很大,有氧運動更多奧秘將被揭示

舉例來說,長期耐力運動會促進紅肌纖維變得發達,之所以稱為紅肌纖維就是因為這些肌纖維中毛細血管豐富,在顯微鏡下呈現紅色。

那麼為什麼耐力運動會使得肌肉中毛細血管大量產生呢?很可能就是因為運動時缺氧促進了HIF產生,從而促進了肌肉中血管產生,而血管大量產生後,不僅可以更好地運輸氧氣,也可以更好地排出代謝廢物和二氧化碳。這就是耐力提升的機制之一。

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而科學家發現有些癌症比如腎癌發生在血流很豐富的區域,說明氧氣參與了這些癌症的產生,同時大量新生血管又會促進這些癌症加速生長;這時候,科學家就可以通過今年諾獎的成果推論並且研發靶向藥物,通過調節HIF及其相關因數,從而抑制血管生成,達到抑制腫瘤的目的。

此外,有經驗的跑者都知道一個道理:LSD是有氧跑,氧供和氧耗處於平衡狀態;而間歇跑是無氧跑,此時氧供滿足不了氧耗的需求,所以糖這時只能無氧分解產生能量來維持較高的跑速。

也就是說間歇跑相比LSD,缺氧明顯更加嚴重。但跑過間歇跑的跑者也都能很明顯的感受到,經過間歇跑訓練,耐力能得到更有效的提升,換句話說不僅有氧運動可以提升耐力,無氧運動;或者說缺氧運動也能夠提升耐力,缺氧運動提升耐力的機制也許也能通過今年諾貝爾生理學/醫學獎進行解釋,因為缺乏促進了HIF產生,HIF的產生有發揮了一系列機制,比如促進腎臟分泌EPO、促進毛細血管密度增加等等。所以,無氧訓練是耐力訓練不可或缺的一種重要訓練手段。

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六、總結

2019年諾貝爾生理學/醫學獎頒發給了揭示細胞如何感知氧氣的三位科學家,今年的諾獎事實上也跟運動生理學關係極大,有氧運動提升耐力的更多機制將被揭示。

感謝這些偉大的科學家,他們的卓越成就最終將在若干年之後惠及我們每一個人!

文章來源:慧跑

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