1、第 十 二 章運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子調(diào)控第 十 二 章運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子調(diào)控學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、DNA自我復(fù)制、RNA的生物合成及功能、運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制;了解與運(yùn)動(dòng)關(guān)系較密切的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路;了解人類基因組計(jì)劃以及真核生物基因表達(dá)的過程。學(xué)習(xí)目標(biāo) 生命在于運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在于肌肉肌肉源于細(xì)胞，細(xì)胞源于分子構(gòu)成生命的最重要分子核酸與蛋白質(zhì)DNA構(gòu)成染色體 肌球蛋白支撐肌肉收縮生命在于運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在于肌肉構(gòu)成生命的最重要分子核酸與蛋白本章即將揭秘：運(yùn)動(dòng)中細(xì)胞內(nèi)核酸與蛋白質(zhì)做了哪些事？這些事件如何調(diào)控代謝過程、骨骼肌生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)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(guān)聯(lián)？基因表達(dá) 運(yùn)動(dòng)

2、/運(yùn)動(dòng)能力 ？本章即將揭秘：基因表達(dá) 第一節(jié)分子生物學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)分子生物學(xué)基礎(chǔ)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(xì)胞核和線粒體內(nèi)。存在于胞核、胞液和線粒體。攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的遺傳型(genotype)。參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)（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(jié)構(gòu)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(gòu)成RNA）核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)戊 糖（構(gòu)成RNA）核糖(ribose)（構(gòu)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(xì)胞內(nèi)重要能量載體ATP 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMP 細(xì)胞內(nèi)重要信號(hào)分子第二信使 環(huán)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(jí)結(jié)構(gòu)：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(qū)別 DNA 與RNA的區(qū)別二、 DNA的結(jié)構(gòu)與功能二、 DNA的結(jié)構(gòu)與功能DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

6、 1. 兩條DNA鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋 (double helix)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 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(duì)T有兩個(gè)氫鍵，C對(duì)G有三個(gè)氫鍵，這種A-T、C-G配對(duì)的規(guī)律，稱為堿基互補(bǔ)規(guī)則。3. 維持雙螺旋穩(wěn)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(duì)T有兩個(gè)氫鍵，C對(duì)G有DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNADNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)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(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)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(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。基因是指DNA分子中的特定區(qū)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(xì)胞或生物體的全套遺傳物質(zhì)。 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(jìn)行復(fù)制時(shí)，雙螺旋結(jié)構(gòu)解開而成為兩股單鏈，各自作為模板，用于合成新的互補(bǔ)鏈

8、。子代細(xì)胞出現(xiàn)新的DNA雙鏈，其中一股單鏈?zhǔn)菑挠H代完整地接受過來的，另一股單鏈?zhǔn)峭耆匦潞铣桑遗c母鏈按堿基配對(duì)原則互補(bǔ)。 DNA的生物合成半保留復(fù)制DNA進(jìn)行復(fù)制時(shí)，雙螺旋結(jié)構(gòu)解開而成為兩股單鏈，各自作為模板 DNA半保留復(fù)制 DNA半保留復(fù)制三、RNA的生物合成與功能三、RNA的生物合成與功能動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類及功能動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類及功能RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄：生物體以DNA為模板合成RNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的異同點(diǎn) 復(fù)制 轉(zhuǎn)錄 DNA模板 雙鏈 單鏈（模板鏈）

9、原料 dNTP NTP 堿基配對(duì) 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(fù)制與轉(zhuǎn)錄的異同點(diǎn) 蛋白質(zhì)的合成翻譯 DNA上的遺傳信息傳遞到mRNA上（轉(zhuǎn)錄），mRNA接受到了DNA的信息，便會(huì)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成，mRNA便成了蛋白質(zhì)生物合成的直接模板。由mRNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程叫翻譯（translation）。蛋白質(zhì)的合成翻譯 DNA上的遺傳信息傳遞到mRNA轉(zhuǎn)錄后輸出細(xì)胞核，由核糖體完成蛋白質(zhì)合成（翻譯）。mRNA轉(zhuǎn)錄后輸出細(xì)胞核，由核糖體完成蛋白質(zhì)合成（翻譯）。生物學(xué)中心法則DNA、RNA、蛋白質(zhì)之間的關(guān)系生物

10、學(xué)中心法則DNA、RNA、蛋白質(zhì)之間的關(guān)系四、真核生物基因表達(dá)和調(diào)控四、真核生物基因表達(dá)和調(diào)控通常情況下，真核生物細(xì)胞只有2-15%的基因處于有轉(zhuǎn)錄活性的狀態(tài)。表達(dá)調(diào)控是研究不同的環(huán)境和條件以及各種因素如何令基因表達(dá)或不表達(dá)，而且按一定的時(shí)間、空間有次序高效地運(yùn)作。調(diào)控水平： 轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯、翻譯后通常情況下，真核生物細(xì)胞只有2-15%的基因處于有轉(zhuǎn)錄活性的順式作用元件：真核生物結(jié)構(gòu)基因上游的調(diào)控區(qū)，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(jié)合或間接影響其作用的蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）。RNA順式作用元件：真核生物結(jié)構(gòu)基因上游的調(diào)控區(qū)，有特

11、定的相似或一順式作用元件與反式作用因子的結(jié)合DNA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：開放或關(guān)閉 序列不變轉(zhuǎn)錄因子/蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多變 二者結(jié)合基因表達(dá)調(diào)控的多變性順式作用元件與反式作用因子的結(jié)合DNA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：轉(zhuǎn)錄因子/蛋順式作用原件轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄輔激活因子轉(zhuǎn)錄輔抑制因子褐色脂肪白色脂肪舉例：雌激素相關(guān)受體ERR轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控冷刺激運(yùn)動(dòng)饑餓轉(zhuǎn)錄抑制轉(zhuǎn)錄激活脂肪酸氧化線粒體生物發(fā)生氧化磷酸化脂肪酸氧化線粒體生物發(fā)生氧化磷酸化Trends Endocrinol Metab.Oct 2008;19(8): 269276.順式作用原件轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄輔激活因子轉(zhuǎn)錄輔抑制因子褐色脂肪白色第二節(jié)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子事件第二節(jié)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子

12、事件運(yùn)動(dòng)方式與分類持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)肌肉不加額外阻力心肺功能增加 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可控間歇性肌肉附加額外阻力肌肉力量增加運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可控耐力運(yùn)動(dòng)抗阻運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間不確定動(dòng)作復(fù)雜多變生理適應(yīng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度時(shí)刻變化復(fù)雜混合型運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式與分類持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)間歇性耐力運(yùn)動(dòng)抗阻運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間不確定一、耐力運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的適應(yīng)性改變骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的適應(yīng)性改變骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)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(nèi)脂滴含量增加三羧酸循環(huán)酶含量增加有氧代謝能力提高Am J Physiol Endocrino毛細(xì)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(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF表達(dá)增加肌纖維血管密度表達(dá)增加毛細(xì)血管增生J Physiol.2008 Dec 15;5二、抗阻運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的適應(yīng)性改變骨骼肌

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

15、ertrophy)心肌肥大(myocardial hypertrophy)代謝產(chǎn)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(jī)鹽密度增加Type II型肌纖維增加12周持續(xù)抗阻運(yùn)動(dòng)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(chǎn)物變化12周持續(xù)抗阻運(yùn)動(dòng)使II型肌纖維（MHCIIa）三、與運(yùn)動(dòng)能力直接相關(guān)的基因基因多態(tài)性與運(yùn)動(dòng)員選材基因多態(tài)性（polymorphism）是指在一個(gè)生物群體中，同時(shí)和經(jīng)常存在兩種或多種不連續(xù)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(yùn)動(dòng)能力存在相關(guān)性。三、與運(yùn)動(dòng)能力直接相關(guān)的基因基因多態(tài)性與運(yùn)動(dòng)員選材基因多態(tài)性與杰出耐力有關(guān)的基因mtDNA序列血管緊張轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄因子：Tfam核呼吸因子2(NRF2)肌酸激酶CKMM肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(CPT-1)結(jié)果：這些基因在優(yōu)秀耐力運(yùn)動(dòng)員與普通人之間存在基因多態(tài)性差異。結(jié)論：先天具備某一特定基因型的人對(duì)耐力運(yùn)動(dòng)較為敏感，有較大可能創(chuàng)造耐力項(xiàng)目上的優(yōu)異成績(jī)。與杰出耐力有關(guān)的基因mtDNA序列結(jié)果：這些基因在優(yōu)秀耐力運(yùn)與肌肉力量有關(guān)的基因肌肉生長(zhǎng)抑

17、制素(GDF-8)維生素D受體(VDR)肌肉生長(zhǎng)限制因子Myostatin睫狀神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子CNTF胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白IGFBP3肌動(dòng)蛋白ACTN3TNFRSF11B結(jié)果：這些基因在優(yōu)秀力量運(yùn)動(dòng)員與普通人之間存在基因多態(tài)性差異。結(jié)論：先天具備某一特定基因型的人對(duì)力量訓(xùn)練較為敏感，有較大可能創(chuàng)造力量項(xiàng)目上的優(yōu)異成績(jī)。與肌肉力量有關(guān)的基因肌肉生長(zhǎng)抑制素(GDF-8)結(jié)果：這些基第三節(jié)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子調(diào)控第三節(jié)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子調(diào)控我們已經(jīng)知道DNA是基因的載體核酸（核苷酸序列）RNA是基因轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物脫氧核酸蛋白質(zhì)是RNA翻譯的產(chǎn)物氨基酸序列耐力運(yùn)動(dòng)與抗阻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)問題：生理效應(yīng)的獲得機(jī)制

18、？與DNA、RNA、蛋白質(zhì)之間是什么關(guān)系？概念：細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)？我們已經(jīng)知道DNA是基因的載體核酸（核苷酸序列）概念跨膜細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一般步驟特定的細(xì)胞釋放信息物質(zhì)（第一信使）信息物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散或血循環(huán)到達(dá)靶細(xì)胞與靶細(xì)胞的受體特異性結(jié)合受體對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信使系統(tǒng)（第二信使）靶細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)跨膜細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一般步驟特定的細(xì)胞釋放信息物質(zhì)（第一信使）例：胰島素介導(dǎo)細(xì)胞攝取葡萄糖例：胰島素介導(dǎo)細(xì)胞攝取葡萄糖 化學(xué)性質(zhì)分類：* 蛋白質(zhì)和肽類（如生長(zhǎng)因子、細(xì)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(zhì)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(xì)胞間信息物質(zhì) 化學(xué)性質(zhì)分類： 一、細(xì)胞間信息物質(zhì)蛋白激酶、蛋白磷酸酶 二、細(xì)胞內(nèi)信息物質(zhì)蛋白質(zhì)生物活性與磷酸化狀態(tài)有關(guān)磷酸化位點(diǎn)：絲氨酸/蘇氨酸，酪氨酸細(xì)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(xì)胞內(nèi)信息物質(zhì)蛋白質(zhì)生物活性與磷酸 GTP結(jié)合蛋白G蛋白蛋白質(zhì)本身結(jié)合GTP，GTP水解調(diào)控蛋白質(zhì)活性細(xì)胞膜上的很多受體有GTP水解酶活性 GTP結(jié)合蛋白G蛋白蛋白質(zhì)本身結(jié)合GTP，GTP水解調(diào)第二信使： Ca2+、小分子代謝產(chǎn)物化學(xué)本質(zhì)：小分子代謝物，非蛋白質(zhì)產(chǎn)生信號(hào)放大效應(yīng)第二信使： Ca2+、小分子代謝產(chǎn)物化學(xué)本質(zhì)：小分子代謝物，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子（第三信使）與DNA或其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合將胞漿信號(hào)傳遞至細(xì)胞核，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用很多蛋白激酶、受體也是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子P53蛋白在細(xì)胞核發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子（第三信使）與DNA或其他轉(zhuǎn)錄