运动生物化学(第二版)课件第十二章运动适应的分子调控

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结论: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 力项目上的优异成绩。
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ACTN3 TNFRSF11B……
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
肌内脂滴含量增加
三羧酸循环酶含量增加
Am J Physiol Endocrinol Metab. 2004 Nov;287(5):E857-62
G
也称为碱基序列。
3´端
DNA 与RNA的区别
核酸
碱基
戊糖
DNA A、G、C、T 脱氧核糖
RNA A、G、C、U 核糖
二、 DNA的结构与功能
DNA双螺旋结构模型要点
1. 两条DNA链反向平行,围绕同 一中心轴构成右手双螺旋 (double helix)。
A
T
C
G
2. 两条链通过碱基间的氢键相连,A对T有两个氢键,C对G有 三个氢键,这种A-T、C-G配对的规律,称为碱基互补规则。
Am J Physiol 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
核酸的基本组成单位是核苷酸 (nucleotide)。
核酸
核苷酸
核苷 磷酸
碱基 戊糖
DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸 。 RNA的基本组成单位是核糖核苷酸 。
一、核苷酸的结构
碱基
嘌呤 嘧啶
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G) DNA、RNA均有
胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶(U)
DNA有 RNA有
蛋白质内质网定位合成 的信号识别体的组分
RNA的生物合成——转录
转录:生物体以DNA为模板合成RNA 的过程 。 也就是把DNA的碱基序列 抄录成RNA的碱基序列。
复制与转录的异同点
DNA模板 原料 碱基配对 合成方向 酶 引物
复制 双链 dNTP C=G, A=T 5’3 DNA聚合酶 需要
每种核酸都含有四种碱基 。
碱基
嘌呤(purine)
N 7
8 9 NH
5 6 1N
43 2 N
NH2 N
N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
NH
N
鸟嘌呤(guanine,
NH2
G)
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3N 612
NH
NH2
N
O
NH
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O
H3C NH
脱氧核苷酸:
OH OH 腺苷酸
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
多磷酸核苷酸:NMP,NDP,NTP 细胞内重要能量载体——ATP
NH2
N
N
O
O
O
9
N
N
-O Pγ O Pβ O Pα O CH2 O
O-
O-
O-
HH
1'
H 2'
H
OH
OH
一磷酸腺苷(AMP)
二磷酸腺苷(ADP)
三磷酸腺苷(ATP)
第十二章 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 肌肉源于细胞,细胞源于分子
构成生命的最重要分子——核酸与蛋白质
转录因子/蛋白质 结构复杂、多变
二者结合 基因表达调控的多变性
举例:雌激素相关受体ERR转录活性的调控
转录因子
冷刺激 运动 饥饿
转录辅激活因子
褐色脂肪
脂肪酸氧化↑ 线粒体生物发生↑ 氧化磷酸化↑
转录激活
顺式作用原件
白色脂肪
脂肪酸氧化↓ 线粒体生物发生↓ 氧化磷酸化↓
转录辅抑制因子
转录抑制
Trends Endocrinol Metab. Oct 2008; 19(8): 269–276.
核酸的分类及分布
脱氧核糖核酸
(deoxyribonucleic acid, DNA)
存在于细胞核和线粒体内。
携带遗传信息,决定细胞和个 体的遗传型(genotype)。
核糖核酸
存在于胞核、胞液和线粒体。
(ribonucleic acid, RNA) 参与遗传信息的复制与表达
调控基因表达(microRNA)
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-γ PPAR-γ辅激活因子PGC-1α 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-1β)……
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。
环化核苷酸: cAMP,cGMP 细胞内重要信号分子——第二信使
NH2
N
N
N
N
O CH2 O
HH
HH
HO P O
OH
O cAMP
5´端 C
核苷酸之间以3 , 5 -磷酸
A
二酯键连接形成多核苷酸链,即
核酸(DNA、RNA)。
核酸的一级结构:核酸中
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
概念:细ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ信号转导?
跨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) 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 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
例:胰岛素介导细胞摄取葡萄糖
一、细胞间信息物质
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) * 氨基酸及其衍生物(如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等) * 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) * 气体(如一氧化氮、一氧化碳)等
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。
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 量项目上的优异成绩。
第三节 运动适应的分子调控
我们已经知道……
DNA是基因的载体——核酸(核苷酸序列) RNA是基因转录的产物——脱氧核酸 蛋白质是RNA翻译的产物——氨基酸序列 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DNA、RNA、蛋白质之间是什么关系?
mRNA转录后输出细胞核,由核糖体完成蛋白质合成(翻译)。
生物学中心法则 ——DNA、RNA、蛋白质之间的关系
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2-15%的基因处于有 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 何令基因表达或不表达,而且按一定的时间、空间 有次序高效地运作。
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、29h
J 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)
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
基因多态性与运动员选材
基因多态性(polymorphism)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与其运动能力 存在相关性。
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DNA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半保留复制
三、RNA的生物合成与功能
动物细胞内主要RNA的种类及功能
细胞核和胞液 线粒体 功
转录 单链(模板链)
NTP C=G, A=U,T=A
‘5’3‘ RNA聚合酶
不需要
蛋白质的合成——翻译
DNA上的遗传信息传递到mRNA上(转录),mRNA 接受到了DNA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mRNA指导 蛋白质合成的过程叫翻译(translation)。

核蛋白体RNA rRNA
mt rRNA 核蛋白体组分
信使RNA
mRNA
mt mRNA 蛋白质合成模板
转运RNA
tRNA
mt tRNA 转运氨基酸
核内不均一RNA HnRNA
成熟mRNA的前体
核内小RNA
SnRNA
参与hnRNA的剪接、转运
核仁小RNA
SnoRNA
rRNA的加工、修饰
胞浆小RNA scRNA/7SL-RNA
NH2
N
1 CH2OH O N
O
HH
H 2'
1' H
糖苷键
OH H 胞嘧啶脱氧核苷
NH2
N
N
9
N
N
CH2OH
O
1'
HH
H 2'
H
OH OH 腺嘌呤核苷
糖苷键
核苷(脱氧核苷)和磷酸以酯键连接形成核
苷酸(脱氧核苷酸)。
NH2
酯键 N
N
O
5'
N
9 N
HO P O CH2 OHH
O
1'
H 2'
H
糖苷键
核苷酸: AMP, GMP, UMP, CMP
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
NH
O
胸腺嘧啶(thymine, T)
戊糖
5
CH2OH
O OH
4H H3
H
2
1
H
OH OH
核糖(ribose) (构成RNA)
5
CH2OH O OH
4H H3
H1 2H
OH H
脱氧核糖(deoxyribose) (构成DNA)
碱基和核糖(或脱氧核糖)通过糖苷键连 接形成核苷(或脱氧核苷)。
调控水平: 转录、转录后、翻译、翻译后
顺式作用元件: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(DNA片段:碱基序列)。
反式作用因子:和顺式作用元件相结合或间接影响其作用 的蛋白质(转录因子、转录调节因子)。
RNA
顺式作用元件与反式作用因子的结合
DNA结构简单: 开放或关闭 序列不变
毛细血管增生
血管内皮生长因子VEGF 表达增加
J Physiol. 2008 Dec 15;586(Pt 24):6021-35.
肌纤维血管密度表达增加
Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Dec 15;106(50):21401-6.
二、抗阻运动诱导的适应性改变
骨骼肌蛋白质合成增加
二、细胞内信息物质
蛋白激酶、蛋白磷酸酶
蛋白激酶
蛋白磷酸酶
蛋白质生物活性与磷酸化状态有关 磷酸化位点:丝氨酸/苏氨酸,酪氨酸 细胞膜上很多受体本身就是蛋白激酶
DNA构成染色体
肌球蛋白支撑肌肉收缩
本章即将揭秘: 运动中细胞内核酸与蛋白质做了哪些事? 这些事件如何调控代谢过程、骨骼肌生长、运动能力? 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

运动/运动能力
第一节 分子生物学基础
核 酸(nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大 分子,携带和传递遗传信息。
第二节 运动适应的分子事件
运动方式与分类
耐力运动
抗阻运动
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 运动强度可控
复杂混合型运动
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
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
3. 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
A型DNA
B型DNA
Z型DNA
DNA在真核生物细胞核内的组装
真核生物染色体由DNA和蛋白质构成, 其基本单位是 核小体(nucleosome)。
核小体的组成 DNA:约200bp 组蛋白:H1 H2A,H2B H3 H4
真核生物染色体DNA组装
染色体
DNA
核小体
DNA的功能
DNA的基本功能是以基因的形式装载遗传信息,并 作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础, 也是个体生命活动的信息基础。
基因是指DNA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。
基因组是指细胞或生物体的全套遗传物质。
DNA的生物合成——半保留复制
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