運動期間肌肉產生的自由基是好還是壞呢？

今天這篇文章對於你的運動表現上的用處可能不是很直接，但認識之後，或許你會對人體的奧妙會多點讚嘆，也更能了解運動是如何讓我們維持健康的身體。

早在四十多年前，科學就已經發現持續的耐力運動會讓人體內的氧化壓力增加，而接下來的研究也都證實了這件事情。但問題來了，什麼是氧化壓力呢？

什麼是氧化壓力

氧化壓力（oxidate stress）指的是人體內「自由基（fress radicals）」和「抗氧化物」之間失衡，最後可能造成細胞、組織或器官損傷，並可能引起各種疾病。

上述氧化壓力的定義相信大家多少都在一些書籍或文章上看過，不過學者們認為這個說法省略掉很多細節，因此後來有科學家給出了更詳細的定義：氧化劑與抗氧化劑之間的失衡，主要是氧化劑引起氧化還原信號、控制中斷或是分子損傷。

自由基是什麼？

科學家們最早在 1945 年觀察到細胞會產出自由基，它們是一種特別的化學分子，簡單來說，它們的原子或分子裡有一個或多個沒有配成對的電子，這種單一個電子的原子或分子會很渴望的找到另外一半，會很活躍的去搶奪其他原子或分子上的電子。

自由基這樣活躍的東西，遇到細胞內其他正常的分子就會去攻擊，試圖搶對方的電子，失去電子的正常分子，結構會受到破壞而功能出問題，例如蛋白質或是細胞膜上的脂肪。我們體內有一類稱作「抗氧化劑」，能挺身而出，捐出自己身上的電子給自由基，藉此消除自由基來保護其他的原子/分子，維持他們的穩定。

活性氧類是什麼？

活性氧類（Reactive oxygen species，ROS）是用來代表與氧有關的活性分子，當中包含了未配對電子的自由基，以及有成對電子不算是自由基的分子（例如 H2O2），下圖列出體內會跑出來的 ROS，其中活性比較強（兇）的是氫氧自由基（·OH）；此外，除了 ROS 也有活性氮類（RNS）。

補充：所有 RNS 的起源一氧化氮（NO）

一氧化氮（NO）是所有活性氮類分子（RNS）的起源，NO 是精胺酸經一氧化氮合成酶作用生成，可能發生在神經或肌肉細胞裡，當肌肉收縮時，肌肉纖維裡 NO 的生成量會增加。

當 NO 遇到超氧化物（·O2−）時，會迅速的起反應，生成過氧亞硝酸鹽（ONOO−），是一種 RNS，它不僅會降低 NO 的作用，例如幫助肌肉活動、血管擴張，也會對細胞內的蛋白質硝基化，進而對細胞造成傷害。

不管是 ROS 或是 RNS 的出現，都可能會給細胞帶來損傷，對於這些活性高的分子，我們該怎麼辦呢？

細胞抗氧化防禦系統

人只要呼吸就會產生活性氧類/自由基，如果放著這些活性分子亂跑，就會給身體帶來許多的危害，為了面對這個問題，人體內也準備了嚴密的對抗機制 — 細胞抗氧化防禦系統。

為了避免細胞受活性氧類攻擊而受到傷害，在這裡會有三種主要的抗氧化策略：

1. 低分子量抗氧化劑：存在於細胞內、外，可清除活性氧類
2. 酵素抗氧化劑：將 ROS 轉換為反應性較低的分子，逐漸降低 ROS 的破壞力
3. 藉由金屬結合蛋白來結合促氧化的過渡金屬（如鐵和銅）；這些螯合分子防止這些過渡金屬參與 ROS的形成。

抗氧化酵素

前面提到的氧化壓力指的就是細胞內的抗氧化系統無法消化持續生成的 ROS 所造成的情況，下圖是超氧化物產出到最後被清除掉的簡略過程。

超氧化物歧化酶（SOD）、麩胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPx） 和過氧化氫酶(

 catalase，CAT）是細胞內主要的 3 個抗氧化酵素；除此之外，也有 thioredoxin（Trx）和 peroxiredoxin（Prx）抗氧化劑系統在細胞內一起支持維持氧化還原的平衡。

超氧化物歧化酶（SOD）是第一道對抗超氧化物（·O2−）的防線，會把它拆成過氧化氫（H2O2）與氧分子（O2）；生成過氧化氫之後，接下來就有不同的處理手法了：

1. 經 GPx 處理產出水（H2O2）
2. 經 CAT 處理產出水與氧分子
3. 經 PRX（peroxiredoxin）、TRX（thioredoxin） 處理產出水

這些酵素分佈在不同的細胞內與外的位置，因此能很快的應對突然冒出來的活性氧分子。

非酵素抗氧化劑

細胞裡除了酵素型的抗氧化劑，也有許多不是酵素的抗氧化劑，例如穀胱甘肽（GSH）、CoQ10、尿酸、維生素E、維生素C，以及來自食物的植物多酚…。

然而，在眾多的非酵素抗氧化劑當中，GSH 有著相當重要的角色，它除了自身能捐出氫原子來直接跟多種不同的自由基反應外，也能跟 GPx 一起參與清除過氧化氫的反應，此外，GSH 也能用來還原維生素C 與維生素E，讓這兩個維生素能再用來抗氧化。

運動與氧化壓力

最早有關運動會增加氧化壓力指標的文獻出現在 1978 年，該文獻指出持續做耐力運動的人會讓氧化壓力的指標增加；接著幾年後，近一步發現運動引起的氧化壓力來自於收縮的骨骼肌產生了 ROS 導致。

從那之後，我們逐漸知道許多類型的運動都會增加氧化壓力，例如長時間耐力運動、阻力運動、高強度無氧運動，以及偏心運動。

看這裡你可能會有 — 「運動太多肌肉會產出很多自由基，讓身體的氧化壓力增加，運動是不是不好」的想法；事實上，1980 年代時，確實有很多人覺得運動時肌肉產出的自由基對肌肉纖維有害，沒有任何正面的幫助，一直到研究發現一氧化氮是重要的生物訊號分子後才有所改觀。

簡單來說，就是運動期間產出的 ROS 不僅是活性分子，也是信號分子與基因互動，促使肌肉對運動負荷產生適應 → 也就是肌肉細胞會準備更強大的抗氧化防禦來對面對大量生成的 ROS，例如運動時，能產出更多的 SOD、GPx、CAT 來進行抗氧化作用。

肌肉對氧化壓力的適應

短時間（小於1分鐘）和低強度（約30%最大攝氧量）的運動似乎不會引起氧化壓力，但在沒有經過良好訓練的動物和人身上，長時間高強度耐力運動會增加他們的氧化壓力指標，例如蛋白質氧化和脂質過氧化，這些指標在血液和活動的骨骼肌中都會明顯上升。

不過呢，經過短期（連續5天）和長期（12週）的耐力運動訓練，就能提高訓練肌肉中抗氧化酵素的活性，能很有效率的消除一次急性運動引起的氧化壓力。

此外，急性耐力運動後白細胞中會立即發生 DNA 損傷的情形，這種損傷可以持續24小時，不過別擔心，這種運動引起的 DNA 損傷在運動後幾天內會消失，原因可能是運動激活了 DNA 修復機制。

ROS 對肌力的影響

讓我們在講細一點，ROS 對肌肉力量的影響是雙面刃，就是要看肌肉細胞裡 ROS 的多寡。超氧化物（·O2−）和 H2O2 都可能影響肌肉的收縮功能。

人在靜止狀態下，骨骼肌纖維中以低速率產生超氧化物；運動時，超氧化物的產生速率會快速增加；肌纖維中總的超氧化物產量取決於運動的強度、持續時間和肌肉的溫度。

一般來說，相對高強度、長時間的有氧運動（VO2 max  65%–75% ）比低強度（ VO2max 低於 40% ）、短時間運動產生更多的ROS。還有，在肌肉收縮期間，肌肉的溫度也會跟著升高，這會進一步讓 ROS 的生成量增加。

研究發現，運動期間肌肉的力量輸出，一開始會隨著 ROS 生成的增加而提升，一直到某個點之後達到最大輸出，接著持續增加的 ROS 反而會讓輸出減弱，並引起肌肉疲勞。對於平常沒有運動習慣的人，只要經過 5 到 10 天的耐力訓練，就能大幅提升骨骼肌纖維的氧化與抗氧化能力。 

運動/訓練、氧化壓力與慢性疾病

許多人應該有「過多的自由基或活性氧類引起的氧化壓力與許多慢性疾病有關」的概念，但如果這是正確的話，那麼經常做一定強度與較長時間運動/訓練的人，理應也會有較高的慢性疾病發生的風險；但實際上卻不是這個樣子，許多研究的結果顯示，終身運動會將低慢性疾病的發病率與全因死亡率。

也就是說，運動引起的 ROS（氧化壓力）可能對健康有益，例如減少心血血管疾病的風險，只不過當中的詳細機制目前還有很多未解之謎就是了。

總結來說，運動期間增加的 ROS 既是助力也是阻礙，在增加的前期，隨著 ROS 生成量的增加，肌肉出力也隨之提升，直到最大值之後，持續增加的 ROS 反而影響力量的輸出。經過適當的訓練，能增加肌肉對 ROS 的適應能力，也能加快因氧化壓力受損的肌肉細胞