Structural alterations of erythrocyte membrane components induced by exhaustive exercise

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Abstract:

Physical exercise was used as a model of the physiological modulator of free radical production to examine the effects of exercise-induced oxidative modifications on the physico-biochemical properties of erythrocyte membrane. The aim of our work was to investigate conformational changes of erythrocyte membrane proteins, membrane fluidity, and membrane susceptibility to disintegration. Venous blood was taken before, immediately after, and 1 h after an exhaustive incremental cycling test (30 W·min-1 ramp), performed by 11 healthy untrained males on balanced diets (mean age, 22 ± 2 years; mean body mass index, 25 ± 4.5 kg·m-2). In response to this exercise, individual maximum heart rate was 195 ± 12 beats·min-1 and maximum wattage was 292 ± 27 W. Electron paramagnetic resonance spectroscopy was used to investigate alterations in membrane proteins and membrane dynamics, and to measure production of radical species. The reducing potential of plasma (RPP) was measured using the reduction of 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) and the ferric-reducing ability of plasma. Exercise induced decreases in erythrocyte membrane fluidity in the polar region (p < 0.0001) and alterations in the conformational state of membrane proteins (p < 0.05). An increase in RPP was observed immediately after exercise (p < 0.001), with a further increase 1 h postexercise (p < 0.0001). Supporting measurements of lipid peroxidation showed an increase in thiobarbituric acid reactive substances immediately after exercise (p < 0.05) and at 1 h of recovery (p < 0.001); however, free radicals were not detected. Results indicate the existence of early postexercise mild oxidative stress after single-exercise performance, which induced structural changes in erythrocyte membrane components (protein aggregation) and in the membrane organization (lipids rigidization) that followed lipid peroxidation but did not lead to cellular hemolysis.

Pour analyser les effets des modifications oxydatives causées par l’exercice physique sur les propriétés physicochimiques de la membrane des érythrocytes, on utilise l’exercice physique comme modèle de modulateur physiologique de la production de radicaux libres. Cette étude se propose d’analyser les changements conformationnels des protéines membranaires de l’érythrocyte, de la fluidité de la membrane et de sa susceptibilité à la désintégration. On prélève du sang veineux avant, immédiatement après et 1 h après une épreuve d’effort progressif sur ergocycle (paliers de 30 W·min-1) chez onze sujets masculins en bonne santé, mais non entraînés et bénéficiant d’un régime alimentaire équilibré. Leur âge est de 22 ± 2 ans et leur indice de masse corporelle (BMI), de 25 ± 4,5. À la fin de cette épreuve, les sujets présentent une fréquence cardiaque maximale (HRmax) de 195 ± 12 bpm à une puissance maximale de 292 ± 27 W. Pour analyser les modifications des protéines membranaires et la dynamique de la membrane de même que pour mesurer la production des espèces radicalaires, on utilise la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique. On évalue le potentiel réducteur du plasma par la mesure de la réduction du DPPH et par la capacité plasmatique de réduction ferrique. L’exercice physique suscite une diminution de la fluidité de la membrane de l’érythrocyte dans la région polaire (p < 0,0001) et des modifications de la conformation des protéines membranaires (p < 0,05). Immédiatement après la fin de l’exercice, on observe une augmentation du potentiel de réduction du plasma (p < 0,001) qui s’accroît davantage 1 h après (p < 0,0001). Des mesures confirmant la peroxydation lipidique révèlent une augmentation de TBARS après la fin de l’exercice (p < 0,05) et après 1 h de récupération (p < 0,001), mais on n’observe pas la présence de radicaux libres. D’après ces observations, on assiste à un léger stress oxydatif peu après la fin d’une performance physique isolée, laquelle suscite des modifications structurelles des constituants de la membrane de l’érythrocyte (agrégation de protéines) et des variations dans l’organisation de la membrane (rigidisation des lipides) consécutives à la peroxydation lipidique, mais qui n’aboutissent pas à l’hémolyse de la cellule.

Document Type: Research Article

Publication date: December 1, 2008

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  • This bimonthly journal has a 30-year history of publishing, first as the Canadian Journal of Sport Sciences, and later as the Canadian Journal of Applied Physiology. It publishes original research articles, reviews, and commentaries, focussing on the application of physiology, nutrition, and metabolism to the study of human health, physical activity, and fitness. The published research, reviews, and symposia will be of interest to exercise physiologists, physical fitness and exercise rehabilitation specialists, public health and health care professionals, as well as basic and applied physiologists, nutritionists, and biochemists.
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