運動與工作肌激素敏感性脂肪酶關系研究進展

宋剛 廖莉 謝敏豪

1廣西師范大學體育學院（桂林 541004） 2廣西師范大學，藥用資源化學與藥物分子工程教育部重點實驗室 3北京體育大學運動人體科學學院

在人體的能源系統(tǒng)中，與糖儲備相比，內源脂肪是一種相對無限的能源。人體脂肪一般儲備于脂肪組織、肌肉組織和肝組織中。脂肪在能量穩(wěn)態(tài)中具有負調控作用。脂肪組織中的脂肪主要以甘油三酯的形式存在。當機體需要能量時，就會以脂肪酸的形式釋放能量為機體供能。甘油三酯由脂肪酶催化水解為甘油和脂肪酸，這個過程稱為脂肪水解（lipolysis）。甘油三酯的貯存和釋放是一個動態(tài)的內部平衡過程。激素敏感性脂肪酶（hormone sensitive lipase，HSL）在細胞內脂肪水解過程中起主要的調節(jié)作用［1］。本文就運動與HSL之間關系及研究進展進行綜述，對運動時的甘油三酯情況進行更系統(tǒng)、深入的研究，為運動減肥、運動時脂肪供能等運動醫(yī)學熱點研究提供理論基礎。

1 HSL和脂肪水解過程概述

HSL是一種細胞內的中性脂肪酶，特異性比較弱，能水解甘油三酯、甘油二酯、甘油一酯和膽甾烯基酯，卻沒有水解磷脂酶活性［2］。HSL水解甘油二酯能力大約是水解甘油三酯的10倍、是水解甘油一酯能力的5倍。

HSL對生物來說非常重要，2006年斯坦佛大學的Kraemer在《Nutrition&Metabolism》發(fā)表論文論證了這個觀點。他采用基因敲除法對HSL的生物功能進行直接觀察，發(fā)現(xiàn)HSL基因敲除的小鼠白色脂肪組織減少，褐色脂肪組織增多，脂肪組織中巨噬細胞的數(shù)量明顯增加。這可能改變了參與脂肪分化基因的表達，包括轉錄因子、脂肪細胞分化標志物、脂肪酸和甘油三酯相關合成酶。伴隨HSL的基因敲除，脂肪水解能力被破壞，脂質合成（lipogenesis）和脂肪代謝能力明顯下降［3］，這說明了HSL在脂肪的合成及分解代謝中起著無可替代的作用［3］。

人類的 HSL基因位于 19q13.3，有 9個外顯子［4］。HSL主要由脂肪組織分泌，也在胰腺、睪丸、肌肉、腎上腺等組織發(fā)現(xiàn)表達。值得指出的是，大鼠骨骼肌HSL蛋白及其基因表達首先由Holm和他的同事通過 Western blotting和 Northern blotting 來證實［4，5］。HSL 結構由 3個結構域組成，即水解域、調節(jié)域和N－端結構域。水解域、調節(jié)域存在幾個調節(jié)的磷酸化位點，N－端結構域參與脂肪與蛋白、蛋白與蛋白的相互作用［6］。

細胞內脂肪水解調節(jié)過程如圖1所示。

Perilipin是包被于脂滴表面的一種磷蛋白，特異表達于脂肪細胞和類固醇生成細胞中，對脂肪分解具有雙重調節(jié)作用，可以調控脂肪水解速率及脂肪組織中甘油三酯的釋放。（1）在基礎狀態(tài)下，Perilipin A和CGI-58形成復合物于脂滴表面，ATGL部分位于脂滴表面、部分位于胞液中，而HSL則主要位于胞液中。這樣的分布情況使Perilipin像屏障一樣阻礙了HSL與脂質小滴的接觸，阻止了脂肪小滴由HSL引起脂肪水解。（2）Perilipin磷酸化有助于HSL從胞漿中移位至脂滴［9］。在能量需求增加的情況下，PKA激活，促脂肪水解激素通過信號傳導途徑引起Perilipin和HSL磷酸化，促使Perilipin從脂肪小滴移除，重新分布或表達降低，HSL才移位到脂肪小滴上，發(fā)揮水解活性，促使脂肪酸和甘油釋放并轉運［2，10］。

2 運動時工作肌HSL變化的在體研究

通過敲除小鼠基因了解運動時目的基因的生物學作用，是后基因組時代一個重要研究方法。以HSL缺失型小鼠作為實驗動物，觀察亞極量運動時脂肪水解能力是否能由其它的脂肪水解酶來代償。結果發(fā)現(xiàn)在跑臺運動中，HSL缺失型小鼠肝糖原儲備迅速消耗，血漿甘油和游離脂肪酸濃度降低。這說明在亞極量運動時，HSL為機體起用脂肪水解供能起到了不可缺少的作用［11］。

2.1 運動初期工作肌HSL的變化

以大約65%VO2max運動1分鐘，間隔60分鐘，再以大約90%VO2max運動1分鐘。在這兩個1分鐘運動的運動前、后分別進行骨骼肌活檢，動脈留管獲得血液樣品，測定相關指標。結果顯示，動脈血腎上腺素水平上升。在65%VO2max和90%VO2max運動后，HSL、腺苷酸環(huán)化酶cAMP）、HSL Ser660位點和細胞外調節(jié)蛋白激酶 1/2 ERK1/2）活性都上升，而 HSL Ser563和 Ser565位點的活性沒有差異，結果表明這兩個1分鐘運動會引起動脈腎上腺素水平升高；誘導cAMP濃度上升，引起HSL Ser660磷酸化。以65%VO2max和90%VO2max強度運動1分鐘，腎上腺素水平上升有助于增強HSL活性［12］。這提示，中等和高強度運動開始后短時間內，機體激活腎上腺素分泌上調了工作肌HSL的活性。

2.2 運動訓練時工作肌HSL的變化

目前，對肌肉HSL蛋白含量進行測定和運動訓練時HSL變化的研究報道不多。Talanian等人對經常運動的婦女進行兩周高強度有氧間歇運動訓練，訓練前后相比，HSL蛋白含量有上升趨勢，但差異并不具有統(tǒng)計學意義。他認為可能是運動時間不夠長，還不足以刺激HSL蛋白含量上升［13］。近來，Alsted發(fā)現(xiàn)工作肌HSL蛋白含量對長期的耐力訓練并不敏感。在他的研究中，對10名男子進行8周耐力訓練后的肌肉活檢，Western blotting法測定其中的蛋白含量，結果表明，訓練后肌內甘油三酯（Inramuscular triacylglycerol，IMTG）濃度顯著下降 28%，而HSL蛋白含量并沒有顯著性改變。HSL-Ser（660）位的磷酸化上升，HSL-Ser（659）位磷酸化沒有變化，而 HSL-Ser 565）磷酸化下降［14］。這提示可能存在長期耐力訓練引起其它HSL蛋白的變化。

2.3 訓練水平差異時工作肌HSL的變化

Helge通過對經常鍛練和不常鍛練的健康男子以58%VO2max運動3小時進行對照實驗，發(fā)現(xiàn)無論是在安靜狀態(tài)還是運動后，兩者之間HSL活性差異并不具有統(tǒng)計學意義，但IMTG動員差異具有統(tǒng)計學意義。他認為實驗組和對照組HSL存在調節(jié)差異，也可能存在其它的水解酶干預［15］。訓練水平差異對工作肌HSL變化的影響有待于進一步研究。

2.4 性別對工作肌HSL變化的影響

只有1例實驗報道顯示，安靜時女性骨骼肌HSL基因和蛋白表達水平高于男性。在隨后的運動實驗研究中，9名女子和8名男子進行90分鐘60%VO2max強度自行車運動，測定縫匠肌HSL基因和蛋白表達，以及Ser位點的磷酸化和HSL活性。研究發(fā)現(xiàn)HSL活性在運動過程中顯著上升，且不具有性別差異。但男性HSL活性上升幅度高于女性。在運動將要結束時，男性和女性腎上腺素水平上升，且男性腎上腺素上升水平幅度要高于女性。盡管運動時骨骼肌HSL表達和Ser（659）磷酸化具有性別差異，但離體實驗中骨骼肌HSL活性并不具有性別差異［16］。女性基礎IMTG水平較男性高，這可能是運動時女性MTG水解高的原因。

2.5 工作肌HSL的調節(jié)

運動過程中，工作肌HSL活性調節(jié)是運動生物化學研究的重要領域。Watt等發(fā)現(xiàn)，8名男子進行10分鐘自行車運動。分別在運動前、運動后1分鐘和運動后10分鐘活檢取肌肉樣本。發(fā)現(xiàn)運動1分鐘后，HSL活性增加，90%VO2max運動高于 30%和 60%VO2max。但 30%和60%VO2max運動 10分鐘后 HSL活性仍繼續(xù)上升，而90%VO2max運動10分鐘后，HSL活性卻顯著性下降［17］。這種現(xiàn)象說明，運動早期的因素（比如Ca2+釋放）可能引起HSL活性上升。HSL活性的變化還與運動強度有關，大強度運動抑制HSL活性，其機制仍有待進一步研究。

運動前肌糖原儲備與腺苷酸活化蛋白激酶α2亞基（AMPKα2）活性呈負相關，利用這一特性，通過控制運動前糖原水平，觀察AMPK可能引起的生物學作用。10名健康男子以65%VO2max進行功率自行車運動，HSL活性在運動60分鐘時達到最高并在120分鐘時恢復到原有水平。肌肉HSL活性增加伴隨血漿腎上腺素濃度增加和胰島素水平下降。即使有激素的變化，HSL活性隨時間出現(xiàn)的變化并不同，肌肉腺苷一磷酸（AMP）濃度于運動開始后逐級上升。有人發(fā)現(xiàn)運動前低肌糖原水平伴隨工作肌AMPKα2活性上升，工作肌HSL活性發(fā)生改變。而運動前正常肌糖原水平下HSL活性下降，卻沒有出現(xiàn)AMPKα2活性上升。腎上腺素和胰島素濃度也只有少量變化。結果表明，AMPK磷酸化 HSL-Ser（565）位點，但HSL-Ser（565）活化卻對運動中 HSL 活性沒有影響［18］，這提示可能還存在其它影響因素，削弱了AMPK對HSL活性的作用。

運動早期肌肉HSL活性上升伴隨ERK濃度上升、腎上腺素濃度上升以及胰島素水平下降。外源注射腎上腺素也有相同結果［19］。然而，在不同條件下HSL和ERK的激活與運動并無密切相關［18，19］。腎上腺切除及皮質醇替代治療的病人進行45分鐘和60分鐘中等強度自行車運動并沒有引起HSL活性的改變，但注射腎上腺素的病人卻可見HSL活性提高，提示短期亞極量運動和腎上腺素的作用是相互疊加的［19］。還有研究表明，胰島素和腎上腺素對工作肌HSL活性各自起作用，在長時間運動時攝入糖溶液會提高胰島素水平和降低腎上腺素的濃度，120分鐘的對照實驗使HSL活性的增加幅度被削減［20］。

3 運動時工作肌HSL變化的離體實驗研究

3.1 不同肌纖維

工作肌分離及肌組織離體培養(yǎng)是探究運動時骨骼肌生理、生化反應機制的一種常用方法。通過冰干和使用膠原酶處理，Langfort獲得了約70克純化的青年雄性Wistar大鼠比目魚肌。這些肌纖維富含脂肪小滴，其中HSL蛋白可通過Western blotting法測定。HSL蛋白表達存在肌纖維類型的差異，如比目魚?。↖型肌纖維）HSL蛋白表達是橫隔?。↖Ia型肌纖維）的4～9倍。不同肌纖維類型的HSL蛋白表達差異與IMTG水平和氧化能力之間存在直接相關。在不同組織中，HSL蛋白表達也存在差異：比目魚肌中，HSL蛋白水平與甘油三酯濃度比是附睪周脂肪內組織的10倍。就脂肪水解能力而言，肌肉組織的脂肪水解能力比脂肪組織高［16］。這說明HSL蛋白表達存在骨骼肌類型差異。

3.2 電刺激肌肉收縮

Langfort電刺激離體培養(yǎng)的比目魚肌，肌肉收縮的同時HSL活性上升，這個過程是一過性的，迅速而短暫。有別于由腎上腺素引起的激活，這個過程不能被腎上腺素能受體或交感神經切除術阻斷。這表明它不由肌細胞表面的交感神經來激活［21］。在肌肉勻漿中對HSL使用免疫沉淀反應會引起HSL蛋白下降80%，由收縮引起的HSL活性上升被抑制。孵育肌肉HSL活性增加在收縮時和注入腎上腺素時都會達到最大。

3.3 工作肌HSL的調節(jié)信號分子

調節(jié)工作肌HSL的信號分子非常復雜，目前已知主要調節(jié)信號分子的作用如下所述。

肌肉能荷（energy charge）下降能上調AMPK活性。ATP濃度下降、ADP和AMP濃度上升，通過共價或變構作用激活AMPK。體外實驗證實，AMPK激活與HSL-Ser（565）磷酸化有關。體外孵育的肌肉收縮伴隨有AMPK活性和HSL-Ser（565）活性的提高。需要指出的是，HSL-Ser（565）磷酸化不是AMPK激活的充分條件，更不能解釋肌內HSL活性上升。多項研究報道已發(fā)現(xiàn)，收縮肌HSL活性會因蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）病理性抑制而失活，而HSL-Ser（565）活性卻沒有下降。研究表明AMPK參與了運動中肌肉組織HSL的激活［11，17，22］。然而，與IMTG水解能力下降相同，在培養(yǎng)的L6成肌纖維中，5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-riboside，ICAR），一種 AMPK 的激動劑，會激活AMPK并抑制大鼠肌肉HSL活性［11，23］。AMPK是一種影響HSL活性的物質。運動前低肌糖原貯備通過上調AMPK活性起到抑制運動、誘導HSL活性上升的作用［11］。同時，長期耐力運動（90分鐘）抑制HSL活性。磷酸位點在 Ser565位點，但并不是所有位點［18，24］。有趣的是，AICAR處理 AMPK激酶（AMPKK） 靜默小鼠，HSL-Ser（565）位點的磷酸化會被抑制，但在肌肉收縮時，磷酸化活性仍保持，表明肌肉收縮時可能有其它激活HSL Ser（565）位點的激酶存在［25］。

Ca2+是調節(jié)IMTG水解的一個信號分子。PKC蛋白一個亞型會削弱肌肉收縮引發(fā)的HSL活性上升，而PKC蛋白的一種抑制劑會阻斷Ca2+對該亞型的激活。盡管PKC蛋白抑制劑的作用還不是很確定［26］，但能確定是通過PKC途徑收縮激活HSL。胞外調節(jié)蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK） 也參與 HSL 的激活［26］。在靜息肌肉中，PKC激活伴有ERK磷酸化并會引起HSL活性的提高。收縮肌中ERK的完全阻斷會降低HSL活性增加，其抑制效果能達到50%。當加入非收縮肌組織勻漿會對HSL活性產生類似于收縮肌HSL的影響，在電刺激的收縮肌勻漿中卻沒有發(fā)現(xiàn)這一情況。用腎上腺素來孵育比目魚肌，研究發(fā)現(xiàn)腎上腺素會引起肌內HSL活性迅速上升，并能長時間保持活性。使用HSL拮抗劑時HSL活性會迅速消失。但對孵育肌肉使用β－腎上腺素能受體阻斷劑，再使用cAMP-依賴性蛋白激酶，結果卻發(fā)現(xiàn)HSL激活，這說明腎上腺素對HSL的激活是通過cAMP來實現(xiàn)的。

安靜時HSL活性大約是收縮和β－腎上腺素能受體活化的總甘油三酯水解酶活性的 60%［11，16］。在運動中，腎上腺素水平上升，并通過 PKA激活 HSL－Ser（563）和 Ser（660）位磷酸化［16，19］來激活 HSL 活性。β－腎上腺素能受體激活HSL活性，并不依賴于其它的收縮調節(jié)因素，比如 ERK 信號蛋白［26］。

可見，有關工作肌HSL的調節(jié)信號分子仍存在許多問題，這亟待借助分子生物學和信號傳導學方法進行深入研究。

4 總結和展望

作為一種中性的脂肪水解酶，工作肌HSL受肌纖維類型、性別差異等因素的影響。運動起始時，HSL活化參與工作肌脂肪水解，這同時也是運動引起脂肪水解增加的主要原因。運動誘導多種激素變化對工作肌HSL進行調節(jié)，達到對IMTG水解的調節(jié)。AMPK、Ca2+、cAMP和PKC可能是工作肌HSL活性調節(jié)的信號分子。同時，仍有如下問題有待于進一步研究，如：運動對HSL調節(jié)的信號途徑中的第一信號分子、第二信號分子及其作用的具體位點；相關研究在運動減肥領域的應用；運動中HSL變化與代謝病的聯(lián)系。

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