運(yùn)動與骨膠原蛋白

陳祥和，李世昌

（華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，上海 200241）

運(yùn)動與骨膠原蛋白

陳祥和，李世昌

（華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，上海 200241）

骨膠原蛋白在骨中起到“骨架”作用，為鈣、磷等礦物質(zhì)的沉積提供載體。在運(yùn)動過程中，機(jī)械力可以通過刺激骨組織來影響骨膠原蛋白代謝。然而，膠原蛋白量變化又將會直接影響到骨代謝，進(jìn)而影響骨健康。不同的運(yùn)動方式、運(yùn)動負(fù)荷以及運(yùn)動持續(xù)時間對于骨中膠原蛋白代謝所產(chǎn)生的影響是存在差異的。盡管目前國內(nèi)外運(yùn)動領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)骨膠原蛋白的研究還很少，但這些研究成果為骨研究領(lǐng)域提供了新的方向。本論文通過收集大量的國內(nèi)外相關(guān)研究，對運(yùn)動和骨膠原蛋白二者之間的相互關(guān)系進(jìn)行探究。研究結(jié)果顯示，運(yùn)動訓(xùn)練使骨中膠原蛋白的合成代謝加快，膠原蛋白含量增加。膠原蛋白含量的增加對于加快骨代謝又具有積極地促進(jìn)作用。

運(yùn)動;骨膠原蛋白;骨代謝

骨骼似乎是機(jī)體內(nèi)最不活躍的組織，它承擔(dān)著負(fù)重、保護(hù)機(jī)體重要組織器官、維持生理機(jī)能的重要作用。然而實(shí)際上骨組織非常活躍，每年大約有10%總量的骨組織在更新，骨骼這種以“吸收-構(gòu)建”為特征的動態(tài)平衡稱為重建，由成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞主導(dǎo)的重建過程受到多種因素調(diào)節(jié)和影響［1］。大量的文獻(xiàn)報道［2］，長時間、有規(guī)律的體育運(yùn)動可以提高2%～3%的骨量，并認(rèn)為良性的機(jī)械力作用能夠使骨組織處于正向骨代謝平衡（positivemetabolism balance）。同時，有研究也表明［3，4］，優(yōu)秀高水平女性運(yùn)動員骨密度普遍比同齡健康的人群高3%～24%，而優(yōu)秀耐力運(yùn)動的男性運(yùn)動員一些部位的骨密度和骨量比普遍健康人群高19%，而骨代謝速率提高近23%。以上研究表明，運(yùn)動是影響骨代謝的重要因素，不同的運(yùn)動方式對運(yùn)動員骨的影響是存在差異的。

調(diào)節(jié)骨組織代謝的機(jī)制包括局部機(jī)制和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制。維生素D、甲狀旁腺、性激素等是非常重要的內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制，它們在骨骼生長發(fā)育和維持骨量平衡中起到重要的作用。局部的調(diào)節(jié)機(jī)制主要是由自分泌和旁分泌產(chǎn)生的骨代謝調(diào)節(jié)因子［5］。運(yùn)動訓(xùn)練可直接或間接刺激骨細(xì)胞、影響骨代謝。一般性運(yùn)動主要是通過肌肉對骨骼施加機(jī)械力來影響骨質(zhì)量變化，并且這種強(qiáng)度的運(yùn)動對于機(jī)體的內(nèi)分泌影響甚微，所以機(jī)械力刺激是影響骨代謝的主要機(jī)制。運(yùn)動訓(xùn)練可通過影響骨中膠原蛋白含量變化，進(jìn)而作用于骨代謝，這是運(yùn)動發(fā)揮自身調(diào)節(jié)作用的重要途徑。

本研究通過查閱大量有關(guān)骨膠原蛋白的文獻(xiàn)，探討運(yùn)動訓(xùn)練對骨膠原蛋白的作用，對運(yùn)動訓(xùn)練對骨膠原蛋白的影響以及骨膠原蛋白與骨代謝之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行闡述。

1 膠原蛋白

膠原蛋白（也稱膠原）是一種多糖蛋白，屬于蛋白質(zhì)中的一種，是細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的主要成分，其分子量為300ku。膠原蛋白家族包括19種膠原蛋白及10種以上膠原樣蛋白。不同膠原蛋白的基因類型及定位不同，I型膠原由兩條al及一條鏈構(gòu)成，分別由位于17q21 3-q22的COLIAI及7q21.3-q22的COL1A2基因編碼。每條鏈的三螺旋結(jié)構(gòu)域由42個外顯子編碼，由甘氨酸密碼子起始，在進(jìn)化過程中高度保守。COLIA2基因第2內(nèi)含子有可變啟動子，而膠原編碼序列外有一段短的開放閱讀框架。因而通過不同啟動子啟動轉(zhuǎn)錄，COL1A2基因能編碼不同的多肽。通過膠原蛋白探針篩選cDNA及基因組DNA文庫，證實(shí)膠原蛋白主要由甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸組成，其中脯氨酸和羥脯氨酸是膠原蛋白的特有氨基酸，二者均占膠原蛋白14%左右。

根據(jù)膠原蛋白在體內(nèi)的分布和功能特點(diǎn)，目前將膠原蛋白分成間質(zhì)膠原蛋白、基底膜膠原蛋白和細(xì)胞外周膠原蛋白［6］。間質(zhì)型膠原蛋白分子占整個機(jī)體膠原的絕大部分，包括I、Ⅱ、Ⅲ型膠原蛋白分子，其中I型膠原蛋白主要分布于皮膚、肌腱、骨、韌帶中;Ⅱ型膠原蛋白主要分布于軟骨、髓核、玻璃體中，由軟骨細(xì)胞產(chǎn)生;Ⅲ型膠原蛋白主要分布于皮膚、肌肉、結(jié)締組織中，并常與I型膠原蛋白共分布?；啄つz原蛋白通常是指Ⅳ型膠原蛋白，其主要分布于基底膜;細(xì)胞外周膠原蛋白通常指V型膠原蛋白，在結(jié)締組織中大量存在，常與I型膠原蛋白共分布。

膠原蛋白纖維由來自于帶狀膠原纖維的分子組成，這些帶狀膠原纖維在電子顯微鏡下可以觀察到。帶狀纖維在不同的膠原蛋白中分布不均勻，在每種纖維中至少包含2～3種不同類型的膠原蛋白［7］。膠原蛋白又可按它們的組織有無纖維，或者以分子和免疫組化的差異為基礎(chǔ)進(jìn)行分類。因此，纖維狀膠原蛋白可被分為兩組:含量較多的纖維狀膠原蛋白（包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型）和含量比較少的纖維狀膠原蛋白（Ⅴ和Ⅺ型）。原纖維中的纖維狀膠原蛋白，對于組織結(jié)構(gòu)保持和強(qiáng)度增加具有重要作用［8］。而含量較少的纖維狀膠原蛋白的主要作用是調(diào)節(jié)原纖維形成，最大程度地限制由主要膠原蛋白形成的原纖維直徑［9］。

膠原蛋白具有很強(qiáng)的生物活性及生物功能，并參與細(xì)胞的轉(zhuǎn)移、分化和增殖過程，膠原蛋白含量增加，使骨、肌腱、軟骨和皮膚的本身生物特性加強(qiáng)。同時膠原蛋白具有促進(jìn)細(xì)胞生長、止血、生物形容等特性，故其被廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料與臨床應(yīng)用、美容保健、食品等領(lǐng)域中。

2 骨膠原蛋白

骨膠原蛋白亦被稱為構(gòu)造蛋白質(zhì)，是人體骨骼、關(guān)節(jié)軟骨、骺軟骨和骨小梁的主要組成成分，骨骼有機(jī)物中有70%～86%是骨膠原蛋白。骨細(xì)胞中的骨膠原蛋白是羥基磷灰石的黏合劑，其與羥基磷灰石共同構(gòu)成了骨骼的主體。骨膠原蛋白在骨骼中主要分布于骨松質(zhì)，膠原蛋白含量增加，可使骨小梁變厚，韌性增加。膠原就像骨骼中的一張充滿小洞的網(wǎng)，它會牢牢地留住就要流失的鈣、磷等礦物質(zhì)。膠原蛋白的特征氨基酸羥基脯氨酸是運(yùn)輸鈣到骨細(xì)胞的運(yùn)載工具。研究表明，如果骨中膠原蛋白較少，即使補(bǔ)充的鈣質(zhì)再多也對于防止骨質(zhì)疏松作用不大。因此，在補(bǔ)鈣的同時攝入一定量的膠原蛋白，有利于鈣的吸收和沉積。

在骨中，含有許多獨(dú)立膠原蛋白類型的膠原蛋白纖維［7］。除了主要的Ⅰ型膠原蛋白［10，11］，含量較少的膠原蛋白主要包括:Ⅱ型［12，13］，Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅸ［14］，Ⅹ型［15，16］，Ⅻ和ⅪV［17］以及XXIV［18］。Ⅰ型膠原蛋白是由兩條鏈經(jīng)過纏繞，形成三重螺旋結(jié)構(gòu)，其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其分解代謝產(chǎn)物αCTX不穩(wěn)定易被氧化，通過異構(gòu)化作用過程轉(zhuǎn)化成βCTX （如圖1［19］）。XII和XIV型膠原蛋白代表著所謂的FACIT分子，這種分子更多的出現(xiàn)在含有帶狀的I型膠原纖維中［20］。FACIT分子是由無纖維狀膠原纖維的子群構(gòu)成，此分子為膠原纖維和其它模型組分之間提供特殊的分子橋梁。人體內(nèi)的骨骼主要分為軟骨和骨兩種，在軟骨中含量最多的骨膠原蛋白是Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ型膠原蛋白，骨中含量最多的膠原蛋白是Ⅰ型膠原蛋白，通常也含有少量的Ⅲ型膠原蛋白。

現(xiàn)在國外有關(guān)骨膠原蛋白的研究主要集中在Ⅰ型和Ⅱ型膠原蛋白，對于Ⅲ型膠原蛋白也有少量研究，其他類型的膠原蛋白研究還比較少。相關(guān)方面研究主要在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)動領(lǐng)域內(nèi)的研究還是比較少的。國內(nèi)有關(guān)膠原蛋白的研究比較多，主要集中在醫(yī)學(xué)、保健、食品等方面。運(yùn)動領(lǐng)域內(nèi)骨膠原蛋白的研究現(xiàn)在還處于空白狀態(tài)。因此，對于骨膠原蛋白的研究，可為體育科學(xué)研究開創(chuàng)一個新的研究領(lǐng)域，為骨方面的研究開辟一個新的研究方向。

圖1 Ⅰ型膠原蛋白結(jié)構(gòu)及其分解產(chǎn)物（引自［19］）

3 骨膠原蛋白代謝生物標(biāo)志物

骨代謝過程中，骨中Ⅰ型膠原蛋白也相應(yīng)的進(jìn)行合成和分解代謝。其代謝標(biāo)志物可敏感地反映骨中膠原蛋白代謝的正負(fù)平衡以及代謝速率。

3.1 合成標(biāo)志物

骨中90%的膠原蛋白是Ⅰ型膠原。Ⅰ型膠原蛋白的前體在成骨細(xì)胞內(nèi)合成并以原膠原蛋白分子的形式分泌出來。原膠原分子包括羧基端和氨基端延長肽（PICP和PINP）。在原膠原分子形成膠原纖維進(jìn)入血液前，其羧基端和氨基端由特異性剪切酶切下而釋放進(jìn)入血液循環(huán)。PICP和PINP常被用作Ⅰ型膠原蛋白合成的生物標(biāo)志物。

PICP和PINP都是通過肝臟內(nèi)皮細(xì)胞的特異性甘露糖受體從體內(nèi)消除掉。血液中的這兩個指標(biāo)可用來評估機(jī)體內(nèi)Ⅰ型膠原蛋白的合成代謝。而Ⅰ型膠原蛋白在皮膚、心肌等組織中都存在，對于血液中指標(biāo)的測定對于骨來說并不具有特異性?，F(xiàn)在對于骨中膠原蛋白的測定主要通過骨研磨，獲取相應(yīng)的底物，利用免疫組化進(jìn)行測定。此法測試結(jié)果專一性較強(qiáng)，可準(zhǔn)確反映骨中Ⅰ型膠原的合成代謝。

3.2 分解代謝指標(biāo)

骨中Ⅰ型膠原蛋白的分解代謝產(chǎn)物主要包括半乳糖羥賴氨酸（Gal-Hy1）、羥脯氨酸（Hyp）、吡啶酚（Pyr）、脫氧吡啶酚（D-Pyr）、Ⅰ型膠原蛋白氨基末端肽吡啶交聯(lián)物（NTx）、Ⅰ型膠原蛋白羧基末端肽吡啶交聯(lián)物（CTx）以及Ⅰ型膠原蛋白交聯(lián)羧基末端肽（ICTP）。骨涎蛋白（BSP）為非膠原性骨基質(zhì)降解產(chǎn)物。最近研究表明血清中的骨涎蛋白與骨吸收有著很高的相關(guān)性，此蛋白是骨基質(zhì)分解的產(chǎn)物。

上述骨膠原蛋白分解代謝的指標(biāo)具有以下特點(diǎn):（1）不可再利用，像Gal-Hy1、Hyp、Pyr、D-Pyr產(chǎn)生后都不能再被另外的組織利用合成其他物質(zhì)。（2）來源于骨膠原的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組織。（3）易獲取和檢測Gal-Hy1、Hyp、NTx、CTx等指標(biāo)，利用高壓液相色譜、免疫組化等方法都可以進(jìn)行測定并且這些指標(biāo)從血液和尿液中很容易獲取。

4 運(yùn)動與骨膠原蛋白

運(yùn)動對骨代謝的影響具有正反兩方面的效應(yīng)，即改善骨質(zhì)的促進(jìn)效應(yīng)和破壞骨質(zhì)的抑制效應(yīng)［21，22］。人體及動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，方式和強(qiáng)度適宜的運(yùn)動對骨骼的長度、圍度、皮質(zhì)骨厚度參數(shù)等方面的促進(jìn)效應(yīng)非常顯著［23～25］，王廣新［26］等比較了不同類型運(yùn)動訓(xùn)練對近節(jié)指骨形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)排球運(yùn)動員用力手第1、4近節(jié)指骨橫徑最大，骨髓腔徑也隨之增大。高麗等［27］報道，運(yùn)動性動情周期抑制大鼠經(jīng)不同強(qiáng)度的跑臺運(yùn)動后，其腰椎松質(zhì)骨的顯微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為:低強(qiáng)度運(yùn)動組骨小梁飽滿、規(guī)則;大強(qiáng)度耐力運(yùn)動組骨小梁數(shù)目變少、纖細(xì)，形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性較差，髓腔大小差異明顯。這表明，大強(qiáng)度跑臺運(yùn)動使大鼠骨小梁結(jié)構(gòu)受到破壞。并且過量運(yùn)動負(fù)荷對大鼠骨骼的形態(tài)有明顯的破壞作用［28，29］。不同運(yùn)動方式對骨結(jié)構(gòu)和功能所產(chǎn)生的作用是存在差異的。

骨膠原蛋白是骨中有機(jī)質(zhì)的主要組成成分，運(yùn)動對骨代謝的影響主要通過影響骨中膠原蛋白含量變化來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)運(yùn)動方式、運(yùn)動強(qiáng)度在機(jī)體所能承受范圍內(nèi)時，微管系統(tǒng)將力學(xué)信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號來刺激骨組織，對膠原蛋白合成代謝產(chǎn)生積極影響。不同運(yùn)動方式對骨施加的載荷和位點(diǎn)是不同的，對骨膠原蛋白代謝產(chǎn)生的影響也是存在差異的。

骨膠原蛋白是骨的重要組分，是主要的鈣化作用細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，在成骨細(xì)胞分化過程中也起到重要的作用［30，31］。Kiiskinen和Heikkinen［32］研究報告顯示，長期的身體活動影響年輕小鼠的長骨有機(jī)質(zhì)含量。Suominen等［33］研究結(jié)果表明，在同一動物中運(yùn)動訓(xùn)練加速骨中膠原蛋白代謝。Salem等［34］研究表明，適度運(yùn)動會影響到骨膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)性能。骨中最重要的膠原蛋白是Ⅰ型膠原蛋白，被認(rèn)為是最初作為基本骨基質(zhì)和成熟骨形成的必要條件［35～37］。Ⅰ型膠原蛋白占骨中膠原蛋白總量的90%，當(dāng)降解為小的肽片段時被釋放到血液中。運(yùn)動訓(xùn)練組馬駒血清中Ⅰ型膠原蛋白降解產(chǎn)物水平的重大升高變化，為持續(xù)運(yùn)動訓(xùn)練提高骨周轉(zhuǎn)提供了理論依據(jù)，同時，運(yùn)動訓(xùn)練組骨膠原蛋白形成標(biāo)志物Ⅰ-型膠原蛋白羥基肽（PICP）血清濃度水平明顯高于自由放牧組和對照組［38］。這一研究說明運(yùn)動訓(xùn)練刺激骨組織，使骨中膠原蛋白合成代謝速度加快，含量增加。在骨中，Ⅰ型膠原蛋白常與Ⅲ型膠原蛋白是聯(lián)合表達(dá)。Ⅲ型膠原蛋白不僅是組織纖維的重要組成部分，同時也是使Ⅰ型膠原蛋白固化，增加膠原纖維直徑和生物合成的重要調(diào)控原件［39，40］。骨有機(jī)質(zhì)中的Ⅰ型膠原蛋白是構(gòu)成膠原纖維的主要成分，這些膠原纖維由比二酚胺（PYD），脫氧比二酚胺（DPD）和戊糖素三種成熟酶化交聯(lián)進(jìn)行穩(wěn)定修飾［41—43］。

軟骨下骨是關(guān)節(jié)重要的組成部分，但其作用常被忽略，它為關(guān)節(jié)的上覆軟骨提供結(jié)構(gòu)支持。以前有關(guān)骨機(jī)械研究表明，軟骨下骨被證明具有削弱軸向載荷的能力，可減少外覆關(guān)節(jié)軟骨的損傷［44］。Mansell和Bailey［45］研究表明，膠原蛋白新陳代謝在軟骨下骨中是非?；钴S的，很可能造成軟骨下骨對外部施加的載荷具有很高的敏感性。運(yùn)動訓(xùn)練影響軟骨下骨膠原蛋白組分的翻譯后修飾的酶調(diào)節(jié)。對馬駒進(jìn)行訓(xùn)練不僅影響骨中鈣含量，還可影響軟骨下骨的膠原蛋白合成。在未受過訓(xùn)練的馬駒位點(diǎn)2的膠原蛋白含量明顯高于位點(diǎn)1，而在受過訓(xùn)練的動物身上位點(diǎn)之間的膠原蛋白含量差異消失［46］。此研究說明不同位點(diǎn)在未接受訓(xùn)練時因受載差異，引起膠原蛋白含量差異。接受訓(xùn)練后，位點(diǎn)1受載增加，骨膠原蛋白合成速度加快，膠原含量差異消失。

Ⅱ型膠原蛋白和蛋白聚糖是關(guān)節(jié)軟骨的兩個重要組分。一般認(rèn)為包括年齡、性別和遺傳等系統(tǒng)因素對關(guān)節(jié)軟骨的基礎(chǔ)特性起到重要作用。本身生物力學(xué)因素如關(guān)節(jié)負(fù)載和損傷程度對關(guān)節(jié)軟骨的最終含量起到重要作用［47］。據(jù)研究，年輕時經(jīng)常的關(guān)節(jié)負(fù)載對于培養(yǎng)一個組織良好和強(qiáng)壯的關(guān)節(jié)軟骨膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)是非常重要的，這有助于在以后預(yù)防骨關(guān)節(jié)炎等疾?。?8，49］。

適宜的運(yùn)動方式和運(yùn)動強(qiáng)度對骨產(chǎn)生有利刺激，有助于骨中膠原蛋白代謝，增進(jìn)骨健康。但是如果運(yùn)動方式和/或運(yùn)動強(qiáng)度不適宜，超過機(jī)體的承受能力，將會影響膠原蛋白代謝，對骨膠原含量和骨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生消極影響。研究表明，Ⅰ型膠原蛋白突變的產(chǎn)生或正常Ⅰ型膠原蛋白生成量減少將導(dǎo)致骨骼結(jié)構(gòu)異常［50］。經(jīng)過一段時間訓(xùn)練后，將運(yùn)動訓(xùn)練組與自由放牧組進(jìn)行比較，馬駒血清水平CTx1（膠原蛋白分解代謝指標(biāo)）與基礎(chǔ)值相比具有很明顯的升高，CPⅡ（Ⅱ型膠原蛋白合成標(biāo)志物）與基礎(chǔ)值相比明顯下降。此研究說明幼齡期的馬駒進(jìn)行被迫訓(xùn)練不利于骨中膠原蛋白合成代謝，反而會使分解代謝加強(qiáng)［38］。

以上研究表明，不同運(yùn)動方式對骨中膠原蛋白的代謝所產(chǎn)生的影響是存在差異的。其原因可能是，不同運(yùn)動對骨細(xì)胞的機(jī)械刺激影響是不同的。機(jī)械壓力的強(qiáng)弱將會影響到骨膠原蛋白代謝速度的快慢。因此在運(yùn)動鍛煉時選擇適宜的運(yùn)動方式對于增進(jìn)骨健康是非常具有必要的。

5 骨膠原蛋白與骨代謝

正常骨代謝的主要形式是在破骨細(xì)胞的作用下不斷吸收舊骨，而在成骨細(xì)胞作用下，又再合成新骨，這種骨吸收和骨形成的協(xié)調(diào)活動形成了體內(nèi)骨轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定狀態(tài)，而骨吸收過多或形成不足引起平衡失調(diào)的最終結(jié)果會導(dǎo)致骨量的減少和骨微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，就會形成骨質(zhì)疏松［51］。激素水平、運(yùn)動方式、運(yùn)動強(qiáng)度、脂肪含量等都會影響到機(jī)體的骨代謝，而骨膠原蛋白做為骨中有機(jī)質(zhì)的主要組分和無機(jī)礦物質(zhì)沉積的載體，其代謝平衡將直接影響到骨代謝穩(wěn)定狀況。

國內(nèi)外很多研究發(fā)現(xiàn)，與年齡相關(guān)的松質(zhì)骨微體系結(jié)構(gòu)性退變和膠原蛋白交聯(lián)濃度的改變可導(dǎo)致骨骼脆性增加。在去卵巢小鼠個體中，骨膠原蛋白纖維被隨機(jī)排列，其結(jié)構(gòu)與正常纖維相比發(fā)生較大變化，所有去卵巢小鼠的骨膠原纖維直徑明顯小于對照組（P＜0.01）［52］。大鼠去卵巢后引起的骨中膠原蛋白纖維形成和穩(wěn)定性失去平衡，引起骨質(zhì)疏松。同時去卵巢鼠骨中膠原蛋白纖維被隨機(jī)排列，其結(jié)構(gòu)與正常鼠纖維相比被擾亂（見圖2）［53］。以上動物實(shí)驗(yàn)表明，去卵巢可引起動物體內(nèi)雌激素分泌減少，影響骨中有機(jī)質(zhì)合成和鈣、磷等礦物質(zhì)沉積。在人體中，發(fā)生骨質(zhì)疏松與否的主要差異是骨基質(zhì)中膠原蛋白轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)，即交聯(lián)穩(wěn)定和膠原蛋白的羥化［54，55］。飲食中攝取較多的水解膠原蛋白可提高成骨細(xì)胞活性，有助于骨量增加并且水解膠原蛋白在骨重塑和增加股骨皮質(zhì)區(qū)外部直徑中起到重要作用。Fanny Guillerminet等［56］利用去卵巢（OVX）小鼠為模型，將OVX鼠隨機(jī)分為三組，按0、10、25g/Kg體重的水解膠原蛋白量進(jìn)行喂養(yǎng)，對照組的食物中不含有水解膠原蛋白。12周后處死，研究結(jié)果顯示，喂食含水解膠原蛋白食物的小鼠與對照組相比，可明顯增加骨代謝以及去卵巢鼠的生物學(xué)特性（例如BMD），OVX25組與OVX組相比股骨外部直徑增加并且OVX25組和OVX10組鼠的股骨最大強(qiáng)度明顯大于OVX組鼠。

膠原蛋白分子間通過一系列酶介導(dǎo)形成的共價交聯(lián)（即膠原蛋白交聯(lián)），對骨結(jié)構(gòu)性能具有重要影響。Banse等［57］報道，人體腰椎骨中的戊糖素和比二酚胺（PYD）量與骨小梁微細(xì)結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的，含有低戊糖素和高比二酚胺（PYD）量的椎體所擁有的骨小梁較薄，與此相反，含戊糖素和比二酚胺（PYD）較多的椎體，其骨小梁較厚。分子間交聯(lián)和膠原蛋白機(jī)械強(qiáng)度是密切相關(guān)的，任何降低都會引起膠原纖維穩(wěn)定性降低，造成骨力學(xué)性能下降［58］。綜合以上研究，骨中膠原蛋白合成增加或攝入膠原蛋白可使骨形態(tài)和骨微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生重要變化，使骨韌性增強(qiáng)，松質(zhì)骨中骨小梁變厚、硬度增大，有利于骨健康的發(fā)展。

圖2 大鼠骨膠原蛋白的膠原纖維

6 展望

國內(nèi)外研究顯示，適宜的運(yùn)動訓(xùn)練可使骨中膠原蛋白合成代謝速度加快，含量增加;骨中膠原蛋白含量增加能促進(jìn)鈣、磷等無機(jī)鹽在骨上沉積，有助于修復(fù)骨組織，改善骨質(zhì)疏松，促進(jìn)骨健康;飲食中攝入膠原蛋白有助于解決運(yùn)動訓(xùn)練中女性運(yùn)動員雌激素分泌紊亂或者女性絕經(jīng)后造成的骨量丟失，BMD、BMC等指標(biāo)顯著上升。盡管目前有關(guān)運(yùn)動訓(xùn)練—骨膠原蛋白—骨代謝三者之間的研究已取得一定成果，但是現(xiàn)在有關(guān)骨膠原蛋白的研究還有很多空白點(diǎn)和模糊的地方，比如:運(yùn)動訓(xùn)練促使生骨反應(yīng)機(jī)能增強(qiáng)，是否是因?yàn)檫\(yùn)動訓(xùn)練促進(jìn)骨膠原蛋白量增加，進(jìn)而使骨代謝增強(qiáng);不同運(yùn)動模式對骨代謝產(chǎn)生不同影響的原因及機(jī)制;不同運(yùn)動模式在進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練時應(yīng)該持續(xù)多少時間，才能達(dá)到最佳訓(xùn)練效果;運(yùn)動訓(xùn)練時應(yīng)采用何種運(yùn)動強(qiáng)度以及不同年齡段使用的運(yùn)動種類等，這些問題均有待后續(xù)研究予以解答。

［1］AllistonT，Derynck R.Interfering with boneremodeling［J］.Nature，2002，416:686～7.

［2］Heyden M，Schultz W.Bilateral stress fracture of the Medial femoral neck［J］.Sportverletz Sportschaden，2002，16:39～41.

［3］Hetland ML，Haarbo J，Christiansen C.Low bone mass and high bone turnover in male long distancerunners［］.J Clin Endocrinol，1993，77:770～5.

［4］Hind K，Truscott JG，Evans JA.Low lumbar spine bone mineral density in both male and female endurance run ners［J］.Bone，2006，39:880～5.

［5］趙仁清.運(yùn)動影響骨代謝的OPG/RANKL/RANK作用機(jī)制［J］.體育與科學(xué)，2010，31（3）:76～80.

［6］曹榮安，李浩，李良玉，等.膠原蛋白的生理功能特性及其應(yīng)用［J］.肉類工業(yè)，2010（1）.

［7］Burgeson RE，Nimmi ME.Collagen types.Molecular structure and tissue distribution［J］.Clinical Orthopaedics 2004，282，250～272.

［8］van der Rest M，Garrone R.Collagen family of proteins［J］.The FASEB Journal，1991，5:2814～2823.

［9］Adachi E，Hayashi T.In vitro formation of hybrid fibrils of type V collagen and type I collagen;Limited growth of type I collagen into thick fibrils by type V collagen［J］.Connective Tissue Research，2007，14:257～266.

［10］Paschalis EP，Recker R，Dicarlo E，et al.Distributionof collagen cross-links in normal human trabecular bone［J］.Journal of Bone and Mineral Research，2003，18:1942～1946.

［11］Wu TJ，Huang HH，Lan CWm et al.Studies on the microspheres comprised of reconstituted collagen and hydroxyapatite.Biomaterials［J］，2004，25:651～658.

［12］Seufert DW，Hanken J，Klymkowsky MW.Type II collagen distribution during cranial development in Xenopus laevis［J］.Anatomy and Embryology（Berl），2008，189:81～89.

［13］Maddox BK，Garofalo S，Smith C，et al.Skeletal development in transgenic mice expressing a mutation at Gly574Ser of type II collagen［J］.Developmental Dynamics，1997，208:170～177.

［14］Nerlich AG，Boos N，Wiest I，et al.Immunolocalization of major interstitial collagen types in human lumbar intervertebral discs of various ages［J］.Virchows Archives，1997，432:67～76.

［15］Aigner T，Gresk-otter KR，F(xiàn)airbank JC，et al.Variation with age in the pattern of type X collagen expression in normal and scoliotic human intervertebral discs［J］.Calcified Tissue International 1998，63:263～268.

［16］Alvarez J，Balbin M，Santos F，et al.Different bone growth rates are associated with changes in the expression pattern of types II and X collagens and collagenase 3 in proximal growth plates of the rat tibia［J］.Journal of Bone Mineral Research，2000，15:82～94.

［17］Walchli C，Koch M，Chiquet M，et al.Tissue-specific expression of the fibril-associated collagens XII and XIV［J］.Journal of Cell Science，1994，107:669～681.

［18］Koch M，Laub F，Zhou P，et al.Collagen XXIV，a vertebrate fibrillar collagen with structural features of invertebrate collagens［J］.Journal of Biological Chemistry，2003，278:43236～43244.

［19］Patrick Garnero，Anne-Marie Schott，Darwin Prockop，et al.Bone turnover and type Icollagen C-telopeptideisomerization in adult osteogenesis imperfecta:Associations with collagen gene mutations［J］.Bone，2009，44:461～466.

［20］Walchli C，Koch M，Chiquet M，et al.Tissue-specific expression of the fibril-associated collagens XII andXIV［J］.Journal of Cell Science，1994，107:669～681.

［21］Drinkwater BL，Nilson K，Chesnut CH，et al.Bone mineral content of amenorrheic and eumenorrheic athletes［J］.N Engl J Med，2001，311（5）:277～281.

［22］高麗.運(yùn)動性動情周期抑制雌性大鼠的骨變化及其影響機(jī)制的研究［D］.上海:華東師范大學(xué)，2005.

［23］Cann CE，Martin MC，Genant HK，et al.Decreased spinal mineral content in amenorrheic women［J］.JAMA，1984，251（5）: 626～629.

［24］孫曉江.應(yīng)力環(huán)境對大鼠骨生長重建及力學(xué)性能影響的研究［D］.大連:大連醫(yī)科大學(xué)，2004.

［26］羅冬梅.運(yùn)動對大鼠長骨發(fā)育作用機(jī)理的研究［D］.北京:北京體育大學(xué)，2002.

［26］王廣新，王立新.不同類型運(yùn)動負(fù)荷對近節(jié)指骨形態(tài)的影響［J］.新疆醫(yī)學(xué)院學(xué)報，1995，18（4）:224～222.

［27］高麗，鄭陸.運(yùn)動性動情周期抑制雌性大鼠的骨結(jié)構(gòu)與骨組織OPGmRNA、OPGLmRNA的表達(dá)［J］.天津體育學(xué)院學(xué)報，2005，20（6）:22～25.

［28］Bourrin S，Gany C.Adverse effects of strenuous exercise:adensitometric and histomorphometric study in the rat［J］.J Appl Physiol，1994，76（5）:1999～2005.

［29］Li KC，Zernicke RF，Barnard RJ，et al.Differential response of rat limb bones to strenuous exercise［J］.J Appl Physiol，1991，70 （2）:554～560.

［30］Takeuchi Y，Nakayama K，Matsumoto T.Differentiation and cell surface expression of transforming growth factor-beta receptors are regulated by interaction with matrix collagen in murine osteoblastic cells［J］.J Biol Chem，1996;271（7）:3938～44.

［31］Takeuchi Y，et al.Differentiation and transforming growth factorbeta receptor down-regulation by collagen-alpha2beta1 integrin interaction is mediated by focal adhesion kinase and its downstream signals in murine osteoblastic cells［J］.J Biol Chem，1997，272 （46）:29309～16.

［32］Kiiskinen A，Heikkinen E.Physical training and connective tissues in young mice:biochemistry of long bones［J］.Journal of Applied Physiology:Respiratory Environmental Exercise Physiology，1994，44:50～4.

［33］Suominen H，Kiiskinen A，Heikkinen E.Effects of physical training on metabolism of connective tissues in young mice［J］.Acta Physiology Scandinavia，1980，108:17～22.

［34］Salem GJ，Zernicke RF，Martinez，et al.Adaptati-ons of immature trabecular bone to moderateexercise:geometrical，biochemical，andbiomechanical correlates［J］.Bone，1993，14:647～54.

［35］Thorwarth M，Wehrhan F，Schultze-Mosgau S，Wiltfang J，et al.PRP modulates expression of bone matrix proteins in vivo without long-term effects on bone formation［J］.Bone，2006，38:30～40.

［36］Leeming DJ，Henriksen K，Byrjalsen I，et al.Is bone quality associated with collagen age Osteoporos［J］.Int，2009，20:1461～70.

［37］Viguet-Carrin S，Garnero P，Delmas PD.The role of collagen in bone strength［J］.Osteoporos Int，2006;17:319～36.

［38］RC Billinghurst，DVM，Ph.D Associate Professor，et al.Significant exercise-related changes in the serum levels of twobiomarkers of collagen metabolism in young horses［J］.International Cartilage Repair Society，2003，11:760～769.

［39］Sandberg M，Vuorio E.Localization of type I，II and III collagen mRNAs in the development human skeletal tissue by the in situ hybridization［J］.Cell Biol，1987，104:1077～84.

［40］Niederreither K，D'Souza R D，Metsaranta M，et al.Coordinate patterns of expression of type I and III collagens during mouse Development［J］.Matrix Biol，1995，14:705～13.

［41］Eyre D.Collagen cross-linking amino acids［J］.Methods Enzymol，1987，144:115～39.

［42］Knott L，Bailey AJ.Collagen cross-links in mineralizing tissues: a review of their chemistry，function，and clinical relevance［J］.Bone，1998，22:181～187.

［43］Viguet-Carrin S，Garnero P，Delmas PD.The role of collagen in bone strength［J］.Osteoporos Int，2006;17:319～36.

［45］Hoshino A，Wallace WA.Impact absorbing properties of the human knee［J］.Journal of Bone and Joint Surgery，1987，69B，807～11.

［46］Mansell JP，Bailey AJ.Abnormal cancellous bone collagen metabolism in osteoarthritis［J］.Journal of Clinical Investigations，1998，101:1596～1603.

［47］PAJ Brama，RA Bank，et al.Training Affects the Collagen Framework of Subchondral Bone in Foals［J］.The Veterinary Journal 2001，162:24～32.

［48］Arokoski JPA，Jurvelin JS，Vaatainen U，Helminen HJ.Normal and pathological adaptations of articular cartilage to joint loading［J］.Scand J Med Sci Sports，2000，10:186～98.

［49］Brama PA，Tekoppele JM，Bank RA，et al.Functional adaptation of equine articular cartilage:the formation of regional biochemical characteristics up to age one year［J］.Equine Vet J，2000;32:217～21.

［50］Helminen HJ，Hyttinen，MM，Lammi MJ，et al.Regular joint loading in youth assists in the establishment and strengthening of the collagen network of articular cartilage and contributes to the prevention of osteoarthrosis later in life:a hypothesis［J］.Bone Miner Metab，2000，18:245～257.

［51］Tzaphlidou M.The role of collagen in bone structure:an image processing approach［J］.Micron，2005，36:593～601.

［52］宋樺.太極拳鍛煉對原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥患者骨密度及骨代謝的影響［J］.體育學(xué)刊，2008，15（11）:106～108.

［53］H Kafantari，E Kounadi，M Fatouros，et al.Structural Alterations in Rat Skin and Bone Collagen Fibrils Induced by Ovariectomy［J］.Bone，2000，26（4）:349～353.

［54］Baldock PAJ，Morris RJ，Need AG，et al.Variation in the shortterm changes in bone cell activity in three regions of the distal femur immediately following ovariectomy［J］.J Bone Miner Res，2009，13:1451～1457.

［55］Bailey AJ，Wotton SF，Sims TJ，Thompson PW.Post-translational modifications in the collagen of human osteoporotic femoral head［J］.Biochem Biophys Res Commun，1992，185:801～805.

［56］Bailey AJ，Wotton SF，Sims TJ，et al.Biochemical changes in the collagen of human osteoporotic bone matrix［J］.Connect Tissue Res，1993，29:119～132.

［57］Fanny Guillerminet，Hélène Beaupied，et al.Hydrolyzed collagen improves bone metabolism and biomechanical parameters in ovariectomized mice:An in vitro and in vivo study［J］.Bone，2010，46:827～834.

［58］Banse X，Devogelaer JP，Lafosse A，et al.Cross-link profile of bone collagen correlates with structural organization of trabeculae［J］.Bone，2002;31:70～6.

［59］Chapman，JA.Molecular organisation in the collagen fibril.In: Hukins DWL，Ed.Connective Tissue Matrix.London:Macmillan;1984;89～132.

The Research of Movement and Bone Collagen

CHEN Xiang-he，LI Shi-chang
（College of Physical Education＆Health，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

The bone collagen plays the role of“the skeleton”in the bone，provides the carrier for the mineral（such as calcium、phosphorus）deposition.In movement process，the mechanical power may through the stimulation bone tissue then influence bone collagen metabolism.However，the change of bone collogen will also immediatly influence the bone metabolism，then influence bone health.But the different mode of motion，the physiological load of exercise as well as the movement duration influence the collogen metabolism produces regarding the bone and it has the difference.Especially，in the domestic and foreign movement domain the related bone collagen's research also are few at present.It enables us to discuss the movement from the microscopic stratification plane to the bone the influence，provides new research direction for the bone research area.The present paper through the collection massive domestic and foreign related research，carries on the inquisition to movement and the ossein protein two between reciprocities.The findings showed that the movement training makes in the bone collogen synthesis metabolism to speed up，increases the collogen content.Collogen content's increase regarding speeds up the bone metabolism also to have positively the promoter action.

movement;bone collagen;bone metabolism

G804.2

A

1008－8571（2011）03-0109-06

2011-04-02

陳祥和（1986—），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向:運(yùn)動適應(yīng)與人體機(jī)能評定。