運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)物脂肪代謝和能量代謝的影響研究進(jìn)展

李同明　王素強(qiáng)　劉洪軍　王 慧*（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院　山東 泰安　271000?、谏綎|省委黨校文史部體育教研室　山東 濟(jì)南③山東省海洋生物研究院　青島）

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運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)物脂肪代謝和能量代謝的影響研究進(jìn)展

李同明①王素強(qiáng)②?劉洪軍③*王 慧①*
（①山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院山東 泰安271000②山東省委黨校文史部體育教研室山東 濟(jì)南③山東省海洋生物研究院青島）

?并列一作者。*通訊作者。

能量代謝不平衡所導(dǎo)致的動(dòng)物亞健康是世界性的科技難題和研究熱點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)可以顯著改善動(dòng)物體組織與器官的功能狀態(tài)，有利于組織器官的脂肪代謝和能量代謝的平衡。運(yùn)動(dòng)需消耗大量能量，這來(lái)源于骨骼肌的收縮。骨骼肌的收縮會(huì)消耗能量，改變機(jī)體的能量平衡，也因此會(huì)啟動(dòng)抑制這種改變的機(jī)制，而雷帕霉素靶蛋白mTOR在其中發(fā)揮著重要作用。運(yùn)動(dòng)對(duì)靜息能量代謝有明顯的影響；對(duì)骨骼肌的代謝及脂肪代謝及其調(diào)節(jié)都有顯著影響。運(yùn)動(dòng)與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)信號(hào)通路研究，對(duì)于探討運(yùn)動(dòng)預(yù)防和控制人類(lèi)慢性病的機(jī)制具有重要指導(dǎo)意義。

運(yùn)動(dòng)是改善動(dòng)物有機(jī)體健康狀況的最重要的方式之一，運(yùn)動(dòng)不足是動(dòng)物有機(jī)體健康狀況下降的重要原因，這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)不足會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)物有機(jī)體身體素質(zhì)、抗病力和耐受各種應(yīng)激刺激的能力下降；還會(huì)間接影響動(dòng)物的生活力、生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖力。保證每天有規(guī)律的適宜運(yùn)動(dòng)是增強(qiáng)動(dòng)物脂肪代謝和能量代謝平衡的有效途徑。

1　最大脂肪氧化(Fatmax)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與能量代謝

運(yùn)動(dòng)減輕體重的效果受脂肪氧化能力的影響，最大脂肪氧化速率在一定程度上反映機(jī)體最大氧化脂肪水平，在運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與脂肪氧化率相互關(guān)系之間存在誘導(dǎo)脂肪氧化率出現(xiàn)最大值的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，稱(chēng)為最大脂肪氧化強(qiáng)度(The exercise intensity eliciting maximal fat oxidation，F(xiàn)atmax)[1]。確定Fatmax對(duì)減少體脂含量、建立慢病運(yùn)動(dòng)處方有重要意義[2]。急性或長(zhǎng)期Fatmax運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)能量代謝，即能量的攝入與消耗、減控體重的實(shí)證研究有重要意義[3]。有機(jī)體脂肪的氧化利用程度一般用脂肪供能比例(%)(脂肪供能占總能耗的比例)和脂肪氧化率(總能耗與脂肪供能比例的乘積，mg/min/kg)評(píng)價(jià)。在運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度由低到高增加的過(guò)程中，脂肪氧化率會(huì)存在一個(gè)最高值，學(xué)界把促使機(jī)體出現(xiàn)脂肪氧化利用最大化的這個(gè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度稱(chēng)為Fatmax[1-2]，其在科學(xué)運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中有重要應(yīng)用價(jià)值[3-4]，在脂肪代謝的運(yùn)動(dòng)干預(yù)實(shí)踐應(yīng)用中有重要作用，已成研究熱點(diǎn)[4]。

甘油三酯(triglyceride, TG)是動(dòng)物有機(jī)體貯存能量的主要方式。合成脂肪的主要器官是肝臟、脂肪組織和小腸粘膜；而脂肪分解與氧化利用的主要環(huán)節(jié)[7]包括：（1）脂肪的動(dòng)員即脂肪組織和肌細(xì)胞內(nèi)甘油三酯的分解；（2）隨著血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)骨骼肌；（3）骨骼肌從血液攝入游離脂肪酸進(jìn)入胞漿；（4）游離脂肪酸活化；（5）活化的脂肪酸被轉(zhuǎn)運(yùn)到線(xiàn)粒體；（6）脂肪酸在線(xiàn)粒體氧化。脂肪酸從脂肪組織轉(zhuǎn)運(yùn)到肌肉線(xiàn)粒體的過(guò)程中要涉及許多酶類(lèi)和調(diào)節(jié)因子，如質(zhì)膜位的脂肪酸移位酶(FAT/CD36)、質(zhì)膜脂肪酸結(jié)合蛋白(FABPpm)、脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(FATP)、等的表達(dá)水平和轉(zhuǎn)運(yùn)水平以及細(xì)胞膜肉堿酰基轉(zhuǎn)移酶I(CPTI)的活性對(duì)脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)和攝取具有重要調(diào)節(jié)作用[8]。胰島素可誘導(dǎo)FABPpm和FAT/CD36向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移，也可誘導(dǎo)FAT/CD36向線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)移[9]，以及誘導(dǎo)FAT/CD36和FATP1的表達(dá)[10]。肌肉收縮不僅可誘導(dǎo)FABPpm和FAT/CD36向質(zhì)膜轉(zhuǎn)移，也可誘導(dǎo)FAT/CD36和FABPpm的表達(dá)[11]，高脂肪飲食，急性運(yùn)動(dòng)和短時(shí)間運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)或合成來(lái)上調(diào)肌細(xì)胞膜FAT/CD36的含量，使得脂肪酸攝入和氧化增加[12]。然而，具體準(zhǔn)確的誘導(dǎo)這種轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生的信號(hào)途徑還有待進(jìn)一步解釋。動(dòng)物研究提示：一磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMPK)在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)中具有一定作用[13-14]。

2　運(yùn)動(dòng)與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)的信號(hào)通路研究

（1）運(yùn)動(dòng)與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)的信號(hào)通路研究是揭示運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)體質(zhì)機(jī)制的關(guān)鍵所在。運(yùn)動(dòng)與能量代謝調(diào)控研究主要集中在脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的mTOR和PGC-1s等信號(hào)通路方面，短期和長(zhǎng)期有氧或抗阻力運(yùn)動(dòng)是否對(duì)體脂肪和骨骼肌調(diào)節(jié)信號(hào)通路有影響?其內(nèi)在機(jī)制是否與上述兩條信號(hào)通路有聯(lián)系? 已有的基因敲除實(shí)驗(yàn)已證實(shí)了PGC-1s在運(yùn)動(dòng)改善胰島素抵抗(insulin resistance, IR)中發(fā)揮著重要作用。（2）PRDM16是PR結(jié)構(gòu)域家族的第16個(gè)成員(PR domain-containing 16)，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)它是調(diào)控肌肉脂肪代謝的蛋白，在人類(lèi)和小鼠器官組織中均能夠檢測(cè)到PRDM16的基因mRNA的表達(dá)。有機(jī)體的脂肪組織分為白色脂肪組織(White adipose tissue, WAT)和棕色脂肪組織(Brown adipose tissue, BAT)。WAT是哺乳動(dòng)物存儲(chǔ)能量的主要器官，還可通過(guò)釋放激素和細(xì)胞因子參與調(diào)節(jié)內(nèi)分泌代謝和胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)；而B(niǎo)AT則具有許多生物學(xué)活性，且與體溫調(diào)節(jié)有關(guān)，BAT產(chǎn)熱耗能的功能源于其線(xiàn)粒體內(nèi)膜上含大量解偶聯(lián)蛋白1(Uncoupling protein 1, UCP1)，UCPl是一種特異性存在于棕色脂肪細(xì)胞的分子量為32kDa的蛋白質(zhì)，是決定BAT產(chǎn)熱水平的關(guān)鍵因素，檢測(cè)UCPl及其表達(dá)水平即可驗(yàn)證BAT是否存在及評(píng)估BAT的活性。探索BAT活性的調(diào)控機(jī)制主要是研究UCP1的調(diào)控與通路。因BAT 具有較高的生物學(xué)活性，所以被稱(chēng)為活性棕色脂肪組織(Active brown adipose tissue, aBAT)。多項(xiàng)獨(dú)立研究顯示，成人體內(nèi)也存在aBAT，且BAT的陽(yáng)性率及活性與年齡、性別、體重指數(shù)(Body mass index，BMI)相關(guān)，提示BAT可能參與維持能量代謝的平衡。人體試驗(yàn)表明，BAT陽(yáng)性組相比于陰性組，年齡更小、BMI更低，胰島素敏感性更好，HDL-c水平更高；并且兩組間的一些脂肪因子與神經(jīng)內(nèi)分泌因子也存在顯著差異。說(shuō)明成人aBAT在糖脂代謝過(guò)程中可能起重要作用；神經(jīng)內(nèi)分泌因子NPY與BAT活性密切相關(guān)。溫度、年齡和運(yùn)動(dòng)均是成人BAT活性的重要影響因素。（3）PRDM16作為一種重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，在BAT與WAT、BAT與骨骼肌肌肉組織轉(zhuǎn)化過(guò)程中對(duì)特異基因的表達(dá)起著類(lèi)似“開(kāi)關(guān)”的作用?？赏ㄟ^(guò)與PPAR-γ及PPAR-γ、共激活因子1α和1β結(jié)合而激活棕色脂肪相關(guān)基因的表達(dá)。通過(guò)這種方式，PRDM16促進(jìn)表達(dá)有成肌調(diào)節(jié)因子基因Myf5的前體細(xì)胞分化為棕色脂肪細(xì)胞，以增加熱量的產(chǎn)生，減少體內(nèi)脂肪堆積，可見(jiàn)，通過(guò)激活PRDM16來(lái)增加棕色脂肪組織在治療肥胖及相關(guān)疾病方面具有很大潛力。PRDM16的作用主要有：①促進(jìn)相關(guān)活性蛋白基因的表達(dá)；②抑制肌分化因子(MyoD)、肌形成蛋白(MyoG)及相關(guān)蛋白的基因表達(dá)；③通過(guò)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物(PRDM16/CtBP和PRDM16-C/EBP-β)調(diào)控BAT-WAT和WAT-SMT選擇性基因表達(dá)程序；④調(diào)控脂肪和骨骼肌的形成，誘導(dǎo)線(xiàn)粒體的生物合成和解偶聯(lián)呼吸作用。但是，Irisin和PR(PRD1-BF1-RIZI homologous)域包含蛋白16(PRDM16)基因敲除實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的原代脂肪細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)尚未開(kāi)展，難以說(shuō)明能量代謝通路的唯一性。

3　mTOR信號(hào)通路與骨骼肌代謝

（1）mTOR是哺乳動(dòng)物的一種絲氨酸和蘇氨酸蛋白激酶，因?yàn)殒溍咕难苌锢着撩顾乜梢宰钄嗥浠钚裕虼吮环Q(chēng)為雷帕霉素靶蛋白，它是細(xì)胞內(nèi)高度保守的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和能量水平感受器，在細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、分化、存活和遷移中扮演重要角色；也是一種強(qiáng)有力的促蛋白合成的信號(hào)分子，在蛋白合成的調(diào)控中占有重要地位。mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是營(yíng)養(yǎng)、化學(xué)和運(yùn)動(dòng)等因素導(dǎo)致細(xì)胞分化和細(xì)胞生長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。mTOR是由2459個(gè)氨基酸分子組成的大分子蛋白質(zhì)，其活性受細(xì)胞生長(zhǎng)因子、營(yíng)養(yǎng)素以及能量敏感相關(guān)信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。（2）運(yùn)動(dòng)是一個(gè)需要大量能量的過(guò)程，而能量來(lái)源于骨骼肌的收縮。骨骼肌的收縮會(huì)消耗能量，從而會(huì)改變機(jī)體的能量平衡，也因此會(huì)啟動(dòng)抑制這種改變的機(jī)制，而mTOR在其中發(fā)揮著重要作用。運(yùn)動(dòng)與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)信號(hào)通路研究，對(duì)于揭示運(yùn)動(dòng)防控人類(lèi)慢性病的機(jī)制和治療具有重要意義。肌肉運(yùn)動(dòng)可以激活一些與肌肉蛋白質(zhì)合成有關(guān)的生長(zhǎng)因子。mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路通過(guò)增加特異性mRNA的翻譯而在不同水平上控制蛋白質(zhì)的合成，mTOR被其上游信號(hào)PI3K和Akt激活，最后在力學(xué)負(fù)荷過(guò)載的情況下激活其效應(yīng)子p70s6k。動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為經(jīng)由PI3K/Akt/mTOR/p70s6k信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，能有效刺激肌肉合成代謝信號(hào)分子的激活。不同的運(yùn)動(dòng)模式對(duì)于mTOR/p70s6k信號(hào)通路的影響不同，探索不同是運(yùn)動(dòng)模型類(lèi)型、強(qiáng)度和時(shí)間，有利于深入了解mTOR/p70s6k信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。（3）TOR信號(hào)通路在細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖以及代謝調(diào)控方面有重要作用，其功能紊亂時(shí)會(huì)引起腫瘤、代謝病及發(fā)育缺陷等。p70S6K1是研究比較透徹的mTORC1下游效應(yīng)分子之一。S6K1通過(guò)磷酸化多種底物參與眾多生理過(guò)程的調(diào)控，包括細(xì)胞生存、蛋白質(zhì)合成以及mRNA剪接等。S6K1的激酶活性受到自身多個(gè)位點(diǎn)磷酸化修飾的調(diào)控，其中activation loop上的Thr229和hydrophobicmotif (HM)上的Thr389的磷酸化是結(jié)構(gòu)和功能上都保守的調(diào)節(jié)位點(diǎn)。有試驗(yàn)顯示，12周齡雄性SD大鼠的低氧耐力運(yùn)動(dòng)對(duì)mTOR和p70S6K有顯著抑制效應(yīng)。耐力運(yùn)動(dòng)會(huì)促進(jìn)mTOR/p70S6K通路的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)肌肉蛋白的合成；單純低氧暴露可通過(guò)抑制mTOR/p70S6K的表達(dá)，而抑制肌肉蛋白合成；低氧耐力運(yùn)動(dòng)可削弱低氧對(duì)mTOR/p 70S6K表達(dá)的抑制作用。（4）研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)一方面會(huì)通過(guò)PI3K/Akt/mTOR和PI3K/Akt/TSC12/mTOR兩條信號(hào)通路引起骨骼肌的肥大；另一方面，運(yùn)動(dòng)又通過(guò)AMPK/TSC2/ mTOR信號(hào)傳導(dǎo)通路引起骨骼肌萎縮。大量研究表明，有氧耐力運(yùn)動(dòng)對(duì)mTOR的表達(dá)有積極的影響。但是，也有許多研究卻有相反的結(jié)論。有研究發(fā)現(xiàn)，有氧耐力訓(xùn)練僅僅增強(qiáng)了AMPK的活性及其mRNA表達(dá)，但APMK活性的增加卻抑制了mTOR的活性及其下游信號(hào)傳導(dǎo)通路，顯示出AMPK與mTOR具有相反的作用。

綜合已有的研究，肌纖維膜脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)體在調(diào)節(jié)脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)和攝入上起重要作用。能量代謝平衡對(duì)于動(dòng)物維持健康狀況及其重要。有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)可以改善組織與器官的功能狀態(tài)，從而維護(hù)機(jī)體脂肪代謝和能量代謝的平衡[15]。運(yùn)動(dòng)會(huì)引起骨骼肌的收縮而消耗能量，從而會(huì)改變機(jī)體的能量平衡，也因此會(huì)啟動(dòng)抑制這種改變的機(jī)制，mTOR在其中發(fā)揮著重要作用。運(yùn)動(dòng)與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)信號(hào)通路的研究，對(duì)于探討運(yùn)動(dòng)預(yù)防和控制人類(lèi)慢性病的機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義。

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收稿日期：（2015–12–16）

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)業(yè)良種工程重大課題“青蝦速生、抗逆功能基因的發(fā)掘與創(chuàng)新利用研究”(SDAB-2014-02-16)、“水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)生物種質(zhì)資源收集保護(hù)與評(píng)價(jià)（SDAB-2012-01-04;2013-01-04）”、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蝦蟹類(lèi)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(SDAIT-15-011)項(xiàng)目共同資助。

中圖分類(lèi)號(hào)：S8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-1733(2016)01-0056-03