急性運(yùn)動對能量消耗和底物代謝的影響

王潔 張培珍

(北京體育大學(xué)運(yùn)動醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)院 北京 100084)

《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告（2020 年）》指出，由于居民高脂肪、多鹽、多糖、在外就餐頻率上升等不健康生活方式仍然普遍存在，中國城鄉(xiāng)各年齡段居民超重肥胖率持續(xù)上升。由于當(dāng)今新冠疫情的影響，許多人高熱量飲食和運(yùn)動時(shí)間減少，而體重和體脂增加，超重和肥胖問題日益凸顯。運(yùn)動可以增加能量消耗，改善底物氧化代謝，控制體重。目前研究已知，在較低強(qiáng)度運(yùn)動時(shí)，脂質(zhì)氧化起主導(dǎo)作用，但隨著運(yùn)動強(qiáng)度的增加，對肌糖原和血糖的依賴更大。碳水化合物和脂肪兩種物質(zhì)在氧化供能時(shí)存在交互關(guān)系，這種相互作用取決于細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外代謝環(huán)境。各供能系統(tǒng)相對貢獻(xiàn)主要取決于運(yùn)動強(qiáng)度，但也受訓(xùn)練狀態(tài)、飲食、年齡、性別和環(huán)境條件的調(diào)節(jié)，從而決定了運(yùn)動過程中各供能系統(tǒng)參與供能比例和能量代謝特征的不同，對身體產(chǎn)生不同的反應(yīng)，一次急性運(yùn)動也會影響細(xì)胞內(nèi)外代謝環(huán)境，進(jìn)而使身體能量消耗和底物代謝產(chǎn)生改變，不同運(yùn)動方式會產(chǎn)生不同的影響，同時(shí)由于個(gè)體特征的差異，不同人群對急性運(yùn)動反應(yīng)各不相同。

1 不同方式急性運(yùn)動對能量消耗和底物代謝的影響

1.1 急性不同強(qiáng)度運(yùn)動對能量消耗和底物代謝的影響

最大脂肪氧化率是在次最大運(yùn)動時(shí)達(dá)到的，但隨著運(yùn)動強(qiáng)度的增加，脂肪氧化開始呈下降趨勢，碳水化合物氧化供能起主要作用。Jie等［1］比較了運(yùn)動期間和休息時(shí)有無能量補(bǔ)充的能量消耗和底物利用情況，結(jié)果顯示，即使運(yùn)動引起的能量消耗與能量攝入是平衡的，一次中等強(qiáng)度的運(yùn)動也會增加脂肪的氧化，這表明鍛煉或肌肉活動是至關(guān)重要的，因?yàn)樗梢栽黾又纠茫灰蕾囉谀芰科胶獾臓顟B(tài)，這項(xiàng)研究的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了身體活動在減肥干預(yù)中發(fā)揮著重要作用。孫楊等［2］讓10名體重正常男青年先后兩次隨機(jī)進(jìn)行高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練（HIIT）和中等強(qiáng)度持續(xù)訓(xùn)練（MICT），研究發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動中HIIT 對糖代謝供能的依賴度較MICT 更高，但恢復(fù)期HIIT 更傾向于脂肪氧化供能。一次急性HIIT 相比MICT 能更顯著地激活肥胖小鼠皮下脂肪組織激素敏感脂肪酶（HSL）的脂解活性［3］。

1.3 急性力量訓(xùn)練對能量消耗和底物代謝的影響

力量訓(xùn)練（ST）被認(rèn)為是維持體重的重要運(yùn)動策略，因?yàn)樗梢源龠M(jìn)總能量消耗（EE）的增加。以舉重為例，Scott 等［4］的一項(xiàng)研究比較了有氧和無氧運(yùn)動的絕對和相對能量消耗，13名男性進(jìn)行單組臥推，負(fù)荷分別為較低強(qiáng)度的肌肉耐力性運(yùn)動以及較高強(qiáng)度的力量性運(yùn)動。結(jié)果顯示，與力量性運(yùn)動相比，肌肉耐力性運(yùn)動的總能量消耗更大，肌肉耐力性運(yùn)動所做的功也大于力量性運(yùn)動大，總功與能量消耗相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，ST與有氧訓(xùn)練（AT）急性運(yùn)動時(shí)兩種類型運(yùn)動組合的順序不會影響運(yùn)動中的能量消耗（以VO2衡量）［5］。而另外一項(xiàng)關(guān)于力量訓(xùn)練對于能量消耗的薈萃分析顯示，運(yùn)動強(qiáng)度似乎與ST 中EE 的增加無關(guān)，但針對運(yùn)動結(jié)合的順序看，順序?qū)\(yùn)動后第一個(gè)15min內(nèi)的能量消耗有影響，以ST/AT順序的組合運(yùn)動能量消耗最低［6］。雖然一次力量訓(xùn)練的不同強(qiáng)度對能量消耗都表現(xiàn)出積極的影響，但似乎強(qiáng)度對于其影響沒有顯著差異，反而運(yùn)動的總功與能量消耗相關(guān)性更大。

2 急性運(yùn)動對不同特征人群能量消耗和底物代謝的影響

2.1 急性運(yùn)動對不同年齡人群能量消耗和底物代謝的影響

有學(xué)者評估了HIIT和MICT對少兒的糖耐量、胰島素敏感性（IS）和脂肪氧化的急性作用，研究發(fā)現(xiàn)MICT和HIIT 對IS 的影響很小，對葡萄糖耐量沒有影響，但HIIT 可增加餐后脂肪氧化，這可能對體重控制有影響［7］。徐杰［8］研究了在跑臺和實(shí)地兩種不同運(yùn)動環(huán)境中不同年齡的女性（普通女大學(xué)生和中年女性）在相同運(yùn)動強(qiáng)度下的能量代謝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在跑臺的環(huán)境下女大學(xué)生總能量輸出總體來說較為平穩(wěn)波動不大，但中年女性總能量輸出在40min后開始呈下降趨勢，且女大學(xué)生糖脂供能百分比比中年女性更早達(dá)到50%。隨著年齡的增長，機(jī)體的各個(gè)器官與系統(tǒng)都會相應(yīng)地變化，能量消耗也隨之發(fā)生變化，有關(guān)不同年齡人群運(yùn)動時(shí)機(jī)體能量消耗和底物代謝的研究主要分成年之后、兒童以及青少年階段。在安靜狀態(tài)下，兒童隨著年齡的增長，每千克體重?cái)z氧量和能量消耗逐漸減少，但在相同運(yùn)動強(qiáng)度下脂肪酸的氧化供能比例仍高于成人。但成年之后，身體的通氣能力、攝氧能力、心輸出量、肌肉氧化能力等都會隨著年齡的增長而降低，到了老年之后，心血管功能、呼吸功能等減低，活動減少，能量消耗最低。

2.2 急性運(yùn)動對不同性別人群能量消耗和底物代謝的影響

Tuazon等［9］比較了雄性和雌性小鼠一次HIIT與持續(xù)運(yùn)動（CE）對甘油三酯（TG）代謝的影響，將小鼠分為CE、HIIT或安靜對照組，結(jié)果顯示：在第1d，無論雌鼠，還是雄鼠，CE和HIIT組的肝TG均高于對照組，雌鼠的HIIT 組肝TG 的升高約為CE 組的2 倍，但第2d 只有雌鼠HIIT 組肝臟TG 分泌減少約20%，而雄鼠則沒有變化，運(yùn)動方式均未改變AMP依賴的蛋白激酶信號或微粒體TG轉(zhuǎn)移蛋白的表達(dá)，但與相關(guān)代謝酶的不同表達(dá)水平相關(guān)，雌鼠表現(xiàn)出比雄鼠更高的肝臟TG 分泌。Delphine等［10］研究了青年人低強(qiáng)度（<2METs）等長運(yùn)動中底物氧化的性別差異，男、女各13 名參與了這項(xiàng)研究，結(jié)果顯示：在低強(qiáng)度的等長運(yùn)動下，男、女之間的能量消耗和心率反應(yīng)無顯著差異，但是在底物氧化方面，表現(xiàn)出顯著的性別差異，男性脂肪和碳水化合物的氧化都增加而女性僅表現(xiàn)為脂肪氧化的增加。這可能提示在低強(qiáng)度等長運(yùn)動中，女性會優(yōu)先增加脂肪氧化，其原因可能是骨骼肌重量和肌肉力量的性別差異，相對于女性而言，男性承受的等長負(fù)荷較小，因此，男性可能在等長負(fù)荷較大時(shí)，出現(xiàn)脂肪氧化增加的閾值和/或幅度。Moro 等［11］的研究直接表明，關(guān)于兒茶酚胺的釋放，運(yùn)動時(shí)存在性別二態(tài)性，在低中高3種強(qiáng)度下運(yùn)動后，發(fā)現(xiàn)在每次運(yùn)動強(qiáng)度下女性的血漿非酯化脂肪酸和甘油濃度更高，與男性相比，女性運(yùn)動引起的血漿兒茶酚胺水平升高較低。此外，由于性激素水平在女性一生中都會發(fā)生變化（與青春期、月經(jīng)周期、口服避孕藥和更年期有關(guān)），因此，在研究女性的能量消耗和底物代謝時(shí)要綜合考慮激素水平和激素反應(yīng)對底物利用率、運(yùn)動時(shí)代謝等的影響。在青春期之前，男、女運(yùn)動時(shí)底物的氧化沒有明顯差別，但在成年時(shí)期在相同的運(yùn)動強(qiáng)度下，女性比男性更依賴脂肪分解供能。

2.3 急性運(yùn)動對不同體重人群能量消耗的底物代謝的影響

Crisp 等［12］比較了各10 名正常體重和超重男孩在安靜狀態(tài)、運(yùn)動中（強(qiáng)度為50%VO2peak）和運(yùn)動后恢復(fù)期30min 內(nèi)的底物氧化，結(jié)果顯示：兩組在安靜狀態(tài)或運(yùn)動中底物氧化沒有顯著差異，但在早期運(yùn)動恢復(fù)期間，超重男孩的呼吸交換率（RER）有短暫性增加，而正常體重男孩則沒有變化，兩組的運(yùn)動后絕對脂肪氧化相似。表明在運(yùn)動后恢復(fù)期間，超重男孩脂肪氧化的效率較正常體重男孩低，碳水化合物氧化供能比例更大。李曙剛等［13］研究正常體重和超重或肥胖的成年男性時(shí)，選取單純性肥胖男大學(xué)生與健康非肥胖男大學(xué)生各10 名，分別進(jìn)行2 次不同強(qiáng)度運(yùn)動試驗(yàn)，研究表明：在急性運(yùn)動中，肥胖男性青年對血漿成纖維細(xì)胞生長因子-21（FGF-21）的反應(yīng)較非肥胖者降低。已知血漿FGF-21 通過調(diào)節(jié)其他碳水化合物和脂肪氧化相關(guān)的激素促進(jìn)底物代謝，急性運(yùn)動誘導(dǎo)的血漿FGF-21水平的升高對脂代謝有重要意義。

相關(guān)研究表明，盡管正常體重和超重或肥胖的人在身體成分和運(yùn)動時(shí)的攝氧量方面有顯著差異。但就碳水化合物和脂肪氧化的變化而言，肥胖者在安靜狀態(tài)和相同強(qiáng)度運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，總能量消耗均顯著高于體重正常者，但由于肥胖者比正常體重者對于一些促進(jìn)底物氧化酶和激素方面存在抵抗反應(yīng)，在相同運(yùn)動強(qiáng)度下，肥胖者在運(yùn)動中以及運(yùn)動后單位體重的糖、脂肪代謝和能量消耗均低于正常體重者，肥胖者單位體重的糖氧化量、糖氧化供能比例、脂肪氧化量和氧化供能比例均低于正常體重者，體重對糖和總能量消耗有顯著影響，但是對脂肪和底物代謝供能比例無明顯影響。

3 急性運(yùn)動影響能量消耗與底物代謝的相關(guān)機(jī)制

急性運(yùn)動的能量來自儲存在肌肉細(xì)胞中的少量腺苷三磷酸（ATP）和磷酸肌酸（CP），一旦ATP-CP儲存耗盡，肌肉就會利用儲存的糖原的快速分解，通過糖酵解途徑進(jìn)行ATP 再生。從基因?qū)用鎭碚f，運(yùn)動引起基因表達(dá)變化，從而觸發(fā)骨骼肌的結(jié)構(gòu)和代謝適應(yīng)。急性運(yùn)動能夠影響人骨骼肌中的啟動子甲基化，Barrès等［14］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，急性運(yùn)動以劑量依賴性方式改變運(yùn)動反應(yīng)基因的啟動子甲基化。從調(diào)節(jié)激素層面上來說，急性運(yùn)動能夠刺激一些激素的反應(yīng)，進(jìn)一步改善代謝和能量消耗。研究顯示，一次急性有氧運(yùn)動能夠激活各種信號（包括腎上腺素能因子和胰島素），調(diào)控脂肪在運(yùn)動中的一系列反應(yīng)，如通過脂肪分解促進(jìn)脂肪組織血流和脂肪動員等［15］。盡管運(yùn)動的急性代謝作用主要?dú)w因于胰島素非依賴性作用，但是運(yùn)動訓(xùn)練可以提高肌肉對胰島素的敏感性，被認(rèn)為是防治代謝紊亂的關(guān)鍵手段。

4 結(jié)語

雖然急性運(yùn)動對葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的影響是相對短暫的，一般在30～40min內(nèi)恢復(fù)到基線水平，然而，一旦運(yùn)動本身的急性效應(yīng)消失，胰島素刺激葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的有效性就會增加。單次高強(qiáng)度力量訓(xùn)練和單次高強(qiáng)度間歇運(yùn)動顯著提高基礎(chǔ)代謝率的機(jī)制，可能與急性運(yùn)動后肌肉纖維的修復(fù)活動增加或者與單次運(yùn)動訓(xùn)練后相關(guān)激素水平的變化有關(guān)。盡管長期運(yùn)動能夠改善身體成分和控制體重，但該研究發(fā)現(xiàn)，一次急性運(yùn)動也會引起短時(shí)間內(nèi)身體劇烈變化，這可能也會對身體產(chǎn)生有益的影響，提高運(yùn)動能力并影響能量代謝。