運動對骨骼肌線粒體影響的研究進展

于瀅+李云廣+張學林+周文婷+武俸羽+王瑞元

摘要：本文通過文獻資料法，對近年來運動對骨骼肌線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)分布、能量代謝、動力學、凋亡、自噬及生物合成方面的影響進行綜述。結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動后線粒體發(fā)生了再分布并且形態(tài)結(jié)構(gòu)和能量代謝相關(guān)酶活性出現(xiàn)改變，動力學變化是線粒體對運動的早期適應(yīng)反應(yīng)。運動可以影響線粒體自噬、凋亡和生物合成過程，有助于維持線粒體的質(zhì)量。通過研究，有助于深入認識運動對骨骼肌線粒體影響的分子機制。

關(guān)鍵詞：骨骼肌；線粒體；運動

隨著研究技術(shù)的不斷提高，運動對骨骼肌影響的研究層次也由宏觀水平不斷的深入到微觀層面，對骨骼肌細胞的細胞器研究已成了熱點。骨骼肌是高能量需求組織，尤其是運動時，對能量的需求明顯增多，對線粒體能量代謝要求提高。線粒體是生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所，是細胞內(nèi)通過氧化磷酸化合成三磷酸腺苷的主要場所，為生命活動提供能量，而對骨骼肌線粒體的研究已不僅限于能量代謝方面。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體除了參與到能量代謝過程外，還參與到鈣離子濃度的調(diào)節(jié)、細胞凋亡、自噬等過程。本文對骨骼肌線粒體在運動過程中的形態(tài)結(jié)構(gòu)分布、能量代謝、動力學、凋亡、自噬及生物合成等方面內(nèi)容進行綜述，以期深入了解骨骼肌線粒體的重要功能。

1運動對骨骼肌線粒體分布及形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

骨骼肌細胞線粒體根據(jù)所在位置不同，一般可以分為兩部分，一部分是緊貼骨骼肌細胞膜下的線粒體，這部分線粒體稱為肌膜下線粒體，認為與動脈循環(huán)氧的提供有關(guān)，為肌膜完整以及離子和代謝產(chǎn)物跨膜轉(zhuǎn)運提供能量。第二部分線粒體是肌原纖維間的線粒體，分布在于肌原纖維的收縮成分之間，與肌肉收縮時能量的提供和轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。隨著研究手段的不斷進步，漸漸發(fā)現(xiàn)線粒體是動態(tài)的細胞器，線粒體在細胞內(nèi)彼此連接，呈現(xiàn)立體的管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

對骨骼肌線粒體分布的研究罕見報道。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一次大負荷離心運動后，骨骼肌的線粒體分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為線粒體在肌膜下積聚。運動即刻肌膜下線粒體即出現(xiàn)積聚，且形狀大小不均一，線粒體膜不規(guī)整。肌原纖維間線粒體數(shù)量減少，z線不規(guī)整，有的z線兩側(cè)線粒體消失。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)運動后肌膜下線粒體面積明顯增多，肌原纖維間線粒體分布減少，認為一次大負荷運動后不同部位的線粒體發(fā)生了再分布，骨骼肌肌膜下線粒體分布變化較為明顯。

運動對線粒體影響的研究很多是集中在線粒體超微結(jié)構(gòu)方面。離心下坡跑臺運動能夠?qū)е麓笫蟪霈F(xiàn)骨骼肌損傷，運動后即刻骨骼肌內(nèi)線粒體出現(xiàn)大量空泡樣變性，48～72h后可觀察線粒體出現(xiàn)絮狀或髓樣改變。一次間歇性下坡跑跑臺運動后即刻，可見大鼠部分骨骼肌線粒體出現(xiàn)腫脹，嵴排列紊亂甚至消失，運動后24～48h可見線粒體出現(xiàn)腫脹、嵴紊亂消失、空泡變性；運動后72h少許線粒體腫脹、嵴紊亂，偶見空泡。

2運動對骨骼肌線粒體能量代謝的影響

有關(guān)運動對骨骼肌線粒體能量代謝功能影響的研究，天津體育學院張勇教授的團隊已經(jīng)做了大量研究，在運動干預(yù)下，制備和提純線粒體，測定線粒體呼吸控制比、ATP合成、磷氧比值和膜電位等指標，可以用于評定線粒體呼吸功能及能量儲備。也可以測定線粒體復(fù)合體亞基及其酶活性來反映線粒體能量代謝的功能，或者測定線粒體相關(guān)酶活性反映功能變化。

長期的有氧運動和短時間有氧無氧交替運動有利于提升骨骼肌異檸檬酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶（SDH）的活性。SDH為線粒體的標志酶，參與三羧酸循環(huán)，可用于反映運動員有氧氧化能力的高低。Huertas等以14名長跑運動員為研究對象，在經(jīng)過4周長跑訓練后，通過活檢獲取腓腸肌，并測定其中線粒體電子呼吸鏈多種酶的活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動后SDH、COX（細胞色素氧化酶）、cs（檸檬酸合成酶）等酶活性比正常對照組明顯增高，其中SDH的升高幅度最小，但也升高了50%，有顯著性差異。說明運動訓練可使肌組織中有氧氧化酶產(chǎn)生適應(yīng)性升高。間歇性低氧訓練可以提高小鼠股四頭肌中COX和SDH的含量，可以提高機體的有氧代謝能力。有報道單純低氧及低氧復(fù)合運動可對大鼠骨骼肌線粒體解偶聯(lián)蛋白3（UCP3）表達產(chǎn)生影響，并在研究中探討其對線粒體能量轉(zhuǎn)換和活性氧（ROS）生成的影響。認為低氧復(fù)合運動可通過上調(diào)骨骼肌線粒體UCP3表達，抑制ROS過度生成，上調(diào)ATP合成酶活力，保持線粒體能量轉(zhuǎn)換效率。劉曉然發(fā)現(xiàn)道3周離心運動組COXI蛋白表達較安靜對照組顯著降低，3周運動組細胞色素c（Cyt c）蛋白表達較安靜對照組顯著升高，3周離心運動誘導(dǎo)骨骼肌線粒體呼吸功能降低。彭麗娜等發(fā)現(xiàn)一次力竭性運動可降低大鼠骨骼肌線粒體H+-K+-ATPase活性的影響。產(chǎn)生原因可能是因為長時間大強度運動，骨骼肌細胞膜受到自由基的攻擊，破壞線粒體膜完整性，使其氧化磷酸化水平下降造成的。李潔等探討不同海拔高度交替低氧訓練對大鼠骨骼肌線粒體呼吸功能的影響，通過測定骨骼肌線粒體呼吸鏈酶復(fù)合體活性，發(fā)現(xiàn)低氧訓練在提高骨骼肌線粒體呼吸鏈功能方面較常氧訓練更具優(yōu)勢，且交替低氧訓練效果最佳。

3運動對骨骼肌線粒體動力學的影響

線粒體動力學是指細胞中線粒體不斷進行分裂與融合的一種動態(tài)變化。它是維持細胞內(nèi)物質(zhì)與能量運輸?shù)谋Ｕ?。哺乳類動物線粒體動力學變化是由一組進化保守蛋白控制下完成的，即線粒體融合蛋白和線粒體分裂蛋白。線粒體融合的核心裝置包括線粒體融合蛋白1和2（Mfn1/Mfn2）以及視神經(jīng)萎縮蛋白1（OPAl）。線粒體分裂核心裝置由發(fā)動蛋白相關(guān)GTP酶1（Drpl），分裂蛋白1（Fisl），線粒體分裂因子（MEF）組成。在運動干預(yù)下，線粒體動力學的相關(guān)蛋白會發(fā)生變化，線粒體功能也隨之改變。一些研究認為，線粒體融合分裂參與了細胞對能量需求的快速應(yīng)答，通過融合使線粒體體積增大，這是線粒體對運動適應(yīng)的一種早期改變。尤其是長時間的耐力訓練，線粒體的大小、體積和磷酸化能力均可以增加。

運動對骨骼肌線粒體動力學相關(guān)蛋白會產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)人體經(jīng)過12周耐力訓練后，骨骼肌Mfn2表達顯著升高，1h急性運動對Mfn2幾乎沒有影響；但是2型糖尿病患者則相反，Mfn2對耐力訓練表現(xiàn)不敏感，但是急性運動后表達顯著下降，表明Mfn2蛋白表達對常人耐力訓練有升高適應(yīng)。Iqba等人的研究發(fā)現(xiàn)，大鼠耐力訓練后肌肉線粒體Opal和Mfn2蛋白表達顯著提高，而肢體長期靜止不用，Opa1和Mfn2表達顯著下降。劉慧君研究表明，小鼠一次120min中等強度負荷跑臺運動過程后，骨骼肌線粒體Mfn2在運動后基因及蛋白表達比安靜組顯著下降，但是線粒體DrplmRNA及蛋白表達比安靜組有升高。認為小鼠一次中等強度負荷跑臺運動過程后，骨骼肌線粒體的融合過程受到抑制而趨于分裂。Cartoni等報道人體運動24h后，骨骼肌Mfnl、Mfn2 mRNA表達顯著上調(diào)，推測Mfn2基因表達可能受到PGC一1a/ERRoL（雌激素相關(guān)受體）調(diào)控。孫衛(wèi)虎等發(fā)現(xiàn)骨骼肌中hFisl mRNA表達在急性運動中明顯增加，而運動后hFisl mRNA逐漸減少，且在運動后24h不能恢復(fù)至安靜水平，認為hFisl基因的動態(tài)表達是線粒體對能量需求急劇增加的快速應(yīng)答反應(yīng)。endprint

此外，線粒體在年齡增加導(dǎo)致的肌肉質(zhì)量和力量下降過程中發(fā)揮了重要的作用。劉子泉報道增齡過程中骨骼肌線粒體融合蛋白Mfn1、Mfn2 mRNA和蛋白表達減少，經(jīng)過12周中等強度耐力訓練后，Mfnl和Mfn2mRNA及蛋白表達均出現(xiàn)增加；增齡和耐力訓練后分裂蛋白Drp1、Fis1mRNA和蛋白表達增加。結(jié)果表明骨骼肌線粒體經(jīng)訓練后重新建立新的動態(tài)平衡，使線粒體的融合分裂更加活躍，推測有氧耐力訓練能提高線粒體的融合分裂動態(tài)平衡。骨骼肌是重要的運動器官，通過適當?shù)倪\動干預(yù)能夠改善其細胞內(nèi)的線粒體動力學狀態(tài)。

4運動對骨骼肌線粒體引發(fā)凋亡的影響

線粒體是參與細胞凋亡的重要細胞器，線粒體介導(dǎo)的內(nèi)在細胞凋亡信號通路，可以在細胞內(nèi)被激活。Cyt c是第一個被發(fā)現(xiàn)的促凋亡蛋白分子，其作用是在線粒體呼吸鏈中傳遞電子，并起到載體的作用。其從線粒體釋放到細胞質(zhì)這一過程被認為是引起細胞凋亡的關(guān)鍵。Bcl-2家族是目前發(fā)現(xiàn)的與凋亡過程密切相關(guān)的基因，包括抗凋亡的Bcl-2和促凋亡Bax蛋白。原因是Bcl-2家族成員定位于線粒體膜上，可以通過調(diào)節(jié)線粒體外膜的通透性和完整性來發(fā)揮作用。當?shù)蛲龃碳ば盘柾ㄟ^促凋亡蛋白Bax/Bak由細胞質(zhì)移位到線粒體外膜上時，會引起存在于線粒體膜間隙的多種蛋白釋放。線粒體相關(guān)的一些蛋白，如促凋亡因子、線粒體衍生的第二種半胱天冬酶激活劑（smac）、核酸內(nèi)切酶G、凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）、高溫應(yīng)激蛋白A2（HtrA2）等在細胞凋亡過程中共同發(fā)揮著調(diào)控作用。

對于骨骼肌線粒體凋亡的研究報道并不多見。周捷等研究發(fā)現(xiàn)急性運動后，大鼠比目魚肌出現(xiàn)不同程度的細胞凋亡現(xiàn)象，以中等強度力竭運動導(dǎo)致細胞凋亡傾向最為顯著，與此相應(yīng)的線粒體中Ca2+含量顯著增加，提示線粒體內(nèi)CaL2+的大量積聚可能激活細胞凋亡的啟動程序，這使得中等強度運動更易于導(dǎo)致慢肌細胞凋亡。趙曉琴等研究報道了離心運動對線粒體凋亡的影響，認為離心運動可以導(dǎo)致骨骼肌線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常，Cyt c和Smac蛋白表達顯著上調(diào)，Caspase-3活性顯著升高，啟動線粒體凋亡程序。同時對可能的機制進行了探討，認為離心運動能夠激活骨骼肌組織Caspase-9和Caspase-3的活性，誘導(dǎo)Omi和XI-AP的表達上調(diào)，促進XIAP與Omi相互結(jié)合，Omi可能在促使凋亡過程中發(fā)揮重要介導(dǎo)作用。

5運動對骨骼肌線粒體自噬的影響

自噬過程是通過形成雙層膜的自噬體，包裹胞質(zhì)、細胞器和蛋白質(zhì)聚合物，運送至溶酶體進行分解代謝的過程，包括線粒體自噬、核糖體自噬、過氧化物酶體自噬等。其中線粒體自噬作為自噬的一種形式，在多種病理生理條件下發(fā)揮重要的促存活作用而受到廣泛的關(guān)注。線粒體自噬可以通過自噬降解受損或老化的線粒體，保障細胞內(nèi)氧化還原的穩(wěn)態(tài)。有研究證實線粒體的損傷能夠誘導(dǎo)線粒體發(fā)生特異性自噬的發(fā)生。

郭晶晶報道小鼠進行8周耐力跑臺訓練后，實時熒光定量PCR檢測腓腸肌線粒體清除分子（BNIP3/NIX）、低氧誘導(dǎo)因子（HIF）I～mRNA表達。結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動組BNIP3 mRNA和NIX mRNA表達無顯著變化，認為8周耐力訓練未影響衰老小鼠骨骼肌線粒體自噬水平，可能與線粒體功能適應(yīng)性提高有關(guān)。尚畫雨研究發(fā)現(xiàn)一次大負荷運動后，比目魚肌線粒體出現(xiàn)腫脹、肌膜下積聚，且伴有大量不同成熟階段的自噬體形成，運動后線粒體自噬蛋白帕金森病分子（PINK1/Parkin）及自噬相關(guān)蛋白Ub、p62、LC3表達升高。認為一次大負荷運動可導(dǎo)致骨骼肌線粒體結(jié)構(gòu)和功能受損，有大量自噬體形成，可能誘導(dǎo)了線粒體自噬的發(fā)生，而且可能是通過激活PINK1/Parkin通路，進而使Ub和p62在線粒體上表達，最終促進LC3與線粒體結(jié)合，三者協(xié)同調(diào)控線粒體自噬的發(fā)生。崔迪報道了哺乳類動物網(wǎng)織紅細胞成熟過程中NIX/BNIP3和PINK1/Parkin信號通路參與了粒體自噬的促進作用，而且高脂膳食可導(dǎo)致骨骼肌NIXI/BNIP3和PINK1/Parkin途徑依賴的線粒體自噬過程異常，但是耐力訓練可改善由高脂膳食導(dǎo)致的線粒體自噬異?，F(xiàn)象。

線粒體自噬是細胞適應(yīng)低氧的一種適應(yīng)性代謝反應(yīng)，且細胞在低氧條件下能通過上調(diào)HIF-1，激活BN1P3/BN1P3L及酵母中自噬相關(guān)基因在哺乳動物中的同源物Beclin-1介導(dǎo)的通路誘導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生，最終促進細胞存活，使機體對低氧產(chǎn)生適應(yīng)。一項關(guān)于慢性低氧及低氧聯(lián)合運動對骨骼肌線粒體自噬的研究探討了HIF-1a在其中的作用。大鼠經(jīng)過4周運動和低氧干預(yù)后，測試線粒體膜電位、ATP合成活力、Parkin、BNIP3和HIF—1a表達，結(jié)果表明低氧聯(lián)合運動可通過HIF-1a途徑促進了低氧誘導(dǎo)的BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬保護機制，從而提高骨骼肌線粒體的質(zhì)量。張輝測定了肥胖大鼠4周常氧和低氧運動訓練后自噬相關(guān)基因Beclin-1、P62、LC3表達。與常氧運動組相比，低氧運動組自噬相關(guān)基因表達量均顯著性升高，低氧運動能顯著提升自噬基因的相對表達量，促進自噬的發(fā)生，對維持機體細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)有重要作用。

因此，有研究認為細胞自噬是調(diào)節(jié)骨骼肌代謝穩(wěn)態(tài)必需的內(nèi)置機制，可降解肌肉收縮或運動時胞漿中衰老或錯誤折疊的蛋白質(zhì)或損傷線粒體等細胞組件。因此適量的線粒體自噬水平，有利于骨骼肌線粒體質(zhì)量控制，穩(wěn)定線粒體功能網(wǎng)絡(luò)，維持骨骼肌代謝功能穩(wěn)態(tài)。

6運動對骨骼肌線粒體生物合成的影響

骨骼肌組織是具有高度可塑性的組織，耐力運動與訓練可以誘導(dǎo)提高骨骼肌細胞的代謝能力以及運動能力。這種適應(yīng)性改變包括線粒體蛋白質(zhì)和自身各種代謝酶以及線粒體的增加，其結(jié)果導(dǎo)致骨骼肌線粒體的數(shù)量和質(zhì)量的增加，這種現(xiàn)象被稱為線粒體生物合成。研究發(fā)現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)錄因子：核呼吸因子-1/2（NRF-1/2），能夠激活一系列的細胞核編碼的線粒體基因的轉(zhuǎn)錄，細胞核編碼的線粒體基因啟動子中均存在NRF-1/2調(diào)控元件。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mtTFA）調(diào)控線粒體DNA的復(fù)制和基因的轉(zhuǎn)錄。過氧化物酶增殖激活受體一輔助激活物一1a（PGC-1a）可以激活NRFs轉(zhuǎn)錄，啟動線粒體生物合成。

陳淑妝等探討了不同強度長期耐力運動對骨骼肌線粒體生成相關(guān)分子信號的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)7周中等強度耐力運動增加骨骼肌線粒體生物合成，而7周大強耐力運動使骨骼肌PGC-1a蛋白表達下降，這可能是骨骼肌線粒體生成受損的信號。韓雨梅等探討了運動和增齡對大鼠骨骼肌線粒體生物合成的影響，大鼠進行12周中等強度跑臺運動后，PGC-1amRNA、NRF-1mRNA，mtTFA蛋白表達隨增齡顯著增加，并證實耐力運動可以誘導(dǎo)線粒體生物合成增加，增齡過程中蛋白水平變化出現(xiàn)不同步變化，提示增齡過程中線粒體生物合成調(diào)控途徑復(fù)雜，耐力訓練誘導(dǎo)骨骼肌線粒體生物合成的適應(yīng)性積累效應(yīng)隨著年齡增長而減少。

NO可能參與到線粒體的生物合成。陳英杰等觀察一次高負荷運動后，NO介導(dǎo)大鼠腓腸肌線粒體生物合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)運動后即刻，棑腸肌NRF-1mRNA，mtTFA mRNA，PGC-1a升高，一次高負荷運動會一過性地上調(diào)骨骼肌NOS活性和NOS mRNA的表達進而增加骨骼肌內(nèi)NO的水平，腓腸肌可能通過NO-NOS-cGMP通路激活參與調(diào)控NO體系，進而激活sGC-cGMP依賴信號途徑，激發(fā)線粒體生物合成。邱霓等建立4周運動大鼠模型，觀察內(nèi)源性一氧化氮合酶NOS抑制物非對稱性二甲基精氨酸（ADMA）及其信號通路在大鼠NO水平線粒體生物合成中的調(diào)節(jié)作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)比目魚肌ATP含量、線粒體DNA含量和PGC-Ia，NRF mRNA增加顯著，認為短期耐力運動通過過度增加的構(gòu)成型NOS促使ADMA水平反饋性升高，從而維持骨骼肌NO低幅度增加，促進線粒體生物合成有關(guān)。

7結(jié)語

綜上所述，線粒體是重要的細胞器，骨骼肌線粒體的功能制約著機體的運動能力，適當運動可以改善線粒體結(jié)構(gòu)與功能，進而達到提高運動能力和強身健體的目的。而運動對骨骼肌線粒體的影響是多方面的，運動后可以使線粒體在骨骼肌內(nèi)進行重新分布，同時形態(tài)結(jié)構(gòu)和能量代謝功能也發(fā)生變化，這些變化是線粒體對運動的反應(yīng)和適應(yīng)。同時，運動也可以導(dǎo)致線粒體動力學平衡的重新建立，促進線粒體自噬、凋亡和生物合成過程，有助于維持線粒體的質(zhì)量。通過研究，有助于深入認識運動對骨骼肌線粒體影響的分子機制，進一步從分子層面認識運動對骼肌的干預(yù)效應(yīng)。endprint