李同明　王素強　劉洪軍　王 慧*（山東農(nóng)業(yè)大學動物科技學院　山東 泰安　271000?、谏綎|省委黨校文史部體育教研室　山東 濟南③山東省海洋生物研究院　青島）

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運動對動物脂肪代謝和能量代謝的影響研究進展

李同明①王素強②?劉洪軍③*王 慧①*
（①山東農(nóng)業(yè)大學動物科技學院山東 泰安271000②山東省委黨校文史部體育教研室山東 濟南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致的動物亞健康是世界性的科技難題和研究熱點，運動可以顯著改善動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。運動需消耗大量能量，這來源于骨骼肌的收縮。骨骼肌的收縮會消耗能量，改變機體的能量平衡，也因此會啟動抑制這種改變的機制，而雷帕霉素靶蛋白mTOR在其中發(fā)揮著重要作用。運動對靜息能量代謝有明顯的影響；對骨骼肌的代謝及脂肪代謝及其調(diào)節(jié)都有顯著影響。運動與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)信號通路研究，對于探討運動預防和控制人類慢性病的機制具有重要指導意義。

運動是改善動物有機體健康狀況的最重要的方式之一，運動不足是動物有機體健康狀況下降的重要原因，這是因為運動不足會直接導致動物有機體身體素質(zhì)、抗病力和耐受各種應激刺激的能力下降；還會間接影響動物的生活力、生長發(fā)育和繁殖力。保證每天有規(guī)律的適宜運動是增強動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)運動強度與能量代謝

運動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體最大氧化脂肪水平，在運動強度與脂肪氧化率相互關系之間存在誘導脂肪氧化率出現(xiàn)最大值的運動強度，稱為最大脂肪氧化強度(The exercise intensity eliciting maximal fat oxidation，F(xiàn)atmax)[1]。確定Fatmax對減少體脂含量、建立慢病運動處方有重要意義[2]。急性或長期Fatmax運動強度對能量代謝，即能量的攝入與消耗、減控體重的實證研究有重要意義[3]。有機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)評價。在運動強度由低到高增加的過程中，脂肪氧化率會存在一個最高值，學界把促使機體出現(xiàn)脂肪氧化利用最大化的這個運動強度稱為Fatmax[1-2]，其在科學運動實踐中有重要應用價值[3-4]，在脂肪代謝的運動干預實踐應用中有重要作用，已成研究熱點[4]。

甘油三酯(triglyceride, TG)是動物有機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）脂肪的動員即脂肪組織和肌細胞內(nèi)甘油三酯的分解；（2）隨著血液循環(huán)運輸?shù)竭_骨骼肌；（3）骨骼肌從血液攝入游離脂肪酸進入胞漿；（4）游離脂肪酸活化；（5）活化的脂肪酸被轉(zhuǎn)運到線粒體；（6）脂肪酸在線粒體氧化。脂肪酸從脂肪組織轉(zhuǎn)運到肌肉線粒體的過程中要涉及許多酶類和調(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)運蛋白(FATP)、等的表達水平和轉(zhuǎn)運水平以及細胞膜肉堿酰基轉(zhuǎn)移酶I(CPTI)的活性對脂肪酸轉(zhuǎn)運和攝取具有重要調(diào)節(jié)作用[8]。胰島素可誘導FABPpm和FAT/CD36向細胞膜轉(zhuǎn)移，也可誘導FAT/CD36向線粒體轉(zhuǎn)移[9]，以及誘導FAT/CD36和FATP1的表達[10]。肌肉收縮不僅可誘導FABPpm和FAT/CD36向質(zhì)膜轉(zhuǎn)移，也可誘導FAT/CD36和FABPpm的表達[11]，高脂肪飲食，急性運動和短時間運動可以通過轉(zhuǎn)運或合成來上調(diào)肌細胞膜FAT/CD36的含量，使得脂肪酸攝入和氧化增加[12]。然而，具體準確的誘導這種轉(zhuǎn)運產(chǎn)生的信號途徑還有待進一步解釋。動物研究提示：一磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMPK)在運動誘導的轉(zhuǎn)運中具有一定作用[13-14]。

2　運動與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)的信號通路研究

（1）運動與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)的信號通路研究是揭示運動增強體質(zhì)機制的關鍵所在。運動與能量代謝調(diào)控研究主要集中在脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)相關的mTOR和PGC-1s等信號通路方面，短期和長期有氧或抗阻力運動是否對體脂肪和骨骼肌調(diào)節(jié)信號通路有影響?其內(nèi)在機制是否與上述兩條信號通路有聯(lián)系? 已有的基因敲除實驗已證實了PGC-1s在運動改善胰島素抵抗(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個成員(PR domain-containing 16)，近年來發(fā)現(xiàn)它是調(diào)控肌肉脂肪代謝的蛋白，在人類和小鼠器官組織中均能夠檢測到PRDM16的基因mRNA的表達。有機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是哺乳動物存儲能量的主要器官，還可通過釋放激素和細胞因子參與調(diào)節(jié)內(nèi)分泌代謝和胰島素抵抗狀態(tài)；而BAT則具有許多生物學活性，且與體溫調(diào)節(jié)有關，BAT產(chǎn)熱耗能的功能源于其線粒體內(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胞的分子量為32kDa的蛋白質(zhì)，是決定BAT產(chǎn)熱水平的關鍵因素，檢測UCPl及其表達水平即可驗證BAT是否存在及評估BAT的活性。探索BAT活性的調(diào)控機制主要是研究UCP1的調(diào)控與通路。因BAT 具有較高的生物學活性，所以被稱為活性棕色脂肪組織(Active brown adipose tissue, aBAT)。多項獨立研究顯示，成人體內(nèi)也存在aBAT，且BAT的陽性率及活性與年齡、性別、體重指數(shù)(Body mass index，BMI)相關，提示BAT可能參與維持能量代謝的平衡。人體試驗表明，BAT陽性組相比于陰性組，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。說明成人aBAT在糖脂代謝過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。溫度、年齡和運動均是成人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)化過程中對特異基因的表達起著類似“開關”的作用?？赏ㄟ^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基因的表達。通過這種方式，PRDM16促進表達有成肌調(diào)節(jié)因子基因Myf5的前體細胞分化為棕色脂肪細胞，以增加熱量的產(chǎn)生，減少體內(nèi)脂肪堆積，可見，通過激活PRDM16來增加棕色脂肪組織在治療肥胖及相關疾病方面具有很大潛力。PRDM16的作用主要有：①促進相關活性蛋白基因的表達；②抑制肌分化因子(MyoD)、肌形成蛋白(MyoG)及相關蛋白的基因表達；③通過轉(zhuǎn)錄復合物(PRDM16/CtBP和PRDM16-C/EBP-β)調(diào)控BAT-WAT和WAT-SMT選擇性基因表達程序；④調(diào)控脂肪和骨骼肌的形成，誘導線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)基因敲除實驗和相關的原代脂肪細胞培養(yǎng)試驗尚未開展，難以說明能量代謝通路的唯一性。

3　mTOR信號通路與骨骼肌代謝

（1）mTOR是哺乳動物的一種絲氨酸和蘇氨酸蛋白激酶，因為鏈霉菌的衍生物雷帕霉素可以阻斷其活性，因此被稱為雷帕霉素靶蛋白，它是細胞內(nèi)高度保守的營養(yǎng)狀態(tài)和能量水平感受器，在細胞的生長、增殖、分化、存活和遷移中扮演重要角色；也是一種強有力的促蛋白合成的信號分子，在蛋白合成的調(diào)控中占有重要地位。mTOR信號轉(zhuǎn)導通路是營養(yǎng)、化學和運動等因素導致細胞分化和細胞生長的一個關鍵信號轉(zhuǎn)導通路。mTOR是由2459個氨基酸分子組成的大分子蛋白質(zhì)，其活性受細胞生長因子、營養(yǎng)素以及能量敏感相關信號通路的調(diào)節(jié)。（2）運動是一個需要大量能量的過程，而能量來源于骨骼肌的收縮。骨骼肌的收縮會消耗能量，從而會改變機體的能量平衡，也因此會啟動抑制這種改變的機制，而mTOR在其中發(fā)揮著重要作用。運動與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)信號通路研究，對于揭示運動防控人類慢性病的機制和治療具有重要意義。肌肉運動可以激活一些與肌肉蛋白質(zhì)合成有關的生長因子。mTOR信號轉(zhuǎn)導通路通過增加特異性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PI3K和Akt激活，最后在力學負荷過載的情況下激活其效應子p70s6k。動物的運動行為經(jīng)由PI3K/Akt/mTOR/p70s6k信號轉(zhuǎn)導通路，能有效刺激肌肉合成代謝信號分子的激活。不同的運動模式對于mTOR/p70s6k信號通路的影響不同，探索不同是運動模型類型、強度和時間，有利于深入了解mTOR/p70s6k信號轉(zhuǎn)導通路。（3）TOR信號通路在細胞生長、增殖以及代謝調(diào)控方面有重要作用，其功能紊亂時會引起腫瘤、代謝病及發(fā)育缺陷等。p70S6K1是研究比較透徹的mTORC1下游效應分子之一。S6K1通過磷酸化多種底物參與眾多生理過程的調(diào)控，包括細胞生存、蛋白質(zhì)合成以及mRNA剪接等。S6K1的激酶活性受到自身多個位點磷酸化修飾的調(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。有試驗顯示，12周齡雄性SD大鼠的低氧耐力運動對mTOR和p70S6K有顯著抑制效應。耐力運動會促進mTOR/p70S6K通路的表達，進而促進肌肉蛋白的合成；單純低氧暴露可通過抑制mTOR/p70S6K的表達，而抑制肌肉蛋白合成；低氧耐力運動可削弱低氧對mTOR/p 70S6K表達的抑制作用。（4）研究發(fā)現(xiàn)，運動一方面會通過PI3K/Akt/mTOR和PI3K/Akt/TSC12/mTOR兩條信號通路引起骨骼肌的肥大；另一方面，運動又通過AMPK/TSC2/ mTOR信號傳導通路引起骨骼肌萎縮。大量研究表明，有氧耐力運動對mTOR的表達有積極的影響。但是，也有許多研究卻有相反的結(jié)論。有研究發(fā)現(xiàn)，有氧耐力訓練僅僅增強了AMPK的活性及其mRNA表達，但APMK活性的增加卻抑制了mTOR的活性及其下游信號傳導通路，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)運體在調(diào)節(jié)脂肪酸轉(zhuǎn)運和攝入上起重要作用。能量代謝平衡對于動物維持健康狀況及其重要。有規(guī)律的運動可以改善組織與器官的功能狀態(tài)，從而維護機體脂肪代謝和能量代謝的平衡[15]。運動會引起骨骼肌的收縮而消耗能量，從而會改變機體的能量平衡，也因此會啟動抑制這種改變的機制，mTOR在其中發(fā)揮著重要作用。運動與脂肪代謝和骨骼肌代謝調(diào)節(jié)信號通路的研究，對于探討運動預防和控制人類慢性病的機制具有重要的指導意義。

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收稿日期：（2015–12–16）

基金項目：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)濟生物種質(zhì)資源收集保護與評價（SDAB-2012-01-04;2013-01-04）”、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系蝦蟹類創(chuàng)新團隊(SDAIT-15-011)項目共同資助。

中圖分類號：S8

文獻標識碼：A

文章編號：1007-1733(2016)01-0056-03