運動干預對機體代謝功能影響的研究進展

張歡 陳克基 路國濤

1揚州大學醫學院，江蘇 225000；2揚州大學附屬醫院消化內科，江蘇 225000

當今社會生活條件逐漸改善，人們的飲食與運動方式產生變化，與之相關的代謝相關疾病的發病率也大幅增高。2017年有文獻指出，調查發現我國成人代謝綜合征的發病率已達33.9%［1］，而2000年的發病率僅為16.5%，近20年內代謝綜合征的發病率急劇增長達2倍之多。根據2019年發布的《血脂異常基層診療指南》，我國有1.6億人血脂水平超出正常范圍，2.7億人患高血壓疾病，糖尿病患者數量9 240萬人，眾多的患病人數為家庭和社會都帶來了極大的負擔，而由此導致的一系列心腦血管疾病的致死性并發癥也成為危害患者生命健康的一大因素。代謝過程包含物質代謝和能量代謝兩大方面，機體任何一種物質代謝異常或能量生成利用障礙都會導致疾病的發生。由于代謝紊亂而導致的疾病類型范圍很廣，包括高血糖、高血脂、痛風、骨質疏松癥、激素代謝障礙等，治療方法主要側重于藥物治療和生活方式干預2種。藥物治療干預異常的代謝過程，一般需要終身服用，且可能存在耐藥和不良反應等問題，生活方式干預中重要的一項是體育運動干預，由于效果確切并且不存在不良反應，運動對于機體代謝的影響正逐步引起人們的重視。

1 運動干預與糖代謝

1.1 糖代謝紊亂疾病 糖代謝紊亂導致的疾病主要包括高血糖癥、2型糖尿病、酮癥酸中毒、乳酸性酸中毒等。臨床上常見因胰島素相對不足導致血糖濃度過高的2型糖尿病，胰島素抵抗是其重要成因之一。胰島素抵抗是指機體對胰島素生物作用的敏感性降低，因此胰島素促進機體氧化利用葡萄糖的生理效應減弱，從而導致血糖濃度升高。胰島素抵抗的發病機制可分為胰島素生物活性下降的受體前缺陷，胰島素受體數量減少或功能下降的受體缺陷以及細胞內信號傳導障礙的受體后缺陷3個不同水平的功能障礙，其中受體后水平缺陷致病較為多見。

1.2 運動影響糖代謝的機制 有研究證明，2型糖尿病患者在進行有氧運動、等距運動和抗阻性訓練后，病情可以得到顯著改善［2］。其機制主要在于運動能夠增強骨骼肌細胞攝取利用葡萄糖的功能，增強胰島素生物效應的敏感性，改善胰島素抵抗［3］。運動可以增加骨骼肌細胞膜上胰島素受體和葡萄糖轉運蛋白4的表達，提高胰島素與受體的結合率并促進骨骼肌細胞將葡萄糖運送進入細胞內部，在受體與受體后水平同時改善胰島素抵抗［4-5］。在糖尿病大鼠的骨骼肌中，LKB1-AMPK信號通路發生嚴重損傷，而經過長期有氧運動后，該通路中蛋白激酶及其亞基的磷酸化水平得到了改善，大鼠的血糖水平也有所下降，說明運動干預可以通過改善LKB1-AMPK信號通路來促進葡萄糖的攝取利用［6］。

此外，有學者認為，胰島素抵抗還與線粒體的損傷和異常有關。線粒體生成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的功能在胰島β細胞的信號轉導中至關重要，具體體現在線粒體轉錄因子A的失活可導致β細胞凋亡，從而使血清胰島素水平降低，血糖濃度升高［7-8］。中等強度運動后可發現細胞內線粒體數量顯著上升，氧化磷酸化進程加快，產生的能量增加［9］，有研究認為這與運動抑制線粒體自噬有關［10］。但最近有實驗發現，運動也可以誘導線粒體自噬。運動后線粒體過氧化物酶體增殖活化受體γ輔激活因子1α（PGC-1α）蛋白表達增多使其生物合成增加，同時由于運動中大量耗能，ATP水平下降，線粒體AMPK-ULK1信號通路被激活，從而提升線粒體外膜蛋白FUNDC1與自噬標志物LC3的連接能力，以此誘導線粒體自噬的發生，針對性清除結構紊亂或功能異常的線粒體［11］，保障正常骨骼肌線粒體生理功能的發揮。由于線粒體的合成與自噬都是線粒體質量控制體系的一部分，所以推測運動對于線粒體的最終影響都是保證其數量與結構的相對穩定，從而發揮穩定糖代謝水平的功能，在這個過程中自噬的抑制與誘導可能同時存在。

運動影響糖代謝的另一途徑是通過改善脂代謝實現的，由于運動狀態下消耗大量能量，機體加速脂代謝供給能量，脂質堆積減少，脂質對細胞的脂毒性降低，細胞功能恢復正常，骨骼肌細胞氧化利用葡萄糖以及胰島β細胞分泌胰島素的能力增強［12］。脂肪細胞分泌的視黃醇結合蛋白4是導致胰島素抵抗的相關因素之一，運動可降低視黃醇結合蛋白4的水平，從而增強胰島素敏感性［13］。

2 運動干預與脂代謝

2.1 脂代謝紊亂疾病 血液和組織器官中的脂質代謝過程異常可導致脂質的堆積或不足，脂質生成不足會影響機體的氧化供能，使細胞膜結構功能異常，類固醇激素生成障礙，脂質堆積則可導致肥胖、脂肪肝等。長期血脂代謝的紊亂還可能導致一系列心血管疾病，如高血壓、冠心病、高脂血癥、動脈粥樣硬化等，目前臨床上沒有療效確切的措施可以根治這類疾病，病情呈緩慢的持續發展趨勢，最終可導致心肌梗死、腦動脈栓塞等嚴重后果，患者需要終身服用藥物以防病情進展。心血管疾病導致的死亡已位居我國疾病死因構成的首位，因此有效預防控制脂代謝紊亂對維持患者生命健康有著至關重要的意義。

2.2 運動影響脂代謝的機制 研究顯示，有氧運動可有效降低患者的血壓和血脂水平，減少動脈硬化的發生，一定程度上降低心血管疾病的發生概率［14］。運動改善脂代謝的作用是被廣泛認可的，但究其機制學說眾多，尚無明確定論。骨骼肌、心臟、肝臟和脂肪組織是機體脂肪含量豐富的器官組織，有氧運動主要影響這些部位的脂質代謝。一定強度的運動可使機體動用脂肪氧化供能，從而消耗體內的脂肪儲存。脂蛋白是脂質運輸的載體，低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）運載膽固醇進入外周，膽固醇積聚于血管壁上導致動脈硬化，是冠心病的致病因子；高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）將外周的膽固醇轉運進入肝臟分解排泄，是冠心病的保護因子。采用低于乳酸閾的中低強度有氧運動可以增強脂蛋白酯酶的活性，從而提高血漿HDL水平［15］，而高于乳酸閾的無氧運動則會導致HDL水平下降［16］。由此可見，采取運動干預調節脂代謝時運動的強度需被納入考慮范圍內，低強度的有氧運動被認為更加有效。

過氧化物酶增殖物激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs）是一種配體誘導的核轉錄因子，與脂代謝過程密切相關，分為PPARα、PPARβ、PPARγ3種亞型。實驗發現，運動可以提高大鼠體內HDL膽固醇水平，降低LDL膽固醇、膽固醇、甘油三酯的水平，這一結果是通過上調肝臟、骨骼肌和脂肪組織中PPARβ/δ的表達來實現的［17］。PPARγ能夠誘導前脂肪細胞分化為成熟脂肪細胞，并且促進脂肪細胞內甘油三酯的合成，從而調控成熟脂肪細胞內脂肪的生成［18］。PPARγ是非編碼RNAmiR-27b的靶基因，miR-27b具備抗脂作用，運動狀態下miR-27b表達增加，通過負反饋下調PPARγ的表達，進而抑制脂肪細胞的分化，減少脂質的生成［19-21］。與糖代謝相似，運動也可以促進脂肪細胞的自噬，使甘油三酯、膽固醇降解生成游離脂肪酸為機體供能，維持脂質代謝的平衡，調節體內的脂肪含量［22］。

3 運動干預與蛋白質代謝

運動對蛋白質代謝的影響主要體現在對骨骼肌蛋白合成與降解的調節。運動后大鼠肌肉總蛋白含量增加，骨骼肌和血清IGF-1水平上升［23］。IGF-1被認為是骨骼肌細胞信號傳導系統的重要成分，可以刺激肌肉蛋白合成，導致骨骼肌肥大，肌肉質量增加［24］。然而在高海拔地區對大鼠進行運動訓練時，發現運動組的大鼠骨骼肌蛋白質含量降低，血尿素氮水平升高［25］，并且隨著地區高度的上升骨骼肌蛋白質減少的含量也更多。推測導致這一實驗結果差異的原因在于運動時機體所處的氧分壓不同，高原地區低氧狀態下的運動刺激使機體表現為負氮平衡，蛋白質大量分解。這一結果對骨骼肌發揮正常生理功能是不利的，低氧運動雖然可以刺激骨骼肌有氧代謝的能力，但在蛋白質代謝的層面上，卻也加速了肌肉蛋白的消耗。

支鏈氨基酸亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸在運動中可以參與機體的氧化供能，肌肉中支鏈氨基酸氧化分解可促進ATP生成［26］。亮氨酸還具有增強骨骼肌蛋白質生成，減少骨骼肌以外的組織蛋白質分解代謝的功能，可使機體出現正氮平衡。由此推測在低氧運動狀態下補充支鏈氨基酸或許可以對抗蛋白分解對骨骼肌帶來的不利影響，一方面通過氧化為機體供能，另一方面能夠減少骨骼肌蛋白質的降解。

4 運動干預與激素代謝

與運動過程密切相關的激素主要包括甲狀腺激素和雌激素。甲狀腺激素可以加速機體的代謝過程，增加氧的消耗并生成熱量為機體供能，雌激素則可以促進骨及骨骼肌的代謝。

甲狀腺激素具有促進機體物質及能量生成的功能，急性高強度運動后血清和心肌細胞中甲狀腺激素水平升高［27］，推測這可能是由于促甲狀腺激素釋放增多引起的，然而過度升高的甲狀腺激素會加強心肌細胞代謝耗氧，超負荷的心肌代謝可能造成心肌損傷，導致心源性的運動性猝死［28］。

卵巢和胎盤是機體生成雌激素的主要部位，除此之外，骨骼肌則是外周組織產生雌激素的重要部位。雌激素具有抗氧化能力，可以減輕氧化應激對骨骼肌帶來的損傷［29］，同時還具有調節肌肉糖代謝以及促進肌肉蛋白合成的功能［30］，使骨骼肌產生更強的收縮能力。一定時間強度的運動可使骨骼肌內雌二醇含量增加，但血液中雌激素的含量無 明 顯 變 化［31-32］。脫 氫 表 雄 酮（dehydroepiandrosterone，DHEA）是雌激素生成的前體物質，DHEA在類固醇脫氫酶催化下合成睪酮，睪酮在芳香化酶作用下生成雌激素。有實驗提出運動可以提高肌肉DHEA的水平，從而促進雌激素的生成，但也有學者認為運動中雌激素水平的升高與DHEA并無顯著關系，故對于DHEA是否與運動影響雌激素代謝有關還需進一步研究。運動后的大鼠肌肉中芳香化酶的表達增加［33］，由此使得雌激素水平也進而升高。不同運動強度對雌激素的影響也截然相反，中等時間強度的運動可使雌激素生成增多，但過量運動反而會導致雌激素水平降低，這可能與下丘腦-垂體-性腺軸功能受抑有關［34］。

5 運動干預與骨代謝

骨骼系統功能減退導致骨質量和骨密度的下降是骨質疏松發生的重要病因，進行肌肉骨骼運動可以調節骨代謝，增加骨質量，促進新骨形成［35］。不同的運動方式對骨代謝的促進作用也不相同，有氧運動和阻力訓練均具有良好的正性調節作用，相比之下阻力訓練具有更好的效果。運動促進骨代謝的調節機制有兩個方面，一方面是機械壓力的作用，運動產生的壓力直接作用于骨骼，骨組織中的成骨細胞、骨細胞、骨襯細胞等是力學敏感細胞，在感知到運動壓力后這些細胞功能被激活，可以促進新骨的生成。另一方面調節主要是通過雌激素實現的。骨骼OPG-RANKL-RANK系統負責調節破骨細胞的分化與凋亡，維持骨代謝平衡［36］。骨保護素配體RANKL與其受體RANK結合，激活破骨細胞的活性及分化，骨保護素（osteoprotegerin，OPG）可阻斷RANKL與RANK結合［37］，抑制骨吸收及破骨細胞活化。上文已經提到，運動可以使雌激素的分泌增加，雌激素水平升高刺激OPG表達，從而導致破骨細胞凋亡，抑制破骨性骨吸收［38］，而高強度的過量運動由于雌激素水平反而降低，會導致骨質過度丟失，骨組織的破壞加劇［39］。雌激素還可以直接與成骨細胞和破骨細胞上的雌激素受體結合，促進成骨細胞增殖，抑制破骨細胞活性，綜合調節骨代謝。

6 小結

運動干預作為一種非藥物治療性的干預手段，對機體多項代謝過程都有著良好的調控作用。適量適度的運動可以促進糖脂代謝，減少組織和血液中糖類物質和脂質的沉積，降低糖尿病、心血管疾病的患病風險。就機制而言，運動影響糖脂代謝的過程有許多的相似之處，往往在促進糖代謝的同時也會促進脂代謝。運動對蛋白質的影響主要在于促進肌肉蛋白的合成，使骨骼肌質量增加。此外運動還可促進甲狀腺激素與雌激素的分泌，甲狀腺激素的分泌過多會對心肌細胞產生損傷，而雌激素的分泌則與骨骼和骨骼肌的代謝密切相關。由運動性壓力和雌激素介導的骨代謝加速是運動預防骨質疏松的重要依據。雖然運動可以在很大程度上改善機體代謝能力，但運動的強度和方式對最終的結果至關重要，過高強度的運動反而會導致分泌產物減少甚至產生組織損傷，因此在制定運動方案時需注意這一點。總的來說，運動干預是促進機體代謝的一項治療手段，具有良好的治療效果，在掌控好強度的情況下，不良反應極其微小，一次運動同時促進多項代謝的過程，綜合改善機體代謝紊亂的情況，在代謝性疾病的預防與治療中可以發揮相當可觀的效用。