运动与工作肌激素敏感性脂肪酶关系研究进展

宋刚 廖莉 谢敏豪

1广西师范大学体育学院（桂林 541004） 2广西师范大学，药用资源化学与药物分子工程教育部重点实验室 3北京体育大学运动人体科学学院

在人体的能源系统中，与糖储备相比，内源脂肪是一种相对无限的能源。人体脂肪一般储备于脂肪组织、肌肉组织和肝组织中。脂肪在能量稳态中具有负调控作用。脂肪组织中的脂肪主要以甘油三酯的形式存在。当机体需要能量时，就会以脂肪酸的形式释放能量为机体供能。甘油三酯由脂肪酶催化水解为甘油和脂肪酸，这个过程称为脂肪水解（lipolysis）。甘油三酯的贮存和释放是一个动态的内部平衡过程。激素敏感性脂肪酶（hormone sensitive lipase，HSL）在细胞内脂肪水解过程中起主要的调节作用［1］。本文就运动与HSL之间关系及研究进展进行综述，对运动时的甘油三酯情况进行更系统、深入的研究，为运动减肥、运动时脂肪供能等运动医学热点研究提供理论基础。

1 HSL和脂肪水解过程概述

HSL是一种细胞内的中性脂肪酶，特异性比较弱，能水解甘油三酯、甘油二酯、甘油一酯和胆甾烯基酯，却没有水解磷脂酶活性［2］。HSL水解甘油二酯能力大约是水解甘油三酯的10倍、是水解甘油一酯能力的5倍。

HSL对生物来说非常重要，2006年斯坦佛大学的Kraemer在《Nutrition&Metabolism》发表论文论证了这个观点。他采用基因敲除法对HSL的生物功能进行直接观察，发现HSL基因敲除的小鼠白色脂肪组织减少，褐色脂肪组织增多，脂肪组织中巨噬细胞的数量明显增加。这可能改变了参与脂肪分化基因的表达，包括转录因子、脂肪细胞分化标志物、脂肪酸和甘油三酯相关合成酶。伴随HSL的基因敲除，脂肪水解能力被破坏，脂质合成（lipogenesis）和脂肪代谢能力明显下降［3］，这说明了HSL在脂肪的合成及分解代谢中起着无可替代的作用［3］。

人类的 HSL基因位于 19q13.3，有 9个外显子［4］。HSL主要由脂肪组织分泌，也在胰腺、睾丸、肌肉、肾上腺等组织发现表达。值得指出的是，大鼠骨骼肌HSL蛋白及其基因表达首先由Holm和他的同事通过 Western blotting和 Northern blotting 来证实［4，5］。HSL 结构由 3个结构域组成，即水解域、调节域和N－端结构域。水解域、调节域存在几个调节的磷酸化位点，N－端结构域参与脂肪与蛋白、蛋白与蛋白的相互作用［6］。

细胞内脂肪水解调节过程如图1所示。

Perilipin是包被于脂滴表面的一种磷蛋白，特异表达于脂肪细胞和类固醇生成细胞中，对脂肪分解具有双重调节作用，可以调控脂肪水解速率及脂肪组织中甘油三酯的释放。（1）在基础状态下，Perilipin A和CGI-58形成复合物于脂滴表面，ATGL部分位于脂滴表面、部分位于胞液中，而HSL则主要位于胞液中。这样的分布情况使Perilipin像屏障一样阻碍了HSL与脂质小滴的接触，阻止了脂肪小滴由HSL引起脂肪水解。（2）Perilipin磷酸化有助于HSL从胞浆中移位至脂滴［9］。在能量需求增加的情况下，PKA激活，促脂肪水解激素通过信号传导途径引起Perilipin和HSL磷酸化，促使Perilipin从脂肪小滴移除，重新分布或表达降低，HSL才移位到脂肪小滴上，发挥水解活性，促使脂肪酸和甘油释放并转运［2，10］。

2 运动时工作肌HSL变化的在体研究

通过敲除小鼠基因了解运动时目的基因的生物学作用，是后基因组时代一个重要研究方法。以HSL缺失型小鼠作为实验动物，观察亚极量运动时脂肪水解能力是否能由其它的脂肪水解酶来代偿。结果发现在跑台运动中，HSL缺失型小鼠肝糖原储备迅速消耗，血浆甘油和游离脂肪酸浓度降低。这说明在亚极量运动时，HSL为机体起用脂肪水解供能起到了不可缺少的作用［11］。

2.1 运动初期工作肌HSL的变化

以大约65%VO2max运动1分钟，间隔60分钟，再以大约90%VO2max运动1分钟。在这两个1分钟运动的运动前、后分别进行骨骼肌活检，动脉留管获得血液样品，测定相关指标。结果显示，动脉血肾上腺素水平上升。在65%VO2max和90%VO2max运动后，HSL、腺苷酸环化酶cAMP）、HSL Ser660位点和细胞外调节蛋白激酶 1/2 ERK1/2）活性都上升，而 HSL Ser563和 Ser565位点的活性没有差异，结果表明这两个1分钟运动会引起动脉肾上腺素水平升高；诱导cAMP浓度上升，引起HSL Ser660磷酸化。以65%VO2max和90%VO2max强度运动1分钟，肾上腺素水平上升有助于增强HSL活性［12］。这提示，中等和高强度运动开始后短时间内，机体激活肾上腺素分泌上调了工作肌HSL的活性。

2.2 运动训练时工作肌HSL的变化

目前，对肌肉HSL蛋白含量进行测定和运动训练时HSL变化的研究报道不多。Talanian等人对经常运动的妇女进行两周高强度有氧间歇运动训练，训练前后相比，HSL蛋白含量有上升趋势，但差异并不具有统计学意义。他认为可能是运动时间不够长，还不足以刺激HSL蛋白含量上升［13］。近来，Alsted发现工作肌HSL蛋白含量对长期的耐力训练并不敏感。在他的研究中，对10名男子进行8周耐力训练后的肌肉活检，Western blotting法测定其中的蛋白含量，结果表明，训练后肌内甘油三酯（Inramuscular triacylglycerol，IMTG）浓度显著下降 28%，而HSL蛋白含量并没有显著性改变。HSL-Ser（660）位的磷酸化上升，HSL-Ser（659）位磷酸化没有变化，而 HSL-Ser 565）磷酸化下降［14］。这提示可能存在长期耐力训练引起其它HSL蛋白的变化。

2.3 训练水平差异时工作肌HSL的变化

Helge通过对经常锻练和不常锻练的健康男子以58%VO2max运动3小时进行对照实验，发现无论是在安静状态还是运动后，两者之间HSL活性差异并不具有统计学意义，但IMTG动员差异具有统计学意义。他认为实验组和对照组HSL存在调节差异，也可能存在其它的水解酶干预［15］。训练水平差异对工作肌HSL变化的影响有待于进一步研究。

2.4 性别对工作肌HSL变化的影响

只有1例实验报道显示，安静时女性骨骼肌HSL基因和蛋白表达水平高于男性。在随后的运动实验研究中，9名女子和8名男子进行90分钟60%VO2max强度自行车运动，测定缝匠肌HSL基因和蛋白表达，以及Ser位点的磷酸化和HSL活性。研究发现HSL活性在运动过程中显著上升，且不具有性别差异。但男性HSL活性上升幅度高于女性。在运动将要结束时，男性和女性肾上腺素水平上升，且男性肾上腺素上升水平幅度要高于女性。尽管运动时骨骼肌HSL表达和Ser（659）磷酸化具有性别差异，但离体实验中骨骼肌HSL活性并不具有性别差异［16］。女性基础IMTG水平较男性高，这可能是运动时女性MTG水解高的原因。

2.5 工作肌HSL的调节

运动过程中，工作肌HSL活性调节是运动生物化学研究的重要领域。Watt等发现，8名男子进行10分钟自行车运动。分别在运动前、运动后1分钟和运动后10分钟活检取肌肉样本。发现运动1分钟后，HSL活性增加，90%VO2max运动高于 30%和 60%VO2max。但 30%和60%VO2max运动 10分钟后 HSL活性仍继续上升，而90%VO2max运动10分钟后，HSL活性却显著性下降［17］。这种现象说明，运动早期的因素（比如Ca2+释放）可能引起HSL活性上升。HSL活性的变化还与运动强度有关，大强度运动抑制HSL活性，其机制仍有待进一步研究。

运动前肌糖原储备与腺苷酸活化蛋白激酶α2亚基（AMPKα2）活性呈负相关，利用这一特性，通过控制运动前糖原水平，观察AMPK可能引起的生物学作用。10名健康男子以65%VO2max进行功率自行车运动，HSL活性在运动60分钟时达到最高并在120分钟时恢复到原有水平。肌肉HSL活性增加伴随血浆肾上腺素浓度增加和胰岛素水平下降。即使有激素的变化，HSL活性随时间出现的变化并不同，肌肉腺苷一磷酸（AMP）浓度于运动开始后逐级上升。有人发现运动前低肌糖原水平伴随工作肌AMPKα2活性上升，工作肌HSL活性发生改变。而运动前正常肌糖原水平下HSL活性下降，却没有出现AMPKα2活性上升。肾上腺素和胰岛素浓度也只有少量变化。结果表明，AMPK磷酸化 HSL-Ser（565）位点，但HSL-Ser（565）活化却对运动中 HSL 活性没有影响［18］，这提示可能还存在其它影响因素，削弱了AMPK对HSL活性的作用。

运动早期肌肉HSL活性上升伴随ERK浓度上升、肾上腺素浓度上升以及胰岛素水平下降。外源注射肾上腺素也有相同结果［19］。然而，在不同条件下HSL和ERK的激活与运动并无密切相关［18，19］。肾上腺切除及皮质醇替代治疗的病人进行45分钟和60分钟中等强度自行车运动并没有引起HSL活性的改变，但注射肾上腺素的病人却可见HSL活性提高，提示短期亚极量运动和肾上腺素的作用是相互叠加的［19］。还有研究表明，胰岛素和肾上腺素对工作肌HSL活性各自起作用，在长时间运动时摄入糖溶液会提高胰岛素水平和降低肾上腺素的浓度，120分钟的对照实验使HSL活性的增加幅度被削减［20］。

3 运动时工作肌HSL变化的离体实验研究

3.1 不同肌纤维

工作肌分离及肌组织离体培养是探究运动时骨骼肌生理、生化反应机制的一种常用方法。通过冰干和使用胶原酶处理，Langfort获得了约70克纯化的青年雄性Wistar大鼠比目鱼肌。这些肌纤维富含脂肪小滴，其中HSL蛋白可通过Western blotting法测定。HSL蛋白表达存在肌纤维类型的差异，如比目鱼肌（I型肌纤维）HSL蛋白表达是横隔肌（IIa型肌纤维）的4～9倍。不同肌纤维类型的HSL蛋白表达差异与IMTG水平和氧化能力之间存在直接相关。在不同组织中，HSL蛋白表达也存在差异：比目鱼肌中，HSL蛋白水平与甘油三酯浓度比是附睾周脂肪内组织的10倍。就脂肪水解能力而言，肌肉组织的脂肪水解能力比脂肪组织高［16］。这说明HSL蛋白表达存在骨骼肌类型差异。

3.2 电刺激肌肉收缩

Langfort电刺激离体培养的比目鱼肌，肌肉收缩的同时HSL活性上升，这个过程是一过性的，迅速而短暂。有别于由肾上腺素引起的激活，这个过程不能被肾上腺素能受体或交感神经切除术阻断。这表明它不由肌细胞表面的交感神经来激活［21］。在肌肉匀浆中对HSL使用免疫沉淀反应会引起HSL蛋白下降80%，由收缩引起的HSL活性上升被抑制。孵育肌肉HSL活性增加在收缩时和注入肾上腺素时都会达到最大。

3.3 工作肌HSL的调节信号分子

调节工作肌HSL的信号分子非常复杂，目前已知主要调节信号分子的作用如下所述。

肌肉能荷（energy charge）下降能上调AMPK活性。ATP浓度下降、ADP和AMP浓度上升，通过共价或变构作用激活AMPK。体外实验证实，AMPK激活与HSL-Ser（565）磷酸化有关。体外孵育的肌肉收缩伴随有AMPK活性和HSL-Ser（565）活性的提高。需要指出的是，HSL-Ser（565）磷酸化不是AMPK激活的充分条件，更不能解释肌内HSL活性上升。多项研究报道已发现，收缩肌HSL活性会因蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）病理性抑制而失活，而HSL-Ser（565）活性却没有下降。研究表明AMPK参与了运动中肌肉组织HSL的激活［11，17，22］。然而，与IMTG水解能力下降相同，在培养的L6成肌纤维中，5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-riboside，ICAR），一种 AMPK 的激动剂，会激活AMPK并抑制大鼠肌肉HSL活性［11，23］。AMPK是一种影响HSL活性的物质。运动前低肌糖原贮备通过上调AMPK活性起到抑制运动、诱导HSL活性上升的作用［11］。同时，长期耐力运动（90分钟）抑制HSL活性。磷酸位点在 Ser565位点，但并不是所有位点［18，24］。有趣的是，AICAR处理 AMPK激酶（AMPKK） 静默小鼠，HSL-Ser（565）位点的磷酸化会被抑制，但在肌肉收缩时，磷酸化活性仍保持，表明肌肉收缩时可能有其它激活HSL Ser（565）位点的激酶存在［25］。

Ca2+是调节IMTG水解的一个信号分子。PKC蛋白一个亚型会削弱肌肉收缩引发的HSL活性上升，而PKC蛋白的一种抑制剂会阻断Ca2+对该亚型的激活。尽管PKC蛋白抑制剂的作用还不是很确定［26］，但能确定是通过PKC途径收缩激活HSL。胞外调节蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK） 也参与 HSL 的激活［26］。在静息肌肉中，PKC激活伴有ERK磷酸化并会引起HSL活性的提高。收缩肌中ERK的完全阻断会降低HSL活性增加，其抑制效果能达到50%。当加入非收缩肌组织匀浆会对HSL活性产生类似于收缩肌HSL的影响，在电刺激的收缩肌匀浆中却没有发现这一情况。用肾上腺素来孵育比目鱼肌，研究发现肾上腺素会引起肌内HSL活性迅速上升，并能长时间保持活性。使用HSL拮抗剂时HSL活性会迅速消失。但对孵育肌肉使用β－肾上腺素能受体阻断剂，再使用cAMP-依赖性蛋白激酶，结果却发现HSL激活，这说明肾上腺素对HSL的激活是通过cAMP来实现的。

安静时HSL活性大约是收缩和β－肾上腺素能受体活化的总甘油三酯水解酶活性的 60%［11，16］。在运动中，肾上腺素水平上升，并通过 PKA激活 HSL－Ser（563）和 Ser（660）位磷酸化［16，19］来激活 HSL 活性。β－肾上腺素能受体激活HSL活性，并不依赖于其它的收缩调节因素，比如 ERK 信号蛋白［26］。

可见，有关工作肌HSL的调节信号分子仍存在许多问题，这亟待借助分子生物学和信号传导学方法进行深入研究。

4 总结和展望

作为一种中性的脂肪水解酶，工作肌HSL受肌纤维类型、性别差异等因素的影响。运动起始时，HSL活化参与工作肌脂肪水解，这同时也是运动引起脂肪水解增加的主要原因。运动诱导多种激素变化对工作肌HSL进行调节，达到对IMTG水解的调节。AMPK、Ca2+、cAMP和PKC可能是工作肌HSL活性调节的信号分子。同时，仍有如下问题有待于进一步研究，如：运动对HSL调节的信号途径中的第一信号分子、第二信号分子及其作用的具体位点；相关研究在运动减肥领域的应用；运动中HSL变化与代谢病的联系。

［1］Langin D，Holm C，Lafontan M.Adipocyte hormone-sensitive lipase：a major regulator of lipid metabolism.Proc Nutr Soc，1996，55（1B）：93-109.

［2］Kraemer FB，Shen WJ.Hormone-sensitive lipase：control of intracellular tri-（di-）acylglycerol and cholesteryl ester hydrolysis.J Lipid Res，2002，43（10）：1585-94.

［3］Kraemer FB，Shen WJ.Hormone-sensitive lipase knockouts.Nutr Metab（Lond），2006，3（1）：12.

［4］Holm C，Kirchgessner TG，Svenson KL，et al.Hormone-sensitive lipase：sequence，expression，and chromosomal localization to 19 cent-q13.3.Science，1988，241（4872）：1503-6.

［5］Holm C，Belfrage P，Fredrikson G.Immunological evidence for the presence of hormone-sensitive lipase in rat tissues other than adipose tissue.Biochem Biophys Res Commun，1987，148（1）：99-105.

［6］Yeaman SJ.Hormone-sensitive lipase-new roles for an old enzyme.Biochem J，2004，379（Pt 1）：11-22.

［7］Watt MJ，Steinberg GR.Regulation and function of triacylglycerol lipases in cellular metabolism.Biochem J，2008，414（3）：313-25.

［8］Watt MJ.Triglyceride lipases alter fuel metabolism and mitochondrial gene expression.Appl Physiol Nutr Metab，2009，34（3）：340-7.

［9］Sztalryd C，Komaromy MC，Kraemer FB.Overexpression of hormone-sensitive lipase prevents triglyceride accumulation in adipocytes.J Clin Invest，1995，95（6）：2652-61.

［10］Tansey JT，Sztalryd C，Hlavin EM，et al.The central role of perilipin a in lipid metabolism and adipocyte lipolysis.IUBMB Life，2004，56（7）：379-85.

［11］Watt MJ，Steinberg GR，Chan S，et al.Beta-adrenergic stimulation of skeletal muscle HSL can be overridden by AMPK signaling.FASEB J，2004，18（12）：1445-6.

［12］Talanian JL，Tunstall RJ，Watt MJ，et al.Adrenergic regulation of HSL serine phosphorylation and activity in human skeletal muscle during the onset of exercise.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2006，291（4）：R1094-9.

［13］Talanian JL，Galloway SD，Heigenhauser GJ，et al.Two weeks of high-intensity aerobic interval training increases the capacity for fat oxidation during exercise in women.J Appl Physiol，2007，102（4）：1439-47.

［14］Alsted TJ，Nybo L，Schweiger M，et al.Adipose triglyceride lipase in human skeletal muscle is upregulated by exercise training.Am J Physiol Endocrinol Metab，2009，296（3）：E445-53.

［15］Helge JW，Biba TO，Galbo H，et al.Muscle triacylglycerol and hormone-sensitive lipase activity in untrained and trained human muscles.Eur J Appl Physiol，2006，97（5）：566-72.

［16］Langfort J，Ploug T，Ihlemann J，et al.Expression of hormone-sensitive lipase and its regulation by adrenaline in skeletal muscle.Biochem J，1999，340（ Pt 2）：459-65.

［17］Watt MJ，Heigenhauser GJ，Spriet LL.Effects of dynamic exercise intensity on the activation of hormone-sensitive lipase in human skeletal muscle.J Physiol，2003，547（Pt 1）：301-8.

［18］Roepstorff C，Vistisen B，Donsmark M，et al.Regulation of hormone-sensitive lipase activity and Ser563 and Ser565 phosphorylation in human skeletal muscle during exercise.J Physiol，2004，560（Pt 2）：551-62.

［19］Watt MJ，Stellingwerff T，Heigenhauser GJ，et al.Effects of plasma adrenaline on hormone-sensitive lipase at rest and during moderate exercise in human skeletal muscle.J Physiol，2003，550（Pt 1）：325-32.

［20］Watt MJ，Krustrup P，Secher NH，et al.Glucose ingestion blunts hormone-sensitive lipase activity in contracting human skeletal muscle.Am J Physiol Endocrinol Metab，2004，286（1）：E144-50.

［21］Langfort J，Ploug T，Ihlemann J，et al.Stimulation of hormone-sensitive lipase activity by contractions in rat skeletal muscle.Biochem J，2000，351（Pt 1）：207-14.

［22］Watt MJ，Heigenhauser GJ，O'Neill M，et al.Hormone-sensitive lipase activity and fatty acyl-CoA content in human skeletal muscle during prolonged exercise.J Appl Physiol，2003，95（1）：314-21.

［23］Donsmark M，Langfort J，Holm C，et al.Contractions induce phosphorylation of the AMPK site Ser565 in hormone-sensitive lipase in muscle.Biochem Biophys Res Commun，2004，316（3）：867-71.

［24］Watt MJ，Holmes AG，Pinnamaneni SK，et al.Regulation of HSL serine phosphorylation in skeletal muscle and adipose tissue.Am J Physiol Endocrinol Metab，2006，290（3）：E500-8.

［25］Dzamko N，Schertzer JD，Ryall JG，et al.AMPK-independent pathways regulate skeletal muscle fatty acid oxidation.J Physiol，2008，586（Pt 23）：5819-31.

［26］Donsmark M，Langfort J，Holm C，et al.Contractions activate hormone-sensitive lipase in rat muscle by protein kinase C and mitogen-activated protein kinase.J Physiol，2003，550（Pt 3）：845-54.