运动与骨胶原蛋白

陈祥和，李世昌

（华东师范大学体育与健康学院，上海 200241）

运动与骨胶原蛋白

陈祥和，李世昌

（华东师范大学体育与健康学院，上海 200241）

骨胶原蛋白在骨中起到“骨架”作用，为钙、磷等矿物质的沉积提供载体。在运动过程中，机械力可以通过刺激骨组织来影响骨胶原蛋白代谢。然而，胶原蛋白量变化又将会直接影响到骨代谢，进而影响骨健康。不同的运动方式、运动负荷以及运动持续时间对于骨中胶原蛋白代谢所产生的影响是存在差异的。尽管目前国内外运动领域内有关骨胶原蛋白的研究还很少，但这些研究成果为骨研究领域提供了新的方向。本论文通过收集大量的国内外相关研究，对运动和骨胶原蛋白二者之间的相互关系进行探究。研究结果显示，运动训练使骨中胶原蛋白的合成代谢加快，胶原蛋白含量增加。胶原蛋白含量的增加对于加快骨代谢又具有积极地促进作用。

运动;骨胶原蛋白;骨代谢

骨骼似乎是机体内最不活跃的组织，它承担着负重、保护机体重要组织器官、维持生理机能的重要作用。然而实际上骨组织非常活跃，每年大约有10%总量的骨组织在更新，骨骼这种以“吸收-构建”为特征的动态平衡称为重建，由成骨细胞和破骨细胞主导的重建过程受到多种因素调节和影响［1］。大量的文献报道［2］，长时间、有规律的体育运动可以提高2%～3%的骨量，并认为良性的机械力作用能够使骨组织处于正向骨代谢平衡（positivemetabolism balance）。同时，有研究也表明［3，4］，优秀高水平女性运动员骨密度普遍比同龄健康的人群高3%～24%，而优秀耐力运动的男性运动员一些部位的骨密度和骨量比普遍健康人群高19%，而骨代谢速率提高近23%。以上研究表明，运动是影响骨代谢的重要因素，不同的运动方式对运动员骨的影响是存在差异的。

调节骨组织代谢的机制包括局部机制和内分泌调节机制。维生素D、甲状旁腺、性激素等是非常重要的内分泌调节机制，它们在骨骼生长发育和维持骨量平衡中起到重要的作用。局部的调节机制主要是由自分泌和旁分泌产生的骨代谢调节因子［5］。运动训练可直接或间接刺激骨细胞、影响骨代谢。一般性运动主要是通过肌肉对骨骼施加机械力来影响骨质量变化，并且这种强度的运动对于机体的内分泌影响甚微，所以机械力刺激是影响骨代谢的主要机制。运动训练可通过影响骨中胶原蛋白含量变化，进而作用于骨代谢，这是运动发挥自身调节作用的重要途径。

本研究通过查阅大量有关骨胶原蛋白的文献，探讨运动训练对骨胶原蛋白的作用，对运动训练对骨胶原蛋白的影响以及骨胶原蛋白与骨代谢之间的相互影响关系进行阐述。

1 胶原蛋白

胶原蛋白（也称胶原）是一种多糖蛋白，属于蛋白质中的一种，是细胞外基质（ECM）的主要成分，其分子量为300ku。胶原蛋白家族包括19种胶原蛋白及10种以上胶原样蛋白。不同胶原蛋白的基因类型及定位不同，I型胶原由两条al及一条链构成，分别由位于17q21 3-q22的COLIAI及7q21.3-q22的COL1A2基因编码。每条链的三螺旋结构域由42个外显子编码，由甘氨酸密码子起始，在进化过程中高度保守。COLIA2基因第2内含子有可变启动子，而胶原编码序列外有一段短的开放阅读框架。因而通过不同启动子启动转录，COL1A2基因能编码不同的多肽。通过胶原蛋白探针筛选cDNA及基因组DNA文库，证实胶原蛋白主要由甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸组成，其中脯氨酸和羟脯氨酸是胶原蛋白的特有氨基酸，二者均占胶原蛋白14%左右。

根据胶原蛋白在体内的分布和功能特点，目前将胶原蛋白分成间质胶原蛋白、基底膜胶原蛋白和细胞外周胶原蛋白［6］。间质型胶原蛋白分子占整个机体胶原的绝大部分，包括I、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白分子，其中I型胶原蛋白主要分布于皮肤、肌腱、骨、韧带中;Ⅱ型胶原蛋白主要分布于软骨、髓核、玻璃体中，由软骨细胞产生;Ⅲ型胶原蛋白主要分布于皮肤、肌肉、结缔组织中，并常与I型胶原蛋白共分布。基底膜胶原蛋白通常是指Ⅳ型胶原蛋白，其主要分布于基底膜;细胞外周胶原蛋白通常指V型胶原蛋白，在结缔组织中大量存在，常与I型胶原蛋白共分布。

胶原蛋白纤维由来自于带状胶原纤维的分子组成，这些带状胶原纤维在电子显微镜下可以观察到。带状纤维在不同的胶原蛋白中分布不均匀，在每种纤维中至少包含2～3种不同类型的胶原蛋白［7］。胶原蛋白又可按它们的组织有无纤维，或者以分子和免疫组化的差异为基础进行分类。因此，纤维状胶原蛋白可被分为两组:含量较多的纤维状胶原蛋白（包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型）和含量比较少的纤维状胶原蛋白（Ⅴ和Ⅺ型）。原纤维中的纤维状胶原蛋白，对于组织结构保持和强度增加具有重要作用［8］。而含量较少的纤维状胶原蛋白的主要作用是调节原纤维形成，最大程度地限制由主要胶原蛋白形成的原纤维直径［9］。

胶原蛋白具有很强的生物活性及生物功能，并参与细胞的转移、分化和增殖过程，胶原蛋白含量增加，使骨、肌腱、软骨和皮肤的本身生物特性加强。同时胶原蛋白具有促进细胞生长、止血、生物形容等特性，故其被广泛的应用于生物医学材料与临床应用、美容保健、食品等领域中。

2 骨胶原蛋白

骨胶原蛋白亦被称为构造蛋白质，是人体骨骼、关节软骨、骺软骨和骨小梁的主要组成成分，骨骼有机物中有70%～86%是骨胶原蛋白。骨细胞中的骨胶原蛋白是羟基磷灰石的黏合剂，其与羟基磷灰石共同构成了骨骼的主体。骨胶原蛋白在骨骼中主要分布于骨松质，胶原蛋白含量增加，可使骨小梁变厚，韧性增加。胶原就像骨骼中的一张充满小洞的网，它会牢牢地留住就要流失的钙、磷等矿物质。胶原蛋白的特征氨基酸羟基脯氨酸是运输钙到骨细胞的运载工具。研究表明，如果骨中胶原蛋白较少，即使补充的钙质再多也对于防止骨质疏松作用不大。因此，在补钙的同时摄入一定量的胶原蛋白，有利于钙的吸收和沉积。

在骨中，含有许多独立胶原蛋白类型的胶原蛋白纤维［7］。除了主要的Ⅰ型胶原蛋白［10，11］，含量较少的胶原蛋白主要包括:Ⅱ型［12，13］，Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅸ［14］，Ⅹ型［15，16］，Ⅻ和ⅪV［17］以及XXIV［18］。Ⅰ型胶原蛋白是由两条链经过缠绕，形成三重螺旋结构，其分子结构非常稳定。其分解代谢产物αCTX不稳定易被氧化，通过异构化作用过程转化成βCTX （如图1［19］）。XII和XIV型胶原蛋白代表着所谓的FACIT分子，这种分子更多的出现在含有带状的I型胶原纤维中［20］。FACIT分子是由无纤维状胶原纤维的子群构成，此分子为胶原纤维和其它模型组分之间提供特殊的分子桥梁。人体内的骨骼主要分为软骨和骨两种，在软骨中含量最多的骨胶原蛋白是Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ型胶原蛋白，骨中含量最多的胶原蛋白是Ⅰ型胶原蛋白，通常也含有少量的Ⅲ型胶原蛋白。

现在国外有关骨胶原蛋白的研究主要集中在Ⅰ型和Ⅱ型胶原蛋白，对于Ⅲ型胶原蛋白也有少量研究，其他类型的胶原蛋白研究还比较少。相关方面研究主要在医学领域，运动领域内的研究还是比较少的。国内有关胶原蛋白的研究比较多，主要集中在医学、保健、食品等方面。运动领域内骨胶原蛋白的研究现在还处于空白状态。因此，对于骨胶原蛋白的研究，可为体育科学研究开创一个新的研究领域，为骨方面的研究开辟一个新的研究方向。

图1 Ⅰ型胶原蛋白结构及其分解产物（引自［19］）

3 骨胶原蛋白代谢生物标志物

骨代谢过程中，骨中Ⅰ型胶原蛋白也相应的进行合成和分解代谢。其代谢标志物可敏感地反映骨中胶原蛋白代谢的正负平衡以及代谢速率。

3.1 合成标志物

骨中90%的胶原蛋白是Ⅰ型胶原。Ⅰ型胶原蛋白的前体在成骨细胞内合成并以原胶原蛋白分子的形式分泌出来。原胶原分子包括羧基端和氨基端延长肽（PICP和PINP）。在原胶原分子形成胶原纤维进入血液前，其羧基端和氨基端由特异性剪切酶切下而释放进入血液循环。PICP和PINP常被用作Ⅰ型胶原蛋白合成的生物标志物。

PICP和PINP都是通过肝脏内皮细胞的特异性甘露糖受体从体内消除掉。血液中的这两个指标可用来评估机体内Ⅰ型胶原蛋白的合成代谢。而Ⅰ型胶原蛋白在皮肤、心肌等组织中都存在，对于血液中指标的测定对于骨来说并不具有特异性。现在对于骨中胶原蛋白的测定主要通过骨研磨，获取相应的底物，利用免疫组化进行测定。此法测试结果专一性较强，可准确反映骨中Ⅰ型胶原的合成代谢。

3.2 分解代谢指标

骨中Ⅰ型胶原蛋白的分解代谢产物主要包括半乳糖羟赖氨酸（Gal-Hy1）、羟脯氨酸（Hyp）、吡啶酚（Pyr）、脱氧吡啶酚（D-Pyr）、Ⅰ型胶原蛋白氨基末端肽吡啶交联物（NTx）、Ⅰ型胶原蛋白羧基末端肽吡啶交联物（CTx）以及Ⅰ型胶原蛋白交联羧基末端肽（ICTP）。骨涎蛋白（BSP）为非胶原性骨基质降解产物。最近研究表明血清中的骨涎蛋白与骨吸收有着很高的相关性，此蛋白是骨基质分解的产物。

上述骨胶原蛋白分解代谢的指标具有以下特点:（1）不可再利用，像Gal-Hy1、Hyp、Pyr、D-Pyr产生后都不能再被另外的组织利用合成其他物质。（2）来源于骨胶原的量远远高于其他组织。（3）易获取和检测Gal-Hy1、Hyp、NTx、CTx等指标，利用高压液相色谱、免疫组化等方法都可以进行测定并且这些指标从血液和尿液中很容易获取。

4 运动与骨胶原蛋白

运动对骨代谢的影响具有正反两方面的效应，即改善骨质的促进效应和破坏骨质的抑制效应［21，22］。人体及动物实验结果均表明，方式和强度适宜的运动对骨骼的长度、围度、皮质骨厚度参数等方面的促进效应非常显著［23～25］，王广新［26］等比较了不同类型运动训练对近节指骨形态的影响，发现排球运动员用力手第1、4近节指骨横径最大，骨髓腔径也随之增大。高丽等［27］报道，运动性动情周期抑制大鼠经不同强度的跑台运动后，其腰椎松质骨的显微结构表现为:低强度运动组骨小梁饱满、规则;大强度耐力运动组骨小梁数目变少、纤细，形态结构完整性较差，髓腔大小差异明显。这表明，大强度跑台运动使大鼠骨小梁结构受到破坏。并且过量运动负荷对大鼠骨骼的形态有明显的破坏作用［28，29］。不同运动方式对骨结构和功能所产生的作用是存在差异的。

骨胶原蛋白是骨中有机质的主要组成成分，运动对骨代谢的影响主要通过影响骨中胶原蛋白含量变化来实现。当运动方式、运动强度在机体所能承受范围内时，微管系统将力学信号转换为化学信号来刺激骨组织，对胶原蛋白合成代谢产生积极影响。不同运动方式对骨施加的载荷和位点是不同的，对骨胶原蛋白代谢产生的影响也是存在差异的。

骨胶原蛋白是骨的重要组分，是主要的钙化作用细胞外基质蛋白，在成骨细胞分化过程中也起到重要的作用［30，31］。Kiiskinen和Heikkinen［32］研究报告显示，长期的身体活动影响年轻小鼠的长骨有机质含量。Suominen等［33］研究结果表明，在同一动物中运动训练加速骨中胶原蛋白代谢。Salem等［34］研究表明，适度运动会影响到骨胶原蛋白网络性能。骨中最重要的胶原蛋白是Ⅰ型胶原蛋白，被认为是最初作为基本骨基质和成熟骨形成的必要条件［35～37］。Ⅰ型胶原蛋白占骨中胶原蛋白总量的90%，当降解为小的肽片段时被释放到血液中。运动训练组马驹血清中Ⅰ型胶原蛋白降解产物水平的重大升高变化，为持续运动训练提高骨周转提供了理论依据，同时，运动训练组骨胶原蛋白形成标志物Ⅰ-型胶原蛋白羟基肽（PICP）血清浓度水平明显高于自由放牧组和对照组［38］。这一研究说明运动训练刺激骨组织，使骨中胶原蛋白合成代谢速度加快，含量增加。在骨中，Ⅰ型胶原蛋白常与Ⅲ型胶原蛋白是联合表达。Ⅲ型胶原蛋白不仅是组织纤维的重要组成部分，同时也是使Ⅰ型胶原蛋白固化，增加胶原纤维直径和生物合成的重要调控原件［39，40］。骨有机质中的Ⅰ型胶原蛋白是构成胶原纤维的主要成分，这些胶原纤维由比二酚胺（PYD），脱氧比二酚胺（DPD）和戊糖素三种成熟酶化交联进行稳定修饰［41—43］。

软骨下骨是关节重要的组成部分，但其作用常被忽略，它为关节的上覆软骨提供结构支持。以前有关骨机械研究表明，软骨下骨被证明具有削弱轴向载荷的能力，可减少外覆关节软骨的损伤［44］。Mansell和Bailey［45］研究表明，胶原蛋白新陈代谢在软骨下骨中是非常活跃的，很可能造成软骨下骨对外部施加的载荷具有很高的敏感性。运动训练影响软骨下骨胶原蛋白组分的翻译后修饰的酶调节。对马驹进行训练不仅影响骨中钙含量，还可影响软骨下骨的胶原蛋白合成。在未受过训练的马驹位点2的胶原蛋白含量明显高于位点1，而在受过训练的动物身上位点之间的胶原蛋白含量差异消失［46］。此研究说明不同位点在未接受训练时因受载差异，引起胶原蛋白含量差异。接受训练后，位点1受载增加，骨胶原蛋白合成速度加快，胶原含量差异消失。

Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖是关节软骨的两个重要组分。一般认为包括年龄、性别和遗传等系统因素对关节软骨的基础特性起到重要作用。本身生物力学因素如关节负载和损伤程度对关节软骨的最终含量起到重要作用［47］。据研究，年轻时经常的关节负载对于培养一个组织良好和强壮的关节软骨胶原蛋白网络是非常重要的，这有助于在以后预防骨关节炎等疾病［48，49］。

适宜的运动方式和运动强度对骨产生有利刺激，有助于骨中胶原蛋白代谢，增进骨健康。但是如果运动方式和/或运动强度不适宜，超过机体的承受能力，将会影响胶原蛋白代谢，对骨胶原含量和骨结构产生消极影响。研究表明，Ⅰ型胶原蛋白突变的产生或正常Ⅰ型胶原蛋白生成量减少将导致骨骼结构异常［50］。经过一段时间训练后，将运动训练组与自由放牧组进行比较，马驹血清水平CTx1（胶原蛋白分解代谢指标）与基础值相比具有很明显的升高，CPⅡ（Ⅱ型胶原蛋白合成标志物）与基础值相比明显下降。此研究说明幼龄期的马驹进行被迫训练不利于骨中胶原蛋白合成代谢，反而会使分解代谢加强［38］。

以上研究表明，不同运动方式对骨中胶原蛋白的代谢所产生的影响是存在差异的。其原因可能是，不同运动对骨细胞的机械刺激影响是不同的。机械压力的强弱将会影响到骨胶原蛋白代谢速度的快慢。因此在运动锻炼时选择适宜的运动方式对于增进骨健康是非常具有必要的。

5 骨胶原蛋白与骨代谢

正常骨代谢的主要形式是在破骨细胞的作用下不断吸收旧骨，而在成骨细胞作用下，又再合成新骨，这种骨吸收和骨形成的协调活动形成了体内骨转换的稳定状态，而骨吸收过多或形成不足引起平衡失调的最终结果会导致骨量的减少和骨微细结构的变化，就会形成骨质疏松［51］。激素水平、运动方式、运动强度、脂肪含量等都会影响到机体的骨代谢，而骨胶原蛋白做为骨中有机质的主要组分和无机矿物质沉积的载体，其代谢平衡将直接影响到骨代谢稳定状况。

国内外很多研究发现，与年龄相关的松质骨微体系结构性退变和胶原蛋白交联浓度的改变可导致骨骼脆性增加。在去卵巢小鼠个体中，骨胶原蛋白纤维被随机排列，其结构与正常纤维相比发生较大变化，所有去卵巢小鼠的骨胶原纤维直径明显小于对照组（P＜0.01）［52］。大鼠去卵巢后引起的骨中胶原蛋白纤维形成和稳定性失去平衡，引起骨质疏松。同时去卵巢鼠骨中胶原蛋白纤维被随机排列，其结构与正常鼠纤维相比被扰乱（见图2）［53］。以上动物实验表明，去卵巢可引起动物体内雌激素分泌减少，影响骨中有机质合成和钙、磷等矿物质沉积。在人体中，发生骨质疏松与否的主要差异是骨基质中胶原蛋白转录后调节，即交联稳定和胶原蛋白的羟化［54，55］。饮食中摄取较多的水解胶原蛋白可提高成骨细胞活性，有助于骨量增加并且水解胶原蛋白在骨重塑和增加股骨皮质区外部直径中起到重要作用。Fanny Guillerminet等［56］利用去卵巢（OVX）小鼠为模型，将OVX鼠随机分为三组，按0、10、25g/Kg体重的水解胶原蛋白量进行喂养，对照组的食物中不含有水解胶原蛋白。12周后处死，研究结果显示，喂食含水解胶原蛋白食物的小鼠与对照组相比，可明显增加骨代谢以及去卵巢鼠的生物学特性（例如BMD），OVX25组与OVX组相比股骨外部直径增加并且OVX25组和OVX10组鼠的股骨最大强度明显大于OVX组鼠。

胶原蛋白分子间通过一系列酶介导形成的共价交联（即胶原蛋白交联），对骨结构性能具有重要影响。Banse等［57］报道，人体腰椎骨中的戊糖素和比二酚胺（PYD）量与骨小梁微细结构是密切相关的，含有低戊糖素和高比二酚胺（PYD）量的椎体所拥有的骨小梁较薄，与此相反，含戊糖素和比二酚胺（PYD）较多的椎体，其骨小梁较厚。分子间交联和胶原蛋白机械强度是密切相关的，任何降低都会引起胶原纤维稳定性降低，造成骨力学性能下降［58］。综合以上研究，骨中胶原蛋白合成增加或摄入胶原蛋白可使骨形态和骨微细结构发生重要变化，使骨韧性增强，松质骨中骨小梁变厚、硬度增大，有利于骨健康的发展。

图2 大鼠骨胶原蛋白的胶原纤维

6 展望

国内外研究显示，适宜的运动训练可使骨中胶原蛋白合成代谢速度加快，含量增加;骨中胶原蛋白含量增加能促进钙、磷等无机盐在骨上沉积，有助于修复骨组织，改善骨质疏松，促进骨健康;饮食中摄入胶原蛋白有助于解决运动训练中女性运动员雌激素分泌紊乱或者女性绝经后造成的骨量丢失，BMD、BMC等指标显著上升。尽管目前有关运动训练—骨胶原蛋白—骨代谢三者之间的研究已取得一定成果，但是现在有关骨胶原蛋白的研究还有很多空白点和模糊的地方，比如:运动训练促使生骨反应机能增强，是否是因为运动训练促进骨胶原蛋白量增加，进而使骨代谢增强;不同运动模式对骨代谢产生不同影响的原因及机制;不同运动模式在进行运动训练时应该持续多少时间，才能达到最佳训练效果;运动训练时应采用何种运动强度以及不同年龄段使用的运动种类等，这些问题均有待后续研究予以解答。

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The Research of Movement and Bone Collagen

CHEN Xiang-he，LI Shi-chang
（College of Physical Education＆Health，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

The bone collagen plays the role of“the skeleton”in the bone，provides the carrier for the mineral（such as calcium、phosphorus）deposition.In movement process，the mechanical power may through the stimulation bone tissue then influence bone collagen metabolism.However，the change of bone collogen will also immediatly influence the bone metabolism，then influence bone health.But the different mode of motion，the physiological load of exercise as well as the movement duration influence the collogen metabolism produces regarding the bone and it has the difference.Especially，in the domestic and foreign movement domain the related bone collagen's research also are few at present.It enables us to discuss the movement from the microscopic stratification plane to the bone the influence，provides new research direction for the bone research area.The present paper through the collection massive domestic and foreign related research，carries on the inquisition to movement and the ossein protein two between reciprocities.The findings showed that the movement training makes in the bone collogen synthesis metabolism to speed up，increases the collogen content.Collogen content's increase regarding speeds up the bone metabolism also to have positively the promoter action.

movement;bone collagen;bone metabolism

G804.2

A

1008－8571（2011）03-0109-06

2011-04-02

陈祥和（1986—），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向:运动适应与人体机能评定。