运动对动物脂肪代谢和能量代谢的影响研究进展

李同明　王素强　刘洪军　王 慧*（山东农业大学动物科技学院　山东 泰安　271000　②山东省委党校文史部体育教研室　山东 济南③山东省海洋生物研究院　青岛）



运动对动物脂肪代谢和能量代谢的影响研究进展

李同明①王素强②†刘洪军③*王 慧①*
（①山东农业大学动物科技学院山东 泰安271000②山东省委党校文史部体育教研室山东 济南③山东省海洋生物研究院青岛）

†并列一作者。*通讯作者。

能量代谢不平衡所导致的动物亚健康是世界性的科技难题和研究热点，运动可以显著改善动物体组织与器官的功能状态，有利于组织器官的脂肪代谢和能量代谢的平衡。运动需消耗大量能量，这来源于骨骼肌的收缩。骨骼肌的收缩会消耗能量，改变机体的能量平衡，也因此会启动抑制这种改变的机制，而雷帕霉素靶蛋白mTOR在其中发挥着重要作用。运动对静息能量代谢有明显的影响；对骨骼肌的代谢及脂肪代谢及其调节都有显著影响。运动与脂肪代谢和骨骼肌代谢调节信号通路研究，对于探讨运动预防和控制人类慢性病的机制具有重要指导意义。

运动是改善动物有机体健康状况的最重要的方式之一，运动不足是动物有机体健康状况下降的重要原因，这是因为运动不足会直接导致动物有机体身体素质、抗病力和耐受各种应激刺激的能力下降；还会间接影响动物的生活力、生长发育和繁殖力。保证每天有规律的适宜运动是增强动物脂肪代谢和能量代谢平衡的有效途径。

1　最大脂肪氧化(Fatmax)运动强度与能量代谢

运动减轻体重的效果受脂肪氧化能力的影响，最大脂肪氧化速率在一定程度上反映机体最大氧化脂肪水平，在运动强度与脂肪氧化率相互关系之间存在诱导脂肪氧化率出现最大值的运动强度，称为最大脂肪氧化强度(The exercise intensity eliciting maximal fat oxidation，Fatmax)[1]。确定Fatmax对减少体脂含量、建立慢病运动处方有重要意义[2]。急性或长期Fatmax运动强度对能量代谢，即能量的摄入与消耗、减控体重的实证研究有重要意义[3]。有机体脂肪的氧化利用程度一般用脂肪供能比例(%)(脂肪供能占总能耗的比例)和脂肪氧化率(总能耗与脂肪供能比例的乘积，mg/min/kg)评价。在运动强度由低到高增加的过程中，脂肪氧化率会存在一个最高值，学界把促使机体出现脂肪氧化利用最大化的这个运动强度称为Fatmax[1-2]，其在科学运动实践中有重要应用价值[3-4]，在脂肪代谢的运动干预实践应用中有重要作用，已成研究热点[4]。

甘油三酯(triglyceride, TG)是动物有机体贮存能量的主要方式。合成脂肪的主要器官是肝脏、脂肪组织和小肠粘膜；而脂肪分解与氧化利用的主要环节[7]包括：（1）脂肪的动员即脂肪组织和肌细胞内甘油三酯的分解；（2）随着血液循环运输到达骨骼肌；（3）骨骼肌从血液摄入游离脂肪酸进入胞浆；（4）游离脂肪酸活化；（5）活化的脂肪酸被转运到线粒体；（6）脂肪酸在线粒体氧化。脂肪酸从脂肪组织转运到肌肉线粒体的过程中要涉及许多酶类和调节因子，如质膜位的脂肪酸移位酶(FAT/CD36)、质膜脂肪酸结合蛋白(FABPpm)、脂肪酸转运蛋白(FATP)、等的表达水平和转运水平以及细胞膜肉碱酰基转移酶I(CPTI)的活性对脂肪酸转运和摄取具有重要调节作用[8]。胰岛素可诱导FABPpm和FAT/CD36向细胞膜转移，也可诱导FAT/CD36向线粒体转移[9]，以及诱导FAT/CD36和FATP1的表达[10]。肌肉收缩不仅可诱导FABPpm和FAT/CD36向质膜转移，也可诱导FAT/CD36和FABPpm的表达[11]，高脂肪饮食，急性运动和短时间运动可以通过转运或合成来上调肌细胞膜FAT/CD36的含量，使得脂肪酸摄入和氧化增加[12]。然而，具体准确的诱导这种转运产生的信号途径还有待进一步解释。动物研究提示：一磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMPK)在运动诱导的转运中具有一定作用[13-14]。

2　运动与脂肪代谢和骨骼肌代谢调节的信号通路研究

（1）运动与脂肪代谢和骨骼肌代谢调节的信号通路研究是揭示运动增强体质机制的关键所在。运动与能量代谢调控研究主要集中在脂肪代谢和骨骼肌代谢调节相关的mTOR和PGC-1s等信号通路方面，短期和长期有氧或抗阻力运动是否对体脂肪和骨骼肌调节信号通路有影响?其内在机制是否与上述两条信号通路有联系? 已有的基因敲除实验已证实了PGC-1s在运动改善胰岛素抵抗(insulin resistance, IR)中发挥着重要作用。（2）PRDM16是PR结构域家族的第16个成员(PR domain-containing 16)，近年来发现它是调控肌肉脂肪代谢的蛋白，在人类和小鼠器官组织中均能够检测到PRDM16的基因mRNA的表达。有机体的脂肪组织分为白色脂肪组织(White adipose tissue, WAT)和棕色脂肪组织(Brown adipose tissue, BAT)。WAT是哺乳动物存储能量的主要器官，还可通过释放激素和细胞因子参与调节内分泌代谢和胰岛素抵抗状态；而BAT则具有许多生物学活性，且与体温调节有关，BAT产热耗能的功能源于其线粒体内膜上含大量解偶联蛋白1(Uncoupling protein 1, UCP1)，UCPl是一种特异性存在于棕色脂肪细胞的分子量为32kDa的蛋白质，是决定BAT产热水平的关键因素，检测UCPl及其表达水平即可验证BAT是否存在及评估BAT的活性。探索BAT活性的调控机制主要是研究UCP1的调控与通路。因BAT 具有较高的生物学活性，所以被称为活性棕色脂肪组织(Active brown adipose tissue, aBAT)。多项独立研究显示，成人体内也存在aBAT，且BAT的阳性率及活性与年龄、性别、体重指数(Body mass index，BMI)相关，提示BAT可能参与维持能量代谢的平衡。人体试验表明，BAT阳性组相比于阴性组，年龄更小、BMI更低，胰岛素敏感性更好，HDL-c水平更高；并且两组间的一些脂肪因子与神经内分泌因子也存在显著差异。说明成人aBAT在糖脂代谢过程中可能起重要作用；神经内分泌因子NPY与BAT活性密切相关。温度、年龄和运动均是成人BAT活性的重要影响因素。（3）PRDM16作为一种重要的转录调节因子，在BAT与WAT、BAT与骨骼肌肌肉组织转化过程中对特异基因的表达起着类似“开关”的作用。可通过与PPAR-γ及PPAR-γ、共激活因子1α和1β结合而激活棕色脂肪相关基因的表达。通过这种方式，PRDM16促进表达有成肌调节因子基因Myf5的前体细胞分化为棕色脂肪细胞，以增加热量的产生，减少体内脂肪堆积，可见，通过激活PRDM16来增加棕色脂肪组织在治疗肥胖及相关疾病方面具有很大潜力。PRDM16的作用主要有：①促进相关活性蛋白基因的表达；②抑制肌分化因子(MyoD)、肌形成蛋白(MyoG)及相关蛋白的基因表达；③通过转录复合物(PRDM16/CtBP和PRDM16-C/EBP-β)调控BAT-WAT和WAT-SMT选择性基因表达程序；④调控脂肪和骨骼肌的形成，诱导线粒体的生物合成和解偶联呼吸作用。但是，Irisin和PR(PRD1-BF1-RIZI homologous)域包含蛋白16(PRDM16)基因敲除实验和相关的原代脂肪细胞培养试验尚未开展，难以说明能量代谢通路的唯一性。

3　mTOR信号通路与骨骼肌代谢

（1）mTOR是哺乳动物的一种丝氨酸和苏氨酸蛋白激酶，因为链霉菌的衍生物雷帕霉素可以阻断其活性，因此被称为雷帕霉素靶蛋白，它是细胞内高度保守的营养状态和能量水平感受器，在细胞的生长、增殖、分化、存活和迁移中扮演重要角色；也是一种强有力的促蛋白合成的信号分子，在蛋白合成的调控中占有重要地位。mTOR信号转导通路是营养、化学和运动等因素导致细胞分化和细胞生长的一个关键信号转导通路。mTOR是由2459个氨基酸分子组成的大分子蛋白质，其活性受细胞生长因子、营养素以及能量敏感相关信号通路的调节。（2）运动是一个需要大量能量的过程，而能量来源于骨骼肌的收缩。骨骼肌的收缩会消耗能量，从而会改变机体的能量平衡，也因此会启动抑制这种改变的机制，而mTOR在其中发挥着重要作用。运动与脂肪代谢和骨骼肌代谢调节信号通路研究，对于揭示运动防控人类慢性病的机制和治疗具有重要意义。肌肉运动可以激活一些与肌肉蛋白质合成有关的生长因子。mTOR信号转导通路通过增加特异性mRNA的翻译而在不同水平上控制蛋白质的合成，mTOR被其上游信号PI3K和Akt激活，最后在力学负荷过载的情况下激活其效应子p70s6k。动物的运动行为经由PI3K/Akt/mTOR/p70s6k信号转导通路，能有效刺激肌肉合成代谢信号分子的激活。不同的运动模式对于mTOR/p70s6k信号通路的影响不同，探索不同是运动模型类型、强度和时间，有利于深入了解mTOR/p70s6k信号转导通路。（3）TOR信号通路在细胞生长、增殖以及代谢调控方面有重要作用，其功能紊乱时会引起肿瘤、代谢病及发育缺陷等。p70S6K1是研究比较透彻的mTORC1下游效应分子之一。S6K1通过磷酸化多种底物参与众多生理过程的调控，包括细胞生存、蛋白质合成以及mRNA剪接等。S6K1的激酶活性受到自身多个位点磷酸化修饰的调控，其中activation loop上的Thr229和hydrophobicmotif (HM)上的Thr389的磷酸化是结构和功能上都保守的调节位点。有试验显示，12周龄雄性SD大鼠的低氧耐力运动对mTOR和p70S6K有显著抑制效应。耐力运动会促进mTOR/p70S6K通路的表达，进而促进肌肉蛋白的合成；单纯低氧暴露可通过抑制mTOR/p70S6K的表达，而抑制肌肉蛋白合成；低氧耐力运动可削弱低氧对mTOR/p 70S6K表达的抑制作用。（4）研究发现，运动一方面会通过PI3K/Akt/mTOR和PI3K/Akt/TSC12/mTOR两条信号通路引起骨骼肌的肥大；另一方面，运动又通过AMPK/TSC2/ mTOR信号传导通路引起骨骼肌萎缩。大量研究表明，有氧耐力运动对mTOR的表达有积极的影响。但是，也有许多研究却有相反的结论。有研究发现，有氧耐力训练仅仅增强了AMPK的活性及其mRNA表达，但APMK活性的增加却抑制了mTOR的活性及其下游信号传导通路，显示出AMPK与mTOR具有相反的作用。

综合已有的研究，肌纤维膜脂肪酸转运体在调节脂肪酸转运和摄入上起重要作用。能量代谢平衡对于动物维持健康状况及其重要。有规律的运动可以改善组织与器官的功能状态，从而维护机体脂肪代谢和能量代谢的平衡[15]。运动会引起骨骼肌的收缩而消耗能量，从而会改变机体的能量平衡，也因此会启动抑制这种改变的机制，mTOR在其中发挥着重要作用。运动与脂肪代谢和骨骼肌代谢调节信号通路的研究，对于探讨运动预防和控制人类慢性病的机制具有重要的指导意义。

参考文献

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收稿日期：（2015–12–16）

基金项目：山东省农业良种工程重大课题“青虾速生、抗逆功能基因的发掘与创新利用研究”(SDAB-2014-02-16)、“水产经济生物种质资源收集保护与评价（SDAB-2012-01-04;2013-01-04）”、山东省现代农业产业技术体系虾蟹类创新团队(SDAIT-15-011)项目共同资助。

中图分类号：S8

文献标识码：A

文章编号：1007-1733(2016)01-0056-03