运动训练中代谢组学技术检测下代谢标志物的研究概述

王冬冬 ，吴丽君

运动训练中代谢组学技术检测下代谢标志物的研究概述

王冬冬 ，吴丽君

自代谢组学检测技术出现以来，其应用领域越来越广，在国内于2006年就已应用于运动领域的研究。但在该领域的研究较少且缺少文献支持，没有形成系统的研究成果，对各代谢物的分析解释不足，研究内容也不尽相同。通过对国内和国外已发表相关该方面的研究文献进行查阅，对其代谢物的研究成果进行综述，以为以后在该领域的研究提供参考。

运动训练；代谢组学；代谢标志物

前言

代谢组学是20世纪90年代中期,继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的一门学科, 其可在不设定将要检测的具体指标时对代谢物(分子量小于1000)“全景式”扫描，再对检测的显著代谢标志物和差异物进行分析[1]。代谢组是基因组、转录组和蛋白组的“终端产物”,其包含了生物体系表型的直接的、全面的“生物标记物”信息，反映生命体在整体状态下对实验条件和其它外界因素干预的总体反应。人体是一个系统的有机体，运动作为对机体的一种干预，可对机体产生广泛而深远的影响，而应用代谢组学检测技术可以对机体的整体状态进行评价，其在运动领域应用具有广泛前景。

1 代谢组学在运动中的应用概述

通过应用代谢组学的技术，目前在体育运动中的研究主要有运动与军事训练的监控评定、体育竞技成绩预测、运动选材与氧化应激、寻找与不同能量代谢途径和运动方式相关的代谢标志物等。虽然早在2006年国内就已经有运动领域对其进行应用，但对其在运动训练领域的相关文献进行检索、查阅发现其研究内容、技术方法相差较大，总体研究成果缺乏系统性，并且对很多相关生物标志物的分析解释缺乏文献支持。究其原因可能有：代谢组学检测技术作为较新的检测手段相比于其它检测技术应用较晚；检测出很多以往在运动领域没有或者极少涉及的生物标志物，有些甚至在生物领域也鲜为涉及，对其分析缺乏相关研究和文献支持。

2 主要代谢标志物的研究概述

按涉及机体生理功能的不同可把代谢组学在运动领域的代谢标志物的研究分为能量代谢、神经系统信号传递与维护、运动氧化应激三个主要方面，而各个代谢标志物具有的生理功能和代谢的参与又不局限于某一方面。查阅国内外相关文献发现大多代谢标志物在该领域的文献中高频出现，有的几乎所有相关文献均有涉及，基本就是该领域的“共有标志物”，以下按生理功能分类进行概述。

2.1 能量代谢方面

乳酸在机体缺氧时丙酮酸还原生成，持续缺氧状态下可在体内大量堆积，可通过肝、肾转化为丙酮酸或随尿液排出体外。机体对乳酸的耐受力，即血乳酸值可作为无氧运动能力的判断指标。该领域的研究都指出其在运动后浓度升高。丙酮酸是体内糖、脂肪酸和氨基酸相互转换的枢纽，也是体内一种抗氧化剂，经过脱羧反应清除过氧化氢。乳酸与丙酮酸的比值可作为机体氧化应激状态的判断指标。肌酸与肌酐：肌酸的95%存在于骨骼肌并可在其内磷酸化为磷酸肌酸储备能量。其可脱水环化或磷酸化后再脱酸供能后生成肌酐，由此肌酐的水平与骨骼肌的代谢相关。大强度短时间训练或赛后尿肌酐含量上升[3] [4]，运动员在安静状态下其浓度比普通人低[2]。这是由于运动时促进了骨骼肌肌酸的释放和分解以及安静状态下运动员骨骼肌储备磷酸肌酸能力的较高。而持续时间较长、组间休息时间较短的间歇大负荷训练后肌酐含量呈下降趋势，作者认为这是由于运动员肌酸池储能下降，肌肉机能下降导致的并指出：肌酐含量在运动后下降可能是大负荷训练造成疲劳的标志之一[5]。马尿酸可抑制骨骼肌利用葡萄糖能力并与肠道菌群代谢密切相关。其在运动员快速减体重期间的尿中水平升高，这可能与机体在能量和营养缺乏时的自我保护和肠道菌群的紊乱有关[2]。

次黄嘌呤在嘌呤核苷酸分解代谢增强时水平升高，作为超氧自由基的酶促反应底物是细胞是否处于缺氧和氧化应激状态下的评价指标以及缺血再灌注产生自由基的标志。次黄嘌呤在次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的作用下转变为用于合成ATP的肌苷酸[6]。其水平在极性大强度运动后[5][3][7]和运动员快速减体重阶段升高[2]。

酮体包括有乙酰乙酸、2-羟基丁酸和丙酮，在体内是脂肪酸不完全氧化的产物。即使是短时间的运动也有酮体的变化[8]。长时间中等强度的运动比短时间大强度运动更容易出现运动后酮证现象。运动员混养运动30分钟后尿液中2-羟基丁酸增多[5]。丁酸和异丁酸属于短链脂肪酸，丁酸在线粒体中通过β-氧化通路作为乙酰乙酸氧化裂解为乙酰辅酶a进入TCA循环推动ATP生成。丁酸盐是肠道能量的主要来源，可减少肠道对葡萄糖、谷氨酰胺和丙酮酸的供能依赖[8]。混养运动后短链脂肪酸浓度明显升高[5]，结合其它研究[2][8]认为丁酸、异丁酸是脂肪酸在氧充足环境中产生，并可能是有氧代谢的潜在标志性代谢物。

支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)是机体中主要参与能量代谢的氨基酸，其可以通过促进胰岛素和生长激素的释放增强合成代谢并修复骨骼肌。对其研究结果尚不统一，其中亮氨酸和异亮氨酸分别经分解生成乙酰辅酶A和酮体或乙酰CoA，参与供能和合成代谢；缬氨酸分解代谢生成琥珀酰CoA进入TCA循环，也可参与合成谷氨酰胺、组织修复和调节血糖。甘氨酸可以使正常饮食和高脂饮食的小鼠体重、脂肪、血脂降低[9]，参与肌酸的合成,可随着训练的进行逐渐升高[10], 其可用于治疗肌无力。比赛结束后运动员血浆甘氨酸浓度升高[2]。混氧训练后尿中甘氨酸浓度上升并被认为是机体脂肪代谢供能比例上升的标志[5]。丙氨酸是氨基酸代谢供能的中转站，氨基酸主要通过丙氨酸-葡萄糖循环供能。急性大强度运动可促进骨骼肌中丙氨酸的释放以及氨基酸分解后丙氨酸的再合成，以提高氨基酸转化为葡萄糖的速率，使其在血中堆积并随尿液排出体外。Enea[11]发现短时大强度运动后,血液丙氨酸浓度升高2-3倍。也有研究显示丙氨酸在赛后并未显著升高，并认为是其通过TCA循环进入有氧代谢和转化为酮体的途径的增强所致[2]。肉碱是主要产于肝脏的具有抗氨毒作用类氨基酸物质，能促进长链脂肪酸以脂酰基肉碱进入线粒体与辅酶A结合为脂酰辅酶A参与β-氧化供能，未能与肉碱结合转运的脂肪酸会破坏线粒体膜电位，抑制ATP的合成[12]。肉碱还可以通过催化乙酰辅酶A变为乙酰肉碱，降低乙酰辅酶A/辅酶A的比值，使得丙酮酸脱氢酶活化，促进糖的分解供能。运动可以促进肉碱的分泌，运动员赛后尿中肉碱水平升高，提示运动后可适量补充肉碱[2]。

2.2 神经系统维护与信息传递方面

谷氨酸为神经兴奋性氨基酸并可与氨合成谷氨酰胺，可由酶催化生成神经抑制性的R-氨基丁酸(GABA)。运动性神经系统疲劳时，GABA和氨浓度升高，谷氨酸浓度下降。谷氨酰胺作为过度训练的指标并参与机体供能，可以调节肌肉内血氨和乳酸水平以减少对免疫系统的干扰和参与谷胱甘肽的合成以提高抗氧化能力。运动后机体产生肌肉损耗和萎缩、免疫力下降、机体氧化损伤可能与谷氨酰胺的运动消耗有关。运动后其水平可显著下降[5]并与运动强度和时间成正相关。酪氨酸在体内可参与甲状腺素、多巴胺、儿茶酚胺和去甲肾上腺素等的合成。运动时机体对甲状腺素和多巴胺需求增多，运动员赛后酪氨酸浓度明显下降[2]。丝氨酸可在脂肪代谢、肌肉生长、免疫系统和中枢系统维护等方面发挥作用。补充磷脂酰丝氨酸能促进大脑中乙酰胆碱和多巴胺的合成，并用于治疗痴呆症，痴呆症的发生与大脑氧化应激状态密切相关。安静状态下运动员尿液中丝氨酸显著低于普通人[2]。

2.3 运动氧化应激方面

N-氧化三甲基胺(TMAO)是应用了代谢组学技术之后才在运动领域发现，其浓度在机体运动代谢中变化明显并引起注意。但其在人体生物学作用的资料很少，对其在人体运动中的作用尚无明确定论。TMAO具有稳定蛋白质结构的作用，可抵抗尿素和氨毒对肾脏中蛋白质结构的破坏[10][13]并可能通过维持抗氧化酶的作用提高抗氧化能力以及通过增强细胞有丝分裂来促进合成代谢[14]。TMAO往往与肾功能损伤和肠道菌群紊乱联系在一起[15]，其在PH值下降和体温升高时降解加快。运动员在安静状态下TMAO水平明显高于普通人并认为运动员的代谢适应使其合成代谢增强；赛后其浓度下降，认为可能是PH值下降和温度升高使其降解增加所致；其在快速减体重期间降解加快，机制不明[2]。也有研究显示其在训练后升高，认为可能是运动方式的不同导致[5]。甜菜碱在体内可作为甲基供体相继通过高半胱氨酸、内源性蛋氨酸、S-腺苷蛋氨酸把甲基呈递给肉碱的合成[16]。补充甜菜碱可以提高运动成绩，这可能与作为渗透剂的甜菜碱对蛋白质的保护作用相关[17]。烟酸在体内包括尼克酸和尼克酰胺，其可转化为烟酰胺参与合成辅酶I和辅酶Ⅱ，并与铬组成葡萄糖耐量因子以可增强细胞对胰岛素的敏感性，活化葡萄糖磷酸变位酶，促进机体能量代谢。尼克酰胺能抑制蛋白质氧化和脂质过氧化[18]，提高抗氧化能力。过多的烟酸可在肝内转化为甲基烟酰胺随尿排出。李江华[19]发现决赛运动员尿液甲基酰胺含量高于其他运动员，推测决赛运动员机体糖供能的能力高于非决赛运动员。抗坏血酸即Vc，机体内的一种抗氧化剂。其在赛后运动员尿中浓度下降[2]。

3 结语

代谢组学近几年应用于运动领域的研究快速增多，其应用技术已经较为成熟，目前对其代谢标志物研究依然主要集中在能量代谢、神经系统信号传递与维护、运动氧化应激三个方面，其中对神经系统信号传递与维护的研究是近两年出现的。目前对该领域代谢标志物的分析虽然可以对研究目的进行解释，但分析依然不够充分，特别在小分子代谢层面的依然较为有限，缺乏相关的文献支持是该领域研究的主要困难。今后代谢组学在该领域的研究可以继续拓展，比如运动损伤与健康促进以及对疾病的干预等，以进一步对运动的作用机制进行探讨；另外代谢组学检测的代谢物的量非常庞大，随着其在运动领域应用的拓展，对在其它相关领域(生命科学、医疗卫生)已经的代谢标志物的研究成果进行总结、借鉴以为运动领域的研究提供理论支持和研究方向，已经是目前代谢组学在运动领域应用需要解决的重要问题。

[1] 黄彩华,归予恒,林东海.代谢组学:运动人体科学研究的新工具[J].体育科学,2011,9(31)：77-78.

[2] 黄采华.格斗对抗性项目调节与适应的核磁共振代谢组学研究[D].福建师范大学,2012.

[3] ENEA C,SEGUIN ,PETITPAS‐M ULLIEZ J, et al.(1)HNMR‐based metabolomics approach for exploring urinary metabolomics modifications after acute and chronic physical ex‐ercise[J].Anal Bioanal Chem,2010,396(3):1167-1176．[4] PECHLIVANIS A,KOSTIDIS S,SARASLANIDIS P,et al.(1)H NMR-based metabonomic investigation of the effect of two different exercise sessions on the metabolic fingerprint of human urine[J].J Proteome Res,2010,9(12):6405-6416.

[5] 马海峰,吴瑛.基于核磁共振的中、长跑运动员大负荷训练课30 min后尿液代谢组学特征的研究[J].体育,2015,7(35),53-54.

[6] FEET B A ,YU X Q,ROOTWELT T, et al. Effects of hypox-emia and reoxygenation with 21% or 100% oxygen in newborn piglets: Extracellular hypoxanthine in cerebral cortex and femo-ral muscle [J]. Crit Care Med,1997,25(8):1384-1391.

[7] FENG J,ISERN N G,BURTON S D, et al. Studies of seconda-ry melanoma on C57BL/6J mouse liver using 1H NMR metabo-lomics [J]. Metabolites,2013,3(4):1011-1035.

[8] HAGLAND H R,SOREIDE K .Cellular metabolism in colorec-tal carcinogenesis: Influence of lifestyle, gut microbiome and metabolic pathways[J].Cancer Lett,2015,356(2Pt A):273-283.

[9] 刘靖,陆大祥,王华东,等.甘氨酸对小鼠体重及脂质代谢的影响[J]中国病理生理杂志,2005,(6):1143-1146.

[10] YANCEY P H,CLARK M E, HAND S C, et al. Living with water stress: evolution of osmolyte systems[J]. Science (80- ),1982,217(4566):1214-22.

[11] FELIG P, WAHREN J. Amino acid metabolism in execising man[J].J Clin Invest,1971,50(12):2703-14.

[12] Feldkamp T,Kribben A,Roeser N,et al.Alleviation of fatty acid and hypoxia-rexygenation induced proximal tubule deenergization by AOP/ATP carrier inhibition and glutamate.Am J physiol Renal Physiol.2007,292:F1606-F1616.

[13] YANCEY P H. Water Stress, Osmolytes and Proteins[J]. Amer Zool,2001,41:699-709.

[14] 李军生,杨军,阎柳娟,等.氧化三甲胺的代谢特征及其在鱼饲料生产中的应用[J].湖北农业科学,2011,(13):2720-2723.

[15] WANG Z,KLIPFELL E, BENNETT B J, et al. Gut flora metabolism of phosphatidylcholine promotes cardiovascular disease[J]. Nature,2011,472(7341):57-63.

[16] 吴建全.槲皮素抗疲劳作用及其相关机制的实验研究[D].北京:中国人民解放军军事医学科学院,2010.

[17] Armstrong L E, Casa D J, Roti M W, et al. Influence of betaine consumption on strenuous running and sprinting in a hot environment[J]. The Journal of Strength & Conditioning Research, 2008, 22(3): 851-860.

[18] QUANTANIHA A T,et al.Effects of physical exercise and Vit-E on tissue oxidative metabolism[J].Bioch Soc Transac,1984,12:403-405.

[19] 李江华,刘承宜,等.2006年多哈亚运会短距离游泳男运动员代谢组学研究[J].体育科学,2008,2(28):45-46.

Research Overview on Metabolic Markers under Metabolomics Technology Test in Sport Training

Wang Dongdong, Wu Lijun

Since the emergence of metabolomics detection technology, its application field is spreading more and more widely. It has been applied to the sports research from 2006 in domestic. However, the research in this area is less and lack of literature support, research system is not formed, analysis on each metabolite explanation is insufficient, and the research contents are also various. This paper overviews researches related to metabolic markers by viewing related published research literatures, to offer reference for the study in this field in the future.

sports training; metabolomics; metabolic markers

王冬冬(1991-)，男，河北邯郸人，在读硕士研究生，研究方向：运动解剖生理学。

山西大学体育学院，山西 太原 030006 Sport College of Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China.

G804

A

1005-0256(2017)04-0140-3

10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2017.04.060