α-酮戊二酸的生理功能及其在运动训练中的应用研究进展

朱丹琳 肖卫华

上海体育学院，上海市运动与代谢健康前沿科学研究基地（上海200438）

1 前言

骨骼肌不仅是能量代谢器官，还是人体运动的动力器官，在力量的产生、运动能力和身体机能的维持以及代谢调节等方面发挥着重要作用[1]。肌肉质量的丢失、力量的减弱和脂肪的堆积都会导致身体功能退化、运动能力下降以及生活质量降低，并增加慢性疾病的风险。对于运动员来说，肌肉的力量和耐力都直接影响运动表现。因此，拥有最佳的肌肉质量对维持运动能力以及在运动中获得最佳运动成绩是至关重要的。脂肪组织虽有供能、保暖和缓冲等功能，但过量的脂肪堆积会影响人体运动中速度、力量和耐力的发展，造成体脂百分比升高和心肺功能降低[2，3]，限制运动员竞技水平的正常发挥，严重影响人体的运动能力、生理功能及身体健康。

运动可影响肌肉和脂肪含量，如运动可刺激肌肉肥大，提高肌肉力量，减少脂肪沉积[4-7]。最近几项研究表明，α-酮戊二酸（alpha-ketoglutarate，AKG）可模拟运动的某些代谢作用。如AKG 可增加瘦体重、促进肌肉生长，增强肌肉力量，能降低身体脂肪含量和改善身体成分，对机体正常运动能力的维持发挥着重要作用[8，9]。本文通过Pubmed 和Web of science 数据库，以“alpha-ketoglutarate”、“Protein synthesis”、“Lipolysis”、“Muscle hypertrophy”、“sport training”为关键词，检索到相关文献820篇，通过阅读标题和摘要进行筛选，最终采用56篇与本研究相关的文献，总结分析AKG的生理功能及其在运动训练领域中的应用，为AKG 应用于运动训练领域提供参考依据。

2 α-酮戊二酸的生理功能

AKG是三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环的中间代谢产物。在TCA 循环中，AKG 是异柠檬酸脱氢酶的氧化脱羧和谷氨酸脱氢酶的氧化脱氨产物。AKG也可作为中间体参与氨基酸生物合成，生成的谷氨酸和谷氨酰胺可与AKG 相互转化。谷氨酰胺由谷氨酰胺酶水解转化为谷氨酸和氨，谷氨酸再脱氨基生成AKG。反之，AKG 可以通过谷氨酸脱氢酶和谷氨酰胺合成酶转化为谷氨酰胺，或通过AKG 脱氢酶脱羧为琥珀酰-CoA 和CO[3]，作为能量底物为细胞提供能量[10，11]。近些年的研究发现，在血液中可检测到AKG 的产生，但主要存在于线粒体和细胞质中[12，13]。AKG 作为一种重要代谢产物，参与多种细胞能量代谢和多个代谢途径。AKG不仅直接参与机体氧化供能及体内多种化学合成，还具有调节机体能量代谢、促进肌肉生长、增加蛋白质合成、改善骨质、减轻体重和维持肠道健康等生理作用，是一种具有多功能调节性的生物分子[10，13]，被广泛应用于人类和兽医学中膳食补充剂[14，15]。

2.1 促进骨骼肌肥大

骨骼肌肥大时骨骼肌质量增加，在哺乳动物中表现为骨骼肌纤维直径的增加。已有研究表明，骨骼肌质量不仅受机械负荷和体育锻炼的影响，还与营养补剂和生长因子密切相关[16-18]。营养补剂被认为是一种可增加骨骼肌质量的简单有效且应用广泛的方法。有研究通过在水中加入浓度为1%和2%的AKG，观察其对C57BL6/J 小鼠骨骼肌的影响，结果显示2%AKG 组小鼠的血清AKG 水平、瘦体重、腓肠肌重量和纤维大小显著高于对照组[19]。另有研究报道，在正常饮食喂养的雄性和雌性C57BL6/J小鼠饮水中添加2%AKG，结果显示，AKG处理的雄性和雌性小鼠在1周或2周后开始出现肌肉体积增加、腓肠肌和比目鱼肌重量增加[9]。还有研究采用mdx 小鼠模型，探索AKG 对肌营养不良症（duchenne muscular dystrophy，DMD）肌肉质量的影响，结果显示，喂养AKG 补充剂的mdx 小鼠瘦体重、比目鱼肌和腓肠肌的肌肉重量有所增加，表明AKG 在促进骨骼肌肥大和防治肌肉萎缩中发挥着重要作用[20]。

2.2 调控骨骼肌蛋白质代谢

不同的刺激因素如营养物质、生长因子、体育运动以及机械应力等均可影响骨骼肌蛋白质合成[21]。AKG作为蛋白质生物合成的前体，对骨骼肌蛋白质代谢的调节很重要，可促进肌肉蛋白质合成，并抑制其分解[14，22]。其中，Akt/mTOR/FoxO 信号通路在此过程中发挥重要作用[23]。mTOR信号通路与蛋白质合成直接相关，其下游基因核糖体S6 蛋白激酶（ribosome S6 protein ki⁃nase，P70S6K）和真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白1（eukaryotic initiation factor4E-binding protein1，4EBP1）磷酸化的增加可激活Akt，进而促进骨骼肌蛋白质合成。体外研究发现，采用浓度为0.5 mM 和2 mM 的AKG孵育C2C12肌管可剂量依赖性地增加肌球蛋白重链（myosin heavy chain，MyHC）的 表 达 和mTOR、P70S6K 和4E-BP1 的磷酸化，进而促进C2C12 肌管中蛋白质的合成。同理，给小鼠注射浓度为0.6 g/kg 的AKG后1小时，发现小鼠腓肠肌中MyHC的表达增加以及mTOR、P70S6K 和4E-BP1 的磷酸化水平升高，骨骼肌蛋白质合成增加[19]。

FoxO信号通路在蛋白质降解中发挥重要作用。离体实验发现，AKG可使骨骼肌C2C12细胞中的FoxO信号途径失活，肌肉环指蛋白1（muscle RING-finger pro⁃tein-1，MuRF1）和肌肉萎缩盒F 基因（muscle atrophy F-box，MAFbx）的蛋白水平降低。在体实验也发现，给小鼠注射浓度为0.6 g/kg 的AKG 后，发现FoxO 的下游蛋白MuRF1和MAFbx蛋白表达降低，蛋白质降解受到抑制[19，24，25]。此外，皮质酮是人体肾上腺皮质外层分泌的一种类固醇激素，在体内和体外也可诱导蛋白质降解，且与FoxO1磷酸化降低、MuRF1和MAFbx增加密切相关。离体实验表明，C2C12肌管经10 μM皮质酮+2 mM AKG处理48小时后，FoxO1磷酸化增加、MuRF1和MAFbx 蛋白表达降低。在体实验表明，对雄性C57BL/6J小鼠进行腹腔注射50 μg/kg皮质酮+1.0 g/kg的AKG，结果显示皮质酮诱导的MuRF1 和MAFbx 增加、小鼠腓肠肌FoxO1 磷酸化减少的现象消失。以上结果均表明AKG 可抵消皮质酮的抑制作用，并具有抗蛋白质降解的作用[26]。除此之外，体内注射皮质酮会使脯氨酸羟化酶（prolylhydroxylase 3，PHD3）高表达，而PHD3过表达会抑制AKG在C2C12骨骼肌细胞中的抗蛋白降解作用，但经浓度为2 mM的AKG处理后，皮质酮诱导的PHD3升高也受到抑制[26]。因此，AKG还可通过抑制PHD3 的表达来抑制蛋白质降解和骨骼肌萎缩。综上所述，AKG在蛋白质代谢中具有重要作用，可通过Akt/mTOR的激活及FoxO的失活来促进骨骼肌蛋白质合成和抑制蛋白质降解。

2.3 促进白色脂肪棕色化

人类和哺乳动物体内的脂肪组织可分为储能的白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）和耗能的棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT），其中WAT内BAT 功能的激活能促进能量代谢和减少脂肪量，从而促进白色脂肪棕色化。白色脂肪棕色化的过程受多种机制的影响。AKG 是TCA 循环中的中间介体，在脂肪细胞氧化中至关重要。有研究发现，在23°C的室温环境下，补充浓度为2%AKG的小鼠白色脂肪中发现了棕色脂肪细胞，BAT 的产热基因的mRNA 表达和解偶联蛋白（uncoupling protein 1，UCP1）蛋白表达增加[9]。BAT的生热和WAT的脂解还与代谢激素的调节控制相关，其中血清肾上腺素（epinephrine，E）和去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）是由肾上腺分泌的儿茶酚胺，其可刺激UCP1 信号通路诱导BAT 生热和WAT脂解[27-30]。如腹腔注射10 mg/kg的AKG后3小时，雄性C57BL/6小鼠血清E的水平、产热基因的mRNA表达和BAT 中UCP1 的表达增加，说明AKG 可以通过增加血清E的释放来促进BAT生热和WAT脂解，实现白色脂肪棕色化。综上所述，AKG 在诱导BAT 生热和脂肪代谢中具有重要作用，即补充AKG 可增强产热并减少脂肪的沉积，同时促进白色脂肪棕色化。

2.4 调控肠道菌群减轻体重

有研究[31]通过在小鼠饮水中添加10 g/L 的AKG，观察小鼠的摄食量、饮水量和体重，结果发现AKG 补充组小鼠体重的增加率低于对照组，且摄食量、饮水量以及摄食/增重均明显高于对照组。体重的控制与肠道内拟杆菌门和厚壁菌们两种有益细菌的比例有关，拟杆菌门与厚壁菌门比值的降低会打破肠道菌群平衡，进而引起肥胖，说明拟杆菌门的增加与体重的减轻呈正相关[32]。通过分类群依赖性分析法对肠道菌群进行聚类分析，证实了经饮水中添加10 g/L 的AKG 处理后，回肠微生物群中厚壁菌门的比例高于对照组，粪便微生物群中拟杆菌门的数量高于对照组、厚壁菌门的数量低于对照组，说明AKG 是通过增加拟杆菌门数量或减少厚壁菌门数量来影响肠道微生物群。为进一步验证AKG 是通过影响肠道微生物群来减轻小鼠的体重，采用AKG（10 g/L）和抗生素（1 g/L 氨卡青霉素，450 mg/L 链霉素，200 mg/L 庆大霉素）添加到饮水中，观察无菌小鼠体重的变化，结果表明，与未补充AKG的小鼠相比，AKG补充组小鼠平均摄食量无明显差异，增重率相似[31]。因此，补充AKG 可通过改变小鼠微生物组成来影响肠道菌群，进而减轻小鼠体重。

2.5 防止骨质流失

骨质疏松症（osteoporosis）是一种易发生骨折的全身性骨病，其骨密度和骨质量减少以及骨组织微结构紊乱，进而增加发生骨折的风险[33]。目前，用于治疗骨质疏松症的常见合成药物有雌激素、双膦酸盐、降钙素、选择性雌激素受体调节剂（如他莫昔芬、雷洛昔芬或屈洛昔芬）、抗骨吸收药物以及雷尼酸锶等，但这些药物具有副作用及患癌风险[34，35]。AKG 对骨骼内稳态和骨骼结构具有积极影响，具有改善骨代谢和骨骼力学性能的益处[14，15，36]，在骨质疏松症治疗中有较好的应用价值[37]。如Harrison 等[38]研究发现，羔羊在产后早期口服0.1 g/kg 体重的AKG 后，观察到股骨松质骨和皮质骨的骨密度、最大弹性强度显著增加。对仔猪进行AKG 灌胃0.1 g/kg 体重后，发现仔猪的股骨和肱骨横截面积增加、股骨皮质骨密度和肱骨最大弹性限度高于对照组，且第六肋骨骨长增加[37]。雌性去卵巢大鼠饮用浓度为1.0 mol/L 的AKG 后，可防止骨质丢失，促进骨矿化[39]。在一项针对绝经后骨质疏松症妇女的研究中[40]，观察到服用AKG-Ca（6 g/d AKG 和1.68 g/d Ca）可以阻止骨质量减少和腰椎骨密度增加。此外，其他研究表明，胃切除术（gastrectomy，GX）会使动物和人类的骨质减少，在雌性GX 大鼠模型中，发现大鼠颅骨和骨小梁结构受损以及骨小梁（股骨和胫骨）中的皮质骨骨矿物质含量（bone mineral content，BMC）和骨矿物质密度（bone mineral density，BMD）降低，而每日补充0.43 g/100g 体重的AKG 后，发现AKG 抑制了GX对大鼠颅骨和骨小梁的不利影响，但对皮质骨的影响不明显[41-43]。产蛋鸡的频繁产蛋会对骨骼系统造成负面影响，进而增加骨质的丢失和发生骨折的风险。在饲料中添加浓度为1%的AKG 后，发现其摄食量、体重和产蛋的功能不受影响，但骨小梁厚度、骨胶原合成、关节软骨纤维的形成增加[44]。综上所述，AKG 对骨代谢具有积极影响，其在预防或治疗骨质疏松症中具有重要作用。

3 运动对α-酮戊二酸的调控作用

3.1 运动促进α-酮戊二酸的生成

AKG 是TCA 循环中的中间产物，也是氨基酸代谢的重要中间介质。研究发现，急性抗阻和耐力运动可使小鼠血清AKG快速升高。Aguer等[45]发现，急性运动后小鼠血浆中AKG、丙氨酸和柠檬酸都要明显高于安静小鼠。Ⅰ型糖尿病患者和对照组进行30 分钟急性功率自行车运动后，对照组的AKG 浓度增加[46]。研究还发现，抗阻运动可降低谷氨酸和亮氨酸浓度并上调AKG 水平[9，47，48]，可能的原因是谷氨酸和亮氨酸代谢为AKG[49，50]，而AKG作为TCA循环中一种重要代谢底物，参与运动期间能量供应。运动提高AKG 含量可能是通过影响AKG 合成关键酶的活性来实现的，如谷氨酸脱氢酶（glutamate dehydrogenase，GDH）可催化谷氨酸氧化脱氨生成AKG、异柠檬酸脱氢酶（isocitric dehy⁃drogenase，ICD）可催化异柠檬酸氧化脱羧产生AKG和CO2[51，52]，研究发现耐力跑和抗阻运动都可以增强胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌中GDH和ICD的活性，表明运动可能通过GDH和ICD促进AKG的合成和释放。

3.2 α-酮戊二酸的含量受运动类型的影响

体育锻炼可提高肌肉质量、促进肌肉肥大[53，54]，且进行急性抗阻和耐力运动都可以引起小鼠血清AKG水平增加。但值得注意的是，两种运动形式对AKG 水平的影响存在一定的差异，急性抗阻运动可诱导血清AKG 呈时间依赖性增加，并在运动后2 小时内达到峰值，其引起血清AKG 浓度升高的水平显著大于耐力运动[9]，说明血清AKG 浓度水平的增加与运动类型密切相关。

4 α-酮戊二酸可作为一种新型运动营养补剂应用于运动训练

在训练期间补充AKG 的研究中，对未经训练的健康受试者进行持续4 周的无氧阈跑结合3×3 min 短跑冲刺训练，每周5 次，每次30 min，随后1 周恢复，训练期间每天补充0.2 g/kg/d 的AKG，结果显示，受试者的训练量、最大输出功率、最大肌力矩、运动耐力水平以及运动表现都较对照组得到明显改善[55]。足球运动员进行为期9天的强化训练（5～7次重复短跑、踏车力竭试验、YOYO间歇恢复2级、重复短跑能力测试）会导致疲劳、运动表现降低和暂时性运动成绩下降，运动员在每次训练前后，以每200 ml 水中添加2 g AKG 和0.2 g 5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）进行补充，共3 天，则可提升运动员运动表现、减少疲劳引起的暂时性运动能力下降，并改善了体能[56]。这些结果提示AKG 可作为一种新型运动营养补剂应用于运动训练领域。但总体来看，AKG 应用于运动人群中的效果研究仍很不够，还需深入研究。

5 总结

AKG 作为一种生物活性物质，在机体能量代谢和生理功能调控中发挥着重要作用。AKG具有促进肌肉肥大、增强骨骼及蛋白质合成、降低脂肪量、调控肠道菌群减轻体重和预防骨质疏松等生理作用，还可作为运动诱发的肌代谢产物，发挥类似体育运动诱导的代谢作用。可见，AKG 作为一种新型运动营养补剂在运动训练中具有较好的应用前景。在运动训练期间补充AKG，对于提高运动能力及改善运动表现具有重要意义。因此，AKG 有希望被开发成一种新型运动营养补剂应用于运动训练领域，以促进骨骼肌肥大和蛋白质合成，为运动员在运动训练中改善运的表现提供帮助。AKG 被广泛应用于动物实验，但在人群中的研究相对较少。因此，在未来的研究中，应着重研究不同项目运动员应用AKG 的效果，并积极探索不同项目运动人群最佳补充剂量。