青少年赛艇运动员有氧耐力训练的代谢应答特征

2021-03-30孟志军梁世雷王玉新高炳宏

中国体育科技 2021年1期

高欢，孟志军，李涛，梁世雷，王玉新，高炳宏*

青少年阶段是人体生长发育的关键时期。在这一阶段，激素水平急剧变化，第二性征凸显，身高快速增长。一般认为，14岁之前应注重柔韧性、灵敏性、协调性、动作频率等身体素质的全方位发展，14岁之后专项化训练方可逐渐增多（Bompa，1999）。过早、过多的专项化训练易导致伤病增多（Seiler et al.，2006）。一项针对德国青年赛艇队的年度训练负荷结构调查显示，年度训练中低强度有氧训练的比例约为95%，赛前训练阶段最大摄氧量（O2max）及以上强度训练增加至约5%（Guellich et al.，2009）。六夺奥运金牌的挪威越野滑雪运动员Bente Skari 20岁时90%的训练内容为有氧耐力训练，即使是成年后巅峰时期速度训练也仅占1%（Solli et al.，2017）。体能占主导的项目，一个大周期的训练计划中，低强度有氧训练和无氧阈及以上强度训练占比分别为80%和20%为宜（Seiler，2010；Stöggl et al.，2015）。美国游泳协会建议，14～18岁的高水平运动员每周安排8～10次、每次持续90～120 min（Riewald er al.，2015）训练。美国运动员协会指出，青少年阶段应注重有氧耐力训练、控制大强度训练课的比例以减少损伤（Valovich McLeod et al.，2011）。

青少年运动员年度训练中较多的进行有氧耐力训练有助于专项技术的完善和身体素质的全面发展，减少伤病及成年后运动水平的持续提高。阶段性有氧耐力训练后的适应表现为O2max和心输出量提高（Arbab-Zadeh et al.，2014；Montero et al.，2015），骨骼肌有氧代谢能力增强（Hoppeler et al.，1973；Jacobs et al.，2013；MacInnis et al.，2017），但鲜见其代谢应答机制的研究，尤其是以青少年运动员为对象的训练实践研究更是鲜有报道。代谢组学是系统生物学研究的常用手段，其通过全景式的扫描生物体受到刺激或扰动前后的尿样、血样、其他体液或组织样本，理论上可一次获得所有低分子量代谢产物的信息，可全面地分析干预前后机体代谢功能所发生的变化，不需要预先设定研究指标。近十年，代谢组学已迅速发展并应用到多个领域，在疾病早期诊断的标志物筛选和药效综合评价等与人类健康密切相关的领域开展了广泛的应用研究，在运动科学中的应用仅是初期阶段。Nieman应用代谢组学技术发现运动员3天的大负荷训练后75种代谢物升高2倍以上，其中22种与脂代谢有关，13种与氨基酸代谢有关（Nieman et al.，2013）。新近一项综合应用多组学技术的研究发现，16天5 260 m高原低氧暴露后骨骼肌倾向于更多地利用磷酸戊糖和单碳底物氧化供能（Chicco et al.，2018）。

赛艇是典型的体能占主导的周期性项目。通常，青少年赛艇运动员冬训初期主要训练内容中有氧耐力训练占比较高。以青少年赛艇运动员为研究对象，在年度冬训初期一个中周期训练阶段前中后分别收集血样，借助代谢组学技术筛选差异性代谢物，并结合身体成分、运动能力的变化，分析青少年运动员历经4周低强度有氧耐力训练后代谢的综合应答特征，初步探索其可能适应机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

青少年男子赛艇运动员8名，年龄16.18±1.34岁，身高 188.25±6.18 cm，体质量 78.69±13.38 kg，训练年限1.5～3.0年。

1.2 主要训练负荷安排

选择冬训初期为研究时间点，以完善技术、发展有氧耐力为研究目的。训练负荷强度按血乳酸浓度（blood lactate，BLa）分为3类（Seiler et al.，2006）。4周训练（表1）过程中，每周安排10～12次课；周三下午休息0.5天，周六下午至周日休息1.5天；每周进行2次以徒手力量为主的陆上力量训练，包括热身、放松，每次课持续90～120 min。在4周训练过程中，运动员保持之前的饮食习惯，不使用运动营养品。

表1 训练负荷结构安排Table 1 Weekly Training Load During 4-week Training

1.3 指标与仪器

分别在4周有氧耐力训练前后，按Bod Pod标准流程测量身体成分。

以赛艇测功仪（Concept 2，美国）多级递增负荷测试评价运动能力的变化。测试开始前慢跑10 min、慢走5 min、安静休息10 min，之后开始正式测试。每级持续4 min，速度要求依次为 01：56.00-01：52.00-01：48.00-01：44.00/500 m，每级间歇30 s，并在此30 s内采耳垂血20 μL测量 BLa（EKF Biosen C_Line，德国）。

4周训练前后、训练2周结束调整休息1天后（周一），采晨起空腹肘静脉血5 ml，肝素钠抗凝，3 500 rpm离心15 min，分离血浆，-80℃冻存待测。以LC-MS/MS平台（1290 Infinity LC，Agilent Technologies，美国；AB Sciex TripleTOF 6600，美国）分析4周有氧耐力训练过程中血浆代谢谱的差异，按标准流程建模，以VIP＞1且P＜0.05为标准，并与HMDB、Metlin数据库比对，筛选、确定差异代谢物。以Hitachi L-8900定量分析血浆游离氨基酸浓度的变化。

1.4 数理统计

4周训练前后体质量、身体成分以配对t检验（双尾）比较。多级递增负荷测试不同时间点BLa和4周训练前中后血浆游离氨基酸各时间点差异以重复测量方差分析比较。以PCA、PLS-DA、OPLS-DA建模确定血浆差异代谢物。P＜0.05为具有显著性差异，P＜0.01为具有极显著差异，0.05＜P＜0.10为具有显著性差异的趋势。

2 研究结果

2.1 4周有氧耐力训练前后身体成分的变化

4周有氧耐力训练后，体质量、脂肪质量及体脂含量均下降，去脂体质量略有增加，但均无统计学意义（表2）。

表2 4周有氧耐力训练前后身体成分的变化Table 2 Change of Body Composition before and after 4-week Aerobic Training

2.2 4周有氧耐力训练前后运动能力的变化

与训练前比较（图1），4周有氧耐力训练后多级递增负荷测试各级血乳酸浓度整体有显著差异的趋势（P=0.057），乳酸曲线右移；最后一级结束即刻血乳酸浓度与训练前比较有显著差异的趋势（P=0.056）；运动结束后5 min（5’R）时血乳酸浓度显著低于训练前（P=0.009）。

图1 多级递增负荷测试BLa的变化Figure 1.Comparison of Blood Lactate in Incremental Intensity Test before and after 4-week Aerobic Training

2.3 4周有氧耐力训练过程中血浆代谢谱的变化

2.3.1 基于LC-MS/MS的血浆差异性代谢物

有氧耐力训练2周后与训练前相比较，血浆差异代谢物为31种，分属于核苷酸、脂肪酸、肉碱、溶血磷脂胆碱、磷酰胆碱和氨基酸等多个类型。其中，血浆腺苷、肌苷分别较训练前升高约76.9倍、10.9倍，次黄嘌呤升高约3.9倍，尿苷、尿嘧啶升高约1.6倍，烟酰胺升高约3.2倍。胆碱、多种类型的溶血磷脂胆碱和磷酰胆碱均显著升高；十五烷酸（C15）显著升高，而辛酸（C8）显著降低；两种类型的酰基肉碱硬脂酰肉碱（C18）和2-甲基丁酰肉碱（C5）均显著升高；多种生糖氨基酸水平显著升高，N-乙酰丙氨酸显著下降约9.3倍（表3）。有氧耐力训练4周后，多数代谢物升高幅度降低或较训练前下降，血浆ADO、INO、HX下降至训练前约1.5倍、2.2倍。

有氧耐力训练2周后差异代谢物富集的信号通路主要有甜菜碱代谢、支链氨基酸降解代谢、磷脂生物合成、β-丙氨酸代谢、甲基组氨酸代谢、谷胱甘肽代谢、甲硫氨酸代谢、胆汁酸生物合成、苯丙氨酸和酪氨酸代谢、苯乙酸酯代谢和嘌呤代谢等（图2）。

2.3.2 4周有氧耐力训练过程中血浆游离氨基酸的变化

重复测量方差分析显示，Val、Leu、Gly、Glu浓度间点存在显著差异（P=0.019、P=0.030、P=0.023、P=0.007），Ala有显著差异的趋势（P=0.078）。与训练前相比，训练后血浆中上述游离氨基酸浓度均显著升高；训练中与训练前相比，血浆游离Val、Leu、Ala均显著升高，Glu有显著升高的趋势（图3）。

3 分析与讨论

青少年赛艇运动员经历4周的有氧耐力训练后，体质量下降约1%，去脂体质量升高约1%，身体脂肪质量减少约9%，但均未发生统计学意义上的显著变化；多级递增负荷测试发现乳酸-功率曲线整体右移，恢复5 min后BLa显著降低，提示有氧运动能力得到改善。基于LCMS/MS的血浆代谢谱分析发现，有氧耐力训练2周后多种类型的核苷酸、氨基酸、脂肪酸、溶血磷脂酰胆碱、酰基肉碱发生了显著改变。其中，血浆ADO升高70余倍，INO升高10余倍。差异代谢物富集于甜菜碱代谢、支链氨基酸降解代谢、磷脂生物合成、β-丙氨酸代谢、甲基组氨酸代谢、谷胱甘肽代谢等代谢通路。

ADO、INO、HX均属于嘌呤类代谢物，终产物均为尿酸（Fumagalli et al.，2017）。运动可引起骨骼肌和其他组织ATP降解增多。ATP在一系列酶促反应作用下依次降解生成ADO、INO、HX，并释放进入循环血中。安静状态下血浆中约2/3的嘌呤从尿排出，部分合成尿酸从肠道排出（Hellsten-Westing et al.，1994；Sorensen et al.，1975；Stathis et al.，1999；Sutton et al.，1980）。运动对循环血各类型嘌呤代谢物的影响与运动负荷强度和持续时间有关。持续较短时间的低强度运动，如不到10 min的低强度有氧运动后即刻血浆ADO升高（Guieu et al.，2015）；持续30 min 70%HRmax或70%O2max中等强度有氧运动后3 h，血浆HX、XAN仍显著高于运动前3～4倍（Kaya et al.，2006；Moritz et al.，2017）；强度更大的急性冲刺运动后血浆INO、HX和尿酸均升高，至结束后24 h仍未能恢复（Stathis et al.，2006）。但系统运动训练有助于减轻大强度运动引起的血浆嘌呤代谢物升高幅度（Dudzinska et al.，2018；Stathis et al.，2006）。动物模型的研究证实，规律的中等强度有氧运动6周后ATP、ADP、AMP水解显著减少（Cardoso et al.，2012）。摄入外源性ADO和AMP后骨骼肌糖脂氧化能力增强，胰岛素敏感性升高（Ardiansyah et al.，2018）。运动导致ADO的快速升高及其受体激活后所发挥的抗炎作用，有助于缓解缺氧缺血给组织带来的氧化损伤，抑制淋巴细胞增殖，缓解免疫抑制（Haskó et al.，2004，2008；Moritz et al.，2017）。以上分析表明，运动强度越大，持续时间越长，ADO、INO等升高幅度越大；系统训练有助于减轻同负荷运动时嘌呤核苷酸的降解；ADO、INO等一系列嘌呤代谢物的升高有助于机体应对运动所致的应激。本研究中青少年赛艇运动员有氧耐力训练2周后，血浆ADO、INO、HX均大幅升高，尤其是ADO较训练前升高70余倍，INO升高10余倍，而4周后升高幅度下降，表明冬训初期连续2周以中低强度有氧为主的系统训练仍造成了较强的代谢应激，运动员可能对训练负荷仍不适应；高ADO、INO、HX水平可能是机体启动各方面应激机制、修复应激损伤一种分子信号。

肉碱主要负责将活化的脂肪酸（脂酰CoA）转运进入线粒体基质内进行β-氧化。脂酰CoA上的CoA在肉碱酰基转位酶的作用下生成脂酰肉碱。血浆中的酰基肉碱可在一定程度上反映线粒体内的酰基CoA水平（Kler et al.，1991）。当脂肪动员增多或膳食摄入脂肪过多，线粒体基质中的酰基CoA可在转位酶的作用下转变为酰基肉碱释放入循环血（Koves et al.，2008；Millington et al.，2011；Violante et al.，2013）。血浆中酰基肉碱水平升高可能与脂肪酸动员增多、骨骼肌脂肪酸β-氧化不完全有关（Koves et al.，2008）。研究发现，补充乙酰肉碱可减轻低氧应激和脑部神经元损伤，抑制细胞凋亡（Barhwal et al.，2007；Hota et al.，2012；Zhang et al.，2010）。L-肉碱和丙酰-L-肉碱具有加快脂肪酸氧化利用和抗氧化损伤作用，临床上也作为治疗心血管疾病用药（Ferrari et al.，2010；Lango et al.，2001；Vanella et al.，2000）。运动员大强度训练后补充L-肉碱有助于减轻运动性缺氧和骨骼肌损伤（Fielding et al.，2018）。以上研究提示，循环血中酰基肉碱浓度升高可能与脂肪动员增多有关，高浓度酰基肉碱可能促进脂肪酸氧化供能，同时，一些短链酰基肉碱表现出的抗氧化损伤作用，也可能有助于加速训练后的恢复、修复氧化应激损伤。本研究中有氧耐力训练4周后身体脂肪质量减少约9%，2周的有氧耐力训练后空腹安静状态下循环血中硬脂酰肉碱、2-甲基丁酰肉碱均显著升高，4周后有所恢复，提示有氧耐力训练后安静状态下运动员脂肪动员和脂肪酸氧化增多，以满足机体恢复所需的能量、修复各种应激损伤；但2周耐力训练后血浆长链脂肪酸（十五烷酸）升高，而短链脂肪酸（辛酸）下降，这可能与刚开始系统训练时三羧酸循环与转运进入的脂肪酸氧化效率不匹配，酰基肉碱反向跨膜进入循环血增多有关。

lysoPCs和PCs都是甘油磷脂类家族成员，lysoPCs同时也是PCs生物合成的重要中间体，具有丰富的生物活性。PCs还是细胞膜、血浆脂蛋白、胆汁的重要组成，PCs经磷脂酶A2（phospholipase A2，PLA2）、磷脂酶A1水解及HDL经内皮脂肪酶水解是血浆LysoPC的重要来源（Gauster et al.，2005），健康普通人血浆中的lysoPCs浓度一般为 200～400 μmol/L（Kuliszkiewiczjanus et al.，2005；Süllentrop et al.，2002）。炎症是引起循环血中 lysoPCs降低的原因之一（Drobnik et al.，2003），重症脓毒症患者血浆CRP与lysoPCs呈显著负相关（Taylor et al.，2007）。小鼠注射lysoPCs后表现出抗炎作用，TNF-α和IL-1β降低（Yan et al.，2004）。本研究中，有着较强抗炎症和DNA修复作用的烟酰胺也显著升高，或间接印证了这一点。低lysoPC 18：2是老年人步速下降的独立预测因子（Gonza‐lez-Freire et al.，2019）。lysoPC可作为配体与特异性G蛋白藕联受体结合，生成溶血磷脂酸，后经特异性受体调控细胞的增殖和分化（Aikawa et al.，2015）。溶血磷脂酸也可经一系列酶促反应合成心磷脂，进而调控线粒体电子传递链效率（Paradies et al.，2014；Pennington et al.，2017）。研究表明，血浆低lysoPCs水平与骨骼肌线粒体氧化能力下降有关（Semba et al.，2019）。运动训练对循环血PCs、lysoPCs的影响鲜见报道。本研究发现，2周有氧耐力训练后安静状态下血浆中多种PCs、lysoPCs显著升高，同时，4周有氧耐力训练后去脂体质量增加，脂肪质量减少，循环血中高lysoPCs可能是抗炎能力增强、骨骼肌有氧氧化能力改善的表现。

胆碱是PC合成的必需分子，也是脂蛋白微粒的重要组成。血浆高胆碱水平有利于脂肪酸的转运（Konstanti‐nova et al.，2008）。胆碱还可在肠道菌群被分解为三甲胺，再经肝肠循环在肝脏合成氧化型三甲胺，参与糖脂代谢的调节（Bennett et al.，2013；Wang et al.，2016）。鹅脱氧甘胆酸盐是众多胆汁酸盐的一种，可调节肝脏、肠道对糖、脂肪和胆固醇的吸收利用（Dawson et al.，2015；Hy‐lemon et al.，2009）。本研究中青少年运动员有氧耐力训练2周后血浆胆碱和与肠道菌群功能相关的代谢物如ILA（表3）、瓜氨酸浓度显著升高，提示青少年运动员有氧耐力训练后肝脏和肠道菌群功能可能发生了显著改变。

本研究基于LC-MS/MS的非靶向代谢组学比较分析发现，2周有氧耐力训练后血浆Val、Leu、Ile和其他数种生糖氨基酸如Phe、Try、Glu、Met以及牛磺酸、焦谷氨酸、N-乙酰丙氨酸发生了显著改变。差异代谢物主要富集于甜菜碱代谢、支链氨基酸（branched-chain amino acid，BCAA）降解、β-丙氨酸代谢、甲基组氨酸代谢等涉及氨基酸代谢的信号通路（图2）。经靶向定量测量验证，4周有氧耐力训练后血浆Val、Leu、Gly、Ala、Glu浓度显著升高（图3）。

BCAA在骨骼肌中含量丰富，可作为骨骼肌和免疫细胞的能源底物（Negro et al.，2008；Shimomura et al.，2004）；补充BCAA可提高NK细胞活性和中性粒细胞吞噬功能（Kephart et al.，2016；Nakamura，2014），有助于大负荷运动后免疫功能的维持（Kephart et al.，2016）。适量摄入BCAA还可加快运动员大力量训练后肌肉疲劳的恢复（Waldron et al.，2017），训练前补充BCAA在缓解肌肉酸痛方面的效果比训练后补充更好（Ra et al.，2018）。血浆Glu大部分被骨骼肌吸收利用（Hediger et al.，1999；Klin et al.，2010）。Glu在丙氨酸氨基转移酶（alanine aminotrans‐ferase，ALT）的作用下可生成Ala和2-酮戊二酸，以回补途径参与TCA循环氧化供能（Owen et al.，2002）。Ala还可经“葡萄糖-丙氨酸循环”在肝脏和骨骼肌中参与氧化供能（许豪文，2001）。运动训练可引起ALT显著升高（Leibowitz et al.，2012）。本研究证实，4周有氧耐力训练后Glu、Ala均显著升高，这可能与4周系统训练后肝脏释放Glu增多、骨骼肌ALT活性升高有关。Val、Ile、Glu、Gly、Ala都是生糖氨基酸，可异生为葡萄糖参与氧化供能（郑集等，2007）。游离氨基酸可作为信号分子，经特异性受体或经ERK、mTOR等经典信号通路参与细胞自噬来调节蛋白质的降解（Kadowaki et al.，2003）。研究还发现，差异代谢物富集的通路多个涉及氨基酸代谢，包括甜菜碱代谢、甲基组氨酸代谢等。甜菜碱又称为三甲基甘氨酸，可由胆碱在肝脏和肾脏中合成；甜菜碱代谢通路中的中间代谢物可参与肉碱的合成，可激活运动中和运动后生长激素和胰岛素样生长因子-1的分泌来促进骨骼肌蛋白质的合成，并促进脂肪酸氧化（Cholewa et al.，2014）。甲基组氨酸代谢的关键代谢物3-甲基组氨酸是判断骨骼肌分解代谢程度的标志物，力量训练后尿3-甲基组氨酸浓度显著升高（Pivarnik et al.，1989），其中间产物β-丙氨酸可促进骨骼肌线粒体生物合成（Schnuck et al.，2016），也参与其他多个代谢途径。本研究中多种游离氨基酸浓度的升高可能与系统的有氧耐力训练后能量代谢重编程，一系列代谢通路被激活或发生了显著改变有关，发现4周有氧耐力训练后血浆BCAA、Glu、Gly、Ala较训练前大幅升高，去脂体重小幅增加，脂肪质量减少，有氧能力改善，这可能是骨骼肌蛋白质合成增多，氨基酸糖异生能力增强的表现。青少年赛艇运动员对有氧耐力训练的代谢应答涉及到多个氨基酸代谢通路，其中Val、Leu、Gly、Ala、Glu等在有氧耐力训练适应中的作用及其机制值得今后进一步开展深入研究。

4 结论与不足

4.1 结论

青少年赛艇运动员4周有氧耐力训练后有氧运动能力改善，身体脂肪质量降低，去脂体质量小幅增加；伴随着核苷酸降解增多、脂肪动员和脂肪酸转运加强以及肝肠代谢功能改变；经非靶向代谢组学分析并靶向验证发现，支链氨基酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸等生糖氨基酸在青少年赛艇运动员有氧耐力训练的代谢应答中有着重要作用。血浆腺苷、肌苷等具有较高VIP值、发生较大幅度变化的代谢物是判断青少年赛艇运动员有氧耐力训练代谢应答与适应效果的潜在标志物。