运动干预对机体代谢功能影响的研究进展

张欢 陈克基 路国涛

1扬州大学医学院，江苏 225000；2扬州大学附属医院消化内科，江苏 225000

当今社会生活条件逐渐改善，人们的饮食与运动方式产生变化，与之相关的代谢相关疾病的发病率也大幅增高。2017年有文献指出，调查发现我国成人代谢综合征的发病率已达33.9%［1］，而2000年的发病率仅为16.5%，近20年内代谢综合征的发病率急剧增长达2倍之多。根据2019年发布的《血脂异常基层诊疗指南》，我国有1.6亿人血脂水平超出正常范围，2.7亿人患高血压疾病，糖尿病患者数量9 240万人，众多的患病人数为家庭和社会都带来了极大的负担，而由此导致的一系列心脑血管疾病的致死性并发症也成为危害患者生命健康的一大因素。代谢过程包含物质代谢和能量代谢两大方面，机体任何一种物质代谢异常或能量生成利用障碍都会导致疾病的发生。由于代谢紊乱而导致的疾病类型范围很广，包括高血糖、高血脂、痛风、骨质疏松症、激素代谢障碍等，治疗方法主要侧重于药物治疗和生活方式干预2种。药物治疗干预异常的代谢过程，一般需要终身服用，且可能存在耐药和不良反应等问题，生活方式干预中重要的一项是体育运动干预，由于效果确切并且不存在不良反应，运动对于机体代谢的影响正逐步引起人们的重视。

1 运动干预与糖代谢

1.1 糖代谢紊乱疾病 糖代谢紊乱导致的疾病主要包括高血糖症、2型糖尿病、酮症酸中毒、乳酸性酸中毒等。临床上常见因胰岛素相对不足导致血糖浓度过高的2型糖尿病，胰岛素抵抗是其重要成因之一。胰岛素抵抗是指机体对胰岛素生物作用的敏感性降低，因此胰岛素促进机体氧化利用葡萄糖的生理效应减弱，从而导致血糖浓度升高。胰岛素抵抗的发病机制可分为胰岛素生物活性下降的受体前缺陷，胰岛素受体数量减少或功能下降的受体缺陷以及细胞内信号传导障碍的受体后缺陷3个不同水平的功能障碍，其中受体后水平缺陷致病较为多见。

1.2 运动影响糖代谢的机制 有研究证明，2型糖尿病患者在进行有氧运动、等距运动和抗阻性训练后，病情可以得到显著改善［2］。其机制主要在于运动能够增强骨骼肌细胞摄取利用葡萄糖的功能，增强胰岛素生物效应的敏感性，改善胰岛素抵抗［3］。运动可以增加骨骼肌细胞膜上胰岛素受体和葡萄糖转运蛋白4的表达，提高胰岛素与受体的结合率并促进骨骼肌细胞将葡萄糖运送进入细胞内部，在受体与受体后水平同时改善胰岛素抵抗［4-5］。在糖尿病大鼠的骨骼肌中，LKB1-AMPK信号通路发生严重损伤，而经过长期有氧运动后，该通路中蛋白激酶及其亚基的磷酸化水平得到了改善，大鼠的血糖水平也有所下降，说明运动干预可以通过改善LKB1-AMPK信号通路来促进葡萄糖的摄取利用［6］。

此外，有学者认为，胰岛素抵抗还与线粒体的损伤和异常有关。线粒体生成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的功能在胰岛β细胞的信号转导中至关重要，具体体现在线粒体转录因子A的失活可导致β细胞凋亡，从而使血清胰岛素水平降低，血糖浓度升高［7-8］。中等强度运动后可发现细胞内线粒体数量显著上升，氧化磷酸化进程加快，产生的能量增加［9］，有研究认为这与运动抑制线粒体自噬有关［10］。但最近有实验发现，运动也可以诱导线粒体自噬。运动后线粒体过氧化物酶体增殖活化受体γ辅激活因子1α（PGC-1α）蛋白表达增多使其生物合成增加，同时由于运动中大量耗能，ATP水平下降，线粒体AMPK-ULK1信号通路被激活，从而提升线粒体外膜蛋白FUNDC1与自噬标志物LC3的连接能力，以此诱导线粒体自噬的发生，针对性清除结构紊乱或功能异常的线粒体［11］，保障正常骨骼肌线粒体生理功能的发挥。由于线粒体的合成与自噬都是线粒体质量控制体系的一部分，所以推测运动对于线粒体的最终影响都是保证其数量与结构的相对稳定，从而发挥稳定糖代谢水平的功能，在这个过程中自噬的抑制与诱导可能同时存在。

运动影响糖代谢的另一途径是通过改善脂代谢实现的，由于运动状态下消耗大量能量，机体加速脂代谢供给能量，脂质堆积减少，脂质对细胞的脂毒性降低，细胞功能恢复正常，骨骼肌细胞氧化利用葡萄糖以及胰岛β细胞分泌胰岛素的能力增强［12］。脂肪细胞分泌的视黄醇结合蛋白4是导致胰岛素抵抗的相关因素之一，运动可降低视黄醇结合蛋白4的水平，从而增强胰岛素敏感性［13］。

2 运动干预与脂代谢

2.1 脂代谢紊乱疾病 血液和组织器官中的脂质代谢过程异常可导致脂质的堆积或不足，脂质生成不足会影响机体的氧化供能，使细胞膜结构功能异常，类固醇激素生成障碍，脂质堆积则可导致肥胖、脂肪肝等。长期血脂代谢的紊乱还可能导致一系列心血管疾病，如高血压、冠心病、高脂血症、动脉粥样硬化等，目前临床上没有疗效确切的措施可以根治这类疾病，病情呈缓慢的持续发展趋势，最终可导致心肌梗死、脑动脉栓塞等严重后果，患者需要终身服用药物以防病情进展。心血管疾病导致的死亡已位居我国疾病死因构成的首位，因此有效预防控制脂代谢紊乱对维持患者生命健康有着至关重要的意义。

2.2 运动影响脂代谢的机制 研究显示，有氧运动可有效降低患者的血压和血脂水平，减少动脉硬化的发生，一定程度上降低心血管疾病的发生概率［14］。运动改善脂代谢的作用是被广泛认可的，但究其机制学说众多，尚无明确定论。骨骼肌、心脏、肝脏和脂肪组织是机体脂肪含量丰富的器官组织，有氧运动主要影响这些部位的脂质代谢。一定强度的运动可使机体动用脂肪氧化供能，从而消耗体内的脂肪储存。脂蛋白是脂质运输的载体，低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）运载胆固醇进入外周，胆固醇积聚于血管壁上导致动脉硬化，是冠心病的致病因子；高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）将外周的胆固醇转运进入肝脏分解排泄，是冠心病的保护因子。采用低于乳酸阈的中低强度有氧运动可以增强脂蛋白酯酶的活性，从而提高血浆HDL水平［15］，而高于乳酸阈的无氧运动则会导致HDL水平下降［16］。由此可见，采取运动干预调节脂代谢时运动的强度需被纳入考虑范围内，低强度的有氧运动被认为更加有效。

过氧化物酶增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs）是一种配体诱导的核转录因子，与脂代谢过程密切相关，分为PPARα、PPARβ、PPARγ3种亚型。实验发现，运动可以提高大鼠体内HDL胆固醇水平，降低LDL胆固醇、胆固醇、甘油三酯的水平，这一结果是通过上调肝脏、骨骼肌和脂肪组织中PPARβ/δ的表达来实现的［17］。PPARγ能够诱导前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞，并且促进脂肪细胞内甘油三酯的合成，从而调控成熟脂肪细胞内脂肪的生成［18］。PPARγ是非编码RNAmiR-27b的靶基因，miR-27b具备抗脂作用，运动状态下miR-27b表达增加，通过负反馈下调PPARγ的表达，进而抑制脂肪细胞的分化，减少脂质的生成［19-21］。与糖代谢相似，运动也可以促进脂肪细胞的自噬，使甘油三酯、胆固醇降解生成游离脂肪酸为机体供能，维持脂质代谢的平衡，调节体内的脂肪含量［22］。

3 运动干预与蛋白质代谢

运动对蛋白质代谢的影响主要体现在对骨骼肌蛋白合成与降解的调节。运动后大鼠肌肉总蛋白含量增加，骨骼肌和血清IGF-1水平上升［23］。IGF-1被认为是骨骼肌细胞信号传导系统的重要成分，可以刺激肌肉蛋白合成，导致骨骼肌肥大，肌肉质量增加［24］。然而在高海拔地区对大鼠进行运动训练时，发现运动组的大鼠骨骼肌蛋白质含量降低，血尿素氮水平升高［25］，并且随着地区高度的上升骨骼肌蛋白质减少的含量也更多。推测导致这一实验结果差异的原因在于运动时机体所处的氧分压不同，高原地区低氧状态下的运动刺激使机体表现为负氮平衡，蛋白质大量分解。这一结果对骨骼肌发挥正常生理功能是不利的，低氧运动虽然可以刺激骨骼肌有氧代谢的能力，但在蛋白质代谢的层面上，却也加速了肌肉蛋白的消耗。

支链氨基酸亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸在运动中可以参与机体的氧化供能，肌肉中支链氨基酸氧化分解可促进ATP生成［26］。亮氨酸还具有增强骨骼肌蛋白质生成，减少骨骼肌以外的组织蛋白质分解代谢的功能，可使机体出现正氮平衡。由此推测在低氧运动状态下补充支链氨基酸或许可以对抗蛋白分解对骨骼肌带来的不利影响，一方面通过氧化为机体供能，另一方面能够减少骨骼肌蛋白质的降解。

4 运动干预与激素代谢

与运动过程密切相关的激素主要包括甲状腺激素和雌激素。甲状腺激素可以加速机体的代谢过程，增加氧的消耗并生成热量为机体供能，雌激素则可以促进骨及骨骼肌的代谢。

甲状腺激素具有促进机体物质及能量生成的功能，急性高强度运动后血清和心肌细胞中甲状腺激素水平升高［27］，推测这可能是由于促甲状腺激素释放增多引起的，然而过度升高的甲状腺激素会加强心肌细胞代谢耗氧，超负荷的心肌代谢可能造成心肌损伤，导致心源性的运动性猝死［28］。

卵巢和胎盘是机体生成雌激素的主要部位，除此之外，骨骼肌则是外周组织产生雌激素的重要部位。雌激素具有抗氧化能力，可以减轻氧化应激对骨骼肌带来的损伤［29］，同时还具有调节肌肉糖代谢以及促进肌肉蛋白合成的功能［30］，使骨骼肌产生更强的收缩能力。一定时间强度的运动可使骨骼肌内雌二醇含量增加，但血液中雌激素的含量无 明 显 变 化［31-32］。脱 氢 表 雄 酮（dehydroepiandrosterone，DHEA）是雌激素生成的前体物质，DHEA在类固醇脱氢酶催化下合成睾酮，睾酮在芳香化酶作用下生成雌激素。有实验提出运动可以提高肌肉DHEA的水平，从而促进雌激素的生成，但也有学者认为运动中雌激素水平的升高与DHEA并无显著关系，故对于DHEA是否与运动影响雌激素代谢有关还需进一步研究。运动后的大鼠肌肉中芳香化酶的表达增加［33］，由此使得雌激素水平也进而升高。不同运动强度对雌激素的影响也截然相反，中等时间强度的运动可使雌激素生成增多，但过量运动反而会导致雌激素水平降低，这可能与下丘脑-垂体-性腺轴功能受抑有关［34］。

5 运动干预与骨代谢

骨骼系统功能减退导致骨质量和骨密度的下降是骨质疏松发生的重要病因，进行肌肉骨骼运动可以调节骨代谢，增加骨质量，促进新骨形成［35］。不同的运动方式对骨代谢的促进作用也不相同，有氧运动和阻力训练均具有良好的正性调节作用，相比之下阻力训练具有更好的效果。运动促进骨代谢的调节机制有两个方面，一方面是机械压力的作用，运动产生的压力直接作用于骨骼，骨组织中的成骨细胞、骨细胞、骨衬细胞等是力学敏感细胞，在感知到运动压力后这些细胞功能被激活，可以促进新骨的生成。另一方面调节主要是通过雌激素实现的。骨骼OPG-RANKL-RANK系统负责调节破骨细胞的分化与凋亡，维持骨代谢平衡［36］。骨保护素配体RANKL与其受体RANK结合，激活破骨细胞的活性及分化，骨保护素（osteoprotegerin，OPG）可阻断RANKL与RANK结合［37］，抑制骨吸收及破骨细胞活化。上文已经提到，运动可以使雌激素的分泌增加，雌激素水平升高刺激OPG表达，从而导致破骨细胞凋亡，抑制破骨性骨吸收［38］，而高强度的过量运动由于雌激素水平反而降低，会导致骨质过度丢失，骨组织的破坏加剧［39］。雌激素还可以直接与成骨细胞和破骨细胞上的雌激素受体结合，促进成骨细胞增殖，抑制破骨细胞活性，综合调节骨代谢。

6 小结

运动干预作为一种非药物治疗性的干预手段，对机体多项代谢过程都有着良好的调控作用。适量适度的运动可以促进糖脂代谢，减少组织和血液中糖类物质和脂质的沉积，降低糖尿病、心血管疾病的患病风险。就机制而言，运动影响糖脂代谢的过程有许多的相似之处，往往在促进糖代谢的同时也会促进脂代谢。运动对蛋白质的影响主要在于促进肌肉蛋白的合成，使骨骼肌质量增加。此外运动还可促进甲状腺激素与雌激素的分泌，甲状腺激素的分泌过多会对心肌细胞产生损伤，而雌激素的分泌则与骨骼和骨骼肌的代谢密切相关。由运动性压力和雌激素介导的骨代谢加速是运动预防骨质疏松的重要依据。虽然运动可以在很大程度上改善机体代谢能力，但运动的强度和方式对最终的结果至关重要，过高强度的运动反而会导致分泌产物减少甚至产生组织损伤，因此在制定运动方案时需注意这一点。总的来说，运动干预是促进机体代谢的一项治疗手段，具有良好的治疗效果，在掌控好强度的情况下，不良反应极其微小，一次运动同时促进多项代谢的过程，综合改善机体代谢紊乱的情况，在代谢性疾病的预防与治疗中可以发挥相当可观的效用。