骨骼肌細(xì)胞鐵代謝的研究進(jìn)展

王海濤　劉玉倩　劉建國(guó)　段相林　趙煥彬　于　鵬

摘要：鐵在ATP合成、氧的轉(zhuǎn)運(yùn)與利用等許多生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。骨骼肌是機(jī)體運(yùn)動(dòng)中利用鐵的重要器官，運(yùn)動(dòng)會(huì)改變骨骼肌細(xì)胞的鐵穩(wěn)態(tài)，骨骼肌鐵缺乏或鐵超載都會(huì)影響骨骼肌細(xì)胞的功能。進(jìn)而影響機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力。因此運(yùn)動(dòng)與鐵代謝的關(guān)系引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。骨骼肌細(xì)胞膜上鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體1(transferrin receptor 1，TfR1)、二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1(divalent metal transporter 1，DMT1)、腸鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白l(ferroportin 1，F(xiàn)PN1)等參與了鐵的攝取和釋放，NO可能對(duì)運(yùn)動(dòng)中骨骼肌鐵代謝起重要調(diào)控作用，但其具體分子機(jī)制尚需深入研究。此外，骨骼肌細(xì)胞膜上分布著參與調(diào)節(jié)腸鐵吸收的鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白(hemojuvelin，HJV)，其在運(yùn)動(dòng)中對(duì)腸鐵吸收的調(diào)控作用有待進(jìn)一步明確。

關(guān)鍵詞：人體生理學(xué)；骨骼??；鐵代謝；運(yùn)動(dòng)；鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受體；綜述

中圖分類號(hào)：G804.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-7116(2009)03-0096-05

鐵參與了機(jī)體許多重要的生理過(guò)程，是生物體內(nèi)含量最豐富的必需金屬元素。骨骼肌細(xì)胞內(nèi)的鐵一部分以血紅素鐵(hemeiron)的形式存在，主要指肌紅蛋白(myoglobin，Mb)，Mb可以從血紅蛋白(hemoglobin，Hb)中接受并貯存O₂，供肌肉運(yùn)動(dòng)；此外，骨骼肌細(xì)胞中血紅素鐵還包括線粒體中電子傳遞鏈上的細(xì)胞色素a、a₃、b、c₁和c，參與電子轉(zhuǎn)運(yùn)，與ATP生成有關(guān)。骨骼肌細(xì)胞內(nèi)另一部分鐵以非血紅素鐵(non-hemeimn)的形式存在，主要包括線粒體呼吸鏈中的鐵硫蛋白和黃素蛋白如NADH、琥珀酸脫氫酶、黃嘌呤氧化酶；還有一些酶如三羧酸循環(huán)中的烏頭酸酶、核糖核酸和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，盡管不含鐵，但它們發(fā)揮作用需要鐵作為輔助因子；有些含鐵有機(jī)物雖然與能量代謝沒(méi)有直接的關(guān)系，但是對(duì)細(xì)胞能量代謝所需的穩(wěn)態(tài)環(huán)境的維持發(fā)揮重要作用，如過(guò)氧化物酶、細(xì)胞色素P450等。由于鐵參與了氧的轉(zhuǎn)運(yùn)貯存及能量代謝，因此運(yùn)動(dòng)中骨骼肌細(xì)胞鐵代謝變化會(huì)直接影響ATP的產(chǎn)生，進(jìn)而影響骨骼肌的運(yùn)動(dòng)能力。由于運(yùn)動(dòng)員中存在鐵缺乏的狀況，因此關(guān)于骨骼肌鐵代謝引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。本文重點(diǎn)介紹骨骼肌細(xì)胞的鐵攝取與釋放、鐵缺乏與鐵超載對(duì)骨骼肌細(xì)胞功能的影響、運(yùn)動(dòng)中骨骼肌鐵代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制等的研究進(jìn)展。

1骨骼肌細(xì)胞的鐵攝取與釋放

骨骼肌細(xì)胞攝取鐵主要通過(guò)含鐵的轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin)明與細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TfR1)結(jié)合形成鐵-Tf-TfR1復(fù)合物，經(jīng)過(guò)內(nèi)吞機(jī)制，以內(nèi)吞小體的形式進(jìn)入胞內(nèi)。內(nèi)吞小體囊泡內(nèi)環(huán)境酸化后解離和還原釋放鐵離子，脫鐵后的Tf也從TfR1上解離，再開(kāi)始下一次循環(huán)。進(jìn)入胞內(nèi)的鐵一部分優(yōu)先被細(xì)胞內(nèi)含鐵蛋白捕獲，完成特定的生物學(xué)功能，另一部分與鐵蛋白(ferritin，F(xiàn)n)結(jié)合并貯存在胞內(nèi)鐵池中。鐵蛋白是機(jī)體鐵的主要儲(chǔ)存形式。當(dāng)細(xì)胞需鐵增加時(shí)，一方面可以通過(guò)鐵蛋白的鐵釋放，另一方面可以通過(guò)增加轉(zhuǎn)鐵蛋白從胞外攝鐵來(lái)滿足細(xì)胞對(duì)鐵的需求。骨骼肌細(xì)胞的細(xì)胞膜上除了有TfR1外，還有二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1(divalent metaltransporter 1，DMT1)、膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(ferroponin 1，F(xiàn)PN1)等參與了鐵的吸收和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)功能，其中，DMT1可將內(nèi)吞小體中已解離的鐵泵入胞漿，供細(xì)胞利用。FPN1具有使鐵從骨骼肌細(xì)胞內(nèi)釋放至胞外的功能，在亞鐵氧化酶的協(xié)助下，可將細(xì)胞內(nèi)的鐵釋放到血液中。與鐵代謝有關(guān)的亞鐵氧化酶(ferroxidases)主要有銅藍(lán)蛋白(ceruloplasmin，CP)和膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)輔助蛋白(hephaestin，HP)。在腸吸收細(xì)胞中，HP可與細(xì)胞基底膜上的膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白FPN1共同作用，將鐵從腸上皮釋放出去，但尚未見(jiàn)有關(guān)骨骼肌中HP作用的報(bào)道。CP可幫助Fe³⁺與細(xì)胞膜外的轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合。此外，2004年發(fā)現(xiàn)的參與調(diào)節(jié)腸鐵吸收的鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白(hemojuvelin，HJV)又稱血幼素，在骨骼肌和心肌中存在高表達(dá)。轉(zhuǎn)染了HJV cDNA的細(xì)胞Fn含量明顯增加。這是由于HJV會(huì)明顯增加這些細(xì)胞對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(transferrin-bound iron)和非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(non trans-ferrin-bound iron)攝取的能力。同時(shí)HJV可能具有降低細(xì)胞鐵釋放的功能。雖然HJV mRNA和受體蛋白(neogenin)在小鼠的骨骼肌有高表達(dá)，但其在骨骼肌鐵轉(zhuǎn)運(yùn)中的具體作用尚需深入研究。

2運(yùn)動(dòng)與骨骼肌鐵代謝

鐵參與了機(jī)體內(nèi)Hb和Mb的合成、線粒體電子傳遞鏈中細(xì)胞色素酶的組成等，因此鐵可以影響氧的轉(zhuǎn)運(yùn)及線粒體產(chǎn)生ATP的能力，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)。研究表明，耐力成績(jī)與Hb和組織中的鐵濃度相關(guān)。因此運(yùn)動(dòng)與骨骼肌內(nèi)鐵代謝存在密切聯(lián)系。然而研究又表明，運(yùn)動(dòng)會(huì)改變骨骼肌的鐵穩(wěn)態(tài)。趙光等用高頻電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP－PES)研究發(fā)現(xiàn)，小鼠一次性力竭游泳運(yùn)動(dòng)后，骨骼肌內(nèi)Fe含量明顯下降。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間耐力運(yùn)動(dòng)的研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是長(zhǎng)時(shí)間適度運(yùn)動(dòng)，還是長(zhǎng)時(shí)間跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)性低血色素大鼠的鐵分布均呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)：骨髓鐵出現(xiàn)不同程度的下降；肌肉中鐵含量明顯升高。這有可能是為了滿足運(yùn)動(dòng)中骨骼肌對(duì)鐵的需求，機(jī)體動(dòng)員了骨髓等的貯存鐵，使鐵重新分布，確保骨骼肌運(yùn)動(dòng)對(duì)鐵的需求。關(guān)于運(yùn)動(dòng)后骨骼肌纖維胞膜上Tf的表達(dá)證實(shí)了這一點(diǎn)。劉玉倩等研究表明，適度運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)機(jī)體鐵的動(dòng)員，增加腓腸肌非血紅素鐵含量。這是由于腓腸肌細(xì)胞膜上向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)鐵的TfR1和DMT1蛋白表達(dá)增加，而轉(zhuǎn)運(yùn)鐵出細(xì)胞的FPN1表達(dá)降低造成的。同樣，曹建民等的研究也表明運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練造成的運(yùn)動(dòng)性低血色素大鼠肌肉中鐵代謝紊亂，肌肉應(yīng)激性使轉(zhuǎn)鐵蛋白以及轉(zhuǎn)鐵蛋白受體表達(dá)增加，以促進(jìn)肌肉對(duì)鐵的吸收。因此，維持機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)尤其是骨骼肌的鐵代謝平衡對(duì)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)是十分重要的。

3骨骼肌細(xì)胞鐵缺乏與鐵超載

3.1骨骼肌細(xì)胞鐵缺乏

目前，通過(guò)膳食調(diào)查、體格測(cè)試和生化檢測(cè)等手段的研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員和普通人群仍存在鐵缺乏的現(xiàn)象。2005年，對(duì)23個(gè)項(xiàng)目599名(男331，女268)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的營(yíng)養(yǎng)狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，貧血和缺鐵性貧血的檢出率在女運(yùn)動(dòng)員中為12.6％、男運(yùn)動(dòng)員為5.2％，女運(yùn)動(dòng)員明顯高于男運(yùn)動(dòng)員。2002年，我國(guó)營(yíng)養(yǎng)普查結(jié)果顯示：缺鐵性貧血患病率達(dá)20.1％，其中2歲以內(nèi)嬰幼兒和60歲以上老人貧血率分別為31.1％和29.1％。此外，北京市2005～2006年在大興和西城區(qū)

對(duì)1797名20～60歲的職業(yè)女性和538名幼兒園兒童進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，職業(yè)女性貧血患病率為14.31％，3～6歲兒童患病率為7.43％，主要為缺鐵性貧血。

鐵缺乏會(huì)影響骨骼肌的功能。鐵缺乏時(shí)Hb和Mh減少，使血液中氧的運(yùn)輸和運(yùn)動(dòng)期骨骼肌收縮時(shí)氧的傳遞和儲(chǔ)存減少，組織中含鐵有機(jī)物尤其是含鐵酶減少或活性降低，抑制了三羧酸循環(huán)，而且Hb或紅細(xì)胞數(shù)量的減少會(huì)影響運(yùn)動(dòng)中肌肉清除C02的能力，使肌肉的pH值降低，限制骨骼肌的有氧氧化能力，降低耐力。在運(yùn)動(dòng)性貧血條件下，大鼠腓腸肌內(nèi)ATP酶多數(shù)會(huì)發(fā)生顯著性降低。同時(shí)電子傳遞能力下降，而且，耐力運(yùn)動(dòng)成績(jī)的恢復(fù)與組織鐵濃度的回升密切相關(guān)。線粒體半胱氨酸脫氫酶Fe-S簇和順烏頭酸酶受大鼠骨骼肌鐵含量的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，鐵缺乏引起55％～76％細(xì)胞質(zhì)順烏頭酸酶活性下降，蛋白水平下降50％。缺鐵大鼠骨骼肌線粒體的最大呼吸能力降低，氧化磷酸化減少，肌酸磷酸分解增多，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)加劇缺鐵大鼠骨骼肌線粒體微觀結(jié)構(gòu)的改變(嵴減少，空泡增多)。此外，貧血時(shí)運(yùn)動(dòng)能力降低還表現(xiàn)在亞極量運(yùn)動(dòng)時(shí)心率升高，運(yùn)動(dòng)后乳酸水平升高和恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)。長(zhǎng)期訓(xùn)練導(dǎo)致的骨骼肌疾病及肌紅蛋白尿與骨骼肌中琥珀酸脫氫酶和順烏頭酸酶缺乏相關(guān)?？傊罅康难芯勘砻?，耐力運(yùn)動(dòng)成績(jī)與Hb及組織中鐵的濃度密切相關(guān)。缺鐵性貧血時(shí)，氧運(yùn)輸?shù)臏p少限制了骨骼肌的氧化能力，降低了VO_2max(最大吸氧量)和運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

3.2骨骼肌細(xì)胞鐵超載

鐵是電子傳遞鏈中細(xì)胞色素酶的電子載體和三羧酸循環(huán)中大多數(shù)酶的功能成分，同時(shí)鐵是Hb和Mb的氧結(jié)合成分，是氧化代謝的中心。由于鐵可催化強(qiáng)氧化劑形成，增加對(duì)細(xì)胞膜、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸損傷的危險(xiǎn)，因此過(guò)量鐵積聚于體內(nèi)可致使細(xì)胞、組織受損。例如遺傳性血色病(hereditary hemochromatosis，HH)就是過(guò)量鐵沉積造成多器官功能損傷。研究表明，骨骼肌鐵超載后TfR1表達(dá)下調(diào)，而HJV表達(dá)無(wú)明顯變化，參與葡萄糖和脂肪代謝的酶表達(dá)發(fā)生變化，更易誘發(fā)糖尿病。隨年齡增加骨骼肌內(nèi)的鐵貯量也會(huì)增加，從而誘發(fā)過(guò)氧化損傷。Altun等利用雙向凝膠電泳觀察4月齡和30月齡大鼠腓腸肌基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)老年大鼠的骨骼肌鐵貯量增加，轉(zhuǎn)鐵蛋白、SOD，表達(dá)增加，SOD₂表達(dá)減少，同時(shí)老年大鼠的骨骼肌在細(xì)胞呼吸過(guò)程中更易受到自由基攻擊。Jung等的研究也表明老年大鼠跖肌鐵聚積，鐵蛋白重鏈和輕鏈表達(dá)增加，TfR1表達(dá)下降。膳食中的VE可減少過(guò)氧化損傷，降低大鼠肝、骨骼肌組織中可變鐵池中的鐵。

4運(yùn)動(dòng)中骨骼肌鐵代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制

關(guān)于運(yùn)動(dòng)中骨骼肌鐵代謝的調(diào)控機(jī)制，目前研究還較少，尚缺乏系統(tǒng)性的結(jié)論，可能涉及的調(diào)控途徑主要與NO和低氧刺激相關(guān)。

4.1運(yùn)動(dòng)中NO對(duì)骨骼肌鐵代謝的調(diào)控

NO與運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切，在運(yùn)動(dòng)及鐵代謝中起重要的調(diào)控作用。本研究組以往研究表明10周游泳訓(xùn)練后的大鼠腓腸肌NO含量和NOS活性高于安靜對(duì)照組(p＜0.05)，DMTI(IRE)和TfR1表達(dá)較對(duì)照組增加，F(xiàn)PN1表達(dá)減少(p＜0.05)，而DMT1(non-IRE)表達(dá)無(wú)明顯變化。說(shuō)明運(yùn)動(dòng)中NOS活性增強(qiáng)，產(chǎn)生更多的NO，引起腓腸肌細(xì)胞膜上TfR1和DMTI(IRE)表達(dá)增加，F(xiàn)PN1表達(dá)降低，使肌細(xì)胞從循環(huán)系統(tǒng)攝取鐵增加，而肌細(xì)胞向外釋放鐵減少，引起肌細(xì)胞內(nèi)鐵貯存增加，從而滿足運(yùn)動(dòng)中肌組織對(duì)鐵的需求。其具體調(diào)控機(jī)制可能與鐵調(diào)節(jié)蛋白1(iron regulatory protein 1，IRPI)、鐵反應(yīng)元件(iron response element，IRE)的結(jié)合活性改變有關(guān)。IRP1與線粒體順烏頭酸酶有高度同源性，線粒體順烏頭酸酶是NO主要靶酶，因此NO也能調(diào)節(jié)IRP1活性，其機(jī)制可能是NO與IRP1的Fe-S中心結(jié)合，破壞IRP1中Fe-S簇，從而激活I(lǐng)RP1與mRNA的結(jié)合活性，調(diào)節(jié)具有IRE的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白的表達(dá)。如果IRE存在于mRNA 5-UTR(untranslated region)，IRP與IRE的結(jié)合會(huì)阻礙mRNA的翻譯，進(jìn)而減少蛋白表達(dá)。如果IRE存在于mRNA 3-UTR，IRE與IRP結(jié)合增加mRNA穩(wěn)定性，則會(huì)使蛋白表達(dá)增多。大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起肝、脾和骨髓細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)IRP活性增加，并且與IRE結(jié)合增強(qiáng)。最近關(guān)于NO和鐵代謝相互作用的研究結(jié)果證實(shí)了這種可能性。通過(guò)凝膠阻滯實(shí)驗(yàn)(Gel-retardation assay)發(fā)現(xiàn)，NO可以增強(qiáng)小鼠單核巨噬細(xì)胞白血病細(xì)胞(RAW 264.7)TfR1中IRE與IRP1的結(jié)合活性，從而增加其mRNA的含量。但關(guān)于骨骼肌細(xì)胞中是否會(huì)存在相似的調(diào)控作用，還需進(jìn)一步研究。

4.2低氧對(duì)鐵代謝的調(diào)節(jié)

在大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中，工作細(xì)胞對(duì)氧的需求不斷增加，氧的需要量與氧輸送能力不相適應(yīng)會(huì)造成機(jī)體相對(duì)缺氧，即負(fù)荷缺氧。目前尚缺乏負(fù)荷缺氧對(duì)骨骼肌鐵代謝影響的報(bào)道。要學(xué)者對(duì)高原缺氧和低氧暴露進(jìn)行了初步研究，Robach等研究發(fā)現(xiàn)7～9d高原缺氧使Hh表達(dá)下降(35％)，降低了鐵蛋白輕鏈(43％)和TfR(50％)及總鐵量(37％)，同時(shí)FPN1 mRNA表達(dá)增加。這表明低氧增加了肌細(xì)胞內(nèi)鐵的釋放。在高原缺氧條件下，為了促進(jìn)紅細(xì)胞生成，鐵需求增加，促進(jìn)機(jī)體鐵動(dòng)員，增加Hb濃度。林文弢等觀察運(yùn)動(dòng)性低血紅蛋白大鼠在人工常壓低氧(14.5％)環(huán)境下恢復(fù)3周后發(fā)現(xiàn)大鼠血清鐵、血清鐵蛋白和總鐵結(jié)合力顯著升高，而血清轉(zhuǎn)鐵蛋白則顯著下降。這說(shuō)明低氧暴露可促進(jìn)血清鐵代謝，使體內(nèi)儲(chǔ)存鐵增加，有利于運(yùn)動(dòng)性低血紅蛋白恢復(fù)。也有研究表明適度低氧(10％)對(duì)小鼠骨骼肌鐵貯量無(wú)明顯影響，卻增加了肝臟中的鐵含量和金屬氧化還原酶的活性。不同的研究結(jié)果可能與低氧時(shí)間不同、運(yùn)動(dòng)形式差異和實(shí)驗(yàn)對(duì)象不同有關(guān)，關(guān)于低氧對(duì)骨骼肌鐵代謝的影響及其調(diào)控機(jī)制還有待深入研究。

5研究展望

5.1骨骼肌鐵代謝的調(diào)控機(jī)制運(yùn)動(dòng)有可能通過(guò)增加NO含量而調(diào)控鐵代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)鐵在體內(nèi)的重新分布。目前尚缺乏直接證據(jù)證明運(yùn)動(dòng)中NO通過(guò)何種途徑促進(jìn)機(jī)體貯存鐵的重新分布，NO對(duì)骨骼肌細(xì)胞攝鐵和釋鐵能力究竟有何影響，及其調(diào)節(jié)機(jī)制尚缺乏深入研究。以往的研究多處于系統(tǒng)水平，NO對(duì)肌細(xì)胞鐵代謝的調(diào)控機(jī)理缺乏細(xì)胞水平和分子水平的深入研究。此外，低氧刺激如何調(diào)控骨骼肌鐵代謝還需進(jìn)一步研究。

5.2Hd7在骨骼肌鐵代謝及腸鐵吸收中的作用

骨骼肌細(xì)胞表達(dá)的HJV是血清HJV的重要來(lái)源，它可調(diào)節(jié)肝臟分泌抗菌多肽hepcidin，而hepcidin在腸鐵吸收中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。在小鼠骨骼肌細(xì)胞系C2C12中下調(diào)HJV受體(neogenin)的表達(dá)，會(huì)降低HJV釋放，而在HEK293過(guò)量表達(dá)neogenin，則會(huì)顯著增加HJV釋放，這表明肌細(xì)胞膜上HJV的釋放是由受體調(diào)控的。關(guān)于HJV在骨骼肌鐵代謝中的角色及其在腸鐵吸收中的作用有待進(jìn)一步研究。

[編輯：鄭植友]