運動和營養(yǎng)對線粒體能量代謝的調控

馮智輝

線粒體生成、融合、裂解和自噬組成了線粒體質量控制的有效體系，適應細胞外不同的環(huán)境和細胞內不同的能量需求，線粒體的動態(tài)調控亦會隨之產生不同的變化[1]。在運動條件下，肌肉細胞內Ca2+的升高，高能磷酸鹽含量的降低最終激活并誘導PGC-1α的表達，其下游靶基因線粒體轉錄因子A（TFAM）、核呼吸因子（NRF-1，NRF-2）轉錄因子協(xié)同作用調控線粒體蛋白和基因組的增加，線粒體數量及功能的增加，從而促進肌肉組織和機體功能改善[2]。同時，早期的研究也發(fā)現，運動能夠促進人體內氧化應激的發(fā)生[3]。這項30多年前的研究發(fā)現，在達到最大耗氧量60%的狀態(tài)下持續(xù)訓練60 min 后，機體內脂質過氧化產物顯著增加。隨后越來越多的科學家關注運動與氧化應激的產生。雖然對于運動過程中產生氧化物的來源至今仍有爭議，但被廣泛接受的科學觀點是運動中肌肉收縮能夠產生大量的ROS，并且長期的劇烈運動所產生的氧化應激能夠嚴重損傷細胞內的蛋白和脂質[4]。氧化損傷的存在增加了肌肉疲勞和損傷，導致運動能力下降[5]，更有研究指出劇烈運動產生的肌肉損傷會顯著降低肌肉葡萄糖的攝取，增加胰島素抵抗的風險[6]。

線粒體是細胞內消耗氧氣，發(fā)生氧化磷酸化的主要細胞器，有2%～5%的氧氣在此過程中直接和電子反應，從而形成超氧自由基[7]。在運動肌肉中線粒體也同樣是ROS的主要來源之一[8]。最近的研究發(fā)現NADPH氧化酶[9]、黃嘌呤氧化酶[10,11]的活化也能夠促進肌肉運動ROS的產生。線粒體作為ROS的主要來源，同時也是ROS攻擊的主要靶點。線粒體蛋白和脂質的氧化損傷會進一步加劇線粒體功能的失調，因而快速清除損傷的線粒體對于維持組織內線粒體功能的正常發(fā)揮至關重要。近年來的研究提示線粒體融合、裂解以及自噬的發(fā)生便是維持其自身功能的重要過程[12]。另一方面，從根本上降低ROS的產生也是維護線粒體的有效途徑。Reid和他的同事們曾提出一個模型，該模型指出在肌肉中存在穩(wěn)定的氧化還原平衡，機體自身的抗氧化體系能夠抵抗正常ROS的產生，由此而生的適量的氧化物存在能夠最大化發(fā)揮肌肉的收縮力，然而過量ROS產生的氧化物則會引起肌肉張力的下降[13]。這一模型得到眾多研究者的支持。劇烈運動所產生的ROS能夠降低機體內抗氧化劑如維生素E、谷胱甘肽等的含量，這有可能加劇氧化應激和肌肉損傷，因此對于經常運動的個體，適當補充抗氧化劑被認為是一種必要的措施[14]。已有研究指出，運動過程中補充維生素E這一天然抗氧化劑能夠有效保護運動引起的肌肉損傷[15]，同時在運動中使用自由基清除劑-N-乙酰半胱氨酸能夠有效增加運動能力，然而卻伴隨一定的副作用[16]。因此，安全有效的營養(yǎng)分子的攝取對運動者的運動效果和機體健康是至關重要的。本課題組長期從事線粒體營養(yǎng)素領域的研究，并將線粒體營養(yǎng)素的功能定義為：（1）可以提高線粒體酶底物和輔酶的水平；（2）能夠激活細胞內二相酶體系，增強細胞抗氧化能力；（3）能夠清除自由基，防止氧化劑的產生。羥基酪醇、白藜蘆醇和硫辛酸是近年來研究比較廣泛的線粒體營養(yǎng)素，且有較好的應用前景。本文將結合實驗室前期研究結果，綜合闡述3種線粒體營養(yǎng)素對運動中線粒體功能代謝及調控的研究進展。

1 羥基酪醇

羥基酪醇是一種抗氧化活性極強的多酚化合物，最早發(fā)現于制備橄欖油的廢水中。早期的研究表明，羥基酪醇的攝入能夠有效增加機體的抗氧化能力[17]，抑制低密度脂蛋白的氧化[18]，減少高脂飲食引起的動脈粥樣硬化病[19]，降低吸煙引起的氧化應激[20]，提示羥基酪醇對心血管疾病有良好的預防效果。而我課題組近期研究發(fā)現，羥基酪醇不僅能夠作為抗氧化劑直接發(fā)揮作用，同時還能激活Nrf2/Keap1二相酶體系，增強細胞整體的抗氧化能力[21]。另一方面，羥基酪醇通過激活PGC-1α能夠促進人視網膜色素上皮細胞和3T3-L1脂肪細胞中線粒體的生成[22,23]。這些結果提示我們，羥基酪醇是一個有效的線粒體營養(yǎng)素，它很有可能在運動引起的肌肉損傷和線粒體功能失調方面有較好的保護效果。我們利用Sprague-Dawley (SD)大鼠開展了羥基酪醇保護過度運動引起肌肉損傷的相關實驗。實驗選用180～200 g的8周齡雄性SD大鼠，經過適應后在電動跑臺上以20 m/min的速度，5° 的跑臺斜度運動1 h，每周運動6 d。在運動開始前45 min，羥基酪醇以灌胃的形式給予，保持劑量25 mg/kg/d。完成運動訓練8周之后，對老鼠的運動耐力進行檢測。結果顯示過度運動使老鼠的運動耐力有降低趨勢，羥基酪醇的補充使之顯著增加[24]。羥基酪醇有效地抑制了過度運動引起的PGC-1α和線粒體復合物I亞基表達的降低，同時羥基酪醇的補充有效增加了運動中肌肉線粒體復合物I和II的活性，這種提高在補充了羥基酪醇的非運動組老鼠中并沒有發(fā)生。這一結果提示，羥基酪醇在運動條件下對線粒體活性的促進尤為明顯[24]。Bo等研究者介紹線粒體網絡對于急性和耐力運動的不同反應，主要集中在線粒體融合和裂解反應上，急性運動能夠增加ROS和線粒體4態(tài)的呼吸，降低線粒體融合及增加線粒體裂解[25]。與之類似，我們的研究發(fā)現劇烈運動引起線粒體分裂關鍵蛋白Drp1表達的上升，羥基酪醇的補充能夠有效抑制該蛋白的上升，同時顯著增加線粒體融合關鍵蛋白Mfn1和Mfn2的表達。這一結果提示羥基酪醇對線粒體分裂、融合的動態(tài)變化有一定的調控作用，從而有效保護線粒體活性，維持線粒體功能和運動的耐力[24]。

2 白藜蘆醇

白藜蘆醇是一種存在于多種植物中的多酚化合物，在葡萄皮中含量尤為豐富?？茖W家推測，法國人在高熱量飲食環(huán)境中之所以依然保持著心血管疾病、癌癥等的低發(fā)病率，與他們日常飲用的紅葡萄酒中含有豐富的白藜蘆醇有密切關系。這一推測掀起對白藜蘆醇研究的熱潮。隨后的研究指出，白藜蘆醇能夠模擬熱量限制的生活模式，激活Sirtuin家族蛋白（SIRT1），從而有效延緩衰老的發(fā)生[26]。目前為止，科學研究已闡明白藜蘆醇在衰老相關疾病如心血管疾病、癌癥、神經退行性疾病和Ⅱ型糖尿病中都有顯著的預防保護效果，而這些疾病的發(fā)生與線粒體功能緊密相關，由此可推測白藜蘆醇對線粒體具有積極的調控作用。

Marie等科學家首次發(fā)現在白藜蘆醇喂養(yǎng)的小鼠肌肉中線粒體的數目和功能顯著提高，這一影響主要是通過激活SIRT1和PGC-1α來實現的[27]。衰老過程中肌肉線粒體的生成能力下降，機體的運動耐力隨之降低，通過常規(guī)運動狀態(tài)下補充白藜蘆醇能夠顯著增加衰老肌肉中線粒體的數量，并有效增強其運動耐力，而這一效果通過單純的常規(guī)運動是無法實現的[28]。Dolinsky等的最新研究發(fā)現，與非運動對照相比，白藜蘆醇能夠增加常規(guī)運動大鼠中線粒體的數量，促進肌肉和心臟的功能，從而增強運動耐力[29]。Menzies等人對這一現象進行研究指出，常規(guī)運動或白藜蘆醇本身都可以促進肌肉線粒體的生成。SIRT1作為PGC-1α主要的調控蛋白發(fā)揮作用，當常規(guī)運動與白藜蘆醇攝入兩者結合時會產生協(xié)同效應，SIRT1激活更多的PGC-1α進入細胞核來促進線粒體的生成[30]。然而到目前為止，白藜蘆醇能否保護過度運動引起的肌肉損傷和線粒體功能失調仍缺乏相關報道。但是與羥基酪醇類似，白藜蘆醇不僅僅能夠作為抗氧化劑直接與自由基進行反應，還能夠激活Nrf2/Keap1二相酶抗氧化體系，增加機體清除氧化損傷的能力[31]。因此我們推測白藜蘆醇同樣能夠有效抑制運動損傷引起的線粒體功能障礙和運動耐力的降低。

3 硫辛酸

硫辛酸是含有一個手性碳結構的八碳二硫化合物，廣泛存在于動植物中，最早于1951年在小牛的肝臟中分離得到。作為一種有效的抗氧化劑，硫辛酸具有兩個巰基可以直接與自由基進行反應。大量研究揭示，硫辛酸能夠激活Nrf2/Keap1信號通路，誘導抗氧化物谷胱甘肽、血紅素單加氧酶（HO-1）的生成[32,33]，從而有效保護缺血再灌注引起的心肌細胞的損傷[34]。人體內硫辛酸不單單是作為抗氧化劑存在，它還是線粒體中丙酮酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶的輔助因子，對于線粒體功能的發(fā)揮有至關重要的作用。我們前期研究發(fā)現硫辛酸不僅可以有效提高線粒體活性，同時在與乙酰肉堿的共同作用下，還可以激活PGC-1α調控的線粒體生成信號通路，增加脂肪細胞中線粒體的數量[35]。此外，我們在Goto-Kakizaki (GK)大鼠的骨骼肌中發(fā)現，硫辛酸能夠和其它線粒體營養(yǎng)素共同作用促進肌肉線粒體的生成及活性的增強，改善大鼠體內糖脂代謝的紊亂[36]。在過度運動的大鼠中，硫辛酸和其它線粒體營養(yǎng)素共同作用有效地降低其肌肉氧化損傷，促進線粒體復合物I、II、III的蛋白表達，以及線粒體DNA的拷貝數的增加，最終促進運動耐力的提高[37]。雖然在動物實驗中我們采用硫辛酸和其它營養(yǎng)素共同作用，硫辛酸本身對肌肉線粒體依然具有良好促進作用，早在1999年Khanna等科學家就發(fā)現通過補充硫辛酸，力竭運動引起的肌肉組織脂質過氧化程度顯著降低[38]，同樣在運動競賽用的馬匹中攝入硫辛酸后能夠顯著降低其持續(xù)運動過程中產生的氧化應激，并且在馬匹恢復期間有效增加其體內谷胱甘肽的含量[39]。而Wang等人的實驗發(fā)現，在24月大的C57BL/6小鼠中攝入硫辛酸1月后，肌肉中腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）被激活，其下游靶基因PGC-1α表達上升并促進線粒體數目和功能的升高[40]，這些研究結果提示我們無論是運動或是衰老引起的線粒體和肌肉功能降低，都能有效地通過補充硫辛酸得到緩解和恢復。

4 小結

運動作為一種有益的生活方式能夠改善心血管功能、肌肉功能、糖脂代謝功能等已經被人們廣泛接受，但伴隨著運動尤其是劇烈運動或長時間運動，機體內尤其是肌肉組織中產生的大量ROS引起的氧化損傷和線粒體功能降低同樣不容忽視，已有研究同樣提示肌肉線粒體功能的損傷能夠引起肌肉張力下降、肌肉萎縮、胰島素抵抗等癥狀。似乎對運動作用效果的定義處于自相矛盾之中，然而在運動中補充線粒體營養(yǎng)素則能夠有效地解決這種矛盾。羥基酪醇、白藜蘆醇和硫辛酸是我們目前認為安全有效的主要的線粒體營養(yǎng)素，它們都能夠激活Nrf2/Keap1信號調控的二相酶體系，有效清除運動中產生的ROS，降低氧化損傷，通過不同途徑激活PGC-1α，誘導線粒體數量的增加、提高機體運動耐力（圖1）。雖然目前已開展多項研究，但它們對線粒體代謝的調控機制仍不全面，比如羥基酪醇如何激活PGC-1α，白藜蘆醇和硫辛酸是否調控線粒體融合和分裂等，這方面的研究將進一步補充線粒體營養(yǎng)素調控運動線粒體代謝的理論體系，為羥基酪醇、白藜蘆醇和硫辛酸的臨床應用提供進一步的理論支持。

圖1 線粒體營養(yǎng)素調節(jié)運動條件下線粒體功能的作用機制Figure 1 Mechanism of Mitochondrial Nutrients in Regulating Mitochondria in Motion State

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