運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)下代謝標(biāo)志物的研究概述

王冬冬 ，吳麗君

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)下代謝標(biāo)志物的研究概述

王冬冬 ，吳麗君

自代謝組學(xué)檢測(cè)技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，在國(guó)內(nèi)于2006年就已應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的研究。但在該領(lǐng)域的研究較少且缺少文獻(xiàn)支持，沒(méi)有形成系統(tǒng)的研究成果，對(duì)各代謝物的分析解釋不足，研究?jī)?nèi)容也不盡相同。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)和國(guó)外已發(fā)表相關(guān)該方面的研究文獻(xiàn)進(jìn)行查閱，對(duì)其代謝物的研究成果進(jìn)行綜述，以為以后在該領(lǐng)域的研究提供參考。

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練；代謝組學(xué)；代謝標(biāo)志物

前言

代謝組學(xué)是20世紀(jì)90年代中期,繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科, 其可在不設(shè)定將要檢測(cè)的具體指標(biāo)時(shí)對(duì)代謝物(分子量小于1000)“全景式”掃描，再對(duì)檢測(cè)的顯著代謝標(biāo)志物和差異物進(jìn)行分析[1]。代謝組是基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的“終端產(chǎn)物”,其包含了生物體系表型的直接的、全面的“生物標(biāo)記物”信息，反映生命體在整體狀態(tài)下對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和其它外界因素干預(yù)的總體反應(yīng)。人體是一個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)體，運(yùn)動(dòng)作為對(duì)機(jī)體的一種干預(yù)，可對(duì)機(jī)體產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響，而應(yīng)用代謝組學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)機(jī)體的整體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用具有廣泛前景。

1 代謝組學(xué)在運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用概述

通過(guò)應(yīng)用代謝組學(xué)的技術(shù)，目前在體育運(yùn)動(dòng)中的研究主要有運(yùn)動(dòng)與軍事訓(xùn)練的監(jiān)控評(píng)定、體育競(jìng)技成績(jī)預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)選材與氧化應(yīng)激、尋找與不同能量代謝途徑和運(yùn)動(dòng)方式相關(guān)的代謝標(biāo)志物等。雖然早在2006年國(guó)內(nèi)就已經(jīng)有運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域?qū)ζ溥M(jìn)行應(yīng)用，但對(duì)其在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索、查閱發(fā)現(xiàn)其研究?jī)?nèi)容、技術(shù)方法相差較大，總體研究成果缺乏系統(tǒng)性，并且對(duì)很多相關(guān)生物標(biāo)志物的分析解釋缺乏文獻(xiàn)支持。究其原因可能有：代謝組學(xué)檢測(cè)技術(shù)作為較新的檢測(cè)手段相比于其它檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用較晚；檢測(cè)出很多以往在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域沒(méi)有或者極少涉及的生物標(biāo)志物，有些甚至在生物領(lǐng)域也鮮為涉及，對(duì)其分析缺乏相關(guān)研究和文獻(xiàn)支持。

2 主要代謝標(biāo)志物的研究概述

按涉及機(jī)體生理功能的不同可把代謝組學(xué)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的代謝標(biāo)志物的研究分為能量代謝、神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳遞與維護(hù)、運(yùn)動(dòng)氧化應(yīng)激三個(gè)主要方面，而各個(gè)代謝標(biāo)志物具有的生理功能和代謝的參與又不局限于某一方面。查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)大多代謝標(biāo)志物在該領(lǐng)域的文獻(xiàn)中高頻出現(xiàn)，有的幾乎所有相關(guān)文獻(xiàn)均有涉及，基本就是該領(lǐng)域的“共有標(biāo)志物”，以下按生理功能分類(lèi)進(jìn)行概述。

2.1 能量代謝方面

乳酸在機(jī)體缺氧時(shí)丙酮酸還原生成，持續(xù)缺氧狀態(tài)下可在體內(nèi)大量堆積，可通過(guò)肝、腎轉(zhuǎn)化為丙酮酸或隨尿液排出體外。機(jī)體對(duì)乳酸的耐受力，即血乳酸值可作為無(wú)氧運(yùn)動(dòng)能力的判斷指標(biāo)。該領(lǐng)域的研究都指出其在運(yùn)動(dòng)后濃度升高。丙酮酸是體內(nèi)糖、脂肪酸和氨基酸相互轉(zhuǎn)換的樞紐，也是體內(nèi)一種抗氧化劑，經(jīng)過(guò)脫羧反應(yīng)清除過(guò)氧化氫。乳酸與丙酮酸的比值可作為機(jī)體氧化應(yīng)激狀態(tài)的判斷指標(biāo)。肌酸與肌酐：肌酸的95%存在于骨骼肌并可在其內(nèi)磷酸化為磷酸肌酸儲(chǔ)備能量。其可脫水環(huán)化或磷酸化后再脫酸供能后生成肌酐，由此肌酐的水平與骨骼肌的代謝相關(guān)。大強(qiáng)度短時(shí)間訓(xùn)練或賽后尿肌酐含量上升[3] [4]，運(yùn)動(dòng)員在安靜狀態(tài)下其濃度比普通人低[2]。這是由于運(yùn)動(dòng)時(shí)促進(jìn)了骨骼肌肌酸的釋放和分解以及安靜狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員骨骼肌儲(chǔ)備磷酸肌酸能力的較高。而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、組間休息時(shí)間較短的間歇大負(fù)荷訓(xùn)練后肌酐含量呈下降趨勢(shì)，作者認(rèn)為這是由于運(yùn)動(dòng)員肌酸池儲(chǔ)能下降，肌肉機(jī)能下降導(dǎo)致的并指出：肌酐含量在運(yùn)動(dòng)后下降可能是大負(fù)荷訓(xùn)練造成疲勞的標(biāo)志之一[5]。馬尿酸可抑制骨骼肌利用葡萄糖能力并與腸道菌群代謝密切相關(guān)。其在運(yùn)動(dòng)員快速減體重期間的尿中水平升高，這可能與機(jī)體在能量和營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)的自我保護(hù)和腸道菌群的紊亂有關(guān)[2]。

次黃嘌呤在嘌呤核苷酸分解代謝增強(qiáng)時(shí)水平升高，作為超氧自由基的酶促反應(yīng)底物是細(xì)胞是否處于缺氧和氧化應(yīng)激狀態(tài)下的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及缺血再灌注產(chǎn)生自由基的標(biāo)志。次黃嘌呤在次黃嘌呤-鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜诤铣葾TP的肌苷酸[6]。其水平在極性大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后[5][3][7]和運(yùn)動(dòng)員快速減體重階段升高[2]。

酮體包括有乙酰乙酸、2-羥基丁酸和丙酮，在體內(nèi)是脂肪酸不完全氧化的產(chǎn)物。即使是短時(shí)間的運(yùn)動(dòng)也有酮體的變化[8]。長(zhǎng)時(shí)間中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)比短時(shí)間大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)更容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后酮證現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)員混養(yǎng)運(yùn)動(dòng)30分鐘后尿液中2-羥基丁酸增多[5]。丁酸和異丁酸屬于短鏈脂肪酸，丁酸在線粒體中通過(guò)β-氧化通路作為乙酰乙酸氧化裂解為乙酰輔酶a進(jìn)入TCA循環(huán)推動(dòng)ATP生成。丁酸鹽是腸道能量的主要來(lái)源，可減少腸道對(duì)葡萄糖、谷氨酰胺和丙酮酸的供能依賴[8]。混養(yǎng)運(yùn)動(dòng)后短鏈脂肪酸濃度明顯升高[5]，結(jié)合其它研究[2][8]認(rèn)為丁酸、異丁酸是脂肪酸在氧充足環(huán)境中產(chǎn)生，并可能是有氧代謝的潛在標(biāo)志性代謝物。

支鏈氨基酸(亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸)是機(jī)體中主要參與能量代謝的氨基酸，其可以通過(guò)促進(jìn)胰島素和生長(zhǎng)激素的釋放增強(qiáng)合成代謝并修復(fù)骨骼肌。對(duì)其研究結(jié)果尚不統(tǒng)一，其中亮氨酸和異亮氨酸分別經(jīng)分解生成乙酰輔酶A和酮體或乙酰CoA，參與供能和合成代謝；纈氨酸分解代謝生成琥珀酰CoA進(jìn)入TCA循環(huán)，也可參與合成谷氨酰胺、組織修復(fù)和調(diào)節(jié)血糖。甘氨酸可以使正常飲食和高脂飲食的小鼠體重、脂肪、血脂降低[9]，參與肌酸的合成,可隨著訓(xùn)練的進(jìn)行逐漸升高[10], 其可用于治療肌無(wú)力。比賽結(jié)束后運(yùn)動(dòng)員血漿甘氨酸濃度升高[2]?；煅跤?xùn)練后尿中甘氨酸濃度上升并被認(rèn)為是機(jī)體脂肪代謝供能比例上升的標(biāo)志[5]。丙氨酸是氨基酸代謝供能的中轉(zhuǎn)站，氨基酸主要通過(guò)丙氨酸-葡萄糖循環(huán)供能。急性大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)骨骼肌中丙氨酸的釋放以及氨基酸分解后丙氨酸的再合成，以提高氨基酸轉(zhuǎn)化為葡萄糖的速率，使其在血中堆積并隨尿液排出體外。Enea[11]發(fā)現(xiàn)短時(shí)大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后,血液丙氨酸濃度升高2-3倍。也有研究顯示丙氨酸在賽后并未顯著升高，并認(rèn)為是其通過(guò)TCA循環(huán)進(jìn)入有氧代謝和轉(zhuǎn)化為酮體的途徑的增強(qiáng)所致[2]。肉堿是主要產(chǎn)于肝臟的具有抗氨毒作用類(lèi)氨基酸物質(zhì)，能促進(jìn)長(zhǎng)鏈脂肪酸以脂?；鈮A進(jìn)入線粒體與輔酶A結(jié)合為脂酰輔酶A參與β-氧化供能，未能與肉堿結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)的脂肪酸會(huì)破壞線粒體膜電位，抑制ATP的合成[12]。肉堿還可以通過(guò)催化乙酰輔酶A變?yōu)橐阴Ｈ鈮A，降低乙酰輔酶A/輔酶A的比值，使得丙酮酸脫氫酶活化，促進(jìn)糖的分解供能。運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)肉堿的分泌，運(yùn)動(dòng)員賽后尿中肉堿水平升高，提示運(yùn)動(dòng)后可適量補(bǔ)充肉堿[2]。

2.2 神經(jīng)系統(tǒng)維護(hù)與信息傳遞方面

谷氨酸為神經(jīng)興奮性氨基酸并可與氨合成谷氨酰胺，可由酶催化生成神經(jīng)抑制性的R-氨基丁酸(GABA)。運(yùn)動(dòng)性神經(jīng)系統(tǒng)疲勞時(shí)，GABA和氨濃度升高，谷氨酸濃度下降。谷氨酰胺作為過(guò)度訓(xùn)練的指標(biāo)并參與機(jī)體供能，可以調(diào)節(jié)肌肉內(nèi)血氨和乳酸水平以減少對(duì)免疫系統(tǒng)的干擾和參與谷胱甘肽的合成以提高抗氧化能力。運(yùn)動(dòng)后機(jī)體產(chǎn)生肌肉損耗和萎縮、免疫力下降、機(jī)體氧化損傷可能與谷氨酰胺的運(yùn)動(dòng)消耗有關(guān)。運(yùn)動(dòng)后其水平可顯著下降[5]并與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間成正相關(guān)。酪氨酸在體內(nèi)可參與甲狀腺素、多巴胺、兒茶酚胺和去甲腎上腺素等的合成。運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體對(duì)甲狀腺素和多巴胺需求增多，運(yùn)動(dòng)員賽后酪氨酸濃度明顯下降[2]。絲氨酸可在脂肪代謝、肌肉生長(zhǎng)、免疫系統(tǒng)和中樞系統(tǒng)維護(hù)等方面發(fā)揮作用。補(bǔ)充磷脂酰絲氨酸能促進(jìn)大腦中乙酰膽堿和多巴胺的合成，并用于治療癡呆癥，癡呆癥的發(fā)生與大腦氧化應(yīng)激狀態(tài)密切相關(guān)。安靜狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員尿液中絲氨酸顯著低于普通人[2]。

2.3 運(yùn)動(dòng)氧化應(yīng)激方面

N-氧化三甲基胺(TMAO)是應(yīng)用了代謝組學(xué)技術(shù)之后才在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，其濃度在機(jī)體運(yùn)動(dòng)代謝中變化明顯并引起注意。但其在人體生物學(xué)作用的資料很少，對(duì)其在人體運(yùn)動(dòng)中的作用尚無(wú)明確定論。TMAO具有穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用，可抵抗尿素和氨毒對(duì)腎臟中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞[10][13]并可能通過(guò)維持抗氧化酶的作用提高抗氧化能力以及通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞有絲分裂來(lái)促進(jìn)合成代謝[14]。TMAO往往與腎功能損傷和腸道菌群紊亂聯(lián)系在一起[15]，其在PH值下降和體溫升高時(shí)降解加快。運(yùn)動(dòng)員在安靜狀態(tài)下TMAO水平明顯高于普通人并認(rèn)為運(yùn)動(dòng)員的代謝適應(yīng)使其合成代謝增強(qiáng)；賽后其濃度下降，認(rèn)為可能是PH值下降和溫度升高使其降解增加所致；其在快速減體重期間降解加快，機(jī)制不明[2]。也有研究顯示其在訓(xùn)練后升高，認(rèn)為可能是運(yùn)動(dòng)方式的不同導(dǎo)致[5]。甜菜堿在體內(nèi)可作為甲基供體相繼通過(guò)高半胱氨酸、內(nèi)源性蛋氨酸、S-腺苷蛋氨酸把甲基呈遞給肉堿的合成[16]。補(bǔ)充甜菜堿可以提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)，這可能與作為滲透劑的甜菜堿對(duì)蛋白質(zhì)的保護(hù)作用相關(guān)[17]。煙酸在體內(nèi)包括尼克酸和尼克酰胺，其可轉(zhuǎn)化為煙酰胺參與合成輔酶I和輔酶Ⅱ，并與鉻組成葡萄糖耐量因子以可增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)胰島素的敏感性，活化葡萄糖磷酸變位酶，促進(jìn)機(jī)體能量代謝。尼克酰胺能抑制蛋白質(zhì)氧化和脂質(zhì)過(guò)氧化[18]，提高抗氧化能力。過(guò)多的煙酸可在肝內(nèi)轉(zhuǎn)化為甲基煙酰胺隨尿排出。李江華[19]發(fā)現(xiàn)決賽運(yùn)動(dòng)員尿液甲基酰胺含量高于其他運(yùn)動(dòng)員，推測(cè)決賽運(yùn)動(dòng)員機(jī)體糖供能的能力高于非決賽運(yùn)動(dòng)員?？箟难峒碫c，機(jī)體內(nèi)的一種抗氧化劑。其在賽后運(yùn)動(dòng)員尿中濃度下降[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

代謝組學(xué)近幾年應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的研究快速增多，其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，目前對(duì)其代謝標(biāo)志物研究依然主要集中在能量代謝、神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳遞與維護(hù)、運(yùn)動(dòng)氧化應(yīng)激三個(gè)方面，其中對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳遞與維護(hù)的研究是近兩年出現(xiàn)的。目前對(duì)該領(lǐng)域代謝標(biāo)志物的分析雖然可以對(duì)研究目的進(jìn)行解釋?zhuān)治鲆廊徊粔虺浞?，特別在小分子代謝層面的依然較為有限，缺乏相關(guān)的文獻(xiàn)支持是該領(lǐng)域研究的主要困難。今后代謝組學(xué)在該領(lǐng)域的研究可以繼續(xù)拓展，比如運(yùn)動(dòng)損傷與健康促進(jìn)以及對(duì)疾病的干預(yù)等，以進(jìn)一步對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用機(jī)制進(jìn)行探討；另外代謝組學(xué)檢測(cè)的代謝物的量非常龐大，隨著其在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用的拓展，對(duì)在其它相關(guān)領(lǐng)域(生命科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生)已經(jīng)的代謝標(biāo)志物的研究成果進(jìn)行總結(jié)、借鑒以為運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的研究提供理論支持和研究方向，已經(jīng)是目前代謝組學(xué)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用需要解決的重要問(wèn)題。

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Research Overview on Metabolic Markers under Metabolomics Technology Test in Sport Training

Wang Dongdong, Wu Lijun

Since the emergence of metabolomics detection technology, its application field is spreading more and more widely. It has been applied to the sports research from 2006 in domestic. However, the research in this area is less and lack of literature support, research system is not formed, analysis on each metabolite explanation is insufficient, and the research contents are also various. This paper overviews researches related to metabolic markers by viewing related published research literatures, to offer reference for the study in this field in the future.

sports training; metabolomics; metabolic markers

王冬冬(1991-)，男，河北邯鄲人，在讀碩士研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)解剖生理學(xué)。

山西大學(xué)體育學(xué)院，山西 太原 030006 Sport College of Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China.

G804

A

1005-0256(2017)04-0140-3

10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2017.04.060