從代謝角度研究有氧耐力運動降血脂效應及其機制

王學坤， 苑庭剛， 王逸群

(1.安徽師范大學 體育學院，安徽 蕪湖 241003；2.國家體育總局 體育科學研究所 北京 100763)

肥胖主要是因脂肪在機體內的大量堆積所造成。而肥胖導致的糖脂等代謝紊亂是心腦血管疾病、2型糖尿病等疾病的重要誘因[1-3]。有氧耐力運動被普遍認為是改善血脂的有效運動形式[4]。長時間耐力運動中機體能耗需求增加，脂肪動員供能增加，使得甘油三酯、內源性甘油三酯和膽固醇合成下降[4]。研究亦證實，持續(xù)鍛煉可使肥胖小鼠血液總膽固醇和低密度脂蛋白(LDL)含量下降，并使得高密度脂蛋白(HDL)水平增加[5,6]。但是目前體育科學領域內，探究不同強度有氧耐力運動影響肥胖小鼠血清及組織器官各代謝酶活性的相關研究還較少。Hu等報道有氧游泳訓練通過調節(jié)脂肪轉運與合成以及β-氧化有關酶基因的表達預防高脂飲食誘導的脂肪肝病發(fā)生[7]，Aoi等進一步報道了有規(guī)律的鍛煉通過上調脂肪分解關鍵酶基因如肉堿-脂酰輔酶A轉移酶、脂酰輔酶A脫氫酶等在肝臟中的表達，增強脂肪的氧化分解，從而可有效預防由高糖飲食誘導的脂肪肝發(fā)生[8]，Sampedro-Piquero等研究提示耐力運動可使大腦的細胞色素氧化酶活性增強[9],Tomiga等最新研究發(fā)現小鼠運動訓練可增強其大腦皮層一氧化氮合成酶的表達從而可能是實現肥胖小鼠減肥的中樞機制之一[10]。由于生物體的一切代謝都是酶促反應，因此運動減肥勢必會涉及到代謝酶類活性的改變。為了對運動減肥的機制有一個比較深入的了解，本研究利用不同強度的有氧耐力運動對肥胖小鼠進行運動干預，研究小鼠糖代謝、脂代謝、脂蛋白代謝與轉化、能量代謝等某些重要酶活性的變化，旨在為運動減肥的理論研究及其推廣提供較全面的實驗依據，并從分子水平進一步闡明運動減肥的部分機制。

1 材料和方法

1.1 實驗動物

90只6周齡雄性昆明系小鼠,體重(19.02±2.15g),購自南京青龍山實驗動物養(yǎng)殖場，適應性喂養(yǎng)1周后，隨機分為正常飼料對照組(NC組)、高脂飼料對照組(HC組)、運動大組1(為有氧耐力運動+高脂飼料組，根據游泳時長又設短、中、長3組，分別為HES1、HEM1、HEL1)、運動大組2(為有氧耐力運動+正常飼料組，同樣根據游泳時長分為短、中、長3組，分別為HES2、HEM2、HEL2)，除NC和HC分別為15只外，其余各組均為10只。動物基礎飼料和高脂飼料(配方：在基礎飼料中加入2%膽固醇、20%豬油、0.5%膽酸鈉。)均購于南京青龍山實驗動物養(yǎng)殖場。

1.2 試劑和儀器

甘油三酯測定試劑盒、膽固醇測定試劑盒、高密度脂蛋白-膽固醇測定試劑盒皆購于上海復旦張江生物醫(yī)藥股份有限公司，溶血磷脂酶購于Sigma產品，細胞色素氧化酶(CCO)測定試劑盒、檸檬酸合酶(CS)測定試劑盒購于上海酶聯生物科技有限公司，長鏈羥脂酰輔酶A脫氫酶(HACD)測定試劑盒購于上海寶曼生物科技有限公司，脂蛋白脂酶(LPL)測定試劑盒為南京建成生物工程研究所產品，其它所有試劑皆為分析純。HITACHI7020型全自動生化分析儀，Multiskan FC酶標儀，752型紫外可見分光光度計(購于上海分析儀器廠)。

1.3 實驗設計

NC組小鼠利用基礎飼料進行喂養(yǎng)，其余各組均采用高脂飼料進行高血脂小鼠造模。8周后，在NC和HC組隨機各取小鼠5只，禁食18h，摘除小鼠眼球取血，血液在3200r/min條件下，離心10min，取血清測定血清總膽固醇(TC)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)含量。造模成功后，運動組HES1、HEM1、HEL1以及HES2、HEM2、HEL2進行無負重游泳運動，NC和HC組不參加運動。

運動組在長120cm、寬60cm、高60cm的玻璃缸中(靜水深32cm，水溫29～32℃)。運動組小鼠每天游泳1次,第1周HES組為10min，HEM組為20min，HEL組為30min；第2周HES組為20min，HEM組為30min，HEL組為40min；第3周、第4周各運動組游泳時間依此遞增，每周6d，休息1d。小鼠末次游泳訓練后，所有小鼠禁食18h，同樣摘除小鼠眼球取血，血液在3200r/min條件下，離心10min，取血清測定TC、TG、HDL-C、LDL-C含量。同時，分別取適量血清測定血清卵磷脂膽固醇脂酰轉移酶(LCAT)、檸檬酸合酶(CS)。另外，取小鼠肝臟和心臟，用冷生理鹽水沖洗后用濾紙吸干其表面水分，分別制成10%肝勻漿和10%心勻漿，在4℃條件下按4000r/min離心10min后，取其上清液分別測定小鼠肝脂酶(HL)、肝長鏈羥脂酰輔酶A脫氫酶(HACD)和心脂蛋白脂酶(LPL)、心細胞色素氧化酶(CCO)活性。

TC、TG、HDL-C以及LDL-C均采用全自動生化分析儀進行測定。LDL-C含量計算按公式LDL-C(mmol/L)=TC-(HDL-C+TG/2.2)。LCAT活性測定按照比色法定量檢測試劑盒方法測定[11,12]，CS、CCO活性采用ELISA法按照測定試劑盒要求進行測定，以標準物的濃度為橫坐標，OD值為縱坐標，在坐標紙上繪出標準曲線，根據樣品的OD值由標準曲線查出相應的濃度[13]。HACD按照測定試劑盒要求用比色法進行測定。

HL和LPL活性測定根據試劑盒說明測定生成的FFA含量并分別計算出HL、LPL活性(單位:μgFFA/mL上清液/h)[14]。

1.4 數據處理

2 結 果

2.1 肥胖小鼠造模的結果

經過8周對小鼠進行高血脂造模，結果見表1。

表1 8周造模后小鼠血脂水平的變化

注：與對照組NC相比*P<0.05，**P<0.01。

分析表1可知，HC組與NC組相比，其TC與TG含量均顯著升高，P<0.05；LDL-C含量更是極顯著性升高，P<0.01，而HDL-C含量有顯著性下降，P<0.05，HDL-C/TC也有顯著性下降，P<0.05，說明高血脂模型組造模成功。

2.1 有氧耐力運動對小鼠血脂水平的影響

表2 有氧耐力運動對小鼠血脂水平的影響

注：與HC相比*P<0.05，**P<0.01；與NC組相比&P<0.05,&&P<0.01；HE2與HE1組相比#P<0.05。

由表2可知，HC組與NC組相比，其TC與TG含量更是顯著升高，P<0.05；LDL-C含量極顯著性升高，P<0.01，HDL-C含量更具有顯著性下降，P<0.05，HDL-C/TC也有顯著性下降，P<0.05，進一步說明高血脂模型組造模成功。HES組、HEM組和HEL組的TC、TG含量與HC組相比均顯著降低(P<0.01或P<0.05)，且HEL1組、HEL2組與NC組相比無顯著性差異；HES組、HEM組和HEL組的HDL-C含量與HC組相比具有顯著性升高(P<0.01或P<0.05)，且HDL-C/TC比值與HC組相比亦均顯著升高(P<0.05)；而LDL-C的含量則隨著有氧耐力運動時間的增加而降低(P<0.05)，HEL組與NC組相比不具有顯著性差異(P>0.05)。HES2、HEM2組與HES1、HEM1組的TC、TG以及LDL-C含量相比，均有顯著性降低，P<0.05；而HEL2組與HEL1組各指標相比均無顯著性差異，說明在某種程度上，一定時間的耐力運動可能對降血脂的作用比飲食控制更為重要。

2.2 有氧耐力運動對小鼠血清LCAT以及CS活力的影響

表3 有氧耐力運動對小鼠重要代謝酶活力的影響

注：與HC相比*P<0.05，**P<0.01；與NC組相比&P<0.05。

分析表3可知，NC組小鼠血清LCAT以及CS活力與HC組相比均無顯著性差異。而HES組、HEM組和HEL組LCAT活力與HC組相比均顯著升高(P<0.05)；且與NC組相比亦顯著升高(P<0.05)，存在運動時間長度與酶活性的正相關。CS活力在HEM組和HEL組也均顯著高于NC以及HC組(P<0.05)，HEs組活性雖較NC組和HC組高，但沒有統(tǒng)計學意義。

同樣由表3可知，除NC組心LPL活力HC組相比具有顯著差異，即NC組高于HC組(P<0.05)，其余三種酶活力兩組間并無顯著性差異，HES組、HEM組和HEL組與HC、NC組相比各酶活力均顯著升高(P<0.05)，隨著運動時間加長各酶活性升高越明顯，運動時間與酶活力升高幅度呈正相關。

但同樣的運動時間長度，高脂飼料組HE1與基礎飼料組HE2相比，幾乎所有酶活性顯示出HE1各組高于HE2各組，但沒有顯著性差異。

3 討 論

高脂血癥是導致動脈粥樣硬化和冠心病的主要危險因素。研究發(fā)現，血脂降低可減緩粥樣硬化斑塊的形成進程，在一定程度上還可使其逐漸消退,降低冠心病的病死率[2-4]。研究表明，在高脂血癥的相關指標中，TC及LDL-C水平與心血管疾病發(fā)病率之間呈密切正相關，而HDL-C升高可降低心血管病的發(fā)病率[14,15]。有氧運動可顯著改善肥胖人群的高脂血癥，有研究表明一組肥胖人群經過4周的有氧耐力訓練，體重明顯下降、體脂百分比和血脂顯著降低[16]。本研究結果發(fā)現，在本實驗的不同運動時間下，有氧耐力運動降脂效果與其運動時間密切相關，即運動時間越長降脂效果越佳。當然，運動結合低脂飲食其升高的血脂降低越明顯。

從代謝角度全面闡釋運動降血脂的機理目前的報道還不多。本研究表明運動可以加快脂肪的降解、糖的有氧代謝、能量轉化和利用，促進膽固醇轉化以及脂蛋白的轉化與代謝。脂肪酸降解的主要途徑是β-氧化，羥脂酰輔酶A脫氫酶(HACD)是β-氧化中四個重要的分解酶之一，研究發(fā)現隨著有氧耐力運動強度的增加，HACD的活性越高，表明運動可促使HACD基因表達上調，促進脂肪酸的降解，這不僅與Aoi報道的有規(guī)律的鍛煉通過上調脂肪分解關鍵酶基因如肉堿-脂酰輔酶A轉移酶、脂酰輔酶A脫氫酶(β-氧化中的另一個脫氫酶)等在肝臟中的表達結果一致[8]，也證明了運動量與脫氫酶活性的相關性。

無論是糖有氧氧化還是脂肪酸β-氧化生成的乙酰輔酶A在機體內有幾條出路，如分解產生能量或合成脂肪或膽固醇等。當機體需要能量時，乙酰輔酶A會通過三羧酸循環(huán)進行氧化，而檸檬酸合酶(CS)則是乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)的第一個關鍵酶，該酶控制著三羧酸循環(huán)的入口，決定了糖、脂肪等的氧化速度，本研究首次表明有氧耐力運動可增加CS的活力，促進糖和脂肪的氧化利用，并且運動時間長度與該酶活力成正相關。

盡管三羧酸循環(huán)是糖、脂肪、甚至是蛋白質徹底氧化分解的共同途徑，但真正能量的產生則需要通過線粒體的呼吸鏈將物質代謝脫下的氫傳遞給氧，在此過程中產生能量(ATP)。已有研究提示耐力運動可使大腦的細胞色素氧化酶(CCO)活性增強[9]，本研究測定了肝線粒體CCO活性在高脂飲食對照組(HC)最低，而有氧耐力運動該酶活性顯著增高，并且具有運動時間和酶活性的正相關。CCO是線粒體中2條呼吸鏈的共有末端組分，催化電子從細胞色素C到氧原子的傳遞，是線粒體氧化磷酸化的限速酶，在整個能量代謝中發(fā)揮著重要的作用，CCO活性升高，氧氣的利用增多，物質代謝速度加快，能量產生增加。

由此，不難發(fā)現，有氧耐力運動促使了脂肪酸β-氧化—三羧酸循環(huán)—氧化磷酸化整個連續(xù)過程，促進了物質的氧化分解和能量的利用，從而減少了脂肪和膽固醇的生成，是降低膽固醇的有效措施。

LCAT是血漿膽固醇酯化、HDL成熟和膽固醇逆向轉運過程的關鍵酶，對于動脈粥樣硬化形成具有重要的保護作用[18]。LCAT作用于HDL分子表面的卵磷脂,使其Sn-2脂酰基轉移至膽固醇生成膽固醇酯(CE),通過膽固醇酯轉運蛋白的作用，與極低密度脂蛋白(VLDL)及低密度脂蛋白(LDL)的TG進行交換，為肝臟攝取與代謝[19]。有研究顯示遺傳性LCAT缺乏雜合子個體動脈粥樣硬化明顯增加[20]。而有關運動影響肥胖小鼠LCAT的研究較少，本實驗結果表明，運動可使LCAT活力增加，且增加幅度與有氧耐力運動有關，這提示運動過程中脂類代謝相關酶系統(tǒng)做出相應改變，脂蛋白轉換增強。LPL是調節(jié)脂蛋白代謝的另一種關鍵酶,由心、脂肪、骨骼肌細胞等合成后分泌入血與毛細血管內皮細胞表面的糖萼結合，作用于血循環(huán)中的乳糜微粒(CM)及VLDL內核的TG，使之水解，釋出游離脂肪酸(FFA)[21]。有關運動影響肥胖小鼠LPL的研究較少，但運動會提高LPL活力這幾乎是共識的[22]。本研究發(fā)現，有氧耐力運動各組小鼠心LPL活力均升高，提示有氧耐力運動小鼠脂蛋白代謝與轉化速率加快，釋放出的FFA氧化分解以提供組織細胞需要的能量。

HL由肝實質細胞合成后轉運到肝竇狀隙內皮細胞表面發(fā)揮作用[23]。HL是參與脂蛋白代謝的關鍵酶，是脂肪酶家族成員。HL能識別并結合血漿中的HDL2及HDL3,水解HDL2中的TG及磷脂，使HDL2轉變?yōu)镠DL3，通過該過程實現肝外組織TC向肝細胞的轉運[24]。肝組織HL能促進肝細胞攝取TC和CM殘粒，降低血漿TG及TC，且HL還具有促進餐后血脂清除的作用。因此，HL的合成、分布、活性變化與高脂血癥、脂肪肝、動脈粥樣硬化等密切相關，HL活性的降低,可引起高脂血癥,并在脂肪肝發(fā)病中起重要作用[18]。有關運動影響高血脂小鼠HL的研究文章尚未見報道。有氧耐力運動各組小鼠均表現出HL活性的升高，進一步說明有氧耐力運動可能會加快脂蛋白的代謝轉化，促進脂肪酸氧化分解，降低血中脂肪酸含量。

但是研究表明同樣的運動對于高脂飼料組各酶活性比基礎飼料組更高，這可能與機體的調節(jié)功能密切相關，即當血脂高時，在運動的基礎上，相關的酶表達增強促使脂類的氧化分解。

總之，本研究較好地揭示了有氧耐力運動可顯著改善小鼠的高脂血癥，降血脂作用與運動時間長短關系密切，而運動時間長度又與糖、脂肪、能量代謝重要酶活性密切正相關，運動增強糖與脂肪氧化分解和能量消耗、增加脂蛋白轉化以及膽固醇逆向運輸，減少肝臟脂肪和膽固醇合成，降低血脂水平。