植物多酚緩解運動疲勞作用機(jī)制研究進(jìn)展

余金橙，付夢凡，崔 楠，劉素穩(wěn), ，周君一，張 棟，史東林

（1.河北科技師范學(xué)院食品科技學(xué)院，河北秦皇島 066600；2.河北省體育科學(xué)研究所，河北石家莊 050000；3.清華大學(xué)體育部，北京 100000；4.河北體育學(xué)院，河北石家莊 050000）

運動疲勞，是能量輸入與輸出不對等的條件下，失去原來的工作能力而產(chǎn)生的一種生理現(xiàn)象[1]。長時間疲勞會引起人體免疫力下降，甚至引發(fā)相關(guān)疾病，給人體健康指標(biāo)帶來嚴(yán)重壓力[2]。疲勞的來源及產(chǎn)生機(jī)制均與能量水平的降低[3]、氧化應(yīng)激[4]、底物消耗或代謝累積[5]有關(guān)，信號調(diào)控通路且都與腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase,AMPK）途徑相關(guān)，因此，以AMPK信號通路為前提闡述抗運動疲勞機(jī)制是有效的方式。多酚是許多植物產(chǎn)生的次生代謝物，具有顯著的生物活性，尤其是抗氧化性，屬于天然抗氧化劑[6-7]。多酚可降低活細(xì)胞和組織中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物的氧化損傷程度，預(yù)防癌癥、神經(jīng)性疾病、糖尿病、高血壓等慢性疾病。多酚類物質(zhì)主要包括黃酮類、單寧類、酚酸類等[8-10]，果蔬及果蔬制品等植物性食品是多酚類物質(zhì)來源的重要渠道。

近年來，研究人員對多酚類物質(zhì)抗疲勞作用的研究熱度不斷升高，研究表明多酚類物質(zhì)具有延緩疲勞的功效[11]，如酚酸、黃酮、葛根素、茶多酚、蘆丁、姜黃素、槲皮素、大豆異黃酮等多酚類物質(zhì)均具有顯著延緩疲勞的作用[12]，為以多酚為活性成分研發(fā)抗疲勞保健食品奠定了基礎(chǔ)。因此，深入研究多酚類物質(zhì)緩解疲勞的作用及機(jī)制，對于開發(fā)具有快速恢復(fù)活力，增強免疫力的功能食品有重要意義。本文對多酚類物質(zhì)緩解運動疲勞的作用機(jī)制進(jìn)行了綜述，分析了潛在的抗疲勞調(diào)控機(jī)制通路，可為發(fā)掘多酚類物質(zhì)作為功能性食品組分在疲勞緩解中的潛在價值提供理論依據(jù)。

1 運動疲勞產(chǎn)生的過程及機(jī)制

根據(jù)外環(huán)境或機(jī)體內(nèi)代謝物、信號分子作用通路、神經(jīng)信號傳遞等形式將運動疲勞分為外周疲勞和神經(jīng)疲勞，外周疲勞通常是指運動使肌肉拉傷導(dǎo)致肌功能喪失的現(xiàn)象，中樞疲勞是指運動動力超過大腦驅(qū)動力承受范圍而產(chǎn)生的現(xiàn)象，是大腦內(nèi)部運動神經(jīng)元與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果[13]。神經(jīng)疲勞是指工作學(xué)習(xí)壓力使人的神經(jīng)處于緊張狀態(tài)，大腦神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、腦區(qū)活動受限、腦內(nèi)物質(zhì)代謝水平不足等現(xiàn)象，長時間壓力產(chǎn)生的疲勞會使人處于亞健康的狀態(tài)，最終升級為慢性病?；钚匝酰≧OS）、內(nèi)分泌失調(diào)、炎癥因子以及代謝物如乳酸、血清尿素氮等都會引起疲勞。疲勞產(chǎn)生的過程見圖1。

圖1 疲勞產(chǎn)生過程Fig.1 Fatigue generation process

運動疲勞是指機(jī)體氧氣供應(yīng)不足，產(chǎn)生乳酸、自由基、血清尿素氮等物質(zhì)，從而引發(fā)機(jī)體疲勞。機(jī)體疲勞是目前研究范圍廣泛、效果顯著、技術(shù)成熟的研究，抗疲勞物質(zhì)也呈現(xiàn)出多樣化模式，進(jìn)一步分析抗疲勞物質(zhì)對機(jī)體的保護(hù)作用及其潛在的分子機(jī)制對運動能力上的提升具有重要作用。

運動疲勞產(chǎn)生機(jī)制主要包括氧化應(yīng)激、能量水平的降低、骨骼肌中的底物消耗或代謝累積、炎癥因子水平上升等，它們與肌肉和中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)各種物質(zhì)之間的作用導(dǎo)致機(jī)體疲勞[14]。氧代謝產(chǎn)物（d-ROM）及自由基的增加導(dǎo)致氧化應(yīng)激致使骨骼肌中代謝積累，導(dǎo)致抗氧化防御系統(tǒng)失衡，使具有抗氧化應(yīng)激能力的蛋白質(zhì)和核酸功能喪失，致使細(xì)胞凋亡和肌肉等組織器官功能遭到破壞；其次，運動打破原有的能量供應(yīng)系統(tǒng)，ATP、糖原等能量物質(zhì)被消耗導(dǎo)致機(jī)體能量水平的降低；機(jī)體內(nèi)抗氧化酶的消耗和代謝物的積累也是導(dǎo)致運動疲勞的關(guān)鍵因素；炎癥因子的過度釋放也會加強機(jī)體疲勞[15]。提高機(jī)體抗氧化應(yīng)激能力、抗炎能力、及時補充能量、清除自由基及代謝物等是恢復(fù)運動能力的有效方法。運動疲勞機(jī)制如圖2所示。

圖2 運動疲勞機(jī)制Fig.2 Exercise fatigue mechanism

2 具有抗疲勞作用的植物多酚類物質(zhì)

目前研究證實具有抗運動疲勞的多酚類物質(zhì)較多，如茶葉中的茶多酚、芡實種皮多酚、木瓜提取物、青稞籽皮提取物等都具有抗疲勞功效[16]，大多植物多酚抗疲勞能力還處于發(fā)掘階段。多項研究表明（表1），多種多酚物質(zhì)對運動疲勞具有延緩作用，如黃酮、葛根素、姜黃素等。評價模式主要以小鼠負(fù)重游泳運動為主，評價結(jié)果均體現(xiàn)相關(guān)物質(zhì)的抗疲勞能力。當(dāng)然，從大多數(shù)研究實驗來看，模型主要分布于動物實驗，缺乏臨床試驗。目前，多酚類物質(zhì)針對不同類型（如常溫運動與低溫運動、專業(yè)運動與業(yè)余運動）、不同損傷程度的抗運動疲勞的研究還未見報道。

表1 具有抗運動疲勞作用的主要多酚類物質(zhì)Table 1 Main polyphenols with anti fatigue effect

3 多酚抗疲勞的作用機(jī)制

抗運動疲勞最終為快速消除疲勞、延緩疲勞或增加運動能力的體現(xiàn)[29]，同時機(jī)體也表現(xiàn)出適應(yīng)能量水平降低和氧化應(yīng)激等的一種狀態(tài)。機(jī)體內(nèi)調(diào)節(jié)能量代謝和氧化應(yīng)激都離不開酶的參與，AMPK是AMP依賴的蛋白激酶，以異源三聚體復(fù)合物形式存在，由一種催化亞基α（α1或α2）、兩種調(diào)節(jié)亞基β（β1或β2）和γ（γ1、γ2或γ3）組成，這些亞基有著獨立的基因編碼，能形成12種復(fù)合物[30]，是調(diào)節(jié)機(jī)體抗疲勞的重要作用位點。AMPK是一個獨特的代謝控制節(jié)點，在運動疲勞的調(diào)節(jié)中，AMPK主要參與氧化應(yīng)激、能量水平、底物代謝和炎癥因子的調(diào)控[31]。根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)多酚抗疲勞機(jī)制圖如圖3所示。

圖3 多酚抗疲勞機(jī)制圖Fig.3 Antifatigue mechanism of polyphenols

由于抗疲勞機(jī)制研究的性質(zhì)，各個研究都只是以僅有的實驗條件和材料進(jìn)行研究，導(dǎo)致樣本數(shù)量較少，限制了使用更全面的方法來分析不同物質(zhì)之間的差異性，可能會使結(jié)果有一定的偏差，因此還需要對多酚類物質(zhì)的抗疲勞作用機(jī)制進(jìn)行大規(guī)模的信號通路干預(yù)研究，以檢查驗證運動疲勞和多酚物質(zhì)在運動人群機(jī)體內(nèi)的相關(guān)機(jī)制。對抗疲勞信號通路的干預(yù)雖能夠減少疲勞，但在不同多酚結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，如何高效的尋找并判斷出各類多酚作用機(jī)制靶點已經(jīng)成為新的研究方向。對小鼠腦內(nèi)復(fù)雜神經(jīng)通路與疲勞的關(guān)系研究還有待提升，抗疲勞模型和功能性研究目前還沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，缺乏對比性，限制了相關(guān)機(jī)制的進(jìn)一步研究。

3.1 多酚調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是由機(jī)體內(nèi)活性氧（ROS）的產(chǎn)生與內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)的活性之間的失衡導(dǎo)致，活性氧能夠引起脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸的氧化，從而造成機(jī)體細(xì)胞膜損壞[32]。在運動過程中，機(jī)體代謝增強導(dǎo)致耗氧量增加，大量的自由基會使機(jī)體內(nèi)脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA 等細(xì)胞大分子遭到攻擊[33]，破壞體內(nèi)氧化還原系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而使具有抗氧化應(yīng)激能力的蛋白質(zhì)和核酸功能喪失，致使細(xì)胞凋亡和肌肉等組織器官功能遭到破壞，最終引發(fā)機(jī)體的疲勞感[34]。

研究顯示多酚具有緩解疲勞的功效，在運動疲勞的調(diào)節(jié)中，酚類化合物可以通過直接作用于ROS或刺激內(nèi)源性防御系統(tǒng)來幫助限制ROS引起的氧化損傷，也可通過AMPK信號通路調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激[35]，AMPK可以顯著降低自由基的產(chǎn)生量。核轉(zhuǎn)錄因子（nuclear factor-erythroid 2 p45-related factor 2， Nrf2）是一種激活因子，具有調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的功能，在氧化應(yīng)激反應(yīng)中驅(qū)動適應(yīng)性細(xì)胞防御[36]。葡萄籽多酚通過刺激AMPK激活Nrf2信號通路，促進(jìn)下游HO-1和醌氧化還原酶1（NAD（P）H）的表達(dá)，增強抗氧化防御系統(tǒng)抗氧化水平[37]。環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1（kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1）是Nrf2信號通路的核心分子，是Nrf2和泛素連接酶 Cullin 3之間的橋梁，通常情況下在胞內(nèi)結(jié)合后被降解，當(dāng)誘導(dǎo)劑被引入機(jī)體時，Nrf2在細(xì)胞核內(nèi)的積累量增加，抗氧化反應(yīng)元件（ARE）被激活啟動抗氧化反應(yīng)[38]，ARE與Nrf2結(jié)合后加快Nrf2轉(zhuǎn)錄和翻譯速率，產(chǎn)生抗氧化酶或蛋白[39]，利于清除由于運動產(chǎn)生的自由基。范小曼[40]研究了白花敗醬單寧清除自由基的水平，發(fā)現(xiàn)單寧濃度與超氧陰離子自由基（O2-·）、羥基自由基（·OH）的清除能力呈量效關(guān)系。以上的研究對于運動疲勞自由基以及具有抗氧化應(yīng)激能力的蛋白質(zhì)和核酸的量化沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這可能與運動能力有很大的關(guān)系，也是導(dǎo)致實驗樣本量少的原因。目前通過營養(yǎng)基因組學(xué)探索生物活性化合物對個體基因表達(dá)譜的影響是研究Nrf2信號通路的新方法，活性物質(zhì)作為誘導(dǎo)劑在信號通路中誘導(dǎo)酶蛋白的表達(dá)以達(dá)到清除有害物質(zhì)的目的。

3.2 多酚調(diào)節(jié)能量水平

供機(jī)體攝取能量的物質(zhì)主要包括ATP、磷酸肌酸、糖原、血糖以及脂肪等幾類[41]，疲勞的產(chǎn)生主要是由于能量不足導(dǎo)致，若未及時補充能量，加上有氧代謝不足以供給能量，此時無氧呼吸成為補充能量的重要途徑。AMPK是細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子，AMPK一旦被激活，就會刺激營養(yǎng)吸收和產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑，同時抑制消耗ATP的合成代謝途徑，從而在能量缺乏的條件下幫助維持細(xì)胞能量平衡。由于運動會打破人體組織內(nèi)環(huán)境平衡系統(tǒng)，使AMPK 的活性降低、線粒體損傷、ATP的消耗量增加、肝肌糖原的分解、體內(nèi)Ca2+的釋放受阻和肌肉收縮水平降低等導(dǎo)致機(jī)體疲勞效應(yīng)[42]。研究表明，茶多酚能夠為機(jī)體提供所需能量，及時補充運動消耗的能量，減少代謝物的積累，降低疲勞感[43]。

線粒體在抗運動疲勞中起著很大的作用，是細(xì)胞供能的主要場所，線粒體合成能力決定著運動水平，過氧化物酶體增殖物活化受體γ協(xié)同刺激因子1α（PGC-1α）是線粒體合成能量的主要調(diào)控因子，PGC-1α參與線粒體氧化代謝、肝糖原異生等過程[44]。AMPK 和沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1（Sirt1）參與線粒體能量調(diào)節(jié)，改善PGC-1α的活性，間接調(diào)控核呼吸因子1（Nrf1）的轉(zhuǎn)錄，上調(diào)線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TFAM）的表達(dá)，提高線粒體DNA和相關(guān)蛋白的表達(dá)能力。白藜蘆醇能夠刺激Sirt1和PGC-1α的蛋白表達(dá)，最終改善炎癥因子的積累量，產(chǎn)生抗氧化酶[45-46]，白藜蘆醇二聚體可逆轉(zhuǎn)AMPK通路抑制引起的線粒體損傷，減少成肌細(xì)胞凋亡[47]。葡萄籽花青素可以通過刺激AMPK信號通路，致使上下游因子肝臟激酶B1（LKB1）和鈣調(diào)素依賴蛋白激酶β（CaMKKβ）被激活，Sirt1和PGC-1α被AMPK激活，促進(jìn)Sirt1和PGC-1α的蛋白表達(dá)，Nrf1是一種能夠促進(jìn)CaMKKβ轉(zhuǎn)錄，激活A(yù)MPK的轉(zhuǎn)錄因子，葡萄籽花青素上調(diào)p-LKB1、Nrf1和CaMKKβ的蛋白水平，通過AMPK信號通路促進(jìn)骨骼肌由快肌纖維型向慢肌纖維型轉(zhuǎn)變，有助于增強疲勞抵抗力[48]。分析蘆丁對小鼠體內(nèi)PGC-1α和Sirt1的mRNA表達(dá)情況，結(jié)果表明蘆丁處理能夠增加PGC-1αmRNA和Sirt1 mRNA和蛋白的表達(dá)，進(jìn)而增加線粒體的產(chǎn)能能力，增加疲勞耐受力[49]。

目前也有在大鼠穴位埋線以緩解疲勞的研究，此法可以減少代謝物的產(chǎn)生，增加能量供應(yīng)，更好的調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝水平，延緩疲勞的產(chǎn)生[50]，但報道的文獻(xiàn)較少。在能量代謝的研究中，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫分析多酚作用靶點這一新型研究還沒有被運用到，檢測方法比較老舊、模型單一，建立定向能量代謝靶點延緩疲勞可能會成為研究多酚抗疲勞機(jī)制的新方法。

3.3 多酚調(diào)節(jié)底物消耗或代謝積累

能量底物的耗竭和代謝副產(chǎn)物的積累會導(dǎo)致肌肉收縮期間的骨骼肌疲勞，機(jī)體內(nèi)乳酸（BLA）、血清尿素氮（BUN）、丙二醛（MDA）、肌酸激酶（CK）、谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）、谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）的積累和糖原的消耗都會影響疲勞和運動表現(xiàn)力的下降[51]。BLA的積累會使H+濃度上升，降低肌肉的pH值，干擾ATP產(chǎn)能，阻礙磷酸化酶與磷酸果糖激酶的活性通路，因此降低糖原分解與糖酵解反應(yīng)能力；BUN是機(jī)體內(nèi)的蛋白質(zhì)代謝生成氨導(dǎo)致；產(chǎn)生的CK若進(jìn)入血液中，則表明肌肉拉傷已經(jīng)發(fā)生；MDA、 ALT、AST等代謝物會損傷肌肉組織，導(dǎo)致機(jī)體能量供給不足[52]。

茶多酚能降低糖原合成酶激酶（GSK-3β）mRNA表達(dá)，增加糖原合成酶1（Gys1）的表達(dá)水平，茶多酚還能通過提高磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）和蛋白質(zhì)激酶B（Akt）活性來抑制GSK-3β的mRNA表達(dá)，從而促進(jìn)糖原的合成[53]。還能降低乳酸（BLA）和血清尿素氮（BUN）的含量[54]，降低腎功能損傷，使機(jī)體內(nèi)超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GSHPX）的活性增強，MDA減少，以及減少肌纖維和線粒體膜損傷。短梗五加多酚能降低丙二醛（MDA）、血清尿素氮（BUN）含量，降低谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）、谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）活性，還可以提高機(jī)體內(nèi)SOD、過氧化氫酶（CAT）和GSH-Px的活性，增加血糖和肝糖原的含量，加快清除或延緩體內(nèi)乳酸和血清尿素氮的積累，到達(dá)緩解疲勞的作用[55]。因此，及時清理機(jī)體內(nèi)過剩的代謝產(chǎn)物對于恢復(fù)運動能力具有重要的作用，如何快速地清除以及控制體內(nèi)多酚含量的適宜濃度，使實時監(jiān)測的效果發(fā)揮作用，目前還沒有最新的研究方法。

3.4 多酚抑制炎癥

疲勞與炎癥因子過度激活有關(guān)，促炎因子白細(xì)胞介素1β（IL-1β）、白細(xì)胞介素6（IL-6）、腫瘤壞死因子α（TNF-α）的過度產(chǎn)生是引起疲勞的特征，核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB） 調(diào)控著許多基因的表達(dá)，在細(xì)胞的炎癥反應(yīng)中起著關(guān)鍵性的作用，NF-κB途徑會促進(jìn)炎癥因子的釋放，加速疲勞的產(chǎn)生[56]。

多酚類物質(zhì)刺激AMPK抑制NF-κB，阻斷先天基因的轉(zhuǎn)錄免疫和炎癥相關(guān)因素，進(jìn)而下調(diào)IL-6和單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1），上調(diào)基因MiR-125b和MiR-122抑制炎癥因子C反應(yīng)蛋白（CRP）、IL-6和MCP-1的產(chǎn)生[57]。在大鼠力竭游泳實驗中，茶多酚干預(yù)組能夠降低促炎因子IL-1β和TNF-α的釋放量[58]，降低IL-1βmRNA的表達(dá)[59]。目前多酚通過抗炎緩解疲勞的研究較少，同時驗證體內(nèi)體外促炎因子的基因、蛋白的表達(dá)方面的研究還很少；再者，驗證實驗局限大，臨床方面的多酚抗疲勞試驗還不夠成熟。

4 結(jié)論與展望

多酚類物質(zhì)通過AMPK信號通路調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、能量水平、底物代謝及炎癥反應(yīng)產(chǎn)生抗疲勞效應(yīng)。以上闡述表明，酚類化合物在抗運動疲勞技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。對于刺激食品工業(yè)新產(chǎn)品如抗疲勞咀嚼片、抗疲勞餐粉及抗疲勞飲料等的發(fā)展，建立其可能的應(yīng)用是有利的。

目前，在多酚抗疲勞機(jī)制的研究上雖有一定的進(jìn)展，但仍有很多方面需要改進(jìn)。a. 驗證實驗?zāi)Ｐ洼^單一，大多以動物為研究對象展開，如小鼠負(fù)重游泳、跑T臺實驗，存在實驗的連續(xù)性不強等缺點，缺乏有效的細(xì)胞評價方法，可以利用新興的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行操作，檢測相應(yīng)的指標(biāo)。b. 實驗方法較陳舊，實驗周期較長、實操性強，可以通過構(gòu)建多酚緩解疲勞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，篩選并分析核心基因，建立抗疲勞基因數(shù)據(jù)庫，通過檢索系統(tǒng)即可查閱相應(yīng)多酚的抗疲勞基因；也可利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法，利用相關(guān)藥理數(shù)據(jù)庫和分析平臺得到多酚類物質(zhì)的抗疲勞的相關(guān)作用靶點，由基因數(shù)據(jù)庫中查詢多酚類物質(zhì)緩解疲勞相關(guān)靶點，再通過虛擬平臺建立成分-疲勞-靶點網(wǎng)絡(luò)，再利用相關(guān)數(shù)據(jù)庫對靶點進(jìn)行分析，也可得到多酚類物質(zhì)抗疲勞的相關(guān)機(jī)制。c. 多酚類物質(zhì)成分分布廣泛，各成分之間的分子質(zhì)量、結(jié)構(gòu)及空間構(gòu)型有較大差異，目前的研究多是量效關(guān)系，在構(gòu)效關(guān)系方面的研究還未見報道，在研究多酚抗疲勞機(jī)制時，需結(jié)合不同成分之間的分子量及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。