運動訓練中代謝組學技術檢測下代謝標志物的研究概述

王冬冬 ，吳麗君

運動訓練中代謝組學技術檢測下代謝標志物的研究概述

王冬冬 ，吳麗君

自代謝組學檢測技術出現以來，其應用領域越來越廣，在國內于2006年就已應用于運動領域的研究。但在該領域的研究較少且缺少文獻支持，沒有形成系統的研究成果，對各代謝物的分析解釋不足，研究內容也不盡相同。通過對國內和國外已發表相關該方面的研究文獻進行查閱，對其代謝物的研究成果進行綜述，以為以后在該領域的研究提供參考。

運動訓練；代謝組學；代謝標志物

前言

代謝組學是20世紀90年代中期,繼基因組學和蛋白質組學之后發展起來的一門學科, 其可在不設定將要檢測的具體指標時對代謝物(分子量小于1000)“全景式”掃描，再對檢測的顯著代謝標志物和差異物進行分析[1]。代謝組是基因組、轉錄組和蛋白組的“終端產物”,其包含了生物體系表型的直接的、全面的“生物標記物”信息，反映生命體在整體狀態下對實驗條件和其它外界因素干預的總體反應。人體是一個系統的有機體，運動作為對機體的一種干預，可對機體產生廣泛而深遠的影響，而應用代謝組學檢測技術可以對機體的整體狀態進行評價，其在運動領域應用具有廣泛前景。

1 代謝組學在運動中的應用概述

通過應用代謝組學的技術，目前在體育運動中的研究主要有運動與軍事訓練的監控評定、體育競技成績預測、運動選材與氧化應激、尋找與不同能量代謝途徑和運動方式相關的代謝標志物等。雖然早在2006年國內就已經有運動領域對其進行應用，但對其在運動訓練領域的相關文獻進行檢索、查閱發現其研究內容、技術方法相差較大，總體研究成果缺乏系統性，并且對很多相關生物標志物的分析解釋缺乏文獻支持。究其原因可能有：代謝組學檢測技術作為較新的檢測手段相比于其它檢測技術應用較晚；檢測出很多以往在運動領域沒有或者極少涉及的生物標志物，有些甚至在生物領域也鮮為涉及，對其分析缺乏相關研究和文獻支持。

2 主要代謝標志物的研究概述

按涉及機體生理功能的不同可把代謝組學在運動領域的代謝標志物的研究分為能量代謝、神經系統信號傳遞與維護、運動氧化應激三個主要方面，而各個代謝標志物具有的生理功能和代謝的參與又不局限于某一方面。查閱國內外相關文獻發現大多代謝標志物在該領域的文獻中高頻出現，有的幾乎所有相關文獻均有涉及，基本就是該領域的“共有標志物”，以下按生理功能分類進行概述。

2.1 能量代謝方面

乳酸在機體缺氧時丙酮酸還原生成，持續缺氧狀態下可在體內大量堆積，可通過肝、腎轉化為丙酮酸或隨尿液排出體外。機體對乳酸的耐受力，即血乳酸值可作為無氧運動能力的判斷指標。該領域的研究都指出其在運動后濃度升高。丙酮酸是體內糖、脂肪酸和氨基酸相互轉換的樞紐，也是體內一種抗氧化劑，經過脫羧反應清除過氧化氫。乳酸與丙酮酸的比值可作為機體氧化應激狀態的判斷指標。肌酸與肌酐：肌酸的95%存在于骨骼肌并可在其內磷酸化為磷酸肌酸儲備能量。其可脫水環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。大強度短時間訓練或賽后尿肌酐含量上升[3] [4]，運動員在安靜狀態下其濃度比普通人低[2]。這是由于運動時促進了骨骼肌肌酸的釋放和分解以及安靜狀態下運動員骨骼肌儲備磷酸肌酸能力的較高。而持續時間較長、組間休息時間較短的間歇大負荷訓練后肌酐含量呈下降趨勢，作者認為這是由于運動員肌酸池儲能下降，肌肉機能下降導致的并指出：肌酐含量在運動后下降可能是大負荷訓練造成疲勞的標志之一[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。其在運動員快速減體重期間的尿中水平升高，這可能與機體在能量和營養缺乏時的自我保護和腸道菌群的紊亂有關[2]。

次黃嘌呤在嘌呤核苷酸分解代謝增強時水平升高，作為超氧自由基的酶促反應底物是細胞是否處于缺氧和氧化應激狀態下的評價指標以及缺血再灌注產生自由基的標志。次黃嘌呤在次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶的作用下轉變為用于合成ATP的肌苷酸[6]。其水平在極性大強度運動后[5][3][7]和運動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，在體內是脂肪酸不完全氧化的產物。即使是短時間的運動也有酮體的變化[8]。長時間中等強度的運動比短時間大強度運動更容易出現運動后酮證現象。運動員混養運動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β-氧化通路作為乙酰乙酸氧化裂解為乙酰輔酶a進入TCA循環推動ATP生成。丁酸鹽是腸道能量的主要來源，可減少腸道對葡萄糖、谷氨酰胺和丙酮酸的供能依賴[8]。混養運動后短鏈脂肪酸濃度明顯升高[5]，結合其它研究[2][8]認為丁酸、異丁酸是脂肪酸在氧充足環境中產生，并可能是有氧代謝的潛在標志性代謝物。

支鏈氨基酸(亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸)是機體中主要參與能量代謝的氨基酸，其可以通過促進胰島素和生長激素的釋放增強合成代謝并修復骨骼肌。對其研究結果尚不統一，其中亮氨酸和異亮氨酸分別經分解生成乙酰輔酶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進入TCA循環，也可參與合成谷氨酰胺、組織修復和調節血糖。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,可隨著訓練的進行逐漸升高[10], 其可用于治療肌無力。比賽結束后運動員血漿甘氨酸濃度升高[2]。混氧訓練后尿中甘氨酸濃度上升并被認為是機體脂肪代謝供能比例上升的標志[5]。丙氨酸是氨基酸代謝供能的中轉站，氨基酸主要通過丙氨酸-葡萄糖循環供能。急性大強度運動可促進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]發現短時大強度運動后,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，并認為是其通過TCA循環進入有氧代謝和轉化為酮體的途徑的增強所致[2]。肉堿是主要產于肝臟的具有抗氨毒作用類氨基酸物質，能促進長鏈脂肪酸以脂酰基肉堿進入線粒體與輔酶A結合為脂酰輔酶A參與β-氧化供能，未能與肉堿結合轉運的脂肪酸會破壞線粒體膜電位，抑制ATP的合成[12]。肉堿還可以通過催化乙酰輔酶A變為乙酰肉堿，降低乙酰輔酶A/輔酶A的比值，使得丙酮酸脫氫酶活化，促進糖的分解供能。運動可以促進肉堿的分泌，運動員賽后尿中肉堿水平升高，提示運動后可適量補充肉堿[2]。

2.2 神經系統維護與信息傳遞方面

谷氨酸為神經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抑制性的R-氨基丁酸(GABA)。運動性神經系統疲勞時，GABA和氨濃度升高，谷氨酸濃度下降。谷氨酰胺作為過度訓練的指標并參與機體供能，可以調節肌肉內血氨和乳酸水平以減少對免疫系統的干擾和參與谷胱甘肽的合成以提高抗氧化能力。運動后機體產生肌肉損耗和萎縮、免疫力下降、機體氧化損傷可能與谷氨酰胺的運動消耗有關。運動后其水平可顯著下降[5]并與運動強度和時間成正相關。酪氨酸在體內可參與甲狀腺素、多巴胺、兒茶酚胺和去甲腎上腺素等的合成。運動時機體對甲狀腺素和多巴胺需求增多，運動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、免疫系統和中樞系統維護等方面發揮作用。補充磷脂酰絲氨酸能促進大腦中乙酰膽堿和多巴胺的合成，并用于治療癡呆癥，癡呆癥的發生與大腦氧化應激狀態密切相關。安靜狀態下運動員尿液中絲氨酸顯著低于普通人[2]。

2.3 運動氧化應激方面

N-氧化三甲基胺(TMAO)是應用了代謝組學技術之后才在運動領域發現，其濃度在機體運動代謝中變化明顯并引起注意。但其在人體生物學作用的資料很少，對其在人體運動中的作用尚無明確定論。TMAO具有穩定蛋白質結構的作用，可抵抗尿素和氨毒對腎臟中蛋白質結構的破壞[10][13]并可能通過維持抗氧化酶的作用提高抗氧化能力以及通過增強細胞有絲分裂來促進合成代謝[14]。TMAO往往與腎功能損傷和腸道菌群紊亂聯系在一起[15]，其在PH值下降和體溫升高時降解加快。運動員在安靜狀態下TMAO水平明顯高于普通人并認為運動員的代謝適應使其合成代謝增強；賽后其濃度下降，認為可能是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，機制不明[2]。也有研究顯示其在訓練后升高，認為可能是運動方式的不同導致[5]。甜菜堿在體內可作為甲基供體相繼通過高半胱氨酸、內源性蛋氨酸、S-腺苷蛋氨酸把甲基呈遞給肉堿的合成[16]。補充甜菜堿可以提高運動成績，這可能與作為滲透劑的甜菜堿對蛋白質的保護作用相關[17]。煙酸在體內包括尼克酸和尼克酰胺，其可轉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細胞對胰島素的敏感性，活化葡萄糖磷酸變位酶，促進機體能量代謝。尼克酰胺能抑制蛋白質氧化和脂質過氧化[18]，提高抗氧化能力。過多的煙酸可在肝內轉化為甲基煙酰胺隨尿排出。李江華[19]發現決賽運動員尿液甲基酰胺含量高于其他運動員，推測決賽運動員機體糖供能的能力高于非決賽運動員。抗壞血酸即Vc，機體內的一種抗氧化劑。其在賽后運動員尿中濃度下降[2]。

3 結語

代謝組學近幾年應用于運動領域的研究快速增多，其應用技術已經較為成熟，目前對其代謝標志物研究依然主要集中在能量代謝、神經系統信號傳遞與維護、運動氧化應激三個方面，其中對神經系統信號傳遞與維護的研究是近兩年出現的。目前對該領域代謝標志物的分析雖然可以對研究目的進行解釋，但分析依然不夠充分，特別在小分子代謝層面的依然較為有限，缺乏相關的文獻支持是該領域研究的主要困難。今后代謝組學在該領域的研究可以繼續拓展，比如運動損傷與健康促進以及對疾病的干預等，以進一步對運動的作用機制進行探討；另外代謝組學檢測的代謝物的量非常龐大，隨著其在運動領域應用的拓展，對在其它相關領域(生命科學、醫療衛生)已經的代謝標志物的研究成果進行總結、借鑒以為運動領域的研究提供理論支持和研究方向，已經是目前代謝組學在運動領域應用需要解決的重要問題。

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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：運動解剖生理學。

山西大學體育學院，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