運動性疲勞的機制與大豆多肽對其調控的研究進展

吳良文，陳 寧*

（武漢體育學院健康科學學院，運動訓練監控湖北省重點實驗室，天久運動營養食品研發中心，湖北 武漢 430079）

機體在進行長時間高強度的運動過程中，糖原被大量消耗，血糖濃度降低，引起蛋白質的利用增加，骨骼肌蛋白分解供能，能量代謝產物堆積，致使內環境穩態被破壞，可能導致骨骼肌損傷，從而影響機體的運動能力，導致機體疲勞的發生。這種由于運動引起的運動能力以及身體功能暫時性下降，稱之為運動性疲勞。適度的運動性疲勞可通過一定手段恢復，但是過度的運動性疲勞會引起機體的骨骼肌損傷，損害身體健康[1]；因此，研究緩解運動性疲勞的方式具有重大的實際意義。目前，許多食品機構或企業利用大豆多肽的生物學特性研制出的運動飲料能起到很好的抗疲勞作用，并證實大豆多肽在抗疲勞或者緩解運動性疲勞等方面有比較積極的效果[2-3]。

1 運動疲勞的產生機制

自19世紀以來，為了研究清楚運動性疲勞產生的機制與機理，研究人員對運動性疲勞進行了大量研究，同時嘗試從不同角度解釋運動性疲勞的產生原因，并提出了“耗竭學說”、“阻塞學說”、“內環境穩態失調學說”等一系列的假說[4-5]。目前，關于對運動性疲勞普遍認可的定義為：在運動過程當中，當機體生理過程不能繼續保持它在特定水平上進行或者不能維持某一預定的運動強度，即稱之為運動性疲勞。

運動性疲勞是人體運動過程中正常且比較復雜的生理現象，是身體為保持健康的一種自我警報信號，它迫使機體降低運動負荷，防止機體發生過度的機能衰竭。適度的運動性疲勞對于增強體質、獲得訓練效果以及提高運動成績具有促進作用。運動性疲勞根據疲勞產生部位的不同，一般可以分為中樞性疲勞和外周性疲勞兩部分[6]。

1.1 中樞性疲勞機制

在運動性疲勞的發展過程當中，中樞神經系統絮亂與運動性疲勞的產生有著密不可分關系[7]。中樞性疲勞的產生實質是中樞神經系統的一種自我保護性抑制作用，以防止身體機能過度消耗。當機體發生運動性中樞疲勞時，神經中樞系統的興奮-抑制過程平衡將會被破壞，基底神經節功能調控不足，導致機體運動能力、學習能力下降以及情緒激動等[8]。

中樞性疲勞主要是中樞性神經系統應對激烈的、高負荷的活動從而出現的保護性抑制措施。這種抑制是運動員出現整體機能以及運動能力下降外在表現的前提，有研究表明中樞神經系統是機體產生興奮、發出沖動以及調節肌肉收縮舒張的機能系統，中樞神經系統的機能障礙會使人體運動能力以及工作能力水平下降。由于中樞神經系統非常復雜，因此，研究者在對中樞性疲勞進行探索研究的過程當中，還有很多問題沒有得到解決。目前，中樞性疲勞的研究主要集中在與中樞性神經活動有關的氨基酸代謝、腦神經遞質（如5-羥色胺、γ-氨基丁酸、多巴胺、乙酰膽堿）以及血氨的代謝與轉運等[8-9]。

1.2 外周性疲勞

一般說來，外周性疲勞主要發生在神經肌肉節點、突出傳遞點以及骨骼肌收縮舒張位置，從而引起肌肉最大收縮力以及收縮速度下降，導致運動員運動能力的降低。外周性疲勞可以分為神經肌肉接頭疲勞、能源物質耗竭引起的疲勞以及代謝產物堆積引起的疲勞[10]。

肌肉是機體運動的主要功能單位。外周疲勞的研究重點主要集中在肌肉內部能源物質代謝與調節、肌肉細胞以及局部肌肉的血液內環境變化等方面。當肌肉劇烈運動時，生物體內糖類、脂類等能源物質被大量消耗用于供能，而乳酸、氨等代謝產物開始在體內大量堆積，導致骨骼肌內pH值逐漸降低，肌肉細胞中Ca2＋轉移受到抑制，肌肉收縮能力顯著下降，導致運動性疲勞的發生[11]。另外，氧自由基及其引起的脂質過氧化反應增強，破壞了生物體內環境的平衡[12]，引起機體生化指標變化以及運動能力下降[13]，也會導致運動性疲勞的發生。

2 運動性疲勞相關信號通路

2.1 骨骼肌蛋白質的合成信號通路

磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidynositol 3 kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路是促進骨骼肌蛋白質合成、修復肌肉損傷的主要途徑之一[14]（圖1）。PI3K是細胞內重要的信號因子，機體在長時間大量運動過程中，細胞受到內環境因素變化引起的刺激如缺氧、pH值降低等，從而激活PI3K[15]。Akt可以通過磷酸化多種酶、激酶或轉錄因子等下游因子的方式，介導多種生物學效應。Akt是重要的抗凋亡調節因子，被認為是PI3K下游的作用靶物[16]。當細胞在受到過量運動引起的內環境變化刺激后，PI3K被激活，促使質膜磷酸肌醇磷酸化，催化生成磷脂酰肌醇三磷酸（phosphatidylinositol(3,4,5)bisphosphate，PIP3），PIP3可以作為細胞信號傳遞的信使介導PI3K多種功能[17]。PIP3同時招募擁有pH結構域特征的3-磷酸肌醇依賴性激酶-1（3-phosphoinsitide-dependentprotein kinase-1，PDK1）和Akt至細胞質膜上，促使PDK1通過將Akt激酶區的Thr308位點磷酸化從而實現Akt的激活[18]。激活的Akt主要是通過介導下游底物mTOR磷酸化的方式，發揮促進蛋白質合成、修復骨骼肌蛋白質損傷的作用[19]。mTOR是PI3K/Akt信號通路下游的一個靶蛋白，mTOR主要是通過激活核糖體蛋白S6激酶1（ribosomal protein S6 kinase β1，RPS6KB1或S6K1）的方式磷酸化核糖體蛋白6（ribosomal protein S6，RPS6）或者磷酸化真核翻譯起始因子4E（eukaryotic initiation factor 4E，eIF4E）的抑制因子——4E結合蛋白（4E-binding protein 1，4E-BP1），達到調控蛋白質合成過程的作用[20]。

圖1 運動性疲勞相關信號通路Fig. 1 Exercise fatigue-related signaling pathways

S6K1可以通過磷酸化的方式調節mRNA翻譯過程的蛋白質，例如eIF4B、核糖體蛋白S6（ribosomal protein S6，rpS6）和真核翻譯延伸因子2（eukaryotic elongation factor-2，eEF2）。因此，mTOR介導S6K1磷酸化可以間接調節mRNA翻譯的起始和延伸階段[21]。而mTOR磷酸化4E-BP1，可以促使4E-BP1與eIF4E分離，使得游離的eIF4E能夠與eIF4G結合，促進翻譯起始[22]。有研究者證實，通過調控Akt/mTOR信號通路，可以促進翻譯的起始和延伸，增加蛋白質的合成，最終導致骨骼肌肥大，強化骨骼肌功能[23]。

2.2 骨骼肌蛋白質降解信號通路

機體內大部分蛋白質的周轉活動都是由泛素-蛋白酶體系統完成的[24]。泛素蛋白酶體系統工作途徑為：蛋白質被泛素標記之后，依次通過泛素活化酶（ubiquitin-activating enzyme，E1）、泛素結合酶（ubiquitin-conjugating enzyme，E2）、泛素連接酶（ubiquitin-ligase enzyme，E3）的作用，完成底物蛋白質的泛素化，最終在26S蛋白酶體內完成蛋白質的降解。其中泛素連接酶E3是泛素-蛋白酶體系中的限速酶，它的主要功能是負責底物蛋白特異性識別以及促進泛素轉移到相關底物蛋白上，其活動受到嚴格的調節，在骨骼肌蛋白質分解過程中起到了至關重要的作用[25]。骨骼肌蛋白質的泛素化降解主要是依賴于特殊的E3、肌肉特異性環指蛋白1（muscle RING finger-1，MuRF1）和肌肉萎縮盒F蛋白（muscle atrophy F-box protein，MAFbx）[26]。骨骼肌蛋白質主要是通過介導叉頭狀轉錄因子O家族蛋白（forkhead box O，FOXO）和轉錄因子NF-κB的表達，進行實現對泛素-蛋白酶體途徑的活性調節。FOXO3a是MuRF1和MAFbx的轉錄因子，激活FOXO3a的轉錄活性可以上調MuRF1和MAFbx的基因表達，促進泛素-蛋白酶體的作用[27]。AMP激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）/Sirt1信號通路可以激活FOXO3a的轉錄活性，促進MuRF1和MAFbx的表達和泛素蛋白酶體途徑的蛋白質降解，而胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）/PI3K/AKT信號通路則是通過抑制FOXO3a的轉錄活性，下調MuRF1和MAFbx的基因表達，抑制肌肉蛋白質降解[28]。當細胞受到損傷等刺激的時候，NF-κB的抑制蛋白激酶（IκB kinase，IKK）被激活，引起抑制蛋白kappa Bα（inhibitor of kappa Bα，I-κBα）上多個位點被磷酸化，進而被蛋白酶降解，促使NF-κB與其抑制物I-κB蛋白分離，被釋放轉移進入細胞核，通過調節MuRF-1、MAFbx、FOXO3a的轉錄等方式實現調控蛋白質降解的功能[29-30]。在生物分子實驗中發現，在肌細胞培養中加入腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），可激活NF-κB和增加泛素載體蛋白（ubiquitin carrier protein H2，UbcH2）表達量，增加NF-κB與UbcH2的結合能力；相反的，可通過抑制NF-κB的活性，從而抑制C2、C12肌管蛋白分解[31-32]。在大鼠進行力竭跑臺運動后，研究者發現其腓腸肌NF-κB活性增加[33]，提示運動性疲勞會造成骨骼肌細胞的降解。

2.3 骨骼肌葡萄糖轉運相關信號通路

一般說來，骨骼肌的供能主要是依賴葡萄糖代謝，人體內大部分葡萄糖被骨骼肌所利用，因此骨骼肌內糖類的儲備以及攝取能力在維持人體血糖濃度穩態和調控能量代謝平衡等方面發揮著重要的作用[34]。葡萄糖轉運體4（glucose transporter 4，GLUT4）是骨骼肌細胞內非常重要的葡萄糖運載體，它的主要作用是通過易化擴散、濃度差等作用方式將細胞外的葡萄糖跨膜轉運進入細胞內[35]。對敲除骨骼肌中GLUT4基因的小鼠進行研究發現，GLUT4基因的敲除將會引起嚴重的胰島素抵抗和葡萄糖耐受等不良癥狀，說明GLUT4的表達或活性下降致使骨骼肌對葡萄糖攝取能力降低，以及GLUT4在骨骼肌細胞糖代謝系統當中的重要性[36]。GLUT4的活性主要是由PI3K/Akt信號通路調控。當骨骼肌細胞受到胰島素刺激之后，細胞膜上的胰島素受體迅速與胰島素結合，并且募集和磷酸化胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）。隨后，IRS蛋白與PI3K相互作用，激活PI3K促使質膜磷酸肌醇磷酸化，促進PIP3的生成。PIP3在細胞膜上招募并激活一些參與葡萄糖攝取、包含PH結構域的色氨酸/蘇氨酸激酶，例如PDK1和mTORC2，從而激活Akt。Akt作為一個關鍵中心分子，可以通過調控含有GLUT4的囊泡轉位、靶向運轉和融合等過程，從而影響GLUT4運轉的整個過程[37-38]。

教學手段包括課本、演示文稿、講座、文章研讀、在線學習單元模塊、做項目、同學間進行小組討論、在線參與班級討論并對至少兩位同學的發言進行點評、回復等，還有案例分析。每周至少要就該門課投入九小時以上的學習時間。教學模式是以學生為中心的教師引領輔助型，充分發揮學生的主動性、責任心和創造力。要求學生每周登錄教學軟件（Canvas），完成在線學習任務并提交作業,教師線上線下對學生的提問、討論和問題解決方案給出積極正面的反饋意見。

3 功能活性肽——大豆多肽

3.1 大豆多肽的營養成分

近年來，功能活性多肽營養保健品已經逐漸成為社會生活討論的熱點。自20世紀90年代開始，活性多肽及其相關營養產品的開發研究備受關注。為了促進運動性疲勞和身體機能的快速恢復、提高運動健身愛好者的運動能力，活性肽營養品的補充是非常有意義的嘗試。

大豆營養豐富，其蛋白質含量高、氨基酸組成均衡，是對人體非常重要的食品。在大豆蛋白酶解工藝中，酶的選擇非常重要。由于蛋白酶具有特異性，會導致大豆蛋白水解工藝條件和最終多肽產品特性的差異性。大豆多肽的制備方法比較多，包括蛋白水解、生物發酵、食品加工等。目前大豆多肽工業化常規的生產方法是在確定的溫度、pH值、底物濃度、酶濃度等條件下，通過木瓜醇蛋白酶等酶催化作用將大豆水解為多肽混合物。

有研究者對大豆多肽產品進行分析，發現大豆多肽具有與大豆蛋白相同的氨基酸組成，其水分、含氮化合物和多肽的質量分數分別為6.84%、74.32%和50.0%。并且，該產品當中多肽和游離氨基酸的質量分數總和為76.33%，其中人體的必需氨基酸（He、Leu、Met、Phe、Thr、Lys、Trp、Val）和兩種半必需氨基酸（Arg和His）質量分別占氨基酸總質量的24.94%和6.77%[39]。

3.2 大豆多肽的抗氧化性

巰基是非常重要的自由基清除劑，大豆植物蛋白中巰基基團含量高，大豆蛋白水解產物中巰基的含量明顯高于大豆蛋白，因此大豆多肽具有較強的抗氧化性[40]。實驗研究已經證實，大豆多肽抗氧化能力與蛋白水解酶種類以及水解度有關，蛋白酶濃度、水解產物多肽長度和多肽鏈N末端、C末端的氨基酸組成以及氨基酸順序不同，均會影響抗氧化性基團的表達，導致大豆多肽的抗氧化性功能不同[40-41]。

3.3 大豆多肽的物理化學性質

大豆多肽基本是由小分子質量的寡肽混合物組成，所以與分子質量比較大的大豆分離蛋白相比，大豆多肽具有兩個優點：溶解性在較寬的pH值范圍內均較好，且受溫度影響比較??；黏度隨濃度變化不明顯，即使在高濃度的條件下依然呈現溶解狀態。因此，大豆多肽更容易被機體所吸收，營養物質吸收更充分[42]。

4 大豆多肽對緩解運動性疲勞的機制

4.1 恢復糖原儲備

在進行長時間高強度訓練的過程中，機體內部的氧氣被大量消耗，造成內環境缺氧，使得葡萄糖分解供能之后轉化為乳酸，最終導致血液當中乳酸堆積、身體內部pH值降低，進而引起酸中毒。這種酸中毒可能會刺激神經末梢，引起肌肉痙攣、疼痛，與此同時，它還能一定程度上增加某些細胞膜的通透性[43]，引起肌肉收縮強度下降，最終導致疲勞[44]。一般說來，機體進行高強度運動訓練的時候，主要是依賴于糖類供能，激烈運動之后，體內的肝糖原以及肌糖原大量被消耗，身體內糖原儲備的多少在一定程度上可以決定機體的運動能力，因此糖原合成、儲備是運動性疲勞恢復的一個重要環節[34]。

過度的運動將會引起人體內部自由基生成量增加，破壞與人體自由基清除能力之間的平衡，內源性自由基的堆積將會引起脂質過氧化反應增強，破壞生物膜，影響內環境的穩定性。當細胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）過量時，可以抑制PI3K/Akt信號通路，進而下調GULT4的表達與活性，導致細胞對葡萄糖的攝取能力受到限制，引起血糖供應異常。關于運動是否可以促進骨骼肌GULT4蛋白以及GULT4 mRNA表達量增加，目前還沒有一個一致的結論。但是目前已經有研究證實，經過6 周過度訓練后，小鼠腓腸肌的GULT4蛋白表達量沒有明顯增加，反而出現了下降的趨勢[45]。已經研究證實，枯草芽孢桿菌發酵生產的大豆多肽能夠促進GLUT4的表達，進而可以增強細胞對葡萄糖的攝取能力[46]。此外，另有動物實驗利用大豆多肽喂養小鼠30 d之后，隨劑量（200、400、800 mg/（kg·d））增加，小鼠體內的肌糖原以及肝糖原的儲備量呈現梯度性增加，維持機體運動時血糖濃度的能力增加，可為機體提供更多的能量，從而達到抗疲勞的作用（圖2）[41]。

圖2 大豆多肽緩解運動性疲勞機制Fig. 2 Mechanisms by which soybean polypeptide alleviates exercise-induced fatigue

美國營養協會、加拿大營養師協會以及美國運動醫學學會專家們進行的一項聯合研究探討了運動后恢復期飲食與肌糖原合成的關系，指出在運動后恢復期可以通過健康飲食手段提高血糖濃度，從而促進肌糖原恢復，保持血糖濃度維持在正常范圍當中[47]。以上的研究結果提示，恢復期攝入一定量的大豆多肽可以增加肌糖原的儲備，緩解機體疲勞癥狀。

4.2 修復肌肉損傷

在進行高強度運動的過程當中，肌肉持續性收縮舒張活動將會導致骨骼肌發生可逆性的微損傷，常表現為延遲性肌肉酸痛（delayed onset muscle soreness，DOMS），主要出現在運動后數小時至48 h內。一般說來，人在進行高強度運動訓練或者運動訓練方式不合理的時候，極易誘發DOMS，DOMS常伴有肌肉酸痛、肌肉抽筋等癥狀，影響運動員主觀疲勞感覺以及下一次比賽的表現。但這種癥狀只是暫時的，運動后及時采取有效措施進行干預，有助于修復肌肉微損傷，緩解運動性疲勞。

有研究表明，在運動后2 h內，補充蛋白質和氨基酸能夠促進胰島素的分泌，促使骨骼肌蛋白質合成代謝加強，減少蛋白質的分解代謝，促進糖原的恢復，使骨骼肌快速恢復和修復[48-49]。人體體外實驗已經證實，運動后補充支鏈氨基酸（包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸）、苯丙氨酸等必需氨基酸可以緩解運動導致的骨骼肌蛋白質水解，促進人體肌肉蛋白質的合成代謝，降低組織損傷，有助于積極有效地修復骨骼肌損傷[50-51]。這些骨骼肌損傷的恢復可以通過控制蛋白質合成的信號通路來調節，包括哺乳動物mTOR的磷酸化、S6K1蛋白激酶和eIF4e結合蛋白1的序列激活[52]。

已有研究表明，無訓練的大鼠進行一次間歇性下坡跑運動，分別于運動結束后即刻和24、48、72 h補充大豆多肽、大豆蛋白，相比于補水，均能對運動引起的血清肌酸激酶（creatine kinase，CK）、血清丙二醛、β-葡萄糖苷酸酶（beta-glucuronidase，GUS）以及葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（glucose 6-phosphatedehydrogenase，G6PDH）含量升高起到一定抑制作用，而且大豆多肽抑制效果更明顯。GUS和G6PDH水平可以反映骨骼肌炎癥反應的程度[53]。大豆多肽和大豆分離蛋白都可以預防運動性骨骼肌微損傷的發生，但是大豆活性多肽的作用要明顯強于大豆分離蛋白，而且在促進運動后微損傷修復方面的效果也更為明顯[54]。在大鼠耐力性實驗過程當中，血漿氨基酸特別是Ala、Gly、Val、lle、Thr、Ser、Tyr等氨基酸含量會迅速下降。在上述氨基酸當中，大豆多肽中Val、lle、Tyr含量比較高，說明大豆多肽可以補充運動過程當中缺乏的某些氨基酸，促進骨骼肌蛋白質的合成，從而最終強化導致骨骼肌肌力以及功能。此外，大豆多肽含有Asp和Glu，這也有助于延緩訓練疲勞的發生[55-56]。

4.3 改善氧化應激

在運動的過程中，骨骼肌在強烈收縮過程當中不斷生成ROS。隨著機體運動量的不斷增加，ROS的生成量也不斷增多，過量的ROS作用于骨骼肌纖維蛋白，可降低肌纖維功能、減少Ca2＋的釋放量，抑制Ca2＋-ATP酶活性；還可使生物體發生氧化應激，導致氧化損傷，例如DNA羥基化、組織損傷以及蛋白質變性等[57-58]。

補充抗氧化劑或者生物活性肽有助于人體減少氧化損傷、促進運動性疲勞恢復[59]。補充高劑量的輔酶Q10（300 mg/d）[60]、甲基磺胺甲烷（3 g/d）[61]和N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine，NAC）[62]等抗氧化劑已被證實可緩解運動性疲勞所引起的氧化應激損傷，促進運動性疲勞恢復。在進行NAC緩解運動性疲勞的研究時，觀察到高劑量的NAC給受試者帶來了輕微的胃腸道副反應，因此，需要進一步研究既能促進治療功效且無副反應的抗氧化劑[59]。

大豆的抗氧化性能已被大量研究證實[63]。在大豆蛋白水解過程中，大豆蛋白暴露出更多的活性氨基酸R基團。因此，大豆多肽具有比完整蛋白更高的抗氧化活性[64]。同時大豆多肽還具有溶解性好、黏度低、抗凝膠形成、蛋白質利用率高、抗原性低和不致敏等優點，因此是非常優良的活性多肽補充劑。同時，已經有小鼠實驗證明，從大豆蛋白水解液中純化出的黑大豆肽具有非常高的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除活性，能夠顯著減輕小鼠的身體疲勞[65]。

5 結 語

隨著全民健身熱潮的來襲，運動性疲勞的緩解機理研究也越來越具有一定的社會現實意義。補充水分和食物是當前比較便捷的運動疲勞恢復手段。已有人體實驗證實，可以通過補充大豆多肽固體飲料緩解運動性疲勞、促進運動性損傷的恢復，并且其效果比傳統方法更為顯著[66]。目前，關于大豆多肽緩解運動性疲勞、提升機體運動能力的研究非常多，但是目前大豆多肽的抗疲勞研究還停留在宏觀的表象階段，并沒有深入到分子信號通路的研究中去，這也給后續功能活性肽的研究提出了新的要求。

大豆多肽可以通過促進骨骼肌蛋白質合成恢復肌肉運動性損傷、抑制機體自由基的氧化應激作用以及提升糖原轉運能力、增加糖原的儲備等方式緩解機體運動性疲勞的癥狀，進而達到提高機體運動能力的目的?，F如今生活節奏越來越快，不管是腦力勞動者和體力勞動者在身體上和精神上或多或少會出現疲勞。因此，可以針對不同人群的需求，聯合大豆多肽的抗疲勞作用以及其他天然中藥作物的恢復作用，結合現代運動科學理論知識，研制出適用于不同人群加速恢復疲勞的營養保健產品，例如（顆粒沖劑型或膠囊型）營養補充劑、運動飲料等。

大量研究證實活性功能肽以及天然營養物質在緩解運動性疲勞、增強機體運動能力等方面發揮著顯著的功效。本文結合大豆多肽的蛋白質資源豐富、營養價值高、易于吸收等特點，針對運動性疲勞所引起的氧化應激、血糖濃度降低，以及骨骼肌氧化應激等癥狀，從理論和已有的實驗結果出發，探討了大豆多肽在緩解運動性疲勞方面的可行性，為抗疲勞營養補足品的研究提供理論依據。