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体育网刊2009年第11期
 
低氧、运动对肌糖原合成的影响及其机制研究进展

2009/11/2 16:27:31 浏览次数 4666  

刘霞    扬州大学体育学院, 扬州 225009


摘  要:肌糖原是机体运动时一种重要的能源物质,肌糖原的合成受到了胰岛素、运动、低氧等因素的影响。胰岛素是机体促进肌糖原合成的主要激素,其调节机制主要是通过PI-3K、MAPK和Cb1/CAP三条途径。运动也能促进肌糖原的合成,其机制有研究认为运动可增强胰岛素信号途径的作用,但也有研究认为,运动是通过与胰岛素完全不同的途径,其中AMPK、Ca2+等参与其中。低氧能够促进骨骼肌葡萄糖转运,但低氧能否促进肌糖原的合成,研究结论不一,其机制如何有研究认为与运动一致,但也有研究认为与运动不同,究其机制如何还有待研究。
关键词:肌糖原;胰岛素;运动;低氧

    肌糖原是机体运动时的一种重要的能源物质,机体无论是进行有氧运动还是无氧运动都需要依靠肌糖原分解供能。肌糖原的储量决定了运动员的耐力,低氧环境、运动对肌糖原的合成有何影响直接影响低氧训练的效果。研究低氧训练对肌糖原的影响及其机制,将有利于低氧训练方法的进一步推广,同时也为运动治疗糖尿病提供科学的理论依据。

1. 肌糖原合成的过程及胰岛素对其作用的途径
    运动后肌糖原的再合成是一个复杂的过程,它涉及一系列复杂的生理和生化过程并受到精细调控。激素环境(特别是胰岛素水平)、胰岛素受体及底物水平、信号传导、葡萄糖跨膜转运以及与糖原合成有关的酶(糖原合成酶、糖原生成素)的活性等因素对糖原合成具有重要的影响。糖原合成代谢通路始于葡萄糖被转运进入细胞内,骨骼肌是全身利用葡萄糖的最主要组织,葡萄糖的跨膜转运是骨骼肌细胞利用葡萄糖的最主要限速步骤,这一转运过程是依靠细胞膜上的葡萄糖特异转运载体蛋白(在骨骼肌组织中主要是GLUT4)通过易化转运的方式来完成的。进入细胞的葡萄糖在己糖激酶的作用下迅速转化为G-6-P,后者继续转化为G-1-P,然后UDP与G-1-P结合形成UDPG。糖原合成包括两个步骤:首先以糖原生成素(GN)为引物合成前糖原(PG),然后以前糖原为引物合成大糖原(MG),前者由前糖原合成酶(PGS)催化,后者由糖原合成酶(GS)催化。肌糖原含量应是PG和MG的总和。糖原合成过程至少涉及三种UDPG葡萄糖基转移酶,即GN,PGS,GS,它们各自具有不同的活性调节特征,共同调控糖原的合成。其中GN的含量可能成为决定肌糖原最大储量的根本因素[1]。
    胰岛素是机体促使糖原合成的主要激素,胰岛素和收缩是骨骼肌细胞葡萄糖跨膜转运的两大生理刺激因素,但它们却通过完全不同的机制引发葡萄糖转运。研究表明,骨骼肌细胞内存在分别对运动和胰岛素敏感的特异性GLUT4囊泡(GSVs),运动和胰岛素通过不同的途径作用于这两种GSVs,促进GLUT4从细胞内转位至细胞外膜[2]。在胰岛素信号转导中,研究得比较深入的主要为以下的两条通路:一是磷脂酰醇3激酶(PI-3K)途径,另一条是有丝分裂原激活蛋白激酶(MAPK)途径。前者主要与胰岛素的代谢效应有关,但也涉及基因转录;后者主要实现胰岛素的调控基因转录,促进细胞生长、增殖功能、同时也参与代谢调节[3]。目前的研究认为胰岛素刺激葡萄糖转运载体蛋白4(GLUT4)易位的信号传导机制,现在发现至少有两条独立的信号传导途径,一条是经典的PI-3K途径,另一条是新近发现的Cb1/CAP(原癌基因产物,为胰岛素受体底物之一)途径[4]。PI-3K的激活在GLUT4转运作用和胰岛素介导的骨骼肌葡萄糖摄取中是必不可少的。其中3-磷酸肌醇依赖的蛋白激酶(PDK)和丝氨酸苏氨酸蛋白激酶Akt(即蛋白激酶B,PKB)是PI3K的下游分子。现知非经典的蛋白激酶C(aPKCs)也可被PDK激活参与葡萄糖转运,aPKCs可能作为刺激葡萄糖转运的末端分子开关。糖原合成酶激酶3(GSK3)是Akt的下游效应分子,活化的Akt使GSK3上的丝氨酸残基磷酸化,降低其活性,而使糖原合成酶的活性增加,促进糖原合成[5]。这样PI-3K,PDK,PKB和GSK3构成了一条重要的胰岛素调节糖原合成的信号途径[6]。

2. 运动对肌糖原合成的影响及其机制
    大量的研究表明,运动尤其是耐力运动能够促进大鼠骨骼肌葡萄糖转运载体4(GLUT4),从细胞内膜向细胞外膜转位[7],耐力运动可增加骨骼肌细胞内GLUT4含量[8],耐力训练能够增加大鼠骨骼肌GLUT4基因表达水平[9],从而提高肌细胞对葡萄糖的摄取和利用。增加糖原合成酶和GLUT4的活性与表达可能是运动影响胰岛素作用的关键[10]。耐力训练后肌糖原的生物合成量,肌糖原生成素基因表达及糖原合成酶都出现了增高的趋势,耐力训练可使运动后恢复期骨骼肌GN基因表达在较高水平上维持更长的时间,这可能是耐力运动增加肌糖原超量恢复的重要原因之一[11][12][13]。许多的研究认为,运动诱导骨骼肌葡萄糖转运的机制与胰岛素的作用机制是完全不同的。运动时,钙离子(由PKC介导)的前馈调节和细胞内代谢变化的反馈调节(由AMPK介导)是骨骼肌葡萄糖摄取的细胞内机制,一氧化氮、糖原和缺氧可能也参与其中[14]。运动诱导骨骼肌葡萄糖转运的机制独立于胰岛素之外,由与Ca++敏感的有关收缩机制,可能有蛋白激酶C,AMPK,和P38MAPK的参与[15]。胰岛素刺激GLUT4转运通过PI3K和c-Cb1途径,而收缩引起GLUT4转运至少是通过AMPK的活动。而且最近的研究认为P38MAPK是胰岛素和收缩增加GLUT4转运的共同信号途径[16]。其中AMPK被认为是运动刺激GLUT4转位调节的必要信号分子,AMPK负责监控肌细胞内的能量状况,激发恢复高能磷酸键的代谢过程。AMPK是通过一个非胰岛素作用的机制来增加葡萄糖转运的,PKB未能参与其中[17]。收缩和AICAR两种AMPK激活剂通过一个相同的,胰岛素独立和渥曼青霉素(一种PI-3K抑制剂)不敏感的机制增加骨骼肌葡萄糖转运[18]。AMPK是肌肉收缩诱导葡萄糖转运所必须的,但AMPK不是唯一的调节因素,寻找其它可能的信号参与者正在进行,Ca2+,aPKC,一氧化氮氧化物,缓激肽和Akt底物AS160被认为是可能的参与者[19]。但也有研究认为,运动训练增加脂肪组织胰岛素敏感性是通过IRS/PI-3k/Akt途径的[20]。在正常骨骼肌细胞,运动可以通过提高PI-3K和PKB的活性来增强胰岛素信号传导,从而增加对葡萄糖的摄取[21]。江钟立等还发现,在高血糖状态下,运动可以激活JNK和P38激酶信号传导途径,提示JNK和P38MAPK的激活可能参与了骨骼肌对葡萄糖的摄取、糖原的合成以及胰岛素敏感性改善的调节过程[22]。运动可激活正常骨骼肌中胰岛素信号传递两大途径中的关键蛋白,这可能是运动增强骨骼肌的胰岛素敏感性,促进葡萄糖转运的机制之一[23]。究竟运动与胰岛素在调节葡萄糖转运的作用途径上有何区别还有待于研究。

3 低氧环境对肌糖原合成的影响及其机制
    (黄缄等2005)研究认为,细胞对葡萄糖的摄取能力增强是机体习服于缺氧环境后有限利用葡萄糖的重要机制之一[24]。葡萄糖转运体4mRNA表达增强,细胞膜与细胞内质膜上转运体密度增加是缺氧习服后大鼠骨骼肌葡萄糖转运体的变化特点,是缺氧习服后骨骼肌葡萄糖摄取能力增强的重要原因之一[25]。缺氧组血糖、骨骼肌葡萄糖摄取率、葡萄糖含量显著增加,而糖原显著降低,骨骼肌ATP、磷酸肌酸、乳酸在缺氧组和对照组之间没有显著性差异[26]。缺氧并进行耐力训练比单独的耐力训练能使GLUT4蛋白大大增加 ,除了胰岛素或肌肉收缩两种刺激外,低氧也同样可增加GLUT4蛋白转移到细胞膜表面的数量,来增加肌肉葡萄糖的运输速率[27]。至于缺氧影响骨骼肌葡萄糖转运能力的机制的研究有:经30天低压缺氧后,大鼠骨骼肌胰岛素受体密度显著增加,对胰岛素反应能力增强,是组织葡萄糖摄取方面对胰岛素信号反应能力增强的机制之一[28]。间歇性低氧训练对糖尿病动物胰腺内分泌功能的影响表现在,可以增加血液中胰岛素的水平和β细胞,抑制胰岛的破坏,形成新的腺泡并能减少胰高血糖素和生长抑素的产生[29]。有研究认为缺氧和收缩可能是通过同一信号传导途径刺激骨骼肌葡萄糖跨膜转运的[30]。但也有研究认为缺氧和收缩通过不同的信号机制刺激骨骼肌葡萄糖转运[31]。低氧和肌肉收缩刺激葡萄糖转运是肌纤维依赖性的,两种刺激在快肌、氧化性的肌纤维中是叠加的(不同的)[32]。PI-3K是胰岛素刺激葡萄糖所必需的,但它不参与缺氧和收缩刺激的葡萄糖转运[33]。缺氧和AICAR增加葡萄糖转运是通过一个胰岛素非依赖的机制,AMPK参与这一过程[34]。另外有研究表明糖原水平与缺氧刺激葡萄糖转运呈负相关[35],慢性缺氧适应和运动训练可以提高机体糖原储备量,增强机体抗缺氧能力[36]。高原耐力训练可导致骨骼肌蛋白质分解代谢增强,蛋白质净降解,并有随高度升高而加剧的趋势,同时可提高骨骼肌中肌糖原储量[37]。但也有研究发现,大鼠心肌糖原含量在低氧早期即显下降,随低氧时间的延长,呈较明显进一步下降的趋势。而陈晓光等观察了海拔高度7000m时,慢性低氧大鼠心肌糖原含量呈上升趋势。因此糖原含量的水平与低氧的程度和持续时间有关[38]。缺氧可导致新生小牛胰岛素受体亲和力下降,受体酪氨酸蛋白激酶活性降低[39][40]。

4 小结
    综上所述,骨骼肌通过葡萄糖转运载体蛋白4(GLUT4)转运葡萄糖,主要受到了胰岛素、运动以及低氧等因素的影响,研究表明耐力运动与低氧都能够促进GLUT4从细胞膜内转运到膜外,提高GLUT4转运葡萄糖的能力。但它们调节骨骼肌葡萄糖转运的机制有何不同,能否在低氧训练中对骨骼肌葡萄糖的转运起到协同作用还有待于研究。另外运动能够促进肌糖原的再合成,而低氧能否促进肌糖原的合成还不是很明了,这有待于以后的深入研究。

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