α-酮戊二酸的生理功能及其在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用研究進(jìn)展

朱丹琳 肖衛(wèi)華

上海體育學(xué)院，上海市運(yùn)動(dòng)與代謝健康前沿科學(xué)研究基地（上海200438）

1 前言

骨骼肌不僅是能量代謝器官，還是人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力器官，在力量的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)能力和身體機(jī)能的維持以及代謝調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著重要作用[1]。肌肉質(zhì)量的丟失、力量的減弱和脂肪的堆積都會(huì)導(dǎo)致身體功能退化、運(yùn)動(dòng)能力下降以及生活質(zhì)量降低，并增加慢性疾病的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來說，肌肉的力量和耐力都直接影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。因此，擁有最佳的肌肉質(zhì)量對(duì)維持運(yùn)動(dòng)能力以及在運(yùn)動(dòng)中獲得最佳運(yùn)動(dòng)成績(jī)是至關(guān)重要的。脂肪組織雖有供能、保暖和緩沖等功能，但過量的脂肪堆積會(huì)影響人體運(yùn)動(dòng)中速度、力量和耐力的發(fā)展，造成體脂百分比升高和心肺功能降低[2，3]，限制運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的正常發(fā)揮，嚴(yán)重影響人體的運(yùn)動(dòng)能力、生理功能及身體健康。

運(yùn)動(dòng)可影響肌肉和脂肪含量，如運(yùn)動(dòng)可刺激肌肉肥大，提高肌肉力量，減少脂肪沉積[4-7]。最近幾項(xiàng)研究表明，α-酮戊二酸（alpha-ketoglutarate，AKG）可模擬運(yùn)動(dòng)的某些代謝作用。如AKG 可增加瘦體重、促進(jìn)肌肉生長(zhǎng)，增強(qiáng)肌肉力量，能降低身體脂肪含量和改善身體成分，對(duì)機(jī)體正常運(yùn)動(dòng)能力的維持發(fā)揮著重要作用[8，9]。本文通過Pubmed 和Web of science 數(shù)據(jù)庫(kù)，以“alpha-ketoglutarate”、“Protein synthesis”、“Lipolysis”、“Muscle hypertrophy”、“sport training”為關(guān)鍵詞，檢索到相關(guān)文獻(xiàn)820篇，通過閱讀標(biāo)題和摘要進(jìn)行篩選，最終采用56篇與本研究相關(guān)的文獻(xiàn)，總結(jié)分析AKG的生理功能及其在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域中的應(yīng)用，為AKG 應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域提供參考依據(jù)。

2 α-酮戊二酸的生理功能

AKG是三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)的中間代謝產(chǎn)物。在TCA 循環(huán)中，AKG 是異檸檬酸脫氫酶的氧化脫羧和谷氨酸脫氫酶的氧化脫氨產(chǎn)物。AKG也可作為中間體參與氨基酸生物合成，生成的谷氨酸和谷氨酰胺可與AKG 相互轉(zhuǎn)化。谷氨酰胺由谷氨酰胺酶水解轉(zhuǎn)化為谷氨酸和氨，谷氨酸再脫氨基生成AKG。反之，AKG 可以通過谷氨酸脫氫酶和谷氨酰胺合成酶轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺，或通過AKG 脫氫酶脫羧為琥珀酰-CoA 和CO[3]，作為能量底物為細(xì)胞提供能量[10，11]。近些年的研究發(fā)現(xiàn)，在血液中可檢測(cè)到AKG 的產(chǎn)生，但主要存在于線粒體和細(xì)胞質(zhì)中[12，13]。AKG 作為一種重要代謝產(chǎn)物，參與多種細(xì)胞能量代謝和多個(gè)代謝途徑。AKG不僅直接參與機(jī)體氧化供能及體內(nèi)多種化學(xué)合成，還具有調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝、促進(jìn)肌肉生長(zhǎng)、增加蛋白質(zhì)合成、改善骨質(zhì)、減輕體重和維持腸道健康等生理作用，是一種具有多功能調(diào)節(jié)性的生物分子[10，13]，被廣泛應(yīng)用于人類和獸醫(yī)學(xué)中膳食補(bǔ)充劑[14，15]。

2.1 促進(jìn)骨骼肌肥大

骨骼肌肥大時(shí)骨骼肌質(zhì)量增加，在哺乳動(dòng)物中表現(xiàn)為骨骼肌纖維直徑的增加。已有研究表明，骨骼肌質(zhì)量不僅受機(jī)械負(fù)荷和體育鍛煉的影響，還與營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑和生長(zhǎng)因子密切相關(guān)[16-18]。營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑被認(rèn)為是一種可增加骨骼肌質(zhì)量的簡(jiǎn)單有效且應(yīng)用廣泛的方法。有研究通過在水中加入濃度為1%和2%的AKG，觀察其對(duì)C57BL6/J 小鼠骨骼肌的影響，結(jié)果顯示2%AKG 組小鼠的血清AKG 水平、瘦體重、腓腸肌重量和纖維大小顯著高于對(duì)照組[19]。另有研究報(bào)道，在正常飲食喂養(yǎng)的雄性和雌性C57BL6/J小鼠飲水中添加2%AKG，結(jié)果顯示，AKG處理的雄性和雌性小鼠在1周或2周后開始出現(xiàn)肌肉體積增加、腓腸肌和比目魚肌重量增加[9]。還有研究采用mdx 小鼠模型，探索AKG 對(duì)肌營(yíng)養(yǎng)不良癥（duchenne muscular dystrophy，DMD）肌肉質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示，喂養(yǎng)AKG 補(bǔ)充劑的mdx 小鼠瘦體重、比目魚肌和腓腸肌的肌肉重量有所增加，表明AKG 在促進(jìn)骨骼肌肥大和防治肌肉萎縮中發(fā)揮著重要作用[20]。

2.2 調(diào)控骨骼肌蛋白質(zhì)代謝

不同的刺激因素如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生長(zhǎng)因子、體育運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械應(yīng)力等均可影響骨骼肌蛋白質(zhì)合成[21]。AKG作為蛋白質(zhì)生物合成的前體，對(duì)骨骼肌蛋白質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)很重要，可促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)合成，并抑制其分解[14，22]。其中，Akt/mTOR/FoxO 信號(hào)通路在此過程中發(fā)揮重要作用[23]。mTOR信號(hào)通路與蛋白質(zhì)合成直接相關(guān)，其下游基因核糖體S6 蛋白激酶（ribosome S6 protein ki?nase，P70S6K）和真核細(xì)胞翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1（eukaryotic initiation factor4E-binding protein1，4EBP1）磷酸化的增加可激活A(yù)kt，進(jìn)而促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)合成。體外研究發(fā)現(xiàn)，采用濃度為0.5 mM 和2 mM 的AKG孵育C2C12肌管可劑量依賴性地增加肌球蛋白重鏈（myosin heavy chain，MyHC）的 表 達(dá) 和mTOR、P70S6K 和4E-BP1 的磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)C2C12 肌管中蛋白質(zhì)的合成。同理，給小鼠注射濃度為0.6 g/kg 的AKG后1小時(shí)，發(fā)現(xiàn)小鼠腓腸肌中MyHC的表達(dá)增加以及mTOR、P70S6K 和4E-BP1 的磷酸化水平升高，骨骼肌蛋白質(zhì)合成增加[19]。

FoxO信號(hào)通路在蛋白質(zhì)降解中發(fā)揮重要作用。離體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AKG可使骨骼肌C2C12細(xì)胞中的FoxO信號(hào)途徑失活，肌肉環(huán)指蛋白1（muscle RING-finger pro?tein-1，MuRF1）和肌肉萎縮盒F 基因（muscle atrophy F-box，MAFbx）的蛋白水平降低。在體實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，給小鼠注射濃度為0.6 g/kg 的AKG 后，發(fā)現(xiàn)FoxO 的下游蛋白MuRF1和MAFbx蛋白表達(dá)降低，蛋白質(zhì)降解受到抑制[19，24，25]。此外，皮質(zhì)酮是人體腎上腺皮質(zhì)外層分泌的一種類固醇激素，在體內(nèi)和體外也可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)降解，且與FoxO1磷酸化降低、MuRF1和MAFbx增加密切相關(guān)。離體實(shí)驗(yàn)表明，C2C12肌管經(jīng)10 μM皮質(zhì)酮+2 mM AKG處理48小時(shí)后，F(xiàn)oxO1磷酸化增加、MuRF1和MAFbx 蛋白表達(dá)降低。在體實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)雄性C57BL/6J小鼠進(jìn)行腹腔注射50 μg/kg皮質(zhì)酮+1.0 g/kg的AKG，結(jié)果顯示皮質(zhì)酮誘導(dǎo)的MuRF1 和MAFbx 增加、小鼠腓腸肌FoxO1 磷酸化減少的現(xiàn)象消失。以上結(jié)果均表明AKG 可抵消皮質(zhì)酮的抑制作用，并具有抗蛋白質(zhì)降解的作用[26]。除此之外，體內(nèi)注射皮質(zhì)酮會(huì)使脯氨酸羥化酶（prolylhydroxylase 3，PHD3）高表達(dá)，而PHD3過表達(dá)會(huì)抑制AKG在C2C12骨骼肌細(xì)胞中的抗蛋白降解作用，但經(jīng)濃度為2 mM的AKG處理后，皮質(zhì)酮誘導(dǎo)的PHD3升高也受到抑制[26]。因此，AKG還可通過抑制PHD3 的表達(dá)來抑制蛋白質(zhì)降解和骨骼肌萎縮。綜上所述，AKG在蛋白質(zhì)代謝中具有重要作用，可通過Akt/mTOR的激活及FoxO的失活來促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)合成和抑制蛋白質(zhì)降解。

2.3 促進(jìn)白色脂肪棕色化

人類和哺乳動(dòng)物體內(nèi)的脂肪組織可分為儲(chǔ)能的白色脂肪組織（white adipose tissue，WAT）和耗能的棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT），其中WAT內(nèi)BAT 功能的激活能促進(jìn)能量代謝和減少脂肪量，從而促進(jìn)白色脂肪棕色化。白色脂肪棕色化的過程受多種機(jī)制的影響。AKG 是TCA 循環(huán)中的中間介體，在脂肪細(xì)胞氧化中至關(guān)重要。有研究發(fā)現(xiàn)，在23°C的室溫環(huán)境下，補(bǔ)充濃度為2%AKG的小鼠白色脂肪中發(fā)現(xiàn)了棕色脂肪細(xì)胞，BAT 的產(chǎn)熱基因的mRNA 表達(dá)和解偶聯(lián)蛋白（uncoupling protein 1，UCP1）蛋白表達(dá)增加[9]。BAT的生熱和WAT的脂解還與代謝激素的調(diào)節(jié)控制相關(guān)，其中血清腎上腺素（epinephrine，E）和去甲腎上腺素（norepinephrine，NE）是由腎上腺分泌的兒茶酚胺，其可刺激UCP1 信號(hào)通路誘導(dǎo)BAT 生熱和WAT脂解[27-30]。如腹腔注射10 mg/kg的AKG后3小時(shí)，雄性C57BL/6小鼠血清E的水平、產(chǎn)熱基因的mRNA表達(dá)和BAT 中UCP1 的表達(dá)增加，說明AKG 可以通過增加血清E的釋放來促進(jìn)BAT生熱和WAT脂解，實(shí)現(xiàn)白色脂肪棕色化。綜上所述，AKG 在誘導(dǎo)BAT 生熱和脂肪代謝中具有重要作用，即補(bǔ)充AKG 可增強(qiáng)產(chǎn)熱并減少脂肪的沉積，同時(shí)促進(jìn)白色脂肪棕色化。

2.4 調(diào)控腸道菌群減輕體重

有研究[31]通過在小鼠飲水中添加10 g/L 的AKG，觀察小鼠的攝食量、飲水量和體重，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AKG 補(bǔ)充組小鼠體重的增加率低于對(duì)照組，且攝食量、飲水量以及攝食/增重均明顯高于對(duì)照組。體重的控制與腸道內(nèi)擬桿菌門和厚壁菌們兩種有益細(xì)菌的比例有關(guān)，擬桿菌門與厚壁菌門比值的降低會(huì)打破腸道菌群平衡，進(jìn)而引起肥胖，說明擬桿菌門的增加與體重的減輕呈正相關(guān)[32]。通過分類群依賴性分析法對(duì)腸道菌群進(jìn)行聚類分析，證實(shí)了經(jīng)飲水中添加10 g/L 的AKG 處理后，回腸微生物群中厚壁菌門的比例高于對(duì)照組，糞便微生物群中擬桿菌門的數(shù)量高于對(duì)照組、厚壁菌門的數(shù)量低于對(duì)照組，說明AKG 是通過增加擬桿菌門數(shù)量或減少厚壁菌門數(shù)量來影響腸道微生物群。為進(jìn)一步驗(yàn)證AKG 是通過影響腸道微生物群來減輕小鼠的體重，采用AKG（10 g/L）和抗生素（1 g/L 氨卡青霉素，450 mg/L 鏈霉素，200 mg/L 慶大霉素）添加到飲水中，觀察無(wú)菌小鼠體重的變化，結(jié)果表明，與未補(bǔ)充AKG的小鼠相比，AKG補(bǔ)充組小鼠平均攝食量無(wú)明顯差異，增重率相似[31]。因此，補(bǔ)充AKG 可通過改變小鼠微生物組成來影響腸道菌群，進(jìn)而減輕小鼠體重。

2.5 防止骨質(zhì)流失

骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis）是一種易發(fā)生骨折的全身性骨病，其骨密度和骨質(zhì)量減少以及骨組織微結(jié)構(gòu)紊亂，進(jìn)而增加發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)[33]。目前，用于治療骨質(zhì)疏松癥的常見合成藥物有雌激素、雙膦酸鹽、降鈣素、選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑（如他莫昔芬、雷洛昔芬或屈洛昔芬）、抗骨吸收藥物以及雷尼酸鍶等，但這些藥物具有副作用及患癌風(fēng)險(xiǎn)[34，35]。AKG 對(duì)骨骼內(nèi)穩(wěn)態(tài)和骨骼結(jié)構(gòu)具有積極影響，具有改善骨代謝和骨骼力學(xué)性能的益處[14，15，36]，在骨質(zhì)疏松癥治療中有較好的應(yīng)用價(jià)值[37]。如Harrison 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，羔羊在產(chǎn)后早期口服0.1 g/kg 體重的AKG 后，觀察到股骨松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的骨密度、最大彈性強(qiáng)度顯著增加。對(duì)仔豬進(jìn)行AKG 灌胃0.1 g/kg 體重后，發(fā)現(xiàn)仔豬的股骨和肱骨橫截面積增加、股骨皮質(zhì)骨密度和肱骨最大彈性限度高于對(duì)照組，且第六肋骨骨長(zhǎng)增加[37]。雌性去卵巢大鼠飲用濃度為1.0 mol/L 的AKG 后，可防止骨質(zhì)丟失，促進(jìn)骨礦化[39]。在一項(xiàng)針對(duì)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥婦女的研究中[40]，觀察到服用AKG-Ca（6 g/d AKG 和1.68 g/d Ca）可以阻止骨質(zhì)量減少和腰椎骨密度增加。此外，其他研究表明，胃切除術(shù)（gastrectomy，GX）會(huì)使動(dòng)物和人類的骨質(zhì)減少，在雌性GX 大鼠模型中，發(fā)現(xiàn)大鼠顱骨和骨小梁結(jié)構(gòu)受損以及骨小梁（股骨和脛骨）中的皮質(zhì)骨骨礦物質(zhì)含量（bone mineral content，BMC）和骨礦物質(zhì)密度（bone mineral density，BMD）降低，而每日補(bǔ)充0.43 g/100g 體重的AKG 后，發(fā)現(xiàn)AKG 抑制了GX對(duì)大鼠顱骨和骨小梁的不利影響，但對(duì)皮質(zhì)骨的影響不明顯[41-43]。產(chǎn)蛋雞的頻繁產(chǎn)蛋會(huì)對(duì)骨骼系統(tǒng)造成負(fù)面影響，進(jìn)而增加骨質(zhì)的丟失和發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)。在飼料中添加濃度為1%的AKG 后，發(fā)現(xiàn)其攝食量、體重和產(chǎn)蛋的功能不受影響，但骨小梁厚度、骨膠原合成、關(guān)節(jié)軟骨纖維的形成增加[44]。綜上所述，AKG 對(duì)骨代謝具有積極影響，其在預(yù)防或治療骨質(zhì)疏松癥中具有重要作用。

3 運(yùn)動(dòng)對(duì)α-酮戊二酸的調(diào)控作用

3.1 運(yùn)動(dòng)促進(jìn)α-酮戊二酸的生成

AKG 是TCA 循環(huán)中的中間產(chǎn)物，也是氨基酸代謝的重要中間介質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，急性抗阻和耐力運(yùn)動(dòng)可使小鼠血清AKG快速升高。Aguer等[45]發(fā)現(xiàn)，急性運(yùn)動(dòng)后小鼠血漿中AKG、丙氨酸和檸檬酸都要明顯高于安靜小鼠。Ⅰ型糖尿病患者和對(duì)照組進(jìn)行30 分鐘急性功率自行車運(yùn)動(dòng)后，對(duì)照組的AKG 濃度增加[46]。研究還發(fā)現(xiàn)，抗阻運(yùn)動(dòng)可降低谷氨酸和亮氨酸濃度并上調(diào)AKG 水平[9，47，48]，可能的原因是谷氨酸和亮氨酸代謝為AKG[49，50]，而AKG作為TCA循環(huán)中一種重要代謝底物，參與運(yùn)動(dòng)期間能量供應(yīng)。運(yùn)動(dòng)提高AKG 含量可能是通過影響AKG 合成關(guān)鍵酶的活性來實(shí)現(xiàn)的，如谷氨酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase，GDH）可催化谷氨酸氧化脫氨生成AKG、異檸檬酸脫氫酶（isocitric dehy?drogenase，ICD）可催化異檸檬酸氧化脫羧產(chǎn)生AKG和CO2[51，52]，研究發(fā)現(xiàn)耐力跑和抗阻運(yùn)動(dòng)都可以增強(qiáng)脛骨前肌、腓腸肌和比目魚肌中GDH和ICD的活性，表明運(yùn)動(dòng)可能通過GDH和ICD促進(jìn)AKG的合成和釋放。

3.2 α-酮戊二酸的含量受運(yùn)動(dòng)類型的影響

體育鍛煉可提高肌肉質(zhì)量、促進(jìn)肌肉肥大[53，54]，且進(jìn)行急性抗阻和耐力運(yùn)動(dòng)都可以引起小鼠血清AKG水平增加。但值得注意的是，兩種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)AKG 水平的影響存在一定的差異，急性抗阻運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)血清AKG 呈時(shí)間依賴性增加，并在運(yùn)動(dòng)后2 小時(shí)內(nèi)達(dá)到峰值，其引起血清AKG 濃度升高的水平顯著大于耐力運(yùn)動(dòng)[9]，說明血清AKG 濃度水平的增加與運(yùn)動(dòng)類型密切相關(guān)。

4 α-酮戊二酸可作為一種新型運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練

在訓(xùn)練期間補(bǔ)充AKG 的研究中，對(duì)未經(jīng)訓(xùn)練的健康受試者進(jìn)行持續(xù)4 周的無(wú)氧閾跑結(jié)合3×3 min 短跑沖刺訓(xùn)練，每周5 次，每次30 min，隨后1 周恢復(fù)，訓(xùn)練期間每天補(bǔ)充0.2 g/kg/d 的AKG，結(jié)果顯示，受試者的訓(xùn)練量、最大輸出功率、最大肌力矩、運(yùn)動(dòng)耐力水平以及運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)都較對(duì)照組得到明顯改善[55]。足球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行為期9天的強(qiáng)化訓(xùn)練（5～7次重復(fù)短跑、踏車力竭試驗(yàn)、YOYO間歇恢復(fù)2級(jí)、重復(fù)短跑能力測(cè)試）會(huì)導(dǎo)致疲勞、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)降低和暫時(shí)性運(yùn)動(dòng)成績(jī)下降，運(yùn)動(dòng)員在每次訓(xùn)練前后，以每200 ml 水中添加2 g AKG 和0.2 g 5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）進(jìn)行補(bǔ)充，共3 天，則可提升運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、減少疲勞引起的暫時(shí)性運(yùn)動(dòng)能力下降，并改善了體能[56]。這些結(jié)果提示AKG 可作為一種新型運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域。但總體來看，AKG 應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)人群中的效果研究仍很不夠，還需深入研究。

5 總結(jié)

AKG 作為一種生物活性物質(zhì)，在機(jī)體能量代謝和生理功能調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。AKG具有促進(jìn)肌肉肥大、增強(qiáng)骨骼及蛋白質(zhì)合成、降低脂肪量、調(diào)控腸道菌群減輕體重和預(yù)防骨質(zhì)疏松等生理作用，還可作為運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的肌代謝產(chǎn)物，發(fā)揮類似體育運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的代謝作用?？梢?，AKG 作為一種新型運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中具有較好的應(yīng)用前景。在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練期間補(bǔ)充AKG，對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)能力及改善運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)具有重要意義。因此，AKG 有希望被開發(fā)成一種新型運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域，以促進(jìn)骨骼肌肥大和蛋白質(zhì)合成，為運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中改善運(yùn)的表現(xiàn)提供幫助。AKG 被廣泛應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但在人群中的研究相對(duì)較少。因此，在未來的研究中，應(yīng)著重研究不同項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員應(yīng)用AKG 的效果，并積極探索不同項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)人群最佳補(bǔ)充劑量。