运动中骨骼肌蛋白周转率的变化和调节机制＊

马继政孙 飙

(1.解放军理工大学理学院军事系 南京 211101;2.南京体育学院运动人体科学系 南京 210014)

运动中骨骼肌蛋白周转率的变化和调节机制＊

马继政1孙 飙2

(1.解放军理工大学理学院军事系 南京 211101;2.南京体育学院运动人体科学系 南京 210014)

蛋白合成和蛋白降解的细胞过程在维持骨骼肌质量方面起着重要的作用,蛋白的降解清除受损蛋白,蛋白合成生成新的蛋白。力量型和非力量型研究表明运动中蛋白合成受到抑制,蛋白降解没有改变。抑制蛋白合成原因可能与mRNA翻译的起始和延长的步骤有关,涉及到真核起始因子4E结合蛋白1和真核延长因子2磷酸化。充分认识这些过程的变化机制有利于为增加骨骼肌质量,提供新的干预、治疗和康复策略。

运动;蛋白周转率;骨骼肌;mRNA;生理性适应

1 前言

骨骼肌质量在维持人类的健康、体力活动和竞技运动成绩起着重要的作用。提高骨骼肌质量为不同人群所追求。从事竞技运动员需根据项目的特点,不同程度增加肌肉的质量和力量。在人生的第4个10年,骨骼肌质量开始缓慢的下降[1]。年长者或一些疾病患者需增加骨骼肌质量来提高生活的质量。在正常的生理条件下,骨骼肌细胞蛋白的合成(Muscle protein synthesis,MPS)和降解(Muscle protein breakdown,MPB)对于维持肌组织功能非常重要:通过MPB清除受损的蛋白,通过MPB合成新的蛋白[2]。肌肉的收缩和蛋白的合成需要消耗能量。在肌肉收缩运动时,ATP首先满足肌肉代谢作用,其次才是合成代谢,结果是蛋白合成受到阻滞,这一现象由Christine等人于1984年提出[2]。但对运动诱导蛋白代谢和蛋白周转周期的变化相关机制的研究认识非常缓慢,远不如对糖代谢和ATP代谢认识的清楚和深入。在生物学过程中蛋白起到关键的作用,不同运动方式、运动强度、持续时间可对骨骼肌产生多样性的影响,从而发生深刻的生物学上的变化。

2 运动中骨骼肌蛋白周转率

在健康的、体重稳定的成年人,蛋白平衡的正性和负性周期相等,骨骼肌的质量不发生变化。骨骼肌能够利用或分泌氨基酸。在人体内存在“自由氨基酸池”,指的是细胞的摄取/释放和细胞内分解、合成代谢之间平衡后,氨基酸所处的水平状态[3]。骨骼肌蛋白周转率被定义为利用细胞内自由氨基酸池中的氨基酸或释放氨基酸到自由氨基酸池,肌细胞蛋白的合成和降解之间的平衡。与其它的组织相比,骨骼肌蛋白的周转率相对较低。在禁食和饮食后,可发生轻微的净蛋白降解和净蛋白合成[4]。但是不同的生理性刺激可引起骨骼肌蛋白发生持续性的变化。

2.1 运动与骨骼肌蛋白合成

2.1.1 力量训练与骨骼肌蛋白的合成

由于技术上和操作上的原因,评定力量训练中蛋白合成的变化研究相对较少。动物和人体的实验研究表明在力量训练过程中蛋白的合成受到抑制[3,4]。研究采用动静脉示踪剂稀释方法检测结果显示蛋白合成没有变化[3,4]。但是Dreyer等人[5]应用示踪剂的研究结果显示力量训练中人类的股外侧肌蛋白合成下降30%。造成差异的原因可能是不同的检测方法或者是不同的训练刺激引起。运动中MPS下降的原因可能和mRNA的翻译起始和延长有关:降低4E结合蛋白1(4EBP-1)磷酸化和增加真核翻译延长因子2(eEF2)的磷酸化程度[3]。收缩诱导的MPS下降可能和AMP激活的蛋白激酶(AMPK)以及ADP/ATP增加有关,导致雷帕霉素靶体蛋白(mTOR)的下游信号分子结节性脑硬化复合物2(TSC2)受到抑制和降低4EBP-1的磷酸化[3,4]。力量训练可诱导AMPK-α活性增加30%,尽管运动后AMPK磷酸化的程度持续增加[5],但是对于抑制mTOR的上游分子尚不清楚。

2.1.2 非力量训练与蛋白的合成

动物实验研究表明在跑台运动中,蛋白的合成受到抑制。大鼠2h跑台运动,MPS下降26%[6];小鼠30min跑台运动可增加AMPK的活性,抑制mTOR信号通路和mRNA的整体转录效率[7]。人类的实验研究表明在40%和60%VO2max的强度下,进行爬山和行走练习,整个身体蛋白合成受到抑制[3]。在非力量训练,已知ATP/ADP的比率显著下降,因此,有理由推测这些运动方式也能够引起MPS的抑制[4]。但是在低强度(40%VO2max)运动,未能检测到MPS的变化[4]。运动的强度可能影响MPS的变化。Fujii等人研究发现在70%运动强度下,进行1h自行车练习,运动后即刻AMPK的活性显著增加[8]。最近,Rose等人[9]研究结果表明运动强度能够对MPS产生的影响,但就运动持续时间和运动强度之间的相互关系对MPS产生的影响仍需进一步研究。

2.2 运动与骨骼肌蛋白降解

2.2.1 力量训练与骨骼肌蛋白降解

运动中检测蛋白降解采用氨基酸的示踪剂基于动静脉稀释技术。目前,关于检测运动中蛋白降解的研究相对较少,一些研究发现在力量训练的组间恢复期,MPB没有增加[3,4]。Kumar等人[3]认为如果骨骼肌蛋白水解的系统取决于ATP依赖性的泛素蛋白酶体系统,力量训练中AMP/ATP的比率增加,那么可推测在力量训练中,蛋白的降解受到抑制。

2.2.2 非力量训练与骨骼肌蛋白降解

目前,对于非力量训练是否能够骨骼肌蛋白降解,存在较大的争议。普遍一致的看法当在运动中,运动的强度足够大时氨基酸释放才能形成[4]。但尚缺直接的证据,但在运动后,研究发现骨骼肌蛋白水解增加。

3 运动中蛋白合成和降解的相关的调节机制

3.1 运动中蛋白合成调节机制

一个简单解释是信使RNA或自由氨基酸的供应量限制RNA转译或抑制蛋白的合成,但在运动时,收缩肌的总mRNA和自由氨基酸没有改变。因此,推测肌肉收缩改变的mRNA转译机制。由于收缩肌引起MPS抑制相对较短,Bylund等人[10]认为控制MPS抑制必须是迅速的过程。抑制应该发生在肽链的起始或延长阶段,而不是核糖体或mRNA量的改变[4]。

3.1.1 mRNA翻译起始调节

翻译起始是控制肽链合成的主要位点。起始步骤涉及到氨酰-tRNAs与mRNA翻译起始区40S核糖体亚单位的结合。这一步骤由GTP结合真核起始因子2α(elF2α)催化。elF2α-GDP重新激活受elF2B调控。磷酸化eIF2α抑制eIF2B,限制了eIF2-GTP的形成,因而调控了蛋白质的翻译。因此,推测eIF2α磷酸化可能和运动中MPS抑制有关,但研究未能发现急性力量未能引起eIF2α磷酸化的改变[4]。翻译起始另外的一种重要的步骤是40S核糖体亚单位与mRNA的结合,受复合体eIF4A-eIF4E-eIF4G催化,这一复合体的活性主要受到eIF4E结合蛋白(4EBP)调解:去磷酸化后结合eIF4E和抑制起始复合体的形成[4]。在大鼠进食期,骨骼肌4EBP1的磷酸化增加,从而能够促进复合体的形成。动物和人类实验发现运动中骨骼肌4EBP1的磷酸化程度下降,表明4EBP1可能是MPS抑制的潜在机制[4]。但是研究存在冲突,Rose等人最近研究表明大鼠骨骼肌4EBP1的磷酸化程度和MPS下降的幅度没有关系[9]。

3.1.2 mRNA翻译延长调节

翻译延长也是控制肽链合成重要步骤。在哺乳动物细胞,肽链延长需要eEF1和eEF2。eEF1实际上是eEF1A的复合体,结合于GTP,募集氨酰-tRNAs与核糖体的结合。eEF1B通过可逆的磷酸化调节再激活eEF1A-GDP[11]。eEF2介导核蛋白体循环肽链增加一个氨基酸后的转位[11]。eEF2活性通过磷酸化其GTP结合区域的Thr56位点进行。磷酸化eEF2抑制eEF2,阻滞eEF2与核糖体的结合,损害肽链延长率。但在力量和非力量训练中eEF2磷酸化增加、不变均有报道[3,4]。

3.1.3 运动中蛋白合成下降的相关的信号途径

Rose等人[4]假设运动中转录因子受到抑制的细胞内信号通路来自于两个基本信号通路:(1) Ca2+振荡;(2)收缩时分解代谢引起化学物质的变化。细胞和动物的实验表明应用试剂增加细胞内的Ca2+可抑制MPS,而细胞内的Ca2+信号途径参与分解代谢时,常伴随能量的转换。Rose等人[4]研究发现持续增加细胞内的Ca2+,可抑制MPS,随后伴随细胞的强收缩和能量的代谢,阻滞骨骼肌收缩和能量的代谢,MPS抑制减半,表明MPS抑制受到Ca2+和能量代谢相关信号的双重控制。

Ca2+和能量代谢相关信号如何引起转录活性发生改变?Rose等人进一步研究认为Ca2+-CaM下游的信号分子为eEF2K,通过磷酸化eEF2K而抑制eEF2K活性[12]。最近,Rose等人[13]又进一步证实了收缩时MPS关闭,并对其中的一些关键的分子AMPK、4EBP1、Ca2+和eEF2相对重要性给予了解释。Rose等人[13]研究发现MPS和合成代谢的抑制的范围取决于肌肉刺激周期(duty cycle),在高刺激周期(200ms/2s),MPS下降70%,显著增加eEF2、AMPK和AMPK的底物乙酰辅酶A羧化酶(ACCβ)磷酸化,当刺激周期强度较小时(200ms/ 10s),未见上述变化。另一方面,4EBP1抑制效果对于MPS作用似乎相对较小。收缩肌对ATP的需求似乎能够反映抑制信号的幅度和MPS抑制的幅度。

为了揭示eEF2对肽链延长的抑制作用,研究发现在孵育的收缩骨骼肌选择性抑制eEF2Thr56激酶,阻滞约5倍eEF2磷酸化的增加,尽管如此, MPS抑制仅减少30～40%,表明MPS抑制不仅仅是肽链延长的抑制的结果[2]。AMPK能否负性调节蛋白合成转录的起始?一个长期关注的问题也开始受到质疑,与野生型小鼠相比,AMPK-α2基因敲除小鼠并不能解除对MPS的抑制,4EBP1和eEF2的磷酸化程度也不受影响。这些数据表明AMPK活性不是抑制mTORC1信号通路所必需的,也不是eEF2的磷酸化的激动剂[2]。另外,骨骼肌的收缩,其相应拮抗肌被拉长,一些运动可导致骨骼肌即收缩,又被拉长。骨骼肌的收缩可引起MPS的抑制,那么骨骼肌牵张是否可引起MPS的抑制?其中的相关机制目前并不清楚。

3.2 运动中蛋白降解调节机制

在真核细胞,骨骼肌细胞蛋白的降解存在4个主要的过程:天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶、组织蛋白酶、钙依蛋白酶和泛素-蛋白酶体系统(The ubiquitin proteasome system,UPS),其中UPS主要参与肌肉萎缩的调节,负责肌原纤维蛋白降解。其中骨骼肌特异泛素连接酶:肌肉萎缩相关基因1(Atrogin-1/MAFbx)和肌肉的环指蛋白(MuRF)可能参与运动后骨骼肌重构过程。一些研究发现一次抗阻力训练后MuRF1mRNA的增加可持续24h,MAFb/ artogin-1mRNA的增加可持续4h,但在这些检测随后的数小时的定量检测结果显示MuRF1和MAFb/artogin-1 mRNA表达回到基础水平或降低[14]。这些观察与Phillips等人[15]研究一致,该研究发现运动后3h蛋白的降解率增加31%,运动后12h蛋白下降至18%,48h后回到安静水平,表明蛋白的降解增强部分具有MuRF1和MAFb/artogin-1依赖性。但是,运动中UPS系统的变化尚不清楚。另外,研究发现肌细胞内Ca2+的增加可刺激蛋白的降解,这一过程可能涉及到非溶酶体参与蛋白水解,选择性降解非肌原纤维蛋白[4]。因此,在运动中,多种信号的激活可能同时存在。

4 存在运动方式不同生理反应信号

目前,没有清楚的证据表明力量型和非力量型运动方式对骨骼肌蛋白的合成率产生不同的影响。在一次急性运动中,力量型和非力量型运动方式均可导致MPS下降。Atherton等人[16]研究认为力量型和非力量型运动方式刺激骨骼肌转录因子的磷酸化可产生截然不同适应效果,该研究未能在刺激过程中检测蛋白合成的变化。最近,Wilkinson等人[17]研究结果显示无训练者力量和非力量训练后即刻,骨骼肌信号蛋白不存在显著的差异。运动或肌肉收缩的强度可能是决定MPS下降幅度的一个关键的因素。最近,Rose等人[9]比较了不同运动强度(35%、60%、85%和10、10%VO2peak)自行车运动对骨骼肌eEF2和4EBP1磷酸化产生的影响,研究结果显示eEF2的变化相似,但大强度运动骨骼肌4EBP1去磷酸化显著增加。另外,研究发现长收缩能够增加4EBP1和p70s6K Thr389,因此进行短和长收缩活动时肌肉的蛋白合成可能存在不同[4]。传统上,运动通常被分为耐力/有氧型与力量型。重复性耐力训练(低强度收缩)可诱导肌纤维向高氧化能力转换;力量训练(大强度收缩)可诱导肌纤维肥大。但是在现实中,运动方式间的适应存在相互重叠,运动诱导不同信号区别可能特异于运动的本身、运动的强度和持续时间。

5 运动中骨骼肌蛋白周转率变化的意义

肌细胞蛋白的合成和蛋白降解之间的平衡在调控骨骼肌质量中起着关键的作用。在运动中MPS受到抑制功能性意义是什么?一些研究认为由于MPS需要大量的能量,在细胞应激时,关闭这一过程,以保证细胞其它途径利用能量[4]。但是对于肌细胞来说,蛋白周转率相对较低,与肌肉活动时大量ATP的消耗与合成相比,这一过程需要的能量是非常少的。但是节约蛋白合成这一较小能量,是否有利于其它的代谢途径,从而保证肌肉收缩更为有效?另外,假说认为MPS抑制能够保证分解代谢利用“自由氨基酸池”中氨基酸。目前都尚缺实验支持[4]。运动中MPS不大可能增强,而是降低,运动后MPS增加可能是运动中MPS下降的补偿反应[4]。最近,Kumar等人[18]研究发现运动后肌纤维蛋白的潜在周期为1h,表明Ca2+决定的变化是可逆的,需要较长时间恢复为正常或超常。目前对于运动中MPB的变化仍存在争议,而运动后MPB增加,被认为是引起骨骼肌重构的原因之一。

6 小结与建议

运动可诱导骨骼肌产生非凡的可塑性变化,力量训练或非力量训练运动中MPS受到抑制。一次急性力量训练或非力量训练诱导MPB的变化,目前并不清楚。运动中MPS受到抑制原因可能和mRNA的翻译起始和延长有关,其中涉及到的关键的分子为eEF2和4EBP1。其中一个重要的信号途径为Ca2+—eEF2k—eEF2,运动中细胞能量的耗竭,激活AMPK也可能在MPS抑制中起着作用,但研究观点存在冲突。运动可同时对MPS和MPB产生影响,利用运动干预,探讨细胞的蛋白代谢的机制,是当前研究的热点问题之一,充分认识其中的变化机制,有利于为不同人群制定特异性运动处方。

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The Changes and Regulatory Mechanisms of Skeletal Muscle Protein Turnover During Exercise

MA Jizheng,et al.

(Department of Military Education and Training for the PLA University of Science and technology,Nanjing,Jiangsu)

The cellular processes of protein synthesis and protein breakdown are both important in maintaining muscle tissue because breakdown is vital for removing damaged proteins and synthesis for making new proteins.Exercise of both the resistance and nonresistance types appears to depress muscle protein synthesis whereas muscle protein breakdown probably remains unchanged during exercise.The blunting of protein synthesis is believed to be mediated by suppressed mRNA translation initiation and elongation steps involving changes in eIF4E-binding protein 1 and eukaryotic elongation factor-2 phosphorylation,respectively.The future work will continue to improve our understanding of how these processes are regulated in an effort to develop new interventions,treatments,and rehabilitation strategies to improve muscle mass and function.

training;protein turnover;skeletal muscle;mRNA;physiological adaptation

book=82,ebook=105

江苏省教育厅自然科学重大基础项目,项目编号:07KJA33027;国家“十一五”科技支撑项目,项目编号: 2006BAK33B02。

马继政(1971-),男,江苏新沂人,讲师,博士,研究方向:运动生理学。