补充谷氨酰胺对耐力训练大鼠运动能力及血清胰岛素样生长因子 -1的影响

徐 凯,张蕴琨 ,王 斌

(南京体育学院运动健康科学系,江苏南京 210014)

补充谷氨酰胺对耐力训练大鼠运动能力及血清胰岛素样生长因子 -1的影响

徐 凯,张蕴琨 ,王 斌

(南京体育学院运动健康科学系,江苏南京 210014)

通过观察补充谷氨酰胺 (Gln)对胰岛素样生长因子 -1(IGF-1)及运动能力之间的相互关系,探讨补充 Gln促进机体运动能力的内分泌机制。为运动营养补剂的开发和应用,特别是氨基酸的补充提供一定的实验依据,从而使营养补充更为科学和合理。研究对象和方法:雄性 SD大鼠,训练组 16只、训练 +Gln组 16只。训练 +Gln组按2g/kg体重给予 Gln。进行耐力运动训练 5周。5周后各组随机取 8只,进行跑台力竭运动,并记录达力竭时的运动距离。同时所有大鼠断头处死,测试股四头肌蛋白质含量,血清生长激素 (GH)水平和血清 IGF-1水平。结果显示:1)跑台运动距离:训练 +Gln组的大于训练组 [(1995.0±29.6)m vs.(1697.5±170.7)m,P<0.01)];2)股四头肌蛋白质含量:大鼠运动至力竭后,训练 +Gln组运动后低于训练组;3)血清 GH含量:大鼠运动至力竭后,训练 +Gln组运动后低于训练组;4)血清 IGF-1浓度:未进行力竭运动的训练 +Gln组大鼠与训练组无差异;5)力竭运动后,训练 +Gln组的浓度高于训练组[(1223.6±197.1)ng/ml vs.(879.4±197.5)ng/mg,P<0.01]大鼠跑台运动至力竭时的运动距离与血清 IGF-1成正相关 (r=0.7336,P<0.01)。结论:长期补充 Gln可以显著提高大鼠耐力运动能力;却没有提高肌肉蛋白质含量和 GH含量;而补充 Gln为运动大鼠合成 IGF-1提供了充分的原料支持和良好的内环境,而提高了血清 IGF-1含量。血清 IGF-1水平和大鼠力竭运动能力呈正相关,提示补充 Gln促进 IGF-1合成是增强机体运动能力的重要内分泌机制之一。

谷氨酰胺;胰岛素样生长因子 -1;耐力训练;运动能力

Abstract:Objective:The study aim s to exam ine the correlation of G lutam ine(G ln)on the physical perforMance of rats and insulin-like growth factor-1(IGF-1).In order to discuss the endocrine mechanism Which promote athletic ability through G ln supplement.methods:32Male SD rats were divided into training group and training plus G ln group(16rats per group).The training plus G ln group Were supplied With Gln2g/kg Weight.A ll of the rats Were forced With treadm ill running in5Weeks.Eventually,eight rats of each group Were selected random ly;they Were forced With exhaustion treadm ill running,the running distance Was recorded.A ll of the rats were decollated.The serum IGF-1Were measured,respectively.Results:Distance of exhaustion treadm ill running:the training plus G ln group Was longer than training group[(1995.0±29.6)m vs.(1697.5±170.7)m,P<0.01)].The amounts of protein of stock fourmuscles:The protei Namount of training plus G ln group With exhaustion treadm ill running Was lower than that of training group.The GH serum concentration:the concentration of training plus G ln group With exhaustion treadm ill running was lower than that of training group.The IGF-1serum concentration:the concentration of the training plus Gln group With exhaustion treadm ill running Was higher than that of the training group[(1223.6±197.1)ng/m l vs.(879.4±197.5)ng/m g,P<0.01].The results revealed high correlation between running distance With howlong the rats proceeded exhaust exercise and IGF-1serum concentration(r=0.7336,P<0.01).Conclusion:The supplementation of G ln can improve the exercise ability evidently,it caNalso increase IGF-1level reMarkably,Which hint the serum IGF-1produce the negative feedback cause the result.G ln Complementing can improve IGF-1level reMarkably and the correlation betWeen IGF-1and exercise ability is positive,which means serum IGF-1improvement can improve exercise ability by complementing Gln.

Key words:G lutam ine,IGF-1,endurance train,exercise capacity

在组成蛋白质的 20余种氨基酸中,谷氨酰胺 (Glutamine,Gln)是在人体内存在最为丰富的氨基酸之一。近年的临床研究表明补充 Gln有促进机体蛋白质合成,增强动物免疫,维持小肠结构功能的作用。特别是在在疲劳、创伤、感染等应激情况下,补充 Gln对机体的作用更为显著。运动对机体也是一种应激,在此情况下,机体易出现 Gln的缺乏。因此对于运动机体 Gln也是非常重要的。血清胰岛素样生长因子 -1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)是一种具有促生长作用的肽类物质,其对机体的生长发育起重要作用。IGF-1可明显刺激机体身长和体重的增加,促进软骨的生长,刺激肌细胞、成纤维细胞等多种细胞进行有丝分裂,加速细胞增殖。

目前对于补充 Gln提高机体运动能力的研究,主要集中在体成分改变和免疫机能的提高等方面;而临床医学研究发现,通过补充 Gln可以提高手术后病人的 IGF-1水平,改善机体内分泌机能,促进机体的恢复。那么通过补充 Gln是否同样可以提高运动机体的 IGF-1水平,此类研究较少。

以 Gln为营养补剂,以进行长期耐力运动训练的大鼠为研究对象,旨在观察补充 Gln对大鼠运动能力及血清 IGF-1的影响,探讨补充 Gln促进机体运动能力的内分泌机制,为运动营养补剂的开发和应用,特别是氨基酸的补充提供一定的实验依据,从而使营养补充更为科学和合理。

1 研究方法

1.1 研究材料

雄性 Sprague-Dawley封闭群大鼠 32只,由南京安立默科技有限公司实验动物中心提供,8周龄,体重 (190.7±17.1)g。随机分为训练组和训练 +Gln组,每组各 16只。各组大鼠分笼饲养,室温 (22±2)℃,自然光照,自然饮食,饲料由南京安立默科技有限公司实验动物中心提供实验鼠全价颗粒饲料。

1.2 补充 Gln的剂量及补充方案

所有大鼠在 3天适应性训练后,训练 +Gln组每天以 Gln混悬溶液 2ml灌胃,Gln剂量为 2.0g/kg体重;训练组以 2ml蒸馏水灌胃,持续 5周。每天一次,于运动前 1h灌胃。

1.3 训练方案

运动在动物跑台上进行运动,坡度为 0。按照如下训练计划进行运动。运动强度:每周递增速度,分别为 15m/min、20m/min、25m/min、30m/min、30m/min;运动时间 :每周递增 ,分别为 14min、18min、22min、26min、30min;每周训练 6天 ,休息 1天 ,共 5周。

1.4 测定的指标及测试方法

1.4.1 大鼠运动能力的测试 两组大鼠每组各随机取 8只,以 30m/min跑台运动至力竭,记录力竭时的跑动距离。跑动距离直接显示于动物跑台 LCD显示屏。力竭标准为运动速度为 30m/min,以动物不能维持负荷跑速,滞跑道的后1/3处达 3次以上,刺激驱赶 10s无效。

1.4.2 血清 IGF-1的测试 所有大鼠断头处死。各取血5ml,以 3000r/min离心 5min,分离血清,各取 200μl,用 ACT IVERat IGF-I E IA试剂盒以酶联免疫吸附试验进行测试。测试方法严格按照说明书进行。

1.5 统计分析

所有结果以±SD表示,应用SAS对数据进行t检验及相关分析,P<0.05表示结果有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 两组大鼠跑台运动至力竭的距离

通过通过记录大鼠跑台运动至力竭时跑动的距离反映大鼠的运动能力。比较两组大鼠跑台运动至力竭时的运动距离,训练组的运动距离 (1697.5±170.7)m,训练 +Gln组的运动距离为 (1995.0±29.6)m,训练 +Gln组大于训练组的运动距离,差异有统计学意义,P=0.0008。

对 Gln能否提高运动能力有争议存在。有学者认为,补充 Gln不能对机体的运动能力产生明显影响。Haub[1]对 10名运动员在运动前 90min补充 Gln,结果表明补充 Gln不能对运动员的血液 pH值、HCO-3浓度、乳酸浓度产生明显影响,并且对运动能力亦无明显影响。Vukovich MD[2]通过研究 14名健康男性,每天补充各含 Gln的混合补剂 7天,结果表明,补充组和安慰剂组的血乳酸和肌肉乳酸均无显著性差异,并且力竭时间无明显变化。

同样有学者认为通过补充 Gln有助于运动能力的提高。LehmkuhlM[3]通过研究 29名大学田径运动员,每天补充Gln,并在新赛季开始前 (preseason)的一段时间进行同样强度的力量训练,8周后测试结果表明 Gln组瘦肌肉重量和功率自行车产生功率均有显著性增加。Ohtanim[4]通过研究23名橄榄球运动员,每天补充含 Gln的混合补剂,90天后其主观感觉精力提高,机体能够更好恢复,并且血红蛋白含量、红细胞计数、红细胞比容和血清铁均明显提高。

补充 Gln对机体运动能力的影响可能和补充 Gln的周期长短有关。一个相对较短的时间段内补充 Gln不能对机体的运动能力产生明显影响。而在一个相当长的时间段内连续补充 Gln对机体的运动能力是有帮助的。在本次实验中,对大鼠持续进行了长达 5周的补充 Gln后,进行跑台力竭运动实验,结果表明训练 +Gln组的大鼠的运动能力得到提高。实验结果提示补充 Gln可以提高运动能力。

补充 Gln提高机体运动能力的可能机理是:当机体处于运动状态时,储备的三磷酸腺苷 (Adenosine Triphosphate,ATP)不足以满足机体需要,而 Gln通过三羧酸循环可以产生大量 ATP供给机体运动需要;同时运动导致肌肉蛋白质的分解代谢加强,机体处于负氮平衡,而 Gln是各器官之间氮流动的重要载体和蛋白质合成的前体,因此通过相当长时间地补充 Gln,可以促进蛋白质的合成,提高机体运动能力。补充Gln还可以提高运动机体的血清、肝脏和骨骼肌中的肌酸激酶的活性,增加肝脏、骨骼肌糖原积累,从而提高机体运动能力。而且机体在运动中会有大量酸性产物生成,Gln可以在肾脏中和酸性产物,通过排出 NH4+,置换进 Na+,以维持运动中的酸碱平衡。补充 Gln还可以提高运动机体白细胞介素等免疫因子水平,避免由于剧烈运动造成的机体免疫力下降,从而提高运动能力。补充 Gln对机体运动能力产生影响的因素,比如肌肉重量、酶的活性、细胞成分、免疫因子的变化都是需要一定的时间的。所以,通过长期的补充 Gln,可以促进机体运动能力的提高,而短时间补充却不一定表现出运动能力提高的效果。

2.2 各组大鼠的股四头肌蛋白质含量的比较

Gln可以在哺乳动物组织细胞内分解和合成,作为嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸的氮供体,以及氨基酸的合成的重要前体,对蛋白质的合成和细胞增生增殖有着重要的意义[5]。

医学研究表明,机体在处于创伤、手术等应激状态下时,机体分解代谢增加,表现为体重下降、肌肉蛋白质合成减少,分解增加,Gln进入血液被其它组织和内脏器官利用。临床上对处于手术、创伤等应激状态下的机体补充 Gln可以明显提高机体血液中 Gln的浓度,抑制骨骼肌、肝细胞和肠粘膜的 Gln消耗,减少机体蛋白质的分解,促进机体蛋白质的合成,提高骨骼肌蛋白质的含量[6-8]。

实验研究结果表现为:训练 +Gln组未进行力竭运动的肌肉蛋白质含量与训练组未进行力竭运动的差异无统计学意义。造成这一情况可能是因为:虽然既往研究认为补充Gln有促进蛋白质合成的作用[9],但是训练同样有促进其合成的作用,加之实验室环境下饲养的大鼠有充足的营养供给,导致其不论是否补充 Gln,机体的蛋白质合成均已能基本满足需要并处于较高水平,故补充 Gln对肌肉蛋白质的合成作用不再明显表现。

训练 +Gln组大鼠进行了力竭运动后的肌肉蛋白质含量明显低于训练组。长时间力竭性运动能够抑制机体蛋白质合成,促进骨骼肌非收缩蛋白的分解,而恢复过程中则促进骨骼肌收缩蛋白分解。在本次实验中,训练 +Gln组的大鼠通过补充 Gln增强了运动能力,达力竭的距离远大于训练组,在此强应激情况下,机体代谢尤为旺盛,蛋白质合成代谢和分解代谢同时加强,且分解强于合成,蛋白质代谢处于净降解状态,故表现为肌肉蛋白质含量下降。

进一步对数据的分析发现,训练并且补充 Gln的两组大鼠,在进行力竭运动后的肌肉蛋白质水平低于未进行力竭运动的,P<0.0001。而对于单纯训练组,是否进行力竭运动测试并未对肌肉蛋白质含量产生明显影响。这也提示补充 Gln可以在机体进行力竭运动时,更好地动员非收缩蛋白的分解,增加机体运动能力。除此以外,本实验测定的是股四头肌总蛋白含量,其中包括肌浆蛋白即非收缩蛋白和肌原纤维蛋白即收缩蛋白,对于运动机体,补充 Gln促进肌肉蛋白质的合成可能主要表现为促进肌原纤维蛋白的合成,因此未表现出总蛋白质含量的提高。并且通过补充 Gln对机体运动机能的影响可能存在其它途径。如果能对以上情况作更进一步深入研究,则可以更好的了解补充 Gln对运动机体肌肉蛋白质含量的影响的内在机制。

表1 各组大鼠的股四头肌蛋白质含量的比较(比值)

2.3 各组大鼠的血清生长激素的比较

临床研究表明[10-13],Gln可以促进瓜氨酸的生成,后者再通过鸟氨酸循环生成精氨酸 (arginine,Arg),Arg使三磷酸鸟苷 (Guanosine Triphosphate,GTP)活性增强,GTP促进生长激素释放激素 (Growth hormone releasing hormone,GHRH)分泌,进而促进 GH分泌,提高机体的 GH水平。

在本实验中,对于未进行力竭运动的大鼠,训练 +Gln组的大鼠 GH水平高于训练组,但是差异无统计学意义 (P=0.103)。表明补充 Gln在一定程度上影响了机体 GH的分泌,但效果不显著。对于进行力竭运动的大鼠,训练 +Gln组的 GH水平低于训练组 (P=0.0073)。GH的分泌受到多种因素的影响,当机体进行大强度运动时,血糖降低可以促进GH分泌。但是通过补充 Gln,在进行跑台力竭运动时,训练+Gln组可以比单纯训练组有较高的血糖浓度,故对 GH分泌的刺激作用不如训练组,所以其 GH水平低于训练组。同时,较低的血清 GH水平还可能与 IGF-1对 GH分泌的负反馈抑制有关。故此,需进一步对血清 IGF-1进行研究。

表2 各组大鼠血清 GH的比较(ng/ml)

2.4 各组大鼠的血清 IGF-1的比较

对于未进行力竭运动大鼠,训练组的血清 IGF-1浓度为 924.043±231.503ng/ml与训练组 +Gln 955.433±182.66ng/ml之间的差异无统计学意义。但是对于力竭运动大鼠,训练 +Gln组的血清 IGF-1浓度为 1223.64±197.085 ng/ml高于训练组 879.36±197.547 ng/ml,且差异有统计学意义,P=0.0018。

临床上对于补充 Gln而影响 IGF-1的分泌已有研究。王兴鹏等[14]通过观察补充 Gln对急性坏死型胰腺炎 (ANP)大鼠肠道衰竭的治疗作用,结果表明 Gln可能通过刺激肠黏膜 IGF-1、Gln酶和 Gln合成酶 mRNA表达,下调肠黏膜细胞凋亡,从而促进肠黏膜修复,有效地控制 ANP并发肠道衰竭。谢建新[15]等人通过研究 SD短肠大鼠,结果表明应用Gln可能通过调节细胞 IGF-1mRNA的表达,减少 IGF-1合成抑制,增加 IGF-1的分泌,从而防止小肠粘膜萎缩的发生。

对于补充 Gln是否会对进行运动训练的机体 IGF-1水平产生影响,此类研究较少。李稚[16]对大鼠分别进行 2天和 5天的离心运动,并同时补充 Gln,研究结果表明,离心训练的大鼠腓肠肌 IGF-1浓度增加,但是离心训练同时补充Gln后,反而出现 IGF-1下降,其认为可能的原因是补充Gln导致骨骼肌合成增加降解减少,而引起 IGF-1分泌减少。本实验表明,长期耐力训练的大鼠,是否补充 Gln对血清 IGF-1无显著影响。可能的原因为本实验测试的是血清IGF-1,可以更好的反应全身情况而非局部状况,而且训练时间长达 5周,因为长期训练导致大鼠对补充 Gln产生了适应,因此对于训练大鼠在安静状态下,并不表现出明显出血清 IGF-1浓度的改变。

图1 各组大鼠血清 IGF-1浓度

研究还发现,训练 +Gln组的大鼠在进行力竭运动后血清 IGF-1明显高于单纯训练组。既往研究表明 IGF-1与血尿素氮呈负相关,可以反映机体的营养状态,当机体营养不良时,会导致 IGF-1的下降。当机体处于运动状态,特别是高强度、长时间运动的大强度运动状态时,机体往往会因为营养补充不能满足机体需要而造成负氮平衡,此时提供足量的 Gln可以有效改善机体营养状况,提高 IGF-1水平。同时,运动时机体组织对 IGF-1的需求量增加,而 Gln是IGF-1合成的重要原料,通过补充 Gln可以维持 IGF-1浓度,满足运动机体对于 IGF-1的需求。同时,剧烈运动常常伴有一定程度上的酸中毒,而酸中毒也可能是导致血清 IGF-1下降的原因之一。通过补充 Gln,可以有效纠正组织细胞内的酸中毒,从而升高血清 IGF-1。同时当给与运动机体Gln补充后,可以刺激机体 GH的分泌,进而 GH刺激肝脏增加 IGF-1的合成,GH可以刺激小肠粘膜的 IGF-1 mRNA的表达,加速小肠粘膜以旁分泌的方式产生 IGF-1。这在一定程度上为补充 Gln升高剧烈运动机体的 IGF-1水平提供了依据。本研究进行的力竭运动时间长、强度高,因此很可能造成负氮平衡和酸中毒等情况的发生,在这种情况下补充Gln后可以有效提高了血清 IGF-1水平。

2.3 各组大鼠跑台运动至力竭的距离与 IGF-1的相关分析

结果表明大鼠跑台运动至力竭的距离与血清 IGF-1浓度成高度正相关,相关系数 r=0.7336,且相关性具有统计学意义,P=0.0012。

虽然有研究表明长期的训练不能提高 IGF-1含量[17-19],但是急性大强度练习却可能提高 IGF-1浓度[20]。本实验提示,急性大强度耐力运动会导致血清 IGF-1浓度升高,且运动能力与 IGF-1浓度相关。补充 Gln可以提高大强度运动后 IGF-1含量,而 IGF-1与运动能力成正比,这就提示,补充 Gln提高机体的运动能力有可能是通过提高IGF-1含量的途径得以实现。虽然补充 Gln对于训练大鼠在安静状态下的 IGF-1含量没有影响,但当机体处于大强度负荷时,补充 Gln而提高 IGF-1浓度的后果才得以呈现。

对于补充 Gln提高 IGF-1进而提高运动能力的研究较少。但是有学者[21,22]对补充精氨酸、鸟氨酸、肌酸等营养补充剂的研究表明,补充这些氨基酸可以提高 IGF-1浓度,提高机体的运动能力。

IGF-1对运动机能的提高还可能存在这样一些机制。如 IGF-1能促进软骨细胞 DNA合成、细胞分化增殖和提高细胞成熟度,抑制软骨细胞介导的基质分解,对软骨基质形成和稳定起关键作用。IGF-1还可以遏制由于损伤导致心肌能量代谢障碍,减轻心肌缺血和防止再灌注后心肌凋亡的发生,对保护心肌细胞起积极作用。以上这些研究,虽未直接涉及运动,但无论是对促进骨和软骨的增殖,还是对缺血心肌的保护都和运动能力密切相关,这无疑会对今后在运动医学领域更深入的研究 IGF-1和运动能力的关系提供有价值的借鉴。

图2 进行力竭运动的大鼠的跑台运动至力竭的运动距离与 IGF-1浓度的相关分析

3 结论

1)补充 Gln可以提高大鼠力竭运动能力。

2)补充 Gln对于未进行大强度运动大鼠的股四头肌蛋白质含量没有明显影响,对于大强度运动后的大鼠蛋白质含量下降,考虑是长时间运动导致的蛋白质消耗所致。

3)补充 Gln对于未进行大强度运动大鼠的血清 GH含量没有明显影响,对于大强度运动后的血清 GH含量下降,可能与机体 IGF-1的负反馈调节有关。

4)补充 Gln可以提高大强度运动后血清 IGF-1含量,提示补充 Gln可能改善了运动机体的营养状况,纠正了酸碱平衡紊乱,从而为合成 IGF-1提供了充分的原料支持和良好的内环境,但是实现这一过程需要较长时间的 Gln补充。

5)血清 IGF-1浓度和运动能力正相关,提示补充 Gln合成 IGF-1分泌是增强机体运动能力的重要内分泌机制之一。

本研究表明,通过补充 Gln可以提高大鼠运动运动能力,而造成这一结果的原因很可能并非是通过提高肌肉蛋白质含量或是提高 GH分泌实现。而通过补充 Gln提高 IGF-1水平,进而提高机体运动能力可能是更为重要的内分泌机制。

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责任编辑:乔艳春

Effects of Glutamine Supplementation on Physical Performance and In sulin-Like Growth Factor-1 of Rats

XU Kai,ZHANG Yunkun,WANG Bin
(Department of Sports Science,Nanjing Institute of Physical Education,Nanjing210014,Jiangsu,China)

G804.7

A

1004-0560(2010)04-0074-05

2010-05-15;

2010-07-19

徐 凯 (1976-),男,讲师,硕士,主要研究方向为运动人体科学。