补充小麦肽对模拟高原训练大鼠骨骼肌蛋白质的影响及IGF-1的调节作用

潘兴昌 蒋宝石 谷瑞增 刘霞 徐亚光 金其贯 马勇 蔡木易

1 中国食品发酵工业研究院（北京100027）

2 扬州大学体育学院

研究表明，高原训练可诱发骨骼肌结构、功能、代谢的一系列代偿性应激反应和适应性变化，增强骨骼肌氧利用和物质能量代谢的能力，提高运动成绩［1］。但高原训练引起肌原纤维收缩蛋白大量降解，肌纤维变细，肌力下降。有研究显示，登山者在高于海拔5000米处停留2个月以上，大腿肌肉横断面积下降10%［2］。因此，在高原训练中采取积极措施干预高原训练引起的骨骼肌蛋白质水平下降，对提高高原训练效果具有非常重要的意义。

小麦低聚肽是以小麦谷朊粉为原料，经过酶解、提纯等步骤加工制得，具有较高Gln含量和均衡氨基酸组成，还有水溶性好、稳定性强、易于消化吸收、蛋白含量高等优点，不仅提供人体生长发育所需的营养物质与能量，还有抗氧化、调节人体生理机能的功能［3］。因此，小麦肽可能对促进蛋白质合成有作用。目前有关补充小麦肽对高原训练骨骼肌蛋白质合成的干预作用及其调节机制的研究未见报道。本研究通过模拟高原低氧、运动以及补充小麦肽，测定骨骼肌总蛋白（Protein，Pro）和肌球蛋白（Myosin，Myo），反映骨骼肌蛋白质代谢情况，探讨小麦肽对模拟高原训练大鼠骨骼肌蛋白质合成的干预作用，并通过血清和骨骼肌胰岛素样生长因子-1（IGF-1）含量探讨小麦肽干预骨骼肌蛋白质合成的机制。

1 材料和方法

1.1 实验动物分组及饲养

选用清洁级6周龄雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠60只，体重160～180 g，购于浙江省实验动物中心［许可证号SCXK （浙）20080033，质量合格证号0016507］。 随机分成正常对照组（C组，n=10）、低氧对照组（HC组，n=10）、运动训练组（E组，n=10）、补充小麦肽+运动训练组（EW组，n=10）、低氧+运动训练组（HE组，n=10）和低氧+小麦肽+运动训练组（HEW组，n=10）6组。分笼饲养，每笼5只，饲养温度（20±2）℃，自然光照，每天更换一次垫料，保持笼内干燥。喂食时间为每天晚上9点，喂饲标准大鼠饲料，购自南京安立默生物科技公司。

1.2 实验方案

运动训练采用无负重游泳，每周训练6天。前2周为适应性训练，2周内运动时间逐渐增加到90 min，共训练9周。训练时注意观察大鼠状态，防止溺水死亡，并及时捞出大鼠粪便，保持池水清洁。游泳池为100 cm×70 cm×60 cm的长方体，水深50 cm，水温（32±1）℃，训练时间安排在每天下午。低氧环境在美国Higher Peak公司生产的The MAG-10 Mountain Air Generator低氧舱中实施，2周内模拟海拔由1600 m渐增到3000 m，最终氧浓度为14.2%。EW组和HEW组大鼠每次训练后按500 mg/kg体重剂量灌服现配的小麦肽溶液。小麦肽由北京中食海氏生物技术有限公司提供。训练中E组和EW组各有2只大鼠溺亡。本实验在扬州大学比较医学中心实验室完成。

1.3 实验取材

动物在末次运动训练结束后休息1天，取材前禁食12 h，按50 mg/kg剂量腹腔注射2%戊巴比妥钠溶液，麻醉后经腹主动脉取血约10 ml，注入玻璃试管中，4℃静置1 h后，4000 r/min离心10 min后分离血清，保存于-40℃冰箱，备测IGF-1等指标。

取右后肢腓肠肌，剔除脂肪和筋膜，投入液氮保存。称量约300 mg肌肉组织，剪碎后移入玻璃匀浆器中，加入预冷生理盐水3 ml，在冰浴下仔细研磨制备10%组织匀浆，以3000 r/min低温离心10 min，取上清液-40℃保存，备测骨骼肌Pro、Myo和IGF-1含量。

1.4 指标的测定

采用BCA法测定骨骼肌总Pro含量，试剂盒购自南京建成生物工程研究所，采用Elisa法测定血清IGF-1及骨骼肌组织Myo和IGF-1含量，试剂盒购自上海朗顿生物科技有限公司。

1.5 统计学分析

使用SPSS17.0统计软件处理数据，结果用均数±标准差（±s）表示，统计学分析HC组与C组进行独立样本t检验，E组、EW组、HE组和HEW组4组进行双因素方差分析，P<0.05表示为显著性差异，P<0.01表示为极显著性差异。

2 结果

2.1 实验大鼠体重的变化

由表1可见，实验前各组大鼠体重无显著性差异。实验结束时，与C组相比，HC组大鼠体重显著下降 （P﹤0.05），E组大鼠体重极显著性下降 （P<0.01）。E组、EW组、HE组和HEW组4组通过双因素方差分析可知，低氧、小麦肽对运动训练大鼠体重均无显著性作用。

表1 各组大鼠不同实验时期体重比较

2.2 骨骼肌Pro、Myo含量

由表2可知，与C组相比，E组大鼠Pro含量无显著性差异（P>0.05），Myo含量显著降低（P<0.05），HC组大鼠骨骼肌Pro和Myo含量均显著降低（P<0.01）。E组、EW组、HE组和HEW组4组通过双因素方差分析可知，低氧暴露显著降低运动训练大鼠骨骼肌Pro和Myo含量（P<0.05），补充小麦肽显著升高运动训练大鼠骨骼肌Pro和Myo含量（P<0.01），低氧暴露结合补充小麦肽对提高运动训练大鼠骨骼肌Pro含量有显著交互作用 （P<0.05），对运动训练大鼠骨骼肌Myo含量无显著交互作用（P>0.05）。

表2 各组大鼠骨骼肌中Pro、Myo水平比较

2.3 血清和骨骼肌IGF-1含量

由表3可知，与C组相比，E组和HC组大鼠血清和骨骼肌IGF-1含量均显著下降（P<0.05）。E组、EW组、HE组和HEW组4组通过双因素方差分析可知，低氧暴露对运动训练大鼠血清和骨骼肌IGF-1含量无明显作用（P>0.05），补充小麦肽显著升高运动训练大鼠血清和骨骼肌IGF-1含量 （P<0.05，P<0.01），低氧暴露结合补充小麦肽对升高运动训练大鼠血清和骨骼肌IGF-1含量具有显著交互作用（P<0.05）。

表3 各组大鼠血清和骨骼肌IGF-1含量比较

3 讨论

3.1 长期低氧暴露对骨骼肌Pro和Myo的影响及其与IGF-1之间的关系

低氧暴露时体重下降。长期低氧暴露导致动物生长速率降低［4-6］，新生鼠在人工低氧环境暴露7天后体重显著下降，且在返回常氧环境5周后仍保持较低水平［7］，表明低氧暴露后一段时间机体生长速率仍保持在较低水平。有研究表明，登山者在海拔4300 m高原停留8天后，体重下降3%，而在海拔5300～8000 m停留3个月后，体重则下降15%［8］。 本研究发现，HC组大鼠体重显著低于对照组，说明9周低氧暴露显著降低大鼠体重。高原上体重丢失首先是脱水，其次是脂肪丢失和骨骼肌质量下降。有研究发现，登山者体重下降，1/3是体脂丢失，2/3是肌肉组织［1］。本研究发现，HC组大鼠骨骼肌Pro和Myo含量显著低于C组，从而进一步说明长期低氧暴露能显著抑制大鼠骨骼肌蛋白质合成，导致Pro和Myo含量显著降低，这可能是低氧暴露引起体重下降的原因之一。

在调节肌肉生长和蛋白质合成的一些生长因子中，IGF-1一直受到关注。血液IGF-1主要由肝细胞合成和释放，其次为骨骼，骨骼肌也有IGF-1表达，它通过内分泌、旁分泌和自分泌在促进骨骼肌生长、分化以及运动诱导的骨骼肌肥大、运动后骨骼肌损伤修复等方面发挥了重要作用［9］。 Glucklnan等［10］给禁食48小时的动物分别补充IGF-1和胰岛素，发现二者均能降低动物蛋白的消耗，但只有IGF-1可增加骨骼肌组织蛋白质的合成。另有研究发现，注射IGF-1能促进长期低氧暴露时机体的合成代谢，恢复低氧暴露引起的氮平衡，但对常氧中机体的合成代谢无显著影响［11，12］，从而推测低氧暴露可能使机体IGF-1水平降低而影响了机体的合成代谢。贺道远等［13］研究发现，28天低氧暴露后大鼠骨骼肌IGF-1 mRNA和蛋白表达显著下降，高住低练（HiLo）后骨骼肌IGF-1 mRNA表达无明显变化，蛋白表达显著下降。这提示低氧可能通过影响IGF-1水平进而影响骨骼肌质量及其机能。本研究结果显示，HC组大鼠血清和骨骼肌IGF-1含量显著低于C组，表明9周低氧暴露抑制促合成激素IGF-1分泌，抑制大鼠骨骼肌蛋白质合成，引起大鼠骨骼肌Pro和Myo含量显著降低。

3.2 模拟高原训练对骨骼肌Pro和Myo的影响及其与IGF-1之间的关系

大量研究表明，无论是抗阻力量练习还是耐力练习均能有效改善肌肉状态，促进肌肉生长发育。抗阻运动导致骨骼肌蛋白含量净增加，耐力运动或耐力运动加抗阻运动的组合方式也可促进骨骼肌蛋白质合成，缺乏体力活动会导致骨骼肌蛋白分解增加［14，15］。而高原训练对骨骼肌蛋白质的影响比单纯常氧运动更加复杂，涉及低氧暴露方式、运动方式及低氧与运动的组合方式等多种因素。与常氧安静组相比，游泳运动员在模拟2800 m海拔高度的低压低氧舱内 （12～13 h）HiLo 3周后，体重和瘦体重显著降低，血清皮质醇和血尿素明显升高，从而说明HiLo可以促进蛋白质分解增加使瘦体重降低，而瘦体重降低是体重下降的主要原因［16］。 刘晔等［17］研究表明大鼠在模拟海拔2000 m和3000 m的低氧舱中进行耐力训练时，骨骼肌蛋白质分解代谢有随海拔高度增加而加强的趋势，在解除低氧刺激回到常氧后1周，骨骼肌蛋白质代谢迅速恢复到正常状态。Narici［18］让受试者分别在5050 m高原和平原上对受试者的上肢进行相同负荷的力量训练，比较肱二头肌的横断面积及最大自主收缩力。结果发现，肌肉横断面积的增加仅是海平面的2/3，从而认为高原力量训练导致骨骼肌肥大的程度明显低于平原训练。本研究发现，与C组相比，E组大鼠骨骼肌中Pro含量无显著性降低，但体重和Myo含量显著降低。从而说明在常氧下长时间的耐力运动训练也有可能抑制骨骼肌的蛋白质合成代谢，导致大鼠骨骼肌收缩蛋白含量的降低。其原因可能是由于运动量过大，导致运动性疲劳不能及时消除，以至于疲劳的积累形成过度训练，从而影响大鼠骨骼肌蛋白质的合成。与此同时通过双因素方差分析发现，长期的高原训练可以显著降低大鼠骨骼肌Pro和Myo含量（P<0.05），从而说明相对于常氧运动训练，长时间高原训练通过低氧和运动训练双重刺激，使大鼠骨骼肌中Pro和Myo含量降低程度比常氧下更加明显。

IGF-1对运动时蛋白质的合成起正调控作用［19］，然而不同的运动方式对骨骼肌中IGF-1水平有不同的影响。抗阻运动后IGF-1水平显著增加［20］，耐力运动对IGF-1水平的影响有不同的研究结果。Hoffmon等研究发现，大鼠在进行3周耐力训练后，在比目鱼肌发生损伤的同时，肌组织中IGF-1水平显著升高，且肌肉中IGF-1的增加先于骨骼肌代偿性肥大［21］。徐国营［22］等研究也发现大鼠在经过6周递增强度的跑台训练后，后肢股四头肌IGF-1水平比不训练的对照组显著增加（P<0.01）。但有研究发现，大鼠12周跑台运动后骨骼肌IGF-l和ARmRNA水平没有变化，而血中IGF-1和睾酮水平显著降低［23］。本研究发现，E组大鼠血清和骨骼肌中IGF-1含量显著低于C组。从而说明，长期大负荷训练导致骨骼肌中IGF-1含量的降低可能是长时间耐力训练引起骨骼肌蛋白质合成降低的机制之一。

不少研究认为高原训练导致骨骼肌质量下降的原因主要是与IGF-1的变化以及缺氧直接抑制蛋白质的合成有关。许宁一［24］研究发现，2 km和5 km的慢性连续低氧运动能显著抑制大鼠GH-IGF-1轴，从而显著抑制体重的增长，这种抑制作用一直持续整个低氧过程。叶鸣等［25］研究发现，28天的单纯低氧暴露或HiLo可使骨骼肌蛋白质含量比常氧安静组、常氧运动组降低，并与低氧降低骨骼肌中IGF-1含量有关。Schmidt等研究发现，SD大鼠在低氧或常氧下训练后24 h，血清中IGF-1均显著下降（P<0.01），并且在低氧条件下下降更为明显，同时认为长时间的耐力训练使机体能量大量消耗从而影响了GH-IGF-I轴的分泌功能［26］。本研究发现，虽然模拟高原训练可以进一步降低大鼠血清和骨骼肌IGF-1含量，但差异不显著（P>0.05）；从而说明在低氧暴露的同时进行运动训练比常氧中运动训练使骨骼肌承受的运动负荷更大，对骨骼肌的刺激作用更加明显。因此，在低氧暴露与运动的双重刺激下，IGF-1的分泌受到抑制，致使大鼠骨骼肌蛋白质的合成减少，最终导致骨骼肌总Pro及Myo含量下降。

3.3 小麦肽的补充对高原训练大鼠骨骼肌Pro和Myo的影响及其与IGF-1之间的关系

本研究结果表明，高原训练可以抑制大鼠骨骼肌蛋白质合成代谢，导致骨骼肌总蛋白和肌球蛋白含量显著性降低，从而影响高原训练的效果。因此，在高原训练过程采取积极有效的措施来干预高原训练引起的骨骼肌蛋白质水平的降低，对提高高原训练的效果具有非常重要的意义。小麦肽是小麦蛋白质在酶的水解作用下，产生的具有一定功能性的寡肽。这些寡肽分子量相对较小，而且酶解解离过程中通常伴有重要结构的重排，导致一些原来包埋在蛋白质分子内部的疏水区暴露出来，具有新的营养功能及生物特性［27，28］。

目前，补充小麦肽影响机体骨骼肌蛋白质合成的研究报道尚未见到。为了研究小麦肽对高原训练大鼠骨骼肌蛋白质水平的影响，本研究在给大鼠进行模拟高原训练的同时，补充小麦肽，测定了大鼠骨骼肌中Pro和Myo含量。通过双因素方差分析发现，补充小麦肽可以极显著地提高运动训练大鼠骨骼肌中Pro和Myo水平（P<0.01），低氧暴露和补充小麦肽对提高大负荷训练大鼠骨骼肌Pro含量具有显著性的交互作用（P<0.05），虽然低氧暴露和补充小麦肽可以进一步提高大负荷训练大鼠骨骼肌Myo水平，但无显著的交互作用（P>0.05）。从而说明小麦肽的补充对提高运动训练和模拟高原训练大鼠骨骼肌蛋白质水平起积极作用，在某种程度上具有削弱长期的大负荷运动训练和模拟高原训练所引起的骨骼肌蛋白质水平的降低，对维持骨骼肌的收缩功能，提高机体的运动能力，提高高原训练的效果具有非常重要的作用。

然而小麦肽的补充提高大负荷训练和模拟高原训练大鼠骨骼肌Pro和Myo含量的机制目前还不清楚。小麦肽的补充一方面为运动训练大鼠骨骼肌蛋白质的合成提供充足的氮源，保证蛋白质合成的顺利进行；另一方面小麦肽具有抗氧化功能，能够清除运动训练过程中产生的氧自由基，保护骨骼肌组织免受损伤。另外，小麦肽可能含有某些生物活性物质，能够调节运动机体内环境来促进骨骼肌中蛋白质的生物合成。本研究通过双因素方差分析发现，小麦肽的补充能显著提高运动训练大鼠血清和骨骼肌中IGF-1含量（P<0.05，P<0.01）。 模拟高原训练的同时补充小麦肽对进一步提高血清和骨骼肌中IGF-1含量均有显著的交互作用（P<0.05）。因此，小麦肽可能具有生物活性肽的功能，在大负荷运动训练或高原训练过程中补充小麦肽能够增加促合成蛋白激素IGF-1分泌，从而促进大负荷训练或模拟高原训练大鼠骨骼肌蛋白质合成代谢，对减缓大负荷运动训练或模拟高原训练引起的大鼠骨骼肌蛋白质含量的降低具有非常重要的作用。

4 总结

4.1 长期的低氧暴露或模拟高原训练能抑制IGF-1的分泌，从而抑制骨骼肌蛋白质的合成。

4.2 补充小麦肽促进大负荷运动训练或模拟高原训练大鼠IGF-1分泌，对减缓大负荷运动训练或模拟高原训练引起的大鼠骨骼肌蛋白质含量的降低有重要作用。

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