植物多酚缓解运动疲劳作用机制研究进展
余金橙1,方 园1,刘素稳1,周君一2,张 栋2,史东林3*
(1. 河北科技师范学院食品科技学院,河北 秦皇岛 066600;2. 河北省体育科学研究所,河北 石家庄 050000;3. 河北体育学院,河北 石家庄 050000)
摘要:长时间运动产生疲劳会引起人体免疫力下降,甚至会引发相关的疾病。多酚广泛分布于植物中,具有显著的生物活性,多酚类物质已被证实具有抗疲劳作用。植物多酚可通过调节AMPK途径清除体内自由基、抗氧化应激和能量代谢等方式缓解运动疲劳。本文对植物多酚缓解运动疲劳的作用机制进行了综述,分析了植物多酚对运动疲劳的调控通路,可为发掘植物多酚作为功能食品在运动疲劳缓解中的潜在价值提供理论依据。
关键词:运动疲劳;多酚类物质;抗疲劳机制;功能食品
Research Progress on the Mechanism of Polyphenols in Relieving Exercise Fatigue
YU Jincheng1,FANG Yuan1,LIU Suwen1,ZHOU Junyi2,ZHANG Dong2,SHI Donglin3*
(1. College of Food Science and Technology, Hebei Normal University of Science and Technology, Hebei Qinhuangdao, 066600, China; 2. Hebei Institute of Sports Science, Hebei Shijiazhuang 050000, China; 3. Hebei Institute of Physical Education, Hebei, Shijiazhuang 050000, China)
Abstract: Fatigue caused by prolonged exercise can cause a decline in the body's immune system and even lead to related diseases. Polyphenols are widely distributed in plants and have significant biological activities. Polyphenols have been proved to have anti-fatigue effect. Plant polyphenols can alleviate exercise fatigue by regulating the 5' -amp-activated protein kinase (AMPK) pathway to eliminate free radicals, antioxidant stress and energy metabolism in the body. In this paper, the mechanism of action of plant polyphenols to alleviate exercise fatigue was reviewed, and the regulation pathway of plant polyphenols to exercise fatigue was analyzed, which could provide theoretical basis for exploring the potential value of plant polyphenols as functional food in exercise fatigue alleviation.
Key words: exercise fatigue; polyphenols; anti fatigue mechanism; functional food
疲劳,是能量输入与输出不对等的条件下,失去原来的工作能力而产生的一种生理现象。按照病因可将疲劳分为生理性疲劳、病理性疲劳和心因性疲劳[1]。运动疲劳主要表现为运动后身体机能下降的现象,是一种生理性疲劳,尤其在剧烈活动后疲劳的表现更明显,长时间疲劳会引起人体免疫力下降,甚至会引发相关的疾病,给人体健康指标带来了严重压力[2]。目前,运动性疲劳产生的机制主要为能量水平的降低[3]、氧化应激[4]、骨骼肌中的底物消耗或代谢累积[5]。三大机制信号调控途径相同,如能量代谢和氧化应激都参与腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)途径等,因此以抗氧化和能量代谢为前提阐述抗疲劳机制是有效的方式。
多酚广泛分布于植物中,具有显著的生物活性,尤其是抗氧化性,属于天然抗氧化剂[6,7]。多酚类物质主要包括黄酮类、单宁类、酚酸类等,可以防止血管损伤、预防癌症、糖尿病等疾病[8,9,10]。近年来,研究人员对多酚类物质抗疲劳作用的研究热度不断升高,研究表明多酚类物质具有延缓疲劳的功效,主要机制为降低自由基在体内的积累量[11]。酚酸、黄酮、葛根素、茶多酚、芦丁、姜黄素、槲皮素、大豆异黄酮等植物多酚类化合物均具有显著延缓疲劳的作用[12],为开发多酚抗疲劳产品奠定了基础。因此,深入研究植物多酚缓解运动疲劳的作用及机制,对运动员快速恢复体力,提高成绩,增强免疫力有重要意义。本文对植物多酚缓解运动疲劳的作用机制进行了综述,分析了植物多酚对运动疲劳的调控机制通路,可为发掘植物多酚作为功能食品在运动疲劳缓解中的潜在价值提供理论依据。
1.运动疲劳产生的机制
根据外环境或机体内代谢物、信号分子作用通路、神经信号传递形式将运动疲劳分为外周疲劳和神经疲劳[13],外周疲劳通常是指运动使肌肉拉伤导致肌功能丧失的现象,中枢疲劳是指运动动力超过大脑驱动力承受范围而产生的现象,是大脑内部运动神经元与中枢神经系统相互作用的过程[14]。运动后,机体氧气供应不足,产生乳酸、自由基、血清尿素氮等物质,从而引发机体疲劳。机制主要包括能量水平的降低、氧化应激、活性骨骼肌中的底物消耗或代谢累积,它们与肌肉和中枢神经系统内各种物质之间的作用导致机体疲劳。运动疲劳产生过程见图1。
图1运动疲劳产生过程
Figure. 1 Exercise fatigue generation process
1.1能量水平的降低对疲劳的影响
一般来说,供机体摄取能量的物质主要包括三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)、磷酸肌酸、糖原、血糖以及脂肪等几类[15],疲劳的产生主要是由于能量不足导致,因机体对能源物质的需求量与运动量呈正相关,若未及时补充能量,加上有氧代谢不足以供给能量,此时无氧呼吸成为补充能量的重要途径。由于运动会打破人体组织内环境平衡系统,使磷酸腺苷活化蛋白激酶 (5'-AMP-activated protein kinase, AMPK) 的活性降低、ATP的消耗量增加、氧代谢产物(d-ROM)的积累量增加,导致一系列的应激反应,损害机体,为了避免这种应激损伤机体容易产生疲劳效应。剧烈运动后,机体内肌糖原分解导致其含量降低,阻碍体内Ca2+的释放,导致肌肉收缩水平降低[16]。持续运动产生过量的游离脂肪酸,加速了游离色氨酸的累积,大量的色氨酸进入脑内促进5-羟色胺水平增加,大脑的工作能力受到阻碍,加强中枢疲劳[17]。
1.2氧化应激对运动疲劳的影响
氧化应激是由机体内活性氧的产生与保护性内源性抗氧化防御系统的活性之间的失衡导致[18],这类活性氧自由基主要包括羟基自由基、超氧阴离子、过氧化氢自由基和单线态氧自由基等,活性氧能够引起脂质、蛋白质和核酸的氧化,从而造成机体细胞膜损坏[19]。来自氧的自由基活性氧是氧化应激的主要参与者[20]。人经过大量运动后,机体产生大量的自由基,自由基化学性质不稳定是引起疲劳的一大原因[21]。在运动过程中,机体代谢增强导致耗氧量增加,产生大量代谢产物,如自由基和活性氧[22](Reative Oxygen Species, ROS)等物质,并且该类物质能够被磷脂分子中的不饱和脂肪酸氧化,从而生成过氧化脂质,破坏肌细胞膜完整性。大量的自由基与ROS 会使机体内脂质、蛋白质、DNA 等细胞大分子[23] 遭到攻击,破坏体内氧化还原系统的稳定性,从而使具有抗氧化应激能力的蛋白质和核酸功能丧失,致使细胞凋亡和肌肉等组织器官功能遭到破坏,最终引发机体的疲劳感[24]。
1.3活性骨骼肌中的底物消耗或代谢累积
运动不仅消耗大量的能量,同时还伴随体内代谢产物的积累。引起运动疲劳主要代谢产物为乳酸、无机磷酸、H+、酮体、NH3等,此类代谢物的积累会使H+浓度上升,降低肌肉的pH值,阻碍了磷酸化酶与磷酸果糖激酶的活性通路,因此降低糖原分解与糖酵解反应能力,机体能量供给不足。有文献报道称,如果机体能适应生酮的能力,则酮体可用于补充运动所需的营养物质,快速地供应能量,缓解疲劳或快速恢复活力,防止剧烈运动导致的肌肉和器官损伤[25]。NH3是一种具有神经毒性作用的物质,由于机体运动后能量被耗尽,肌肉蛋白分解代谢产生 NH3,也能引起一定程度的疲劳[26],耗氧量越高,NH3产生量越多[27]。
1.4抗运动疲劳的潜在分子机制
抗运动疲劳最终可以表现为快速消除疲劳或延缓疲劳或运动能力的增加[28],同时机体也表现出适应能量水平降低和氧化应激的一种状态。机体内调节能量代谢和氧化应激都离不开酶的参与,AMPK是AMP依赖的蛋白激酶,以异源三聚体复合物形式存在[29],由一种催化亚基α(α1或α2)、两种调节亚基β(β1或β2)和γ(γ1、γ2或γ3)组成,这些亚基有着独立的基因编码,能形成12种复合物,是机体能量调节的重要作用位点。AMPK能被钙调素依赖蛋白激酶β(CaMKKβ)介导的Ca2+依赖性途径和肝脏激酶B1(LKB1)介导的AMP/ATP比值依赖性途径两种不同的信号激活[30]。AMP与γ亚基结合导致AMPK的变构激活以及AMPKα的Thr172位点去磷酸化保护,从而使酶保持激活状态。因此,AMPK是一个独特的代谢控制节点,在运动疲劳的调节中,AMPK主要参与氧化应激的调控[31]。运动能够刺激AMPK,通过磷酸化和AMP的变构激活来调节细胞的能量状态[32]。此时细胞外的葡萄糖分子就会被转运到细胞内,并发生代谢产能为机体提供能量[33],引起机体能量从消耗到产生状态的变化,以恢复能量平衡,缓解运动疲劳[34]。
核转录因子(nuclear factor - erythroid 2 p45 -related factor 2,Nrf2)是一种激活因子,具有调节氧化应激的功能,在氧化应激反应中驱动适应性细胞防御[35]。AMPK可直接磷酸化Nrf2,在细胞中,AMPK激活不仅可致Nrf2的积累,而且还可使糖原合成酶激酶-3β(Glycogen synthase kinase-3β,GSK3β)的活性降低,使Nrf2积累量增加,达到调节氧化应激的目的[36]。
MnSOD(锰超氧化物歧化酶)和HO-1(血红素氧合酶-1)在机体中起抗氧化作用,AMPK途径能诱导MnSOD和HO-1的表达[37,38],产生ATP分解代谢途径,关闭消耗ATP合成途径,使细胞恢复活力,达到延缓疲劳的效果。
线粒体在抗运动疲劳中起着很大的作用,是细胞供能的主要场所,线粒体合成能力决定着运动水平,过氧化物酶体增殖物活化受体γ协同刺激因子1α(PGC-1α)是线粒体合成能量的主要调控因子[39],PGC-1α参与线粒体氧化代谢、肝糖原异生等过程[40],表达后使线粒体转录因子A(TFAM)与热休克蛋白(HSP60-70)复合体结合[41],促进线粒体的生物能量合成[42]。AMPK通路抗疲劳机制见图2.
图2 AMPK通路的抗疲劳机制
Figure 2 Anti-fatigue mechanism of AMPK pathway
2具有抗运动疲劳作用的主要多酚类物质及抗疲劳机制
具有抗运动疲劳的多酚类物质有很多,如茶叶中的茶多酚、芡实种皮多酚、木瓜提取物、杜仲提取物等都具有抗疲劳功效[43]。多项研究表明(表1),抗疲劳多酚类成分主要包括黄酮、葛根素、姜黄素等。评价模式主要以小鼠负重游泳运动为主,评价结果均体现相关物质的抗疲劳能力。
表1具有抗运动疲劳作用的主要多酚类物质
Table 1 Main polyphenols with anti fatigue effect
成分 |
作用机理 |
评价模式 |
文献 |
葛根素 |
神经保护、清除NO |
负重游泳模型,保护大鼠海马细胞及加速疲劳恢复 |
[44、45] |
姜黄素 |
清除自由基、保护线粒体的结构和功能 |
游泳运动模型,预防大强度运动导致的小鼠的肝脏损伤 |
[46] |
槲皮素-3-O-龙胆二糖苷 |
抗氧化应激、抗炎、防止内皮功能障碍 |
负重游泳模型,增强大鼠运动耐力和抗氧化能力 |
[47、48] |
短梗五加果提取物 |
增加机体肝糖原、肌糖原储备量,增强小鼠体内谷胱甘肽过氧化物酶活力,降低乳酸和肌酸激酶水平 |
小鼠负重力竭游泳运动 |
[49] |
总黄酮 |
抑制脂质过氧化作用,减轻自由基脂质过氧损伤 |
小鼠跑台力竭实验和负重游泳 |
[50] |
白藜芦醇 |
降低代谢产物的堆积;提高体内抗氧化酶活性;能减少自由基引起的脂质过氧化反应 |
大鼠力竭跑步模型 |
[51] |
花青素 |
降低血清尿素氮(BUN)水平;提高肝、肌糖原的储备量;加快血乳酸的清除 |
小鼠负重游泳模型,增强小鼠运动耐力 |
[52] |
黑豆素 |
降低血清尿素及血乳酸水平,提高肝糖原水平 |
小鼠负重游泳模型,增加游泳时间 |
[53] |
儿茶酸 |
降低血乳酸,增加糖原含量,清除自由基对组织自由基氧化损伤的保护作用 |
负重疲劳游泳试验,增加游泳时间 |
[54] |
木瓜提取物 |
调节葡萄糖代谢,维持细胞内钙稳态,保持中枢兴奋状态;抗脂质过氧化损伤 |
负重疲劳游泳试验,显著延长小鼠负重力竭游泳时间 |
[55] |
杜仲叶提取物 |
清除自由基,改善身体能量代谢,调节神经系统功能 |
负重疲劳游泳试验,增加游泳时间 |
[56] |
连翘提取物 |
减少自由基OH的产生,避免脂质过氧化 |
负重疲劳游泳试验,增加游泳时间 |
[57] |
2.1黄酮类抗疲劳机制
图3黄酮抗疲劳机制
Figure 3 Anti-fatigue mechanism of flavonoids
黄酮类化合物属于多酚类物质,是自然界的天然氧化剂,主要分为黄酮、黄烷醇、总黄酮、黄酮醇和花青盐,其广泛存在于植物的各个部位,如果实等。黄酮具有预防人类多种疾病的功效,如抗癌、抗炎症、抗过敏、抗氧化[58]、预防肿瘤、对抗心肌缺血[59]等。大量运动后机体内自由基积累会引发疲劳效应。研究显示黄酮类化合物具有抗疲劳的功效,在骑行的实验中,有规律的喝槲皮素饮料能够延长骑自行车的时间[60];方富永[61]等利用不同剂量波纹巴非蛤肉复合酶水解肽灌胃小鼠,研究发现,灌胃剂量9mL/kg、灌胃30天,小鼠的负重游泳时间明显增强,但是抗疲劳的效果还是明显低于槲皮素,吴健全[62]利用1g/kg的槲皮素喂养小鼠14d后检验抗疲劳效果能达到相同的效果。白藜芦醇属于黄酮类化合物的一种,葡萄皮中含量最多,研究显示白藜芦醇也有助于治疗疲劳[63]。与李茂辉等[64]灌胃大豆多肽后小鼠的运动状态相比,郭瑞[51]利用白藜芦醇缓解运动能达到更良好的效果。由此可见多酚抗疲劳的潜在研究价值。
黄酮类化合物抗疲劳的机制主要表现为通过抑制诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)的表达,减少运动疲劳海马组织中 NO 的生成,使海马组织中环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)水平趋于稳定,实现对运动疲劳中枢神经的保护作用[45]。姜黄素可直接清除自由基及作为诱导剂调控Nrf2 信号通路达到缓解疲劳的作用[65、66],环氧氯丙烷相关蛋白-1(kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)是Nrf2 信号通路的核心分子,是Nrf2和泛素连接酶 Cullin 3之间的桥梁,通常情况下在胞内结合后被降解,当诱导剂被引入机体时,Nrf2在细胞核内的积累量增加,抗氧化反应元件(ARE)被激活启动抗氧化反应,ARE与Nrf2结合后加快Nrf2转录和翻译速率,产生抗氧化酶或蛋白[67],利于清除由于运动产生的自由基。槲皮素通过上调氧化还原因子-1(REF-1)导致核转录因子NFkB活性增加,进而下调白细胞介素6(Il6)和单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1),可上调基因MiR-125b和MiR-122抑制炎症因子C反应蛋白(CRP)、Il6和MCP-1的产生,也能通过磷酸化Thr-172位点激活AMPK通路延缓疲劳的发生[68]。
廖圆圆等[69]对比了枇杷叶总黄酮与维生素C的自由基清除效果,发现枇杷叶总黄酮清除超氧阴离子的效率较维生素C高。芦丁能降低丙二醛(MDA)、血清尿素氮(BUN)含量,降低谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)活性,到达缓解疲劳的作用[70]。从分子机制上面来看,总黄酮可以调节大鼠脑组织内γ-氨基丁酸转运体2(GAT-2)表达,使GAT-2转运抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)的功能更强,从而消除GABA诱发的运动疲劳[71]。当然,对于黄酮类抗疲劳的机制,文献中大多是测定酶的指标来确定抗疲劳机制,测定指标较少,可以增加测定机体肌肉收缩率、腺体分泌物的量和神经递质(例如多巴胺、去肾上腺素、乙酰胆碱、γ-氨基丁酸等)等指标进一步确定抗疲劳机制;对于疲劳的研究分析有一定的局限性,主要是骨骼肌的生理生化研究,基于研究水平的深入,应该在功能研究的基础上,增加微观结构方面的研究。黄酮抗疲劳机制图见图3。
2.2单宁类抗疲劳机制
图4单宁抗疲劳机理
Figure 4 Anti-fatigue mechanism of tannin
单宁又称鞣酸,结构复杂,是植物中涩味的主要来源,植物的各个部位都存在鞣质,皮、叶、种子中较为常见,如分布于桉树[72]、柿子树叶[73]、葡萄籽[74]中。食品的单宁包括水解型单宁和缩合型单宁两种类型[75]。单宁可使蛋白质、生物碱沉淀,具有很高的药用价值,如抗氧化、抗肿瘤、防止心脑血管疾病等功能[76],也是近年来研究人员对多酚类物质研究的关注点。
茶多酚又被称为茶单宁,为绿茶的有效成分来源,占绿茶干重的30%,干茶提取物含有25~40%的多酚。大多数的多酚是黄烷醇,一般被称为儿茶素[77]。大量运动加速氧气的消耗,产生的自由基增多导致疲劳,研究显示单宁类物质具有抗疲劳的功效[78],如绿茶中的多酚化合物具有抗疲劳的作用[79]。与张舜波等[80]灌胃小鼠竹节参皂苷提取物后检验缓解疲劳的效果来看,杜云[81]的茶多酚抗疲劳效果更好,茶多酚的在提高机体糖原储备量和抗氧化方面也较复合酶水解肽[82],抗疲劳效果和多糖相当,具有相当大的开发价值。
缓解疲劳主要机制表现为绿茶多酚能够清除体内氧自由基,抑制脱氧核糖的降解[83],茶多酚降低GSK-3βmRNA表达,使糖原合成酶1(Gys1)的表达能力上升,GSK-3β还可通过增强蛋白质激酶B(PI3K/Akt)活性促进糖原的合成[84]。降低乳酸(BLA)和血清尿素氮(BUN)的含量[85],降低肾功能损伤,使机体内SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)的活性增强,MDA减少[86],减少肌纤维和线粒体膜损伤,Seong Keun Kim[87]发现黑树莓根和果实中的单宁物质可以降低小鼠细胞中的NO(一氧化氮)含量。运动过程中产生的过氧自由基(RO-2)、单线态氧(1O2)、羟基自由基(.OH)、一氧化氮自由基等都会被单宁类物质清除,最后以比较稳定的苯氧基自由基形式呈现[88]。范小曼[89]研究了白花败酱单宁清除自由基的水平,发现单宁浓度与超氧阴离子自由基(O.2-)、羟基自由基(.OH)的清除能力呈量效关系。此外,单宁物质还可提高机体内SOD、CAT、LDH(乳酸脱氢酶)和GSH-Px的活性、增加血糖和肝糖原的含量,加快清除或延缓体内乳酸和血清尿素氮的积累[90,91],从而达到延缓运动疲劳的效果。以上文献中对单宁的抗疲劳研究测定指标基本是基于机体外周疲劳来研究的,对于中枢疲劳研究少见,可适当增加脑内代谢的变化(脑内血糖浓度、脑内氨浓度等)测定更有说服力。单宁抗疲劳机理图见图4。
2.3酚酸类抗疲劳机制
酚酸类化合物构成复杂,主要包含鞣花酸(Ellagic acid)、没食子酸(Gallic acid)、绿原酸(Chlorogenic Acid)、丹参素(Danshensu)、丹酚酸(Salvianolic Acid)、等[92,93]。研究表明,酚酸类化合物具有保护心脏、防治动脉粥样硬化等药理作用[94]。在抗疲劳的试验中,表现出良好的抗氧化活性的酚酸物质有咖啡酸和阿魏酸[95];当然,绿原酸对抗氧化能力的贡献率显著高于其他酚类物质[96];研究证实酚酸能诱导多型核细胞产生氧化应激作用[97];人参酚酸提取物可保护内皮细胞损伤[98],抗疲劳效果良好。
酚酸类化合物抗疲劳机制简单阐述为以下几方面,丹酚酸A可激活PI3K/Akt/Nrf2/HO-1信号通路起到抗氧化应激作用,且表现出较强的生物活性功能[99];丹酚酸A、B均能使机体内MDA含量降低,增加SOD活性,减少脂质过氧化水平[100]。酚酸可通过保护神经细胞和肝脏细胞的氧化应激来实现抗疲劳功能[101]。同时,酚酸中的阿魏酸、丹参素、咖啡酸还具有清除超氧阴离子自由基的能力[102],达到缓解运动疲劳的效果。目前,对酚酸的抗疲劳研究程度还不够深,大多是通过测定酶相关类指标验证,缺乏基因方面的研究。再者,验证试验局限大,人体方面的酚酸抗疲劳实验不够成熟。
3结论与展望
运动性疲劳涉及人体机能的各个指标,如果调解不好,会影响身体健康,甚至多种疾病。多种物质都具有抗疲劳能力,如皂苷、多肽、多糖等。但与多肽、部分皂苷相比,植物多酚更有优势;缓解疲劳效果与多糖相当,弱于维生素C。本文论述了多酚类物质的抗疲劳机制,大致可分为以下几种:清除体内自由基和积累的代谢物;减少海马组织中 NO 的生成,降低血清尿素和乳酸的水平;提高肝、肌糖原的储备量等。根据运动疲劳产生机理,结合多酚的抗疲劳原理,可从植物中提取多酚作为抗疲劳补充剂或功能食品来填补这一空缺。国内对多酚抗疲劳的研究大多都是在分析作用效果,对于多酚抗疲劳明确机制的研究鲜见报道,因此对于抗疲劳机制的研究还有待提升。
目前,在多酚抗疲劳机制的研究虽有一定的进展,但仍有很多方面需要改进。(1)验证实验模型较单一,大多以动物为研究对象展开,如小鼠负重游泳、跑T台试验,存在实验的连续性不强等缺点,缺乏有效的细胞评价方法。可以利用新兴的细胞培养技术进行操作,检测相应的指标。(2)实验方法较陈旧,试验周期较长、实操性强,可以通过构建多酚缓解疲劳调控网络,筛选并分析核心基因,建立抗疲劳基因数据库,通过检索系统即可查阅相应多酚的抗疲劳基因;也可利用网络药理学的方法,利用相关药理数据库和分析平台得到植物多酚的抗疲劳的相关作用靶点,由基因数据库中查询植物多酚缓解疲劳相关靶点,再通过虚拟平台建立成分-疲劳-靶点网络,再利用相关数据库对靶点进行分析,也可得到植物多酚抗疲劳的相关机制。
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