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运动疲劳机制及食源性抗疲劳活性成分研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-07-17
核心提示:疲劳是一种普遍存在的生理现象,是一个复杂的生理生化过程。
   疲劳是一种普遍存在的生理现象,是一个复杂的生理生化过程。一般情况下,疲劳是指生理过程不能持续其功能在特定水平和(或)不能维持预定的运动强度,即运动性疲劳。持续性或重度疲劳不仅会影响人们的正常生活,还会导致内分泌紊乱、免疫力下降,甚至出现器质性疾病,威胁身体健康。运动疲劳的产生往往伴随着能量物质、代谢产物、激素水平、细胞代谢调节酶和抗氧化系统酶类等的变化,实质上就是内环境平衡失去稳态引起了机体不适感。
 
  目前,运动疲劳产生的机制主要包括能量耗竭、代谢产物蓄积和氧自由基-脂质过氧化物学说。这三大机制之间存在着共同的信号调控途径,如能量代谢改变可以激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK),氧化应激同样也能激活AMPK,参与机体抗氧化还原反应的调节。因此,以抗氧化与能量代谢的共同调控靶点作为筛选安全有效的抗疲劳活性成分并设计与开发抗疲劳产品是非常可行的策略。近年来,国内外学者开展了大量的食源性抗疲劳活性成分的相关研究,这些工作的开展为抗疲劳功能产品的研发与抗疲劳机制的阐释奠定了基础。
 
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  中国农业大学食品科学与营养工程学院的陈慧、马璇和扈洪波*等人重点从运动疲劳产生机制、具有潜在抗疲劳作用的食源性活性成分及其应用等方面进行综述,并提出亟待加强的研究方向,这对今后筛选安全高效的抗疲劳活性成分具有重要意义,同时为新型抗疲劳保健产品的研究与开发提供参考。
 
  1 运动疲劳产生机制
 
  运动疲劳是发生于多器官、多细胞和多分子水平上的一连串事件,其产生的内在机制非常复杂。根据各种生理诱发因素的作用途径、位点和方式可以将运动疲劳分为外周疲劳和中枢疲劳。外周疲劳通常被定义为肌肉功能的受损,而中枢疲劳是指大脑无法维持产生所需动力或输出所需能量的驱动力,指的是运动神经元和中枢神经系统内部的过程。能量耗竭、代谢产物蓄积和氧化应激是目前疲劳产生机制的主流学说,它们对肌肉和中枢神经系统的影响可能直接导致了疲劳的产生。
 
  1.1 能量耗竭对肌肉和中枢神经系统的影响
 
  机体中为生命活动供应能量的主要能源物质有三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸、糖原、血糖以及脂肪,能量供应不足是导致运动能力下降和疲劳产生的因素之一,而运动强度和运动时间可以影响能源物质的消耗速率。不同运动强度和运动时间对能量代谢底物的利用具有选择性,根据运动项目的特点选择合适的能源物质的补充有利于延缓疲劳的产生。
 
  1.2代谢产物蓄积对肌肉和中枢神经系统的影响
 
  代谢产物的堆积对机体的利与害主要取决于它在体内蓄积的程度,增强机体利用代谢产物的能力可以减少损伤及改善运动能力。运动强度对疲劳生化指标的变化具有重要的影响。在不同的运动疲劳模型中,可以根据运动强度选择合适的评价指标,确保实验数据的有效性。
 
  1.3 氧化应激对肌肉和中枢神经系统的影响
 
  当前很多抗氧化剂应用于缓解运动疲劳中表现出良好的效果,如N-乙酰半胱氨酸、VC、VE等,但也有研究表明这类抗氧化剂的使用不但没有增强运动能力,反而有损肌肉功能。这很有可能是因为在不同的运动模型中没有准确评价机体的氧化应激水平,抗氧化剂的过量使用造成的。因此,当调控氧化应激水平至机体可适应的生理水平时,抗氧化剂的抗疲劳效果才有可能最大程度显现出来,且不易产生毒副作用。
 
  1.4 抗运动疲劳的潜在分子机制
 
  延缓运动疲劳的发生可以体现为运动耐力的增强,同时表现出对能量代谢应激和氧化应激具有更好的适应性。调控能量代谢和氧化应激的两个重要分子靶点分别是AMPK和核因子E2相关因子2(Nrf2)。可将AMPK作为靶点中心,从调控代谢底物的利用、细胞氧化应激的适应性、线粒体的生物合成以及肌纤维类型的变化相关的信号通路来阐释抗运动疲劳潜在的分子机制(图1)。
 
  Nrf2是机体应对氧化损伤的一种重要转录因子,大部分组织中均有表达。Nrf2影响线粒体脂肪酸氧化速率。通过激活Nrf2信号通路,一方面有助于缓解运动过程中产生的过度氧化应激造成的细胞、组织及器官的损伤;另一方面可以增强线粒体脂肪酸氧化功能,有助于减少葡萄糖氧化,从而促进糖原合成。因此,Nrf2可以作为抗运动疲劳的分子靶点,其可能的调控机制如图2所示。
 
  基于抗运动疲劳的潜在分子靶点,更有利于筛选抗疲劳效果明显、特异性强的活性成分。目前已有很多相关的研究报道了丰富多样的抗运动疲劳活性物质,然而大部分都没有明确阐释抗疲劳的分子机制,只是初步评价了抗疲劳效果及生化指标如血乳酸、尿素氮、肌酸激酶、脂质过氧化物、抗氧化酶等的变化。将现有的抗运动疲劳活性成分经过抗运动疲劳分子靶点的再次筛选有利于寻找更加安全高效、机制明确的抗疲劳活性成分以及开发具备多种功效、更加有利于健康的抗疲劳产品。
 
  2 具有抗运动疲劳作用的食源性有效成分
 
  众多研究表明,食源性抗运动疲劳活性成分主要包括活性肽类、氨基酸类、糖类、维生素、多酚、生物碱、类胡萝卜素以及皂苷类等天然活性产物,评价模型以动物的负重游泳及跑台模型为主,而且它们的抗疲劳作用普遍与调节能量代谢和氧化应激的作用明显相关。
 
  2.1 生物活性肽及氨基酸类
 
  食源性的生物活性肽主要是蛋白质经酶、酸或碱的水解产物,以及直接从高含量活性肽的天然动植物组织中直接提取得到。动物是抗疲劳生物活性肽的重要来源,包括海洋动物、哺乳动物、昆虫等;植物性生物抗疲劳活性肽的主要来源是大豆、玉米和花生等。肽类、氨基酸类化合物在抗疲劳作用方面不仅表现在抗氧化活性上,同时为机体的重要组成成分蛋白质提供了合成原料,氨基酸在糖类代谢途径中也是重要成员之一,因此氨基酸或肽类的补充可能对疲劳时机体糖代谢起到了调节作用。
 
  2.2 多糖和寡糖
 
  黑果枸杞(Lycium barbarum)多糖能显着延长负重力竭游泳小鼠的游泳时间,这与其提高小鼠抗氧化能力、促进糖原储备及减少代谢物蓄积的作用关系密切。黑木耳(Auricularia auricula)多糖增强了小鼠在力竭游泳运动中的抗氧化能力,表现在过氧化物质丙二醛(MDA)和8-羟基脱氧鸟苷水平降低,抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和过氧化氢酶活性增强,同时小鼠游泳耐力增强了36%以上。除了部分多糖具有抗疲劳作用之外,人们发现寡糖也具有抗疲劳活性,如β-葡聚糖索拉胶。不管是多糖还是寡糖,都具有一定的免疫调节功能,增强机体免疫力对其缓解疲劳作用是否有贡献值得进一步研究。
 
  2.3 多酚类
 
  多项研究表明多酚具有抗疲劳的功能,主要机制就是减少自由基的过度累积。单宁酸、花青素、儿茶酸、葛根素、茶多酚、芦丁、姜黄素、槲皮素、大豆异黄酮等天然多酚类化合物都具有明显的抗疲劳作用。大部分多酚类化合物因其多羟基的结构特性,具有良好的自由基清除功能,在抗运动疲劳方面表现出良好的效果。
 
  2.4 生物碱类
 
  胡椒碱是从黑胡椒中分离得到的一种生物碱类化合物,具有多种生物学功能,如抗炎、抗氧化、减肥、调节糖脂代谢等作用,也有研究显示胡椒碱在抗运动疲劳方面也有积极的作用。生物碱类化合物的抗疲劳机制多样,且目前在抗疲劳产品的应用中比较广泛,它们在抗疲劳活性物质筛选中是一类具有研究前景的天然产物。
 
  2.5 类胡萝卜素类
 
  类胡萝卜素是广泛存在于新鲜瓜果蔬菜、动物、微生物中的一类脂溶性天然色素,主要包括虾青素、β-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素、玉米黄质等。类胡萝卜素类化合物都具有显着的抗氧化活性,从降低氧化应激的角度来看,它们是极具潜力的抗疲劳候选活性物质之一。
 
  2.6 皂苷类
 
  皂苷是苷元为三萜或螺旋甾烷类的糖苷类化合物,糖基部分常见的有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸等,它是红景天、人参、大豆、甘草中的主要有效成分。皂苷类化合物对中枢系统的影响占据了主导地位,因此在抗疲劳应用中剂量应该严格控制,以免产生兴奋剂样副作用。
 
  2.7 维生素类
 
  维生素是人和动物生长发育过程中所必需的营养素,生物体不能自身合成,必须从食物中获得,分为脂溶性(VA、VD、VE和VK)和水溶性(B族维生素、VC)两类。维生素在维持体力与提高机体疲劳耐受力具有重要的作用。
 
  2.8 其他
 
  其他化合物如牛蒡子苷元、二十八烷醇、萝卜硫素等都有研究报道它们能显着增强动物运动如跑步、游泳耐力。目前已有的一些抗疲劳饮料和食品中往往含有矿物元素,如钙、镁、锌、钠、钾等,其并没有直接的抗疲劳作用,但是缺少这些矿物质却有可能引起疲劳,所以应针对不同人群考虑矿物质的合理补充。
 
  食源性抗疲劳活性物质大部分都可以通过抗氧化作用、增加糖原储存以及减少代谢物的蓄积来缓解疲劳,增强运动能力,其中只有少部分活性物质进行了更深入的分子机制的研究,它们对潜在的抗运动疲劳的分子靶点具有调控作用,图3是部分既有抗运动疲劳作用又对抗运动疲劳分子靶点有激活作用的食源性功能成分,根据这些功能成分的作用靶点,可以进行2、3?种甚至多种成分的组合,从而更好地发挥其抗疲劳效果。
 
  3 食源性抗运动疲劳活性成分在抗疲劳功能食品中的应用
 
  市场上的抗疲劳功能产品丰富多样,主要分为三大类,一类是以西洋参、红景天、冬虫夏草等名贵中药材为原料的抗疲劳保健品,成本高、价格贵;一类是以生物活性肽为主要原料,再配伍其他中药材和营养物质的抗疲劳保健品;另一类是运动饮料,主要包含一些能量物质、维生素及氨基酸等,此类产品价格亲民,然而其抗疲劳作用仍有待进一步研究。此外,部分食源性抗疲劳活性成分也有出现在抗疲劳功能食品的配方中。
 
  众多的抗疲劳功能食品配方中基本上都含有3 种以上的活性物质,这种复配的合理性、必要性与有效性,以及抗疲劳作用机制仍然需要进一步的研究。目前的抗疲劳产品更多的是针对运动员、军事人员或是特殊人群设计的配方,对于普通人群并不适用,或者效果并不是很显着。今后,可以利用已有的食源性活性成分设计新型的抗疲劳配方,让更多的人群受益。
 
  结    语
 
  综上所述,鉴于运动疲劳是一种复杂的生理生化过程,涉及机体全身,包括外周组织和中枢系统,目前人们对其产生的机制还未解析透彻,但是主流的疲劳产生学说:能量耗竭、代谢物蓄积、自由基学说对抗疲劳研究仍然具有重要的指导作用。而食源性功能成分是一个巨大的抗疲劳活性成分筛选库,可提供糖类、蛋白质、肽类等能源物质,也可以提供自由基清除剂如多酚、VC等,还可以提供调节机体能量代谢的多糖,多酚类等物质。结合运动疲劳发生机制,以食源性功能成分为抗疲劳功能配方的物质基础,可为研发新型、高效、安全、价廉的抗疲劳产品提供理论基础和技术支撑。
 
  目前,国内外在抗疲劳活性成分的发现与应用上也取得了丰硕的成果,但还存在一定的不足。1)大部分研究只是初步评价了活性成分的抗疲劳效果,其明确的抗疲劳机制还有待进一步研究。2)现有抗疲劳保健食品的评价都是以动物实验为基础展开的,实验周期长,成本高,细胞培养技术具有操作简便、周期短、成本低等优点,却缺乏有效的细胞抗疲劳评价方法。3)成果转化率较低,大部分只停留在动物实验层面,人体方面的研究数据相对匮乏。另外,以分子靶点为基础,更有利于筛选机制明确的抗疲劳活性成分,可为今后新型抗疲劳保健产品开发提供研究思路。
 
 
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