王海濤　劉玉倩　劉建國　段相林　趙煥彬　于　鵬

摘要：鐵在ATP合成、氧的轉(zhuǎn)運與利用等許多生理過程中發(fā)揮重要作用。骨骼肌是機體運動中利用鐵的重要器官，運動會改變骨骼肌細胞的鐵穩(wěn)態(tài)，骨骼肌鐵缺乏或鐵超載都會影響骨骼肌細胞的功能。進而影響機體的運動能力。因此運動與鐵代謝的關(guān)系引起越來越多學(xué)者的關(guān)注。骨骼肌細胞膜上鐵轉(zhuǎn)運蛋白受體1(transferrin receptor 1，TfR1)、二價金屬離子轉(zhuǎn)運體1(divalent metal transporter 1，DMT1)、腸鐵轉(zhuǎn)運蛋白l(ferroportin 1，F(xiàn)PN1)等參與了鐵的攝取和釋放，NO可能對運動中骨骼肌鐵代謝起重要調(diào)控作用，但其具體分子機制尚需深入研究。此外，骨骼肌細胞膜上分布著參與調(diào)節(jié)腸鐵吸收的鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白(hemojuvelin，HJV)，其在運動中對腸鐵吸收的調(diào)控作用有待進一步明確。

關(guān)鍵詞：人體生理學(xué)；骨骼??；鐵代謝；運動；鐵轉(zhuǎn)運蛋白受體；綜述

中圖分類號：G804.7文獻標識碼：A文章編號：1006-7116(2009)03-0096-05

鐵參與了機體許多重要的生理過程，是生物體內(nèi)含量最豐富的必需金屬元素。骨骼肌細胞內(nèi)的鐵一部分以血紅素鐵(hemeiron)的形式存在，主要指肌紅蛋白(myoglobin，Mb)，Mb可以從血紅蛋白(hemoglobin，Hb)中接受并貯存O₂，供肌肉運動；此外，骨骼肌細胞中血紅素鐵還包括線粒體中電子傳遞鏈上的細胞色素a、a₃、b、c₁和c，參與電子轉(zhuǎn)運，與ATP生成有關(guān)。骨骼肌細胞內(nèi)另一部分鐵以非血紅素鐵(non-hemeimn)的形式存在，主要包括線粒體呼吸鏈中的鐵硫蛋白和黃素蛋白如NADH、琥珀酸脫氫酶、黃嘌呤氧化酶；還有一些酶如三羧酸循環(huán)中的烏頭酸酶、核糖核酸和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，盡管不含鐵，但它們發(fā)揮作用需要鐵作為輔助因子；有些含鐵有機物雖然與能量代謝沒有直接的關(guān)系，但是對細胞能量代謝所需的穩(wěn)態(tài)環(huán)境的維持發(fā)揮重要作用，如過氧化物酶、細胞色素P450等。由于鐵參與了氧的轉(zhuǎn)運貯存及能量代謝，因此運動中骨骼肌細胞鐵代謝變化會直接影響ATP的產(chǎn)生，進而影響骨骼肌的運動能力。由于運動員中存在鐵缺乏的狀況，因此關(guān)于骨骼肌鐵代謝引起越來越多學(xué)者的關(guān)注。本文重點介紹骨骼肌細胞的鐵攝取與釋放、鐵缺乏與鐵超載對骨骼肌細胞功能的影響、運動中骨骼肌鐵代謝的調(diào)節(jié)機制等的研究進展。

1骨骼肌細胞的鐵攝取與釋放

骨骼肌細胞攝取鐵主要通過含鐵的轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin)明與細胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TfR1)結(jié)合形成鐵-Tf-TfR1復(fù)合物，經(jīng)過內(nèi)吞機制，以內(nèi)吞小體的形式進入胞內(nèi)。內(nèi)吞小體囊泡內(nèi)環(huán)境酸化后解離和還原釋放鐵離子，脫鐵后的Tf也從TfR1上解離，再開始下一次循環(huán)。進入胞內(nèi)的鐵一部分優(yōu)先被細胞內(nèi)含鐵蛋白捕獲，完成特定的生物學(xué)功能，另一部分與鐵蛋白(ferritin，F(xiàn)n)結(jié)合并貯存在胞內(nèi)鐵池中。鐵蛋白是機體鐵的主要儲存形式。當(dāng)細胞需鐵增加時，一方面可以通過鐵蛋白的鐵釋放，另一方面可以通過增加轉(zhuǎn)鐵蛋白從胞外攝鐵來滿足細胞對鐵的需求。骨骼肌細胞的細胞膜上除了有TfR1外，還有二價金屬離子轉(zhuǎn)運體1(divalent metaltransporter 1，DMT1)、膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白1(ferroponin 1，F(xiàn)PN1)等參與了鐵的吸收和跨膜轉(zhuǎn)運功能，其中，DMT1可將內(nèi)吞小體中已解離的鐵泵入胞漿，供細胞利用。FPN1具有使鐵從骨骼肌細胞內(nèi)釋放至胞外的功能，在亞鐵氧化酶的協(xié)助下，可將細胞內(nèi)的鐵釋放到血液中。與鐵代謝有關(guān)的亞鐵氧化酶(ferroxidases)主要有銅藍蛋白(ceruloplasmin，CP)和膜鐵轉(zhuǎn)運輔助蛋白(hephaestin，HP)。在腸吸收細胞中，HP可與細胞基底膜上的膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白FPN1共同作用，將鐵從腸上皮釋放出去，但尚未見有關(guān)骨骼肌中HP作用的報道。CP可幫助Fe³⁺與細胞膜外的轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合。此外，2004年發(fā)現(xiàn)的參與調(diào)節(jié)腸鐵吸收的鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白(hemojuvelin，HJV)又稱血幼素，在骨骼肌和心肌中存在高表達。轉(zhuǎn)染了HJV cDNA的細胞Fn含量明顯增加。這是由于HJV會明顯增加這些細胞對轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(transferrin-bound iron)和非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(non trans-ferrin-bound iron)攝取的能力。同時HJV可能具有降低細胞鐵釋放的功能。雖然HJV mRNA和受體蛋白(neogenin)在小鼠的骨骼肌有高表達，但其在骨骼肌鐵轉(zhuǎn)運中的具體作用尚需深入研究。

2運動與骨骼肌鐵代謝

鐵參與了機體內(nèi)Hb和Mb的合成、線粒體電子傳遞鏈中細胞色素酶的組成等，因此鐵可以影響氧的轉(zhuǎn)運及線粒體產(chǎn)生ATP的能力，進而影響運動成績。研究表明，耐力成績與Hb和組織中的鐵濃度相關(guān)。因此運動與骨骼肌內(nèi)鐵代謝存在密切聯(lián)系。然而研究又表明，運動會改變骨骼肌的鐵穩(wěn)態(tài)。趙光等用高頻電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP－PES)研究發(fā)現(xiàn)，小鼠一次性力竭游泳運動后，骨骼肌內(nèi)Fe含量明顯下降。對長時間耐力運動的研究發(fā)現(xiàn)，無論是長時間適度運動，還是長時間跑臺運動導(dǎo)致的運動性低血色素大鼠的鐵分布均呈現(xiàn)不同的變化趨勢：骨髓鐵出現(xiàn)不同程度的下降；肌肉中鐵含量明顯升高。這有可能是為了滿足運動中骨骼肌對鐵的需求，機體動員了骨髓等的貯存鐵，使鐵重新分布，確保骨骼肌運動對鐵的需求。關(guān)于運動后骨骼肌纖維胞膜上Tf的表達證實了這一點。劉玉倩等研究表明，適度運動可以促進機體鐵的動員，增加腓腸肌非血紅素鐵含量。這是由于腓腸肌細胞膜上向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運鐵的TfR1和DMT1蛋白表達增加，而轉(zhuǎn)運鐵出細胞的FPN1表達降低造成的。同樣，曹建民等的研究也表明運動訓(xùn)練造成的運動性低血色素大鼠肌肉中鐵代謝紊亂，肌肉應(yīng)激性使轉(zhuǎn)鐵蛋白以及轉(zhuǎn)鐵蛋白受體表達增加，以促進肌肉對鐵的吸收。因此，維持機體鐵穩(wěn)態(tài)尤其是骨骼肌的鐵代謝平衡對運動員來說是十分重要的。

3骨骼肌細胞鐵缺乏與鐵超載

3.1骨骼肌細胞鐵缺乏

目前，通過膳食調(diào)查、體格測試和生化檢測等手段的研究發(fā)現(xiàn)，運動員和普通人群仍存在鐵缺乏的現(xiàn)象。2005年，對23個項目599名(男331，女268)優(yōu)秀運動員的營養(yǎng)狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，貧血和缺鐵性貧血的檢出率在女運動員中為12.6％、男運動員為5.2％，女運動員明顯高于男運動員。2002年，我國營養(yǎng)普查結(jié)果顯示：缺鐵性貧血患病率達20.1％，其中2歲以內(nèi)嬰幼兒和60歲以上老人貧血率分別為31.1％和29.1％。此外，北京市2005～2006年在大興和西城區(qū)

對1797名20～60歲的職業(yè)女性和538名幼兒園兒童進行生物學(xué)監(jiān)測，結(jié)果顯示，職業(yè)女性貧血患病率為14.31％，3～6歲兒童患病率為7.43％，主要為缺鐵性貧血。

鐵缺乏會影響骨骼肌的功能。鐵缺乏時Hb和Mh減少，使血液中氧的運輸和運動期骨骼肌收縮時氧的傳遞和儲存減少，組織中含鐵有機物尤其是含鐵酶減少或活性降低，抑制了三羧酸循環(huán)，而且Hb或紅細胞數(shù)量的減少會影響運動中肌肉清除C02的能力，使肌肉的pH值降低，限制骨骼肌的有氧氧化能力，降低耐力。在運動性貧血條件下，大鼠腓腸肌內(nèi)ATP酶多數(shù)會發(fā)生顯著性降低。同時電子傳遞能力下降，而且，耐力運動成績的恢復(fù)與組織鐵濃度的回升密切相關(guān)。線粒體半胱氨酸脫氫酶Fe-S簇和順烏頭酸酶受大鼠骨骼肌鐵含量的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，鐵缺乏引起55％～76％細胞質(zhì)順烏頭酸酶活性下降，蛋白水平下降50％。缺鐵大鼠骨骼肌線粒體的最大呼吸能力降低，氧化磷酸化減少，肌酸磷酸分解增多，運動訓(xùn)練會加劇缺鐵大鼠骨骼肌線粒體微觀結(jié)構(gòu)的改變(嵴減少，空泡增多)。此外，貧血時運動能力降低還表現(xiàn)在亞極量運動時心率升高，運動后乳酸水平升高和恢復(fù)時間的延長。長期訓(xùn)練導(dǎo)致的骨骼肌疾病及肌紅蛋白尿與骨骼肌中琥珀酸脫氫酶和順烏頭酸酶缺乏相關(guān)。總之，大量的研究表明，耐力運動成績與Hb及組織中鐵的濃度密切相關(guān)。缺鐵性貧血時，氧運輸?shù)臏p少限制了骨骼肌的氧化能力，降低了VO_2max(最大吸氧量)和運動成績。

3.2骨骼肌細胞鐵超載

鐵是電子傳遞鏈中細胞色素酶的電子載體和三羧酸循環(huán)中大多數(shù)酶的功能成分，同時鐵是Hb和Mb的氧結(jié)合成分，是氧化代謝的中心。由于鐵可催化強氧化劑形成，增加對細胞膜、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸損傷的危險，因此過量鐵積聚于體內(nèi)可致使細胞、組織受損。例如遺傳性血色病(hereditary hemochromatosis，HH)就是過量鐵沉積造成多器官功能損傷。研究表明，骨骼肌鐵超載后TfR1表達下調(diào)，而HJV表達無明顯變化，參與葡萄糖和脂肪代謝的酶表達發(fā)生變化，更易誘發(fā)糖尿病。隨年齡增加骨骼肌內(nèi)的鐵貯量也會增加，從而誘發(fā)過氧化損傷。Altun等利用雙向凝膠電泳觀察4月齡和30月齡大鼠腓腸肌基因表達，發(fā)現(xiàn)老年大鼠的骨骼肌鐵貯量增加，轉(zhuǎn)鐵蛋白、SOD，表達增加，SOD₂表達減少，同時老年大鼠的骨骼肌在細胞呼吸過程中更易受到自由基攻擊。Jung等的研究也表明老年大鼠跖肌鐵聚積，鐵蛋白重鏈和輕鏈表達增加，TfR1表達下降。膳食中的VE可減少過氧化損傷，降低大鼠肝、骨骼肌組織中可變鐵池中的鐵。

4運動中骨骼肌鐵代謝的調(diào)節(jié)機制

關(guān)于運動中骨骼肌鐵代謝的調(diào)控機制，目前研究還較少，尚缺乏系統(tǒng)性的結(jié)論，可能涉及的調(diào)控途徑主要與NO和低氧刺激相關(guān)。

4.1運動中NO對骨骼肌鐵代謝的調(diào)控

NO與運動關(guān)系密切，在運動及鐵代謝中起重要的調(diào)控作用。本研究組以往研究表明10周游泳訓(xùn)練后的大鼠腓腸肌NO含量和NOS活性高于安靜對照組(p＜0.05)，DMTI(IRE)和TfR1表達較對照組增加，F(xiàn)PN1表達減少(p＜0.05)，而DMT1(non-IRE)表達無明顯變化。說明運動中NOS活性增強，產(chǎn)生更多的NO，引起腓腸肌細胞膜上TfR1和DMTI(IRE)表達增加，F(xiàn)PN1表達降低，使肌細胞從循環(huán)系統(tǒng)攝取鐵增加，而肌細胞向外釋放鐵減少，引起肌細胞內(nèi)鐵貯存增加，從而滿足運動中肌組織對鐵的需求。其具體調(diào)控機制可能與鐵調(diào)節(jié)蛋白1(iron regulatory protein 1，IRPI)、鐵反應(yīng)元件(iron response element，IRE)的結(jié)合活性改變有關(guān)。IRP1與線粒體順烏頭酸酶有高度同源性，線粒體順烏頭酸酶是NO主要靶酶，因此NO也能調(diào)節(jié)IRP1活性，其機制可能是NO與IRP1的Fe-S中心結(jié)合，破壞IRP1中Fe-S簇，從而激活I(lǐng)RP1與mRNA的結(jié)合活性，調(diào)節(jié)具有IRE的鐵轉(zhuǎn)運相關(guān)蛋白的表達。如果IRE存在于mRNA 5-UTR(untranslated region)，IRP與IRE的結(jié)合會阻礙mRNA的翻譯，進而減少蛋白表達。如果IRE存在于mRNA 3-UTR，IRE與IRP結(jié)合增加mRNA穩(wěn)定性，則會使蛋白表達增多。大強度的運動會引起肝、脾和骨髓細胞胞質(zhì)內(nèi)IRP活性增加，并且與IRE結(jié)合增強。最近關(guān)于NO和鐵代謝相互作用的研究結(jié)果證實了這種可能性。通過凝膠阻滯實驗(Gel-retardation assay)發(fā)現(xiàn)，NO可以增強小鼠單核巨噬細胞白血病細胞(RAW 264.7)TfR1中IRE與IRP1的結(jié)合活性，從而增加其mRNA的含量。但關(guān)于骨骼肌細胞中是否會存在相似的調(diào)控作用，還需進一步研究。

4.2低氧對鐵代謝的調(diào)節(jié)

在大強度運動中，工作細胞對氧的需求不斷增加，氧的需要量與氧輸送能力不相適應(yīng)會造成機體相對缺氧，即負荷缺氧。目前尚缺乏負荷缺氧對骨骼肌鐵代謝影響的報道。要學(xué)者對高原缺氧和低氧暴露進行了初步研究，Robach等研究發(fā)現(xiàn)7～9d高原缺氧使Hh表達下降(35％)，降低了鐵蛋白輕鏈(43％)和TfR(50％)及總鐵量(37％)，同時FPN1 mRNA表達增加。這表明低氧增加了肌細胞內(nèi)鐵的釋放。在高原缺氧條件下，為了促進紅細胞生成，鐵需求增加，促進機體鐵動員，增加Hb濃度。林文弢等觀察運動性低血紅蛋白大鼠在人工常壓低氧(14.5％)環(huán)境下恢復(fù)3周后發(fā)現(xiàn)大鼠血清鐵、血清鐵蛋白和總鐵結(jié)合力顯著升高，而血清轉(zhuǎn)鐵蛋白則顯著下降。這說明低氧暴露可促進血清鐵代謝，使體內(nèi)儲存鐵增加，有利于運動性低血紅蛋白恢復(fù)。也有研究表明適度低氧(10％)對小鼠骨骼肌鐵貯量無明顯影響，卻增加了肝臟中的鐵含量和金屬氧化還原酶的活性。不同的研究結(jié)果可能與低氧時間不同、運動形式差異和實驗對象不同有關(guān)，關(guān)于低氧對骨骼肌鐵代謝的影響及其調(diào)控機制還有待深入研究。

5研究展望

5.1骨骼肌鐵代謝的調(diào)控機制運動有可能通過增加NO含量而調(diào)控鐵代謝相關(guān)蛋白的表達，從而調(diào)節(jié)鐵在體內(nèi)的重新分布。目前尚缺乏直接證據(jù)證明運動中NO通過何種途徑促進機體貯存鐵的重新分布，NO對骨骼肌細胞攝鐵和釋鐵能力究竟有何影響，及其調(diào)節(jié)機制尚缺乏深入研究。以往的研究多處于系統(tǒng)水平，NO對肌細胞鐵代謝的調(diào)控機理缺乏細胞水平和分子水平的深入研究。此外，低氧刺激如何調(diào)控骨骼肌鐵代謝還需進一步研究。

5.2Hd7在骨骼肌鐵代謝及腸鐵吸收中的作用

骨骼肌細胞表達的HJV是血清HJV的重要來源，它可調(diào)節(jié)肝臟分泌抗菌多肽hepcidin，而hepcidin在腸鐵吸收中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。在小鼠骨骼肌細胞系C2C12中下調(diào)HJV受體(neogenin)的表達，會降低HJV釋放，而在HEK293過量表達neogenin，則會顯著增加HJV釋放，這表明肌細胞膜上HJV的釋放是由受體調(diào)控的。關(guān)于HJV在骨骼肌鐵代謝中的角色及其在腸鐵吸收中的作用有待進一步研究。

[編輯：鄭植友]