《The Journal of Physiology》：Effects of exercise followed by a low-carbohydrate diet on peak fat oxidation and mitochondrial coupling control and efficiency in healthy trained men
编辑推荐：
**摘要**
全身脂肪氧化与线粒体氧化能力相关，这凸显了线粒体功能在运动期间全身及骨骼肌底物利用中的核心作用——这一关系可能受到现有燃料可用性的调节。肌糖原因其对底物代谢的影响而成为运动期间的重要燃料，但其对峰值脂肪氧化（PFO）及线粒体偶联控制与效率（MC
**摘要**
全身脂肪氧化与线粒体氧化能力相关，这凸显了线粒体功能在运动期间全身及骨骼肌底物利用中的核心作用——这一关系可能受到现有燃料可用性的调节。肌糖原因其对底物代谢的影响而成为运动期间的重要燃料，但其对峰值脂肪氧化（PFO）及线粒体偶联控制与效率（MCCE）的影响仍不明确。本研究旨在探讨肌糖原含量对PFO、诱导PFO的运动强度（Fatmax）及MCCE的影响。十名训练有素的男性参与了一项随机交叉研究，包含两个连续两天进行的干预措施。第1天包括人体测量评估、血液采样、肌肉活检和分级运动测试，随后进行糖原耗竭方案。次日重复血液采样、肌肉活检和分级运动测试。两天之间分别采用高碳水化合物或低碳水化合物饮食以调控糖原水平。实验在7-14天后重复进行。研究人员对肌肉样本进行了糖原、甘油三酯含量及MCCE分析。PFO在两种干预后均增加，并在运动联合低碳水化合物干预（此时肌糖原含量较低）中进一步增强。Fatmax仅在运动联合低碳水化合物干预后增加。MCCE不受干预措施影响。研究得出结论：运动性糖原耗竭联合低碳水化合物饮食可提高PFO和Fatmax，但不影响MCCE。这些发现对理解和优化脂肪氧化及其作为代谢灵活性潜在读出指标具有重要意义。
**论文解读：肌糖原含量对峰值脂肪氧化及线粒体偶联控制与效率的影响——一项随机交叉研究**
**一、研究背景与目的**
脂肪氧化能力对耐力运动员的运动表现及普通人群的代谢健康均具有重要意义。因碳水化合物储存有限而脂肪储备几乎取之不尽，故在碳水化合物可利用性降低时，增强脂肪氧化可提供运动表现优势。反之，低脂肪氧化能力则与运动表现下降、脂肪堆积、肥胖及代谢性疾病相关联。宏量营养素摄入和内源性储存通过影响底物可用性，对脂肪氧化及峰值脂肪氧化（PFO）产生强烈影响。低碳水饮食、生酮饮食和禁食可提高运动期间全身PFO，而碳水化合物摄入则抑制PFO。运动强度同样影响底物可用性与脂肪/碳水化合物氧化比例，且交叉概念（crossover concept）描绘了脂肪与碳水化合物在运动强度谱中的分布特征。肌糖原作为运动期间重要内源性燃料，其分解与糖原储存和运动强度密切关联，从而强烈影响运动过程中的底物选择和氧化速率。然而，肌糖原是否及如何调节PFO和诱导PFO的强度（Fatmax）仍存在知识缺口。
此外，耐力训练可提高骨骼肌线粒体含量和酶活性，全身脂肪氧化与线粒体氧化能力呈正相关。线粒体偶联控制与效率（MCCE），通过磷酸/氧比值（P/O ratio）和呼吸控制比（RCR）反映，可能也受到底物可用性的影响，但该关系尚未被直接研究。从进化角度而言，由环境与气候变异驱动的能量可利用性波动可能塑造了MCCE：稀缺状态下更紧密的偶联可最大化每单位底物的ATP产出以节能，而能量充裕状态下的解偶联呼吸有助于产热并防止氧化应激。因此，内源性底物储备的大小、分布和变异性可能对线粒体效率及其调节产生影响，但这仍有待阐明。
基于上述两个知识缺口，本研究对训练有素的男性受试者在实验性操控肌糖原状态下进行了随机交叉研究，旨在探讨肌糖原含量对PFO、Fatmax和MCCE的影响。
**二、研究方法概述**
研究采用随机交叉设计，包括两种干预措施，各含连续两个测试日。10名年轻健康男性（年龄26.1±3.0岁，最大氧摄入量59.8±5.7 mL O
2/min/kg）纳入研究。第1天在禁食过夜后进行身体成分评估（双能X射线吸收法，DXA）、静脉血采样、肌活检（Bergstr?m技术）及分级运动测试，随后进行四阶段糖原耗竭运动方案（依据Wojtaszewski等人方案调整，包括按W
max70%强度骑行45分钟、高强间歇、上肢与下肢联合运动和力竭测试）。此后，受试者摄入高碳水（H-CHO：72.6能量百分比碳水化合物）或低碳水（L-CHO：9.1能量百分比碳水化合物）等热量饮食以调控糖原水平；次日重复血液采样、肌活检和分级运动测试。研究使用自动气体分析系统（Quark CPET, COSMED）和自行车测力计进行分级运动测试评估PFO及Fatmax。肌肉样本经冷冻干燥和生化分析测定糖原和肌内甘油三酯（IMTG）含量及柠檬酸合酶（CS）和羟酰辅酶A脱氢酶（HAD）活性。线粒体呼吸测量采用高分辨率呼吸计（Oxygraph-2k）在分离的线粒体上进行，同时使用碳水化合物（丙酮酸+丙氨酸）和脂肪酸（棕榈酰肉碱）底物分别记录呼吸能力，并计算P/O比与RCR。统计方法包括双因素方差分析混合模型、重复测量相关和线性混合模型，显著性水平设定为P<0.05。
**三、研究结果**
**研究对象特征及基线特征：** 10名受试完成研究，各组在年龄、BMI、体成分和血压方面均保持稳定。两种干预下第1天到第2天体重均小幅下降（H-CHO：0.9±0.7 kg；L-CHO：1.1±0.9 kg），差异具统计学意义。
**肌糖原水平：** 肌糖原含量从基线（566±155 nmol/mg干重）到H-CHO第2天显著降低30.5%（P=0.029，至393±115 nmol/mg干重），至L-CHO第2天显著降低69.3%（P<0.001，至174±27 nmol/mg干重）。L-CHO第2天肌糖原比H-CHO第2天低55.9%（P=0.0006）。IMTG含量、CS和HAD活性不受干预影响。
**脂肪氧化参数：** PFO在H-CHO干预第2天增加24.3%（0.46±0.09 g/min，P=0.021），在L-CHO干预第2天增加89.7%（0.74±0.11 g/min，P<0.0001）。L-CHO第2天比H-CHO第2天PFO高60.9%。重复测量相关分析显示肌糖原与PFO呈强负相关（r
rm-0.81，P<0.001），血浆游离脂肪酸（FFA）与PFO呈强正相关（r
rm=0.79，P<0.001）。Fatmax在L-CHO干预中从第1天的41%V?O
2peak升至第2天的56%V?O
2peak（增加36.6%，P=0.035），H-CHO干预中未变化。
**运动能力指标：** V.Net老年期O
2peak在各干预间均保持不变。总呼吸交换比（RER）在H-CHO干预第2天降低3.3%（P=0.011），在L-CHO第2天降低16.4%（P<0.0001）。L-CHO第2天RER显著低于H-CHO第2天。最大功率输出（W
max）在L-CHO第2天降低6.7%（P=0.008），H-CHO不变。感觉劳累程度评分（RPE）在两个干预中都有所增加。
**血液指标：**血浆FFA在H-CHO第2天增加114.7%、L-CHO第2天增加141.6%（均P<0.001）。血浆葡萄糖在L-CHO第2天降低5.8%（P≤0.0001）。L-CHO第2天胰岛素浓度比H-CHO第2天低36%（P=0.001）。血浆甘油在L-CHO第2天显著升高（126.7%，P<0.0001），且L-CHO高于H-CHO。血浆TAG和总胆固醇仅在L-CHO第2天降低。HOMA-IR在L-CHO第2天下降23.1%（P=0.041）。hsCRP在两种干预下均显著升高（H-CHO：223%；L-CHO：387%），提示运动诱发的炎症反应。
**线粒体偶联控制与效率：** P/O比从基线到第2天在各个干预及不同底物条件下均无显著变化。碳水化合物底物条件下H-CHO与L-CHO的P/O比无差异。脂肪酸底物条件下P/O标准差效应量（dz=0.33）虽未达统计学显著，但提示有待考察的可能微小差异。RCR在各个条件下均维持不变且干预间无差别。CS活性标准化的线粒体呼吸能力在各干预中均无显著变化，但L-CHO组脂肪酸底物下复合物I+II呼吸呈升高趋势（P=0.092）。
**三、讨论与结论**
研究核心发现为肌糖原含量影响PFO和Fatmax，而MCCE不受影响。实验结果支持最初的假设：低肌糖原浓度伴随血浆FFA升高时，PFO和Fatmax均增加。而线粒体效率在肌糖原差异条件下维持稳定。
**PFO的调节机制涉及多方面因素：** 低肌糖原伴随的血浆FFA升高，已知能促进脂肪氧化，研究结果扩展了此前发现：PFO在分级运动中以剂量依赖方式随血浆FFA增加。肌糖原与PFO的强负相关性暗示存在耦合关系。但PFO的改变可能并非单纯由肌糖原含量调节，而是受到血浆FA、甘油、酮体等整体底物环境共同影响。研究承认了单一参数无法完全解释PFO变化，肌纤维类型组成、肌纤维募集模式和超微结构糖原异质性也起重要作用。此外，低肌糖原还可能通过上升丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4）表达来抑制葡萄糖氧化，进而转变代谢倾向。
**Fatmax的增高机制：** Fatmax在L-CHO第2天显著上升，可能因该状态下血浆葡萄糖降低，减弱糖酵解通量，促进较高强度下脂质利用。研究进而提出游离肉碱可用性假说：在较高糖酵解速率下，过量乙酰-CoA消耗游离肉碱形成乙酰肉碱，从而限制长链脂肪酸进入线粒体的转运。低CHO干预中较低的糖酵解通量可能维持游离肉碱可用性，激发线粒体脂肪酸摄取和氧化，从而解释Fatmax右移。
**MCCE不受影响的机制解释：** 与假设相反，肌糖原和血浆FFA浓度虽发生显著变化，MCCE却保持不变。这与Fernstr?m等人的研究（24小时超耐力运动后即刻测到线粒体效率下降）存在差异，可能归因于运动时长、活检时点及运动后恢复时间的差异。该研究提示，糖原耗竭性运动后恢复期也许是线粒体效率恢复的关键期。胰岛素在细胞水平上调线粒体偶联效率的效应，但在本研究的低胰岛素、低碳水状态下未见相应变化，提示肌肉糖原含量与MCCE的关联可能有限。P/O比在脂肪酸底物条件下体现的小到中等效应量虽未达显著，但提示此方向值得关注，可能表明碳水化合物调控主要影响代谢灵活性和底物分配，而非线粒体内在耦合效能的改变。总体而言，研究提示能量可用性并不直接调节线粒体偶联控制与效率。
**方法学考量：** 随机交叉设计的优点是减少了受试者间变异，而局限性包括：依赖自报饮食和活动记录；第2天的运动疲劳效应可能混淆基线变化；hsCRP升高提示运动诱发的炎症；仅采集一次基线活检可能未完全反映干预间隔期的潜在时间效应。此外，样本量较小（n=8-10)及线粒体观测较大的受试者间变异可能降低统计检验效力，存在一定的II型错误风险。
**研究结论：** 本研究发现，运动性糖原耗竭联合低碳水饮食可增加PFO和Fatmax，但不影响MCCE。通过运动和饮食干预成功操控肌糖原水平，PFO的变化可能归因于血浆FFA可利用性的差异以及上游分子适应共同介导。线粒体偶联控制与效率在肌糖原差异条件下保持稳定，说明观察到的底物氧化变化可能并非通过线粒体功能改变实现，而是由底物可利用性和上游调节过程协同调控线粒体燃料供应。
**未来方向：** 未来研究应深入探索糖原依赖性PFO和Fatmax适应的分子机制，特别是氧化途径中关键酶蛋白表达的变化。在不同人群（如未训练个体、代谢异常人群）中重复该研究可进一步验证机制的普适性，并排除训练适应的混杂影响。同时，在能量亏缺状态下验证此结论将深化对能量代谢和线粒体生物学之间关系的理解。
