乳酸可提高你的运动耐力？要有MCTI“保驾护航”

出品：科普中国

作者：张玲玲（中国科学院上海营养与健康研究所）

监制：中国科普博览

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大家所熟知的“骨肉相连”这一成语中的肉到底是哪里的肌肉呢？不是“定居”心脏的心肌，也不是在内脏和血管“安家”的平滑肌，答案是骨骼肌！从体重角度看，作为人体内数量最多的肌肉与组织，体重的40%都是它；从能量代谢角度看，作为机体最大的能量代谢器官，骨骼肌既是产生乳酸，又是消耗乳酸的主要场所。

乳酸？那不是让我运动完浑身酸痛的罪魁祸首吗？先别急着摇头，所有乳酸都一无是处吗？

中国科学院上海营养与健康研究所陈雁和杨立峰团队合作研究发现，由转运体(骨骼肌单羧酸转运蛋白)MCT1介导的乳酸促进了骨骼肌氧化型肌纤维（生活中常被称为“红慢肌”）的产生，可以提高机体运动耐力，改善代谢等一系列表型。

相关研究结果于2024年6月26日在国际学术期刊Science Advances在线发表，论文题为“Lactate transported by MCT1 plays an active role in promoting mitochondrial biogenesis and enhancing TCA flux in skeletal muscle”。

变“废”为“宝”——“乳酸穿梭”理论

乳酸最初是由瑞典药剂师和化学家Carl Wilhelm Scheele于 1780年在酸奶中发现的。在200多年的时间里，甚至到目前为止，乳酸仍然因“代谢废物”这一看法在生物学与运动生理学等领域饱受争议。

早期的一些实验结果表明低氧会引起高乳酸，反之亦然——高乳酸反映了低氧。因此，人们认为正是运动过程中堆积了乳酸导致肌肉疲劳和酸痛。

然而，George Brooks于20世纪80年代中期提出的“乳酸穿梭”理论则证实了骨骼肌和许多其他组织或细胞在完全有氧条件下也可以产生乳酸。

“乳酸穿梭”理论的核心认为，乳酸作为能量底物，由以糖酵解（糖代谢的三种主要形式，无氧糖酵解、有氧氧化和磷酸戊糖途径。无氧糖酵解即指葡萄糖在无氧气的参与下被细胞代谢为丙酮酸或终产物乳酸的形式。）供能为主的细胞或组织产生，经过循环运输，继而被以氧化代谢功能为主的细胞或组织消耗。

“乳酸穿梭”理论

（图片来源：参考文献1）

这一理论的提出，打破了长久以来人们认为乳酸是“代谢废物”的偏见，原来“废物”不“废”，只待科学的慧眼发现，也可华丽逆袭变成“宝贝”。乳酸对于机体代谢重要作用的漫长研究也由此陆续展开。

自产自销——骨骼肌的乳酸代谢

骨骼肌中乳酸的转运依赖MCT家族蛋白，特别是MCT1和MCT4。早在1998年，科学家就已发现MCT1在骨骼肌中的表达分布与骨骼肌氧化能力呈正相关，而MCT4则相反，呈现负相关。

2024年7月底，巴黎奥运会正在如火如荼进行。谈到骨骼肌，我们不由疑惑，为什么短跑运动员的体型相对长跑运动员更为壮硕呢？这就不得不说一说骨骼肌的几种分型了。19世纪上半叶以前人们对骨骼肌的分类只是简单地根据其颜色划分为白肌和红肌，白肌的运动爆发力更强、但更容易疲劳，而红肌则相反。

随着肌纤维细微结构的揭示，成束排列的肌纤维是骨骼肌的基本组成单位。肌球蛋白是组成肌纤维的关键成分，同时也是驱动着肌纤维收缩作用的基本功能单位。**哺乳动物骨骼肌主要由四种不同肌球蛋白以及不同代谢特征的肌纤维构成。**肌纤维作为骨骼肌组织的一类特殊细胞，包括氧化型的慢收缩1型肌纤维，氧化型的快收缩2A型肌纤维，以及糖酵解型的2X和2B型肌纤维。这四类肌纤维的组成比例可大有说法——氧化型肌纤维（1型和2A型）体积相对较小，但其较高的线粒体、血管含量以及氧化酶水平等特征赋予了其更强的能量底物利用效率以疲劳抗损伤特性，因此氧化型肌纤维在骨骼肌中的比例越高，它的肌肉体积越小，颜色越红，氧化代谢能力及运动耐力则越强，例如比目鱼肌；而糖酵解型的肌纤维（2X型和2B型）体积相对较大，糖原储备相对较高，较快的收缩速率以及糖酵解供能效率赋予了快肌能在短时间内爆发出更多能量的特性。因此糖酵解型肌纤维在骨骼肌中的比例越高，它的肌肉体积越大，颜色越浅，爆发力越强但耐力相对更弱，例如股四头肌

因此，像长跑、竞走等需要较长时间运动、消耗更多氧气的称之为有氧运动，在这过程中发挥主要作用的就是红肌，所以我们看到的这一类运动员的体型都是相对瘦而不柴的。而像举重、短跑等需要短期内爆发出巨大能量的运动，我们称之为无氧运动，在此类运动行驶中发挥主要作用的则是白肌，运动员的体型则相对更壮硕。

不同肌纤维参与的运动类型

（图片来源：参考文献2）

乳酸作为糖酵解的产物以及氧化代谢的能量底物，其在不同类型肌纤维之间是如何转运的？MCT1作为骨骼肌中表达量相对最高的乳酸转运体，在不同类型骨骼肌肌纤维中的特异分布及功能又是怎样的？是否与运动功能存在联系？带着这些疑惑，研究人员迅速开展了相关研究。

聚焦：MCT1介导的乳酸

近几年，中国科学院上海营养与健康研究所的陈雁研究团队一直致力于MCT1及其介导的乳酸在多个组织中的生理或病理功能探究。在正式研究骨骼肌中的MCT1之前，团队首先发现了MCT1和另一种主要的乳酸转运体MCT4在不同类型肌纤维上的分布存在特异性。

MCT1在2B型的糖酵解型肌纤维上几乎不表达，而MCT4则恰恰相反，仅在1型和2A型的氧化型肌纤维上不表达。这一结果极大激发了研究人员继续探究骨骼肌乳酸代谢的兴趣。

在极其有限的时间内，研究团队进行了一系列生物化学实验以及体内外动物、细胞实验，还得到了中国科学院上海营养与健康研究所杨立峰团队代谢流技术的加持，如点睛之妙。

结合该技术得出的数据，研究清晰地揭示了骨骼肌单羧酸转运蛋白MCT1介导了肌纤维胞内、胞外乳酸转运的生理过程，发现由MCT1介导的乳酸增加了骨骼肌线粒体生物合成及功能，促进了骨骼肌氧化型肌纤维的产生，提高机体运动耐力，改善代谢等一系列表型。

MCT1骨骼肌特异性敲除生理功能影响模式图

（图片来源：作者提供）

纵观无数优秀科研事迹，每一位科研人员都必定付出了辛勤的汗水，历经了无数次头脑风暴，才结出新奇有趣的科研成果。千里之行，始于足下，每一个微小的发现都像是建设房屋时的一块块瓦砾，正是这些不起眼的“瓦砾”构建起了人类生命科学坚实的房屋。此项研究自开展至今，科研人员同样也经历了无数次的不知所措，无数次失败与成功场景的上演。

科研人员正在进行实验

（上、下图分别为论文第一作者张玲玲和辛晨浩）

（图片来源：作者提供）

尤其是在分子机制探究的过程中，科研团队经过一次次的试错，终于揭开了骨骼肌MCT1生理意义的分子机制之谜。

当特异性敲除骨骼肌MCT1时，乳酸进入氧化型肌纤维以及进入线粒体的过程同时受阻，胞内NAD+水平增加，依赖NAD+的去乙酰化酶SIRT1活性增加。因而PGC-1α的去乙酰化水平及其活性相应增加，提高了线粒体的生物合成过程及其生物活性和功能，最终带来一系列代谢表型及运动功能等改变。

MCT1在肌纤维中的分子作用模式图

（图片来源：参考文献3）

结语

此研究首次从肌纤维与细胞层面揭示了乳酸转运的生理过程，既是对“乳酸穿梭”理论的进一步验证与完善，也是对骨骼肌生理过程的进一步揭示，为骨骼肌生理、病理探究提供了新的理论基础。

此外，骨骼肌肌纤维类型转换长久以来一直都是运动生理学研究的热点之一。鉴于肌纤维类型不同的代谢特征以及不同的抗损伤、抗衰老能力，亦或是对不同运动形式的贡献度，本研究也为靶向骨骼肌的代谢改善、病理损伤以及运动生理学研究提供了探究基础，或有望启思运动员耐力改善、糖尿病等慢性代谢紊乱疾病改善等相关应用研究。

孜孜不倦攀登人类生命科学高峰，是每一位生命科学工作者亘古不变的初心。虽然机体代谢之谜的生理探究犹如浩瀚星河，但相信每一个新发现都将成为病理研究的理论基础，甚至可能成为疾病的治疗靶点。在未来，研究团队仍然会聚焦乳酸对机体代谢的生理、病理功能做进一步探究。

参考文献

1.Brooks GA. The Science and Translation of Lactate Shuttle Theory. Cell Metab. 2018 Apr 3;27(4):757-785. doi: 10.1016/j.cmet.2018.03.008. PMID: 29617642.

2.Elizabeth Quinn, MS. Fast and Slow Twitch Muscle Fiber With Performance

3.Zhang L, Xin C, Wang S, Zhuo S, Zhu J, Li Z, Liu Y, Yang L, Chen Y. Lactate transported by MCT1 plays an active role in promoting mitochondrial biogenesis and enhancing TCA flux in skeletal muscle. Sci Adv. 2024 Jun 28;10(26):eadn4508. doi: 10.1126/sciadv.adn4508. Epub 2024 Jun 26. PMID: 38924407; PMCID: PMC11204292.