冷环境下运动生物能学与骨骼肌无效代谢循环的热力学解释

从生物能学观点看，冷环境下棕色脂肪解偶联蛋白1（uncoupling protein 1,UCP1）解偶联是机体产热和维持体温的重要机制，但成年人棕色脂肪含量极低，因而其产热的意义受到质疑。尽管研究证实运动促进脂肪棕色化，但其受环境温度、性别、训练水平等诸多因素影响较大，因此研究结果难以一致。研究从热力学角度探讨冷环境的运动适应以及能量转换过程，从分子层面揭示：运动时骨骼肌内的无效循环加快，通过Ca²⁺跨膜转运、磷酸肌酸穿梭、α-磷酸甘油穿梭等路径，实现Ca²⁺、磷酸肌酸、还原型辅酶Ⅰ（reduced nicotinamide adenine dinucleotide,NADH）跨膜转移，底物总量不发生变化，但伴随三磷酸腺苷（ATP）水解和产热。从热力学第一定律（ΔU=Q+W）来看，生物氧化释放的化学能（ΔU）是产热（Q）和肌肉对外做功，即肌肉收缩（W）之和。产热包括解偶联蛋白（uncoupling protein,UCP）解偶联产热和无效循环产热两部分，UCP1是脂肪棕色化和产热的重要标志。从热力学判断，冷环境下运动是否依赖脂肪产热以维持体温，在很大程度上还取决于无效循环的产热以及肌肉对外做功。因此，运动并非总能促进白色脂肪棕色化，甚至不能看作是运动促进健康的标志。