魏源王革卓莉
《上海體育學院學報》2007年02期
【作者單位】：廣州體育學院科學實驗中心韓山師范學院體育系韓山師范學院體育系
【關鍵詞】：運動；骨骼肌微損傷；機械損傷學說；代謝學說；炎癥反應學說；
【摘要】：
綜述運動性骨骼肌微損傷機制的研究進展，將其歸納為機械損傷學說、代謝學說(包括能量代謝紊亂學說、細胞內鈣穩(wěn)態(tài)失調學說和自由基學說等)、炎癥反應學說等不同假說。認為：運動性骨骼肌微損傷的機制仍處于探索之中，應綜合機械損傷和化學損傷等假說解釋運動性骨骼肌微損傷。
目前，有關運動導致骨骼肌微損傷的機制，學術界一直存在著不同的看法，可歸納為機械損傷學說、代謝學說(包括能量代謝紊亂學說、細胞內鈣穩(wěn)態(tài)失調學說和自由基學說等)、炎癥反應學說等不同假說。本文擬對此作一綜述。
1、機械損傷學說
早在20世紀初，Hough初次提出，肌肉損傷主要是由于運動引起的肌纖維的機械損傷所致。隨后許多學者的大量研究結果均支持和豐富這一學說，使其成為骨骼肌運動性損傷研究中的經(jīng)典學說。Newham等報道，在肌肉牽拉練習后，可見肌節(jié)結構破壞，細胞膜通透性增高，纖維變性，巨噬細胞浸潤等組織學改變。Warren等認為機械牽拉是離心性收縮所致肌肉損傷的始動因素，其中肌張力起主要作用。Newham研究表明，當肌肉承擔的負荷相同時，進行離心收縮比向心收縮更容易導致肌肉損傷，這是因為進行離心收縮時，主動肌單根肌纖維上承受的力要比相同負荷向心收縮時肌纖維上承受的力大1倍。Armstrong發(fā)現(xiàn)延遲性肌肉酸痛和損傷多發(fā)生在進行離心收縮的肌肉，他認為離心性運動雖然氧耗、能耗少，但是參與的肌纖維也少，勢必使離心性運動時單根肌纖維所承受的力較大，易于造成損傷。
目前的研究結果認為，肌肉收縮時產生的機械牽拉可破壞肌細胞的超微結構，造成肌肉損傷。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。
1．1肌細胞膜損傷
反復的高強度的肌肉收縮可對肌細胞膜產生很大的牽拉作用，當這種牽拉作用產生的張力超過細胞膜的承受范圍時，使得細胞膜損傷或細胞膜通透性增加，引起肌細胞產生一系列變化，導致肌肉超微結構變化。
Friden等報道離心訓練導致肌肉損傷2d后，血清CK含量升高36％，并指出離心訓練的高緊張性造成機械損傷，使肌肉酶釋放入血。Byrres等報道下坡跑后，血清中CK值、肌紅蛋白值顯著增加。Balave發(fā)現(xiàn)離心性收縮造成肌肉損傷后，血清CK值和肌紅蛋白濃度呈延遲性增高。田野認為，在離心運動后，血清肌肉酶活性升高，且其變化呈延遲性特征，并同延遲性肌肉損傷和肌肉酸痛的時相相似，表明肌細胞膜損傷可能是導致肌肉超微結構變化的重要原因。Brown等認為離心運動不導致肌細胞內質網(wǎng)的損傷，因為離心收縮后雖然肌肉電-機械延遲增加，但舒展功能并不受影響，這可能是DOMS可以自動消失的結構基礎。
1．2細胞骨架損傷
細胞骨架對維持肌節(jié)的正常結構起著非常重要的作用，在運動過程中，高張力的機械牽拉會使細胞骨架的正常結構受到影響，從而造成肌肉收縮蛋白結構破壞。
根據(jù)運動后細胞外骨架Desmin蛋白的變化，有學者提出一種肌肉損傷變化的假說：高張力的離心收縮對肌組織產生高張力牽拉，造成中間蛋白微絲斷裂，使肌肉蛋白分子結構破壞，降解肌肉蛋白和球狀蛋白，激活溶酶體蛋白水解酶，進一步降解肌肉蛋白質，破壞Z盤結構，從而導致肌肉超微結構損傷。
雖然目前尚沒有充足的直接證據(jù)證實運動導致細胞內骨架的變化，但有研究表明運動會導致細胞內骨架titin的骨架網(wǎng)絡破壞。Clare等(1991)發(fā)現(xiàn)，離心收縮后，盤流的附近，myosin蛋白脫離肌節(jié)中間位置而更接近某一盤，提示可能是由于維持myosin正常位置的titin的結構被牽拉性破壞，從而引起myosin位置改變，即高張力牽拉→肌節(jié)內骨架titin結構破壞→維持myosin正常位置的作用力減弱或消失→myosin位置發(fā)生變化→肌細胞收縮功能下降。Lieber等報道，肌節(jié)的過度擴張引起胞內局部鈣離子濃度升高，激活蛋白酶，使Desmin血發(fā)生水解，從而使得肌節(jié)結構紊亂。進一步驗證Brooks等的假說，即細胞骨架蛋白的水解是骨骼肌離心收縮損傷的重要原因。
1．3肌細胞收縮成分的機械性損傷
收縮成分的損傷是肌原纖維在受到被動牽拉時所發(fā)生的損產或肌微絲的降解。這種損傷的原因也許并不如此簡單，可能涉及蛋白質空間結構的破壞和ATP能量轉換障礙。由于蛋白質的功能與其空間結構有關，空間結構又依賴各種化學鍵維持，而肌肉運動時橫橋的擺動恰好是蛋白質空間結構的改變。由于離心收縮時橫橋的擺動與其正常擺動的方向相反，這就有可能導致維持其空間結構的化學鏈的破壞和結構損傷。有人認為細胞收縮成分的機械性損傷還可能與ATP酶的水解速度有關：在橫橋作退讓性擺動時，若ATP酶水解速度與牽拉速度適應，損傷不會發(fā)生；而當ATP酶水解速度落后于被動牽拉的速度時損傷即可能發(fā)生。有證據(jù)表明，離心運動的速度是比力量更重要的致DOMS因素。但問題是：如果離心速度足夠慢的話是否可以完全避免DOMS?耐力運動員是否比速度運動員更易表現(xiàn)出DOMS?
1．4鄰近肌節(jié)受力不平衡
肌肉在正常狀態(tài)下，鄰近肌節(jié)的長度和收縮速度本身存在輕微的不平衡狀態(tài)，在不同的收縮形式下，這種不平衡狀態(tài)會使鄰近肌節(jié)的受力產生不平衡。如在向心性收縮時，當肌肉至大縮短速度相差0．5％時，鄰近肌節(jié)的受力相差2％；而在肌肉離心收縮時，雖然收縮速度同樣相差0．5％，但鄰近肌節(jié)的受力就相差50％以上。因此，肌肉在離心收縮時，由于相鄰肌節(jié)的牽拉力相差較大，容易造成Z線流，或牽拉myosin造成myosin在肌節(jié)中的位置改變。
Morgan等研究發(fā)現(xiàn)，活動中的肌肉在受到牽拉時，肌節(jié)的動態(tài)變化與肌張力之間的關系異常。因為肌肉受到牽拉后，肌節(jié)的長度超過了粗細肌絲相互重疊時的長度，此時，粗細肌絲之間已不能形成橫橋連接。而當肌肉舒張時，這些肌節(jié)的粗細肌絲并不能回復原位，隨后肌肉收縮又牽拉這些肌節(jié)，由此產生“Popping”損傷。并對鄰近肌節(jié)施加更大的牽拉應力，導致鄰近肌節(jié)結構破壞。也有不少研究者認為：肌節(jié)間牽張力的不平衡在運動性骨骼肌損傷發(fā)生中的作用比肌牽張力的作用要大；同時肌節(jié)對承受應力存在一個生理閾值，只有肌節(jié)所承受的應力超過此閾值，才導致肌纖維損傷。
2、肌細胞能量代謝紊亂學說
許多學者的研究表明，肌肉收縮過程中，肌細胞內能量物質耗竭、代謝產物堆積等對肌纖維的功能及整個肌肉的工作能力均產生影響，也是運動導致骨骼肌微損傷發(fā)生的一個重要的原因。
2．1高能磷酸化合物與損傷
骨骼肌收縮時，肌纖維的收縮蛋白-肌動蛋白和肌球蛋白在連接和分離的過程中要消耗能量，其能量來源于三磷酸腺苷(ATP)分子的分解反應；越來越多的研究表明，高能磷酸化合物在肌肉損傷的發(fā)生過程中起著很大的作用。當肌肉由于長期處于收縮狀態(tài)而導致ATP分解速率大于合成速率時，ADP、AMP、Pi和乳酸等代謝產物在體內大量堆積，導致pH值下降，肌肉酶活性及電解質濃度發(fā)生改變。Taylor研究表明，ADP和Pi從肌動蛋白-肌球蛋白復合物(AM)的解離是不同步的，所產生的作用也不相同。Pi的解離是與AM復合物從低力結合態(tài)到高力結合態(tài)的轉變相偶聯(lián)的，其解離觸發(fā)儲存在肌球蛋白橫橋中的能量釋放，使橫橋滑動，而肌球蛋白的頭部和肌動蛋白的脫離先需要ADP的解離，之后ATP與肌球蛋白分子結合，橫橋斷開，隨后ATP被位于肌球蛋白頭部的ATP酶分解。Cooke等發(fā)現(xiàn)ADP可以抑制橫橋脫離速度，表明ADP的解離發(fā)生在橫橋循環(huán)的末期。另一方面肌肉持續(xù)收縮使局部血管受壓，血供減少，細胞缺氧，而線粒體是細胞內對缺氧尤其敏感的細胞器，因此先出現(xiàn)損傷，使能量生成進一步減少，長期影響可導致肌肉結構的損傷。
2．2肌糖原(muscleglycogen)與肌肉疲勞/損傷
很多研究均發(fā)現(xiàn)肌肉疲勞發(fā)生的同時伴隨著肌糖原的耗竭。而肌糖原的利用率取決于運動強度。當運動負荷從25％VO2max上升到100％V02max時，糖原利用率從表面上0．3上升到3．4個葡萄糖單位/kg·min。當運動負荷小于60％VO2max時，由于此時游離脂肪酸作為主要的供能底物，肌糖原維持在較高的水平。因此，當運動強度較低、維持時間較長時所導致的疲勞不能歸因于糖原的大量降低。雖然當運動負荷大于90％VO2max時，肌糖原迅速分解供能，但在肌糖原仍維持在較高水平時即可發(fā)生疲勞。當負荷量在65％～85％VO2max時，肌肉疲勞與肌糖原大量減少高度相關。Bergstron等認為：在從中等到大負荷運動的過程中，肌糖原不僅是主要的能量來源，而且是必要的底物，因此它的大量減少將引起疲勞/損傷。這一假說也被Saltin等的研究所證實，他們以10名參加30km跑的運動員為研究對象(實驗組給予高碳水化合物飲食)發(fā)現(xiàn)：高碳水化合物飲食可以增加靜息肌糖原含量，并與運動持續(xù)時間的延長有關；當股四頭肌中糖原含量降低到3～5g/kg肌肉濕重時．所有研究對象的跑速均降低；有規(guī)律的耐力訓練可以降低肌糖原的耗竭率，延遲疲勞/損傷的發(fā)生。Fitts等也發(fā)現(xiàn)：訓練大鼠的糖原利用減少和耐力增加現(xiàn)象與肌肉氧化呼吸能力提高高度相關。
由以上研究結果可以推想：維持65％～90％V02max的長時間訓練需要保持一定水平的碳水化合物的氧化代謝，隨著肌糖原的耗竭和胞漿底血糖的發(fā)生發(fā)展，碳水化合物的氧化代謝低于所需的閾值時，可導致肌肉疲勞損傷，無法繼續(xù)工作。糖類氧化對疲勞起到抑制作用的確切機理尚不十分清楚。一種可能是：在肌肉、肝臟糖原耗竭和低血糖發(fā)生后，肌纖維必需依靠游離脂肪酸(FFA)的攝取和氧化獲得收縮時所需的能量。FFA從胞漿轉運到線粒體將引起組織攝氧量的降低和細胞能量供應的下降。消耗同量氧時，從脂肪氧化得到的能量比從糖類氧化得到的能量少，但這種差別并不顯著，因而不能解釋與長時間訓練有關的完全耗竭。另一種可能是：NADH的至大氧化和電子傳遞或脂肪氧化的維持均需一定水平的糖類氧化。如果糖類氧化不足，三羧酸循環(huán)中的中介物也將不足。Sahlin等和Spencer等的研究結果支持這種可能性。Sahlin等發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)中的中介物總量在循環(huán)運動達疲勞的過程中先升高后降低，Spencer等發(fā)現(xiàn)給予糖類物質可減少中介物的降低，但沒有證據(jù)表明中介物的降低限制了組織的氧化代謝。
有報道認為，在長時間訓練中肌糖原耗竭、低血糖及糖類氧化的降低并不是導致疲勞的全部因素。Coyle等研究發(fā)現(xiàn)：補充糖類的實驗組運動時間比對照組長1 h時，即使血糖水平和糖類氧化率保持在正常水平依舊發(fā)生疲勞。此外，如果糖原耗竭通過減少能量生成而直接引起疲勞，則細胞ATP含量應下降，但通常事實并非如此。糖原耗竭引起疲勞可能是通過一個不依賴它在能量生成中的角色的機制。比如，糖原耗竭可能誘發(fā)肌漿網(wǎng)的功能性改變或激活溶酶體酶，進而對收縮功能產生消極影響。因此，糖原耗竭與疲勞發(fā)生有關，但不是引起疲勞損傷的全部原因，在這種情況下，其它因素，如細胞器結構的改變將參與疲勞/損傷的發(fā)生。
綜上所述，關于肌細胞能量代謝紊亂導致肌肉疲勞和損傷這一假說有許多不確定的方面，還有待進一步研究。
3、肌細胞內鈣穩(wěn)態(tài)失調學說
鈣廣泛地存在于人體細胞和體液之中，胞內游離鈣不僅是肌肉收縮舒張的偶聯(lián)因子，而且由生理性刺激而引發(fā)的胞內游離鈣的變化還可啟動一系列生物學反應。近年來的研究表明，肌細胞內鈣穩(wěn)態(tài)失調是導致肌肉損傷的重要原因之一。
3．1鈣代謝在肌肉疲勞/損傷中的作用
許多研究證實，肌細胞Ca2+代謝異常會直接影響肌肉的收縮活動和代謝機能。從理論上講，劇烈運動時，胞漿Ca2+濃度會應激性增加，引起各種生理反應，使與Ca2+調節(jié)機能有關的亞細胞器發(fā)生機能變化。研究發(fā)現(xiàn)，運動后一些亞細胞結構(主要為肌漿網(wǎng)和線粒體)的攝取能力和鈣含量發(fā)生變化，而且亞細胞器的代謝異常會直接影響機體的運動機能，嚴重的會導致肌肉疲勞和損傷。田野認為Ca2+在運動性肌肉疲勞/損傷產生過程中起著重要的作用，可能是其產生的一個中樞機制。
3．2胞漿Ca2+代謝異常對骨骼肌超微結構的影響
近年來，在肌肉疾病和肌肉損傷模型的大量研究表明，胞漿Ca2+的不可逆增加是導致肌肉損傷的原因之一。Duan等報道，大鼠下坡跑后骨骼肌胞漿鈣含量與肌細胞的損傷呈顯著相關，在給大鼠喂食或腹腔注射鈣整合劑EDTA和EGTA后，胞漿鈣含量明顯降低，同時肌細胞損傷減輕。Baraoos和陳英杰等的研究也表明類似的結果。
運動時肌細胞內Ca2+濃度升高對肌肉的收縮是必要的，但胞漿Ca2+濃度過高可以通過以下幾種途徑誘發(fā)肌肉超微結構的變化，出現(xiàn)肌細胞損傷：
(1)激活細胞膜磷脂酶A2(PLA2)，即環(huán)氧化酶、脂質氧化酶系統(tǒng)，引起肌膜損傷，肌肉酶外流和肌肉蛋白水解；
(2)激活中性蛋白水解酶(CANP)，引起肌原纖維蛋白復合體的水解和原肌球蛋白等發(fā)生降減；
(3)影響溶酶體的功能，促進溶酶體膜分解、破裂，導致酸性水解酶釋放增多，引起肌原纖維蛋白復合體的水解和原肌球蛋白等發(fā)生降減；
(4)導致線粒體聚鈣。劇烈運動時線粒體聚鈣增加，雖然使胞漿中Ca2+濃度升高的趨勢得以緩解，但由于線粒體內Ca2+的增多，抑制了其本身的氧化磷酸化過程，減少了ATP的生成。而線粒體的正常形態(tài)、結構的維持需要ATP提供能量，鈣泵及鈉泵的活動也需要ATP提供能量，因此，ATP含量的下降除進一步造成離子代謝紊亂外，還可直接導致線粒體腫脹、嵴斷裂等亞細胞結構的破壞，使氧化磷酸化脫偶聯(lián)，能量供應不足，進而引起嚴重的離子代謝紊亂，導致惡性循環(huán)，終導致肌細胞損傷，造成肌肉運動能力下降。
綜上所述，鈣在運動性肌肉疲勞和損傷中起著重要的作用，有可能是其產生的一個中樞機制。線粒體和肌漿網(wǎng)鈣代謝是運動性肌肉疲勞和損傷的主要參與者，并受到ATP、pH值、離子濃度等一系列因素的影響。
4、自由基和脂質過氧化學說
由于運動可以引發(fā)內源性自由基生成增加，故有理由推測自由基與運動性肌肉損傷有關。許多學者進行了此方面的研究，以下研究結果均支持此種假設。
Kanter等測定了9名男性受試者在80km超長距離賽跑前后血清的MDA、CK、LDH，發(fā)現(xiàn)無論運動前還是運動后血清總CK、CK-MB與MDA濃度顯著相關，據(jù)此筆者認為運動引起的脂質過氧化加強與肌肉損傷有關。Zerba等證實鼠注射SOD減輕了向心收縮運動后肌肉損傷和氧化應激。Goodman等測定了20名男性賽跑運動員在21km賽跑前后及運動后24h血清CK、肌紅蛋白(MB)和MDA濃度，并進行了肌肉超微結構的電鏡觀察。筆者認為，運動后血清CK和MB的升高是由于自由基引起肌細胞膜的損傷，造成肌細胞膜通透性增加的結果，而不是機械性肌損傷的結果。
目前已建立了幾種假說來推測自由基在肌肉損傷中的作用：
(1)白細胞機制。組織的炎癥過程中白細胞的浸潤涉及組織再生過程，吞噬白細胞有助于釋放自由基，后者能刺激組織的分解。因此在損傷組織可出現(xiàn)中性粒細胞和巨噬細胞的浸潤，由此可引起繼發(fā)性肌肉損傷。
(2)細胞素機制。有報道認為，中等強度的運動可引起中性粒細胞提高兩倍，在應激狀態(tài)下細胞素也能被激活而引發(fā)自由基的產生。
(3)肌細胞膜損傷機制。運動后自由基增多，造成細胞膜脂質過氧化反應增強，使細胞膜損傷，從而引發(fā)肌肉損傷。
對于自由基產生在運動性肌肉損傷中是否具有病理意義還存在著爭議，爭論的焦點在于肌肉中自由基的產生與肌肉損傷兩者是因果關系，還是相互影響關系?許多研究結果表明，運動氧化應激與運動性肌肉損傷有相關性，但這并不一定意味著自由基參與運動性肌肉損傷，機體的脂質過氧化物代謝水平受被試者的運動能力、運動的持續(xù)時間和強度等諸多因素的影響。所以許多學者認為支持自由基引發(fā)運動性肌肉損傷的證據(jù)并不十分充分。Viguie等的研究結果表明：向心收縮運動可導致氧化應激的改變，但并沒有肌肉損傷的證據(jù)。Saxton等察了14名志愿者離心收縮和向心收縮運動對自由基代謝和肌肉損傷指標的影響，結果發(fā)現(xiàn)：離心運動后2～4d血清CK明顯增加，但向心收縮運動前后CK沒有變化，MDA在兩種運動前后都沒有改變，而共軛雙烯只有很少的增加。Warren等的研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化劑維生素E的補充不能減輕運動性肌肉損傷，其結果也不支持自由基參與肌肉損傷的觀點。
綜上所述，雖然有許多的證據(jù)表明自由基的增加與肌肉損傷有關，但還不能認為自由基介導的反應是肌肉損傷的必要過程。自由基與運動性肌肉損傷的確切關系還有待進一步深入研究。
5、炎癥反應假說
該假說認為骨骼肌微損傷/DOMS是由機械性損傷所導致的一系列炎癥反應，鈣離子在其中起觸發(fā)作用。Croisier發(fā)現(xiàn)前列腺素在DOMS中并無異常表現(xiàn)。DOMS的炎癥反應及結構損傷已被電鏡研究及核磁共振技術證明。近期有不少證據(jù)表明DOMS與普通炎癥有著相似的循環(huán)及組織免疫反應：循環(huán)系統(tǒng)中白細胞增多、白細胞介素IL-1、IL-6濃度增加，DOMS局部白細胞數(shù)量及IL-6的mRNA含量增加。DOMS炎癥反應在運動后24 h內開始出現(xiàn)，并繼續(xù)發(fā)展，單核細胞在運動后5～11 h明顯增加，中性粒細胞在運動后96h明顯增加。嗜酸、嗜堿性粒細胞亦有所增加。炎癥反應的時程與DOMS時程變化并不一致，DOMS在運動后24～48 h內出現(xiàn)高峰，而炎癥反應的高峰出現(xiàn)在運動后72～96h。十分有趣的是，使用抗生素、維生素不能或不能明顯減輕DOMS，而用順勢療法(用能加重炎癥反應的藥物處理)亦不能加重DOMS。說明DOMS有著獨立的過程。
6、結語
解釋骨骼肌微損傷現(xiàn)象的假說主要是機械損傷和化學損傷兩種假說。機械損傷理論即高張力理論認為，受訓練的肌肉參加長時間的工作可能會造成結構損傷，并認為疼痛是由肌肉結構的損傷引起的，其中包括肌纖維損傷和結締組織損傷。離心運動能引起肌肉至大酸痛，主要是由于離心收縮參與工作的肌纖維少，因此，每一用力時由于高張力運動的作用，就容易造成骨骼肌細微結構的損害，這樣的后果便是細胞內酶的釋放和無菌性炎癥的出現(xiàn)。該理論不能很好解釋的方面在于：如果DOMS主要由于機械損傷引起，那么從理論上講，運動者更應在運動后即刻出現(xiàn)DOMS，而不是在運動后24h，高峰期也不應該在24～48h。所以，所有支持機械損傷是骨骼肌微損傷機制的證據(jù)，更讓人容易信服的解釋是，骨骼肌細微結構的損害和DOMS有密切關系，但不能解釋成為因為機械張力導致超微結構損傷，繼而引起骨骼肌微損傷。
化學假說的核心在于，運動應激使肌細胞增加的自由基將攻擊細胞膜脂質，出現(xiàn)脂質過氧化，產生大量MDA，引起細胞膜通透性的改變，鈣離子進入細胞內，細胞內鈣的超載將抑制細胞內呼吸鏈，從而導致ATP生成減少及有巨噬細胞、單核細胞、中性粒細胞參與的炎癥反應等等。所以用兩種或兩種以上的假說綜合解釋骨骼肌微損傷似乎更為合理。