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《西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版》2007年第2期
張耀斌李潔
西北師范大學(xué)體育學(xué)院甘肅蘭州730070
收稿日期：2006-12-05
作者簡介：張耀斌(1983-)，男，陜西渭南人，西北師范大學(xué)體育學(xué)院碩士研究生。
摘要：
目前，有關(guān)鈣離子代謝與運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的研究十分活躍，但都是從線粒體、肌漿網(wǎng)單方面因素考慮的。本文旨把有關(guān)鈣與運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的線粒體、肌漿網(wǎng)的孤立研究聯(lián)系起來，通過綜述方法從線粒體鈣、肌漿網(wǎng)鈣兩個(gè)方面具體闡述運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞產(chǎn)生的機(jī)制。結(jié)果表明，線粒體鈣和肌漿網(wǎng)鈣在運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞中起重要作用，并且二者的作用不是孤立的而是聯(lián)系起來的。
自從1808年英國知名化學(xué)家戴維通過電解反應(yīng)得到鈣以來，鈣在自然界的作用越來越受到人們重視。目前，有關(guān)鈣離子(Ca2+)代謝對(duì)機(jī)體機(jī)能影響的研究十分活躍，鈣在維持身體結(jié)構(gòu)和細(xì)胞功能方面發(fā)揮著重要作用，幾乎體內(nèi)各種細(xì)胞功能均與鈣離子調(diào)節(jié)有關(guān)．鈣與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的研究，較多地集中在鈣對(duì)肌肉收縮的調(diào)節(jié)機(jī)制方面。近年來，鈣與運(yùn)動(dòng)性疲勞的關(guān)系已受到重視。
線粒體是細(xì)胞的重要呼吸器官，它除了具有氧化代謝，生成ATP的功能外，還是細(xì)胞重要的Ca2+儲(chǔ)存庫，具有攝取、釋放Ca2+以及調(diào)節(jié)胞漿Ca2+濃度的能力。肌漿網(wǎng)則是肌肉組織中調(diào)節(jié)鈣代謝的主要細(xì)胞器，在骨骼肌的收縮-舒張過程中起著重要的作用。另外，細(xì)胞的游離鈣作為第二信使，廣泛參與細(xì)胞生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)，在心肌收縮過程中，游離鈣作為偶聯(lián)因子誘發(fā)心肌細(xì)胞興奮與收縮偶聯(lián)，進(jìn)而產(chǎn)生心肌收縮，同時(shí)胞內(nèi)鈣對(duì)增強(qiáng)心肌收縮力及收縮速率方面有著重要的作用。因此，鈣與運(yùn)動(dòng)疲勞有著密切的關(guān)系。
細(xì)胞內(nèi)總鈣由結(jié)合的和自由的鈣組成，后者大部分是離子狀態(tài)的Ca2+，結(jié)合Ca2+主要在糖、蛋白質(zhì)、磷脂、磷酸、磷酸脂的陰離子部位，經(jīng)過測量各種細(xì)胞類型的平均鈣濃度，細(xì)胞內(nèi)總鈣濃度約為1．5mmol/L，細(xì)胞質(zhì)中自由鈣離子濃度不超過100μmol/L。對(duì)于靜止細(xì)胞，40％～60％被貯存在線粒體中，以離子形式或結(jié)合成為碳酸、磷酸鹽沉淀的形式，約有20％在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，其他的要么在分泌中積累，要么在核內(nèi)，或結(jié)合到胞質(zhì)內(nèi)大分子上。
1運(yùn)動(dòng)疲勞時(shí)線粒體內(nèi)膜的研究
1．1力竭性運(yùn)動(dòng)對(duì)心肌線粒體內(nèi)膜流動(dòng)性的影響
生物膜是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括膜脂的流動(dòng)性和膜蛋白組分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。廣義上的流動(dòng)性包括二者。膜功能的正常進(jìn)行要求膜脂處于適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)狀態(tài)。膜流動(dòng)性的改變將影響各種膜功能。但是急性運(yùn)動(dòng)對(duì)線粒體膜流動(dòng)性影響的報(bào)道不多見。Klug等的研究發(fā)現(xiàn)，力竭性運(yùn)動(dòng)后大鼠肝臟線粒體膜流動(dòng)性降低。張勇等采用遞增負(fù)荷力竭性運(yùn)動(dòng)模型，運(yùn)用了熒光探測劑直接標(biāo)記技術(shù)，觀察了SD(Sprangue-Dawley)大鼠急性運(yùn)動(dòng)至力竭后心肌線粒體和骨胳肌線粒體內(nèi)膜流動(dòng)性的變化，力竭性運(yùn)動(dòng)后心肌線粒體內(nèi)膜熒光偏振值和膜微黏度增高，膜流動(dòng)性下降，有序性增高。意味著內(nèi)膜分子動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變、膜磷脂分子活動(dòng)降低，將改變膜蛋白側(cè)向運(yùn)動(dòng)的微環(huán)境，線粒體內(nèi)膜流動(dòng)性降低的同時(shí)，呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ活性并行性降低。當(dāng)呼吸鏈電子傳遞受阻，復(fù)合體處于還原狀態(tài)，內(nèi)膜流動(dòng)性降低，客觀地反映了線粒體內(nèi)膜脂雙層分子動(dòng)力學(xué)變化。
1．2力竭性運(yùn)動(dòng)對(duì)線粒體內(nèi)膜NADH-CoQ還原酶和ATP酶活性的影響
張勇等還發(fā)現(xiàn)力竭性運(yùn)動(dòng)后線粒體內(nèi)膜NADH-CoQ還原酶活性顯著降低，心肌和骨骼肌線粒體內(nèi)膜ATP酶活性分別較安靜時(shí)降低74．3％和45．7％。并且推測力竭運(yùn)動(dòng)所致線粒體內(nèi)膜NADH-CoQ還原酶活性的降低可能與下列因素有關(guān)：
(1)遞增負(fù)荷力竭性運(yùn)動(dòng)時(shí)心肌缺血可能是一個(gè)早期觸發(fā)、后期加劇的因素；
(2)過氧化脂質(zhì)對(duì)膜蛋白組分的損害；
(3)膜磷脂含量的降低。
2運(yùn)動(dòng)性疲勞時(shí)線粒體鈣的研究
線粒體是細(xì)胞的重要呼吸器官，而且是細(xì)胞重要的Ca2+貯存庫，在維持細(xì)胞功能中發(fā)揮重要作用，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)線粒體攝Ca2+與胞漿Ca2+濃度有關(guān)。當(dāng)胞漿Ca2+濃度增加時(shí)，線粒體主動(dòng)攝取Ca2+，以緩沖胞漿Ca2+濃度增加，細(xì)胞Ca2+代謝異常主要通過肌攣縮、磷酸酶A2和抑制線粒體磷酸化造成肌肉收縮機(jī)能下降，其中線粒體聚鈣，減少ATP生成是造成細(xì)胞鈣代謝惡性循環(huán)、損害細(xì)胞的重要機(jī)制。這個(gè)研究結(jié)果提示線粒體鈣聚積可能通過影響細(xì)胞呼吸，減少ATP的生成，造成運(yùn)動(dòng)性疲勞。
研究表明，細(xì)胞內(nèi)游離鈣作為第二信使廣泛參與細(xì)胞生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)過程。一方面，在細(xì)胞增殖過程中，胞內(nèi)游離鈣介導(dǎo)神經(jīng)分泌激素刺激細(xì)胞增殖基因的表達(dá)，進(jìn)而誘發(fā)細(xì)胞增殖，導(dǎo)致肥胖的發(fā)生。另一方面，在心肌收縮過程中，胞內(nèi)游離鈣作為偶聯(lián)因子誘發(fā)心肌細(xì)胞興奮與收縮偶聯(lián)過程進(jìn)而產(chǎn)生心肌收縮。因此，細(xì)胞內(nèi)游離鈣濃度的改變是介導(dǎo)心臟結(jié)構(gòu)與功能改變的重要因素。
毛麗娟等通過對(duì)力竭游泳(300±50)min的大鼠為運(yùn)動(dòng)疲勞模型，觀察了大鼠心肌線粒體游離鈣的變化。結(jié)果表明，長時(shí)間力竭游泳的大鼠心肌線粒體游離鈣的含量明顯下降。但王翔等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大鼠力竭運(yùn)動(dòng)后，紅肌和白肌線粒體鈣含量都顯著增加，肌漿網(wǎng)Ca2+-ATP酶活性降低，說明急性力竭運(yùn)動(dòng)后肌細(xì)胞Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)功能發(fā)生了改變，影響了肌肉的收縮特性，從而產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)疲勞。很顯然，前兩位研究的結(jié)果相反，其原因在于，毛麗娟測得的是基質(zhì)游離鈣，而王翔測得的是基質(zhì)總鈣。
3運(yùn)動(dòng)疲勞時(shí)線粒體功能的變化研究
陳剛等采用耗竭運(yùn)動(dòng)方式，觀察了大鼠運(yùn)動(dòng)后心肌線粒體脂質(zhì)過氧化水平，超氧化物歧化酶活性和還原性谷胱甘肽含量的變化，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后即刻心肌線粒體內(nèi)丙二醛(MDA)含量增加，說明其脂質(zhì)過氧化水平顯著升高，從前人研究的基礎(chǔ)上可以看出，急性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致心肌線粒體自由基濃度升高已得到廣泛的證實(shí)。進(jìn)而我們可以得出：內(nèi)源性自由基的產(chǎn)生是耐力性運(yùn)動(dòng)疲勞產(chǎn)生的原因之一。
運(yùn)動(dòng)疲勞時(shí)，肌組織中SOD活性受到抑制，SOD活性和脂質(zhì)過氧化程度呈負(fù)相關(guān)，即力竭運(yùn)動(dòng)后心肌線粒體自由基和清除之間平衡受到破環(huán)．肌體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)對(duì)清除自由基有重要作用，抗氧化系統(tǒng)中一種重要物質(zhì)是還原型谷胱甘肽(GSH)，其主要生理作用是保護(hù)細(xì)胞膜中含-SH的蛋白質(zhì)不被自由基或其他氧化劑所破環(huán)。大鼠力竭性運(yùn)動(dòng)后，GSH含量顯著下降。力竭運(yùn)動(dòng)引起GSH含量下降的報(bào)道已很多。Lew報(bào)道了大鼠力竭運(yùn)動(dòng)后肝臟中GSH濃度下降。Cooper等和Kretzxchmar等分別報(bào)道了馬拉松跑后和至大功率自行車運(yùn)動(dòng)后，血漿GSH含量下降。
4運(yùn)動(dòng)疲勞對(duì)骨骼肌肌漿網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)動(dòng)的影響
骨骼肌正?；顒?dòng)有賴于其結(jié)構(gòu)和功能的正常，肌漿網(wǎng)及其所含的鈣泵(Ca2+-ATPase)是參與骨骼肌活動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)，在肌肉運(yùn)動(dòng)和疲勞時(shí)，這些結(jié)構(gòu)和生物活性物質(zhì)的改變是通過鈣的攝取、貯存和釋放來實(shí)現(xiàn)的。因此，調(diào)節(jié)胞漿鈣濃度，維持生理情況下的鈣平衡是維持骨骼肌正?；顒?dòng)的關(guān)鍵。肌漿網(wǎng)攝取鈣功能通過鑲嵌在膜上的Ca2+-ATPase酶完成，該酶在Ca2+和Mg2+激活下，利用水解ATP提供能量作為逆電化梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+的動(dòng)力，每消耗1分ATP，能轉(zhuǎn)運(yùn)2個(gè)Ca2+。Ca2+-ATPase是一種膜結(jié)合酶。膜磷脂的數(shù)量及膜脂質(zhì)的構(gòu)造對(duì)酶活性有影響；膜流動(dòng)性降低及膜磷脂的丟失可導(dǎo)致酶活性降低。
魏源等采用遞增負(fù)荷力竭運(yùn)動(dòng)方式觀察急性運(yùn)動(dòng)對(duì)肌漿網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)動(dòng)能力的影響，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后股四頭肌肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase活性和Ca2+攝取速率均明顯下降，表現(xiàn)為肌漿網(wǎng)增Ca2+-ATPase活性和Ca2+攝取速率分別下降51．2％和17．72％；而脂質(zhì)過氧化物濃度則顯著升高。說明運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了肌漿網(wǎng)攝鈣功能受損，進(jìn)而引起了肌肉運(yùn)動(dòng)的力竭。所以力竭運(yùn)動(dòng)后肌漿網(wǎng)功能下降與運(yùn)動(dòng)性骨骼肌疲勞密切相關(guān)。而力竭運(yùn)動(dòng)后，肌漿網(wǎng)脂質(zhì)過氧化物水平顯著增高，且肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase水解活性有肌漿網(wǎng)Ca2+攝取率與肌漿網(wǎng)脂質(zhì)過氧化物水平呈顯著負(fù)相關(guān)。
5運(yùn)動(dòng)性疲勞的鈣解釋
以前有關(guān)鈣與疲勞關(guān)系的研究幾乎都將線粒體和肌漿網(wǎng)割裂開來或分別進(jìn)行研究，將其二者聯(lián)系起來的研究卻很少；但越來越多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明，線粒體與肌漿網(wǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)性疲勞的產(chǎn)生有著內(nèi)在的聯(lián)系。因此，以線粒體鈣和肌漿網(wǎng)鈣共同來解釋運(yùn)動(dòng)性疲勞可能較為合理。
我們知道，細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+濃度可能主要依靠細(xì)胞內(nèi)Mg2+濃度的變化調(diào)節(jié)，而Mg2+的這一調(diào)節(jié)功能主要是通過肌漿網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。一方面，細(xì)胞內(nèi)Mg2+濃度下降可使肌漿網(wǎng)鈣釋放增多，胞漿Ca2+濃度增加；另一方面，胞內(nèi)Mg2+還能抑制線粒體的Ca2+攝取，防止過多Ca2+進(jìn)入線粒體造成的損傷。運(yùn)動(dòng)過程中ATP大量消耗，使得以Mg-ATP形式存在的Mg2+減少，游離實(shí)時(shí)性增多，繼而Mg2+外流，細(xì)胞Mg2+含量下降，線粒體Mg2+減少，造成能量代謝障礙；細(xì)胞Mg2+含量的下降使胞漿Ca2+濃度升高，線粒體鈣聚積造成氧化磷酸化脫偶聯(lián)，進(jìn)一步導(dǎo)致能量代謝紊亂，ATP生成減少，加重Mg2+的丟失和線粒體鈣的聚積。由此可見，運(yùn)動(dòng)性疲勞狀態(tài)下，胞內(nèi)ATP減少，導(dǎo)致胞漿Mg2+的增多，從而Mg2+外流增加，胞漿Mg2+濃度下降，肌漿網(wǎng)功能也隨之下降。因此胞漿Ca2+濃度的升高，線粒體Ca2+增加，細(xì)胞氧化磷酸化過程受到抑制，導(dǎo)致ATP生成減少。另外，胞內(nèi)ATP的減少，又可導(dǎo)致胞內(nèi)Ca2+代謝的紊亂。如此反復(fù)的“惡性循環(huán)”可能就是運(yùn)動(dòng)性疲勞的鈣解釋機(jī)制。
綜上所述，鈣在運(yùn)動(dòng)性疲勞中起著重要的作用，有可能是其產(chǎn)生的一個(gè)中樞機(jī)制，線粒體鈣和肌漿網(wǎng)鈣是運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的主要參與者。受到ATP、pH值等一系列因素的影響，我們還認(rèn)為將線粒體鈣和肌漿網(wǎng)鈣聯(lián)系起來對(duì)運(yùn)動(dòng)性疲勞的外周機(jī)制作出解釋較為合理，也期待著這方面研究的進(jìn)一步深入。