相關(guān)論壇
《首都體育學(xué)院學(xué)報(bào)》2003年第1期
侯春麗閆守扶孫紅梅
山西大學(xué)體育學(xué)院太原
首都體育學(xué)院北京
上海體育學(xué)院研究生部上海
收稿日期：2002-12-09
作者：侯春麗(1977-)，女，山東濰坊人，研究生，研究方向?yàn)檫\(yùn)動生物化學(xué)
摘要：
運(yùn)動性疲勞是一個十分復(fù)雜的過程，并受到多種因素的影響，迄今為止人們對其產(chǎn)生的機(jī)理仍未達(dá)成一致的看法。本文就運(yùn)動性疲勞的機(jī)制問題對近幾年來研究的熱點(diǎn)及新進(jìn)展情況試作闡述。
自1880年莫索(Mosso)研究人類的疲勞開始，距今已有100多年的歷史，在此期間，不斷有人對疲勞的定義加以修改、完善，但至今都沒有一個公認(rèn)的定義。目前比較趨于一致的關(guān)于運(yùn)動性疲勞的定義是1982年在第五屆國際運(yùn)動生化學(xué)術(shù)會議上所下的結(jié)論，認(rèn)為：運(yùn)動性疲勞是機(jī)體生理過程不能維持其機(jī)能在特定水平上和/或不能維持預(yù)定的運(yùn)動強(qiáng)度。而在實(shí)際的運(yùn)動過程中，疲勞的產(chǎn)生則是一個十分復(fù)雜的過程，生理學(xué)家們從各個不同的角度對其進(jìn)行研究并探討其產(chǎn)生的機(jī)制。自90年代以來，除了在傳統(tǒng)的運(yùn)動性疲勞研究領(lǐng)域有許多研究的成果出現(xiàn)以外，在肌肉疲勞的細(xì)胞機(jī)制方面也有了一定進(jìn)展。目前的研究主要基于2個理論：
(1)細(xì)胞代謝因素變化的理論；
(2)興奮收縮耦聯(lián)(excitation-contractioncoupling，ECC)變化的理論。
本文著重從肌細(xì)胞pH值的變化、能源物質(zhì)的消耗、磷酸化合物及自由基的變化等方面，對近幾年來運(yùn)動性疲勞的肌肉細(xì)胞機(jī)制研究的進(jìn)展、狀況與趨勢進(jìn)行分析與討論。
1肌細(xì)胞pH值與運(yùn)動性疲勞
早期研究認(rèn)為，肌肉疲勞是由于肌肉內(nèi)乳酸積累導(dǎo)致的，因此人們將乳酸稱為疲勞素。但目前大量實(shí)驗(yàn)證明，乳酸本身對疲勞的作用非常微小。疲勞的發(fā)生并不是直接受運(yùn)動時肌細(xì)胞代謝過程所積累的乳酸控制的，而是受細(xì)胞代謝所引起的pH改變來調(diào)節(jié)的。因此，乳酸導(dǎo)致疲勞的原因?qū)嶋H上是由于乳酸解離出的H+降低了肌細(xì)胞內(nèi)的pH值，從而使肌肉的輸出功率、細(xì)胞酶的活性、肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+的轉(zhuǎn)移以及肌鈣蛋白對Ca2+的結(jié)合能力的下降，導(dǎo)致疲勞的發(fā)生。
1．1肌細(xì)胞pH值與肌肉的輸出功率
肌肉輸出功率的下降是疲勞的表現(xiàn)之一，而輸出功率的下降是由至大收縮力和至大縮短速度的同時下降所導(dǎo)致的。
1．1．1肌細(xì)胞pH值與至大收縮力
核磁共振技術(shù)檢測顯示，無論肌纖維的類型(快肌或慢肌)與狀態(tài)(離體或在體)如何，細(xì)胞內(nèi)的pH值下降與肌肉收縮力之間都有著很高的相關(guān)性。當(dāng)pH值降低時，要達(dá)到相同的張力，所需的Ca2+濃度要高于正常值，并且當(dāng)pH值從7．0降至6．2時Ca2+與肌鈣蛋白的親和力與結(jié)合力均下降，從而直接阻礙了橫橋的功能，引起肌力下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，pH值不僅可以通過Ca2+濃度影響肌力，而且還能對收縮蛋白直接產(chǎn)生作用。Metzger等報(bào)道，pH值的下降減少了橫橋從低力量狀態(tài)向高力量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的速度和數(shù)量，直接導(dǎo)致肌力下降。其后Edman用活的單個肌纖維證明這一結(jié)論的正確性，因此認(rèn)為肌細(xì)胞內(nèi)pH值的變化是通過調(diào)節(jié)橫橋的數(shù)目和每個橫橋的力量來影響肌力的。
1．1．2肌細(xì)胞pH值與至大縮短速度
Thompson的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：至大縮短速度的降低可以部分的歸因于H+濃度的升高。新近報(bào)告，蛙骨骼肌疲勞時至大縮短速度有顯著下降。在實(shí)驗(yàn)中，蛙肌至大縮短速度在疲勞時從疲勞前的6．7肌長/秒下降到2．5肌長/秒，而對未受到刺激的肌纖維使用高CO2濃度的浸潤液以降低pH值，會同樣出現(xiàn)至大縮短速度的大幅度下降，這樣充分說明了pH值對至大縮短速度的作用。pH值影響至大縮短速度的機(jī)制被認(rèn)為是pH值下降影響了ATP的酶活性，從而減慢了橫橋擺動的頻率，而橫橋循環(huán)速率的減慢正是至大縮短速度下降的根本原因。進(jìn)一步研究表明，pH值對于快肌纖維ATP酶活性的抑制作用強(qiáng)于慢肌纖維，可見，pH值對快肌纖維至大縮短速度的抑制作用強(qiáng)于慢肌。
1．2肌細(xì)胞pH值與酶的活性
高強(qiáng)度訓(xùn)練至力竭后，骨骼肌內(nèi)pH值可以下降到6．6～6．3，這種pH值的降低可影響肌細(xì)胞內(nèi)許多酶的活性，如磷酸果糖激酶、磷酸化激酶、腺苷酸環(huán)化酶、肌酸激酶、ATP酶，從而影響了細(xì)胞能量的產(chǎn)生和釋放過程，降低了肌肉的功能。Danforth的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)pH值下降至6．4時，磷酸果糖激酶的活性幾乎完全被抑制。Tnivede對離體肌肉標(biāo)本的研究發(fā)現(xiàn)，pH值每下降0．1個單位，磷酸果糖激酶的活性下降10～20倍，從而大大降低了糖酵解的速率。糖原的分解也因pH值下降抑制了磷酸化激酶、腺苷酸環(huán)化酶的活性而變慢，從而減少葡萄糖的供給，使糖酵解的速度下降，阻礙了ATP的合成。而ATP是肌肉收縮時的直接能源，供給不足，從而導(dǎo)致肌肉工作能力下降。由于pH值的下降影響了肌酸激酶、ATP酶的活性，使細(xì)胞中CP含量下降，阻礙了快速合成ATP的路徑。研究證實(shí)，CP的耗竭是暴發(fā)性項(xiàng)目疲勞的重要原因之一。
1．3肌細(xì)胞pH值與Ca2+的轉(zhuǎn)移
研究發(fā)現(xiàn)在肌肉運(yùn)動性疲勞發(fā)生時，肌細(xì)胞中Ca2+的轉(zhuǎn)移幅度大大下降，主要包括2個過程：
(1)肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+的釋放。
(2)肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+的重?cái)z取。
1．3．1肌細(xì)胞pH值與肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+釋放
對于肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+釋放幅度下降的機(jī)理，目前認(rèn)為有2種可能：一種可能是由于肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+貯備的耗竭。另一種可能是肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道被抑制的結(jié)果。研究者們在用咖啡因直接刺激疲勞肌的肌質(zhì)網(wǎng)引起Ca2+釋放的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，疲勞肌纖維張力的下降狀況得到了一定程度的逆轉(zhuǎn)。這表明，肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+貯備并沒有耗竭。更可能的機(jī)制就是低pH值抑制了肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道。近期Ma和Zhao對Ca2+釋放通道蛋白進(jìn)行了大量研究發(fā)現(xiàn)，肌質(zhì)網(wǎng)膜脂質(zhì)雙層側(cè)的酸化可以降低Ca2+釋放通道打開的可能性。但Lamb等報(bào)道，pH值為6．2時，對蛙和小鼠皮膚肌纖維Ca2+的釋放并沒有影響，他們將pH值降低時肌力的下降歸因于收縮器的抑制。當(dāng)pH值降低時通道打開的可能性下降且pH值為6．2時其可能性為0。所以，對于肌細(xì)胞pH值下降是否影響肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放還有待進(jìn)一步研究。
1．3．2肌細(xì)胞pH值與肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+的重?cái)z取
研究發(fā)現(xiàn)，肌質(zhì)網(wǎng)膜ATP酶的理想pH值為7．0，當(dāng)肌細(xì)胞pH值由7．0降至6．0時，肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+的親和力減少10倍之多。Lnesi和hill認(rèn)為疲勞時pH值下降，抑制肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵ATP酶活性，使鈣泵效率下降，Ca2+重?cái)z能力下降，使肌漿中Ca2+濃度維持在較高的水平，從而使肌動蛋白和肌球蛋白的橫橋不易發(fā)生分離，大大延長了肌肉放松的時間。因此，pH值與疲勞消除之間有著顯著的相關(guān)性。
2能源物質(zhì)的消耗與運(yùn)動性疲勞
2．1 ATP和CP的消耗
如前所述，肌細(xì)胞內(nèi)pH值下降抑制了糖酵解酶的活性，使ATP再合成速率下降。新研究結(jié)果表明，線粒體膜通透性改變，體溫升高及電子漏引起質(zhì)子漏導(dǎo)致線粒體功能下降，ATP合成量減少。從運(yùn)動供能的角度出發(fā)，ATP和CP是短時間至大強(qiáng)度運(yùn)動的主要能源，其貯備的明顯下降可能導(dǎo)致這類運(yùn)動疲勞的發(fā)生。然而，有人用肌肉活檢、核磁共振技術(shù)研究疲勞肌肉時發(fā)現(xiàn)：肌肉疲勞時，其中的ATP、ADP和AMP較安靜相比濃度均有所下降但不明顯，CP濃度明顯降低，但與肌肉張力的下降沒有必然的相關(guān)性。同時還有人指出，運(yùn)動時ATP微小的變化和CP的下降與疲勞沒有直接聯(lián)系。其有力的證據(jù)是，甚至在高強(qiáng)度疲勞時，細(xì)胞內(nèi)ATP都很少下降到運(yùn)動前水平的70％以下。且在高強(qiáng)度疲勞時細(xì)胞ATP濃度都比纖維至大收縮力所需要的量高100多倍。由此可見，因其它因素引起的疲勞在ATP尚未耗盡時就降低了細(xì)胞對ATP的利用率，比如，pH值的下降抑制了ATP水解酶活性，所以疲勞時ATP濃度一般保持在較高的水平。
2．2糖元的消耗
在65～85％VO2max負(fù)荷時，持續(xù)運(yùn)動能力的喪失與肌糖元的耗竭高度相關(guān)。在一種糖元填充法的專門研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受試者的肌肉糖元含量增加時，其工作持續(xù)時間增加。同時有研究表明，不同強(qiáng)度的運(yùn)動對快肌和慢肌纖維中糖元的消耗次序和程度是不同的。據(jù)戈萊尼克報(bào)道，高頻率、低阻抗運(yùn)動主要是慢肌纖維糖元下降，而低頻率、高阻抗運(yùn)動主要是快肌纖維糖元下降。由此可見，在長時間大強(qiáng)度運(yùn)動中肌肉疲勞的發(fā)生可能是由于這兩類肌纖維的募集順序不同，造成其中一種肌纖維的糖元先被耗竭而引起的。
2．3脂肪的消耗
研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌中脂肪的貯備量很小，運(yùn)動時被大量動用的是體內(nèi)脂肪組織中的脂肪。在一定程度上，我們可以把體內(nèi)的脂肪組織看作是一個取之不盡用之不竭的能源庫。那么很顯然，限制長時間運(yùn)動能力的并非是脂肪消耗量的問題，而是運(yùn)動時對脂肪的利用能力。近幾年來，有關(guān)脂肪代謝與運(yùn)動能力的報(bào)道日漸增多。有認(rèn)認(rèn)為，耐力訓(xùn)練可提高運(yùn)動時脂肪的利用率，從而減少糖元的消耗和血糖水平的下降，延緩疲勞的出現(xiàn)。但運(yùn)動對骨骼肌、心肌以及肝細(xì)胞產(chǎn)生不良影響，從而也可能引發(fā)運(yùn)動疲勞的產(chǎn)生。
3磷酸化合物與運(yùn)動性疲勞
當(dāng)機(jī)體進(jìn)行短時間大強(qiáng)度運(yùn)動時，由于ATP、CP分解代謝加強(qiáng)，其代謝產(chǎn)物ADP、AMP和Pi等的濃度會明顯升高。雖然ADP與Pi是細(xì)胞能量代謝過程的激活劑，但肌漿內(nèi)過量的ADP、Pi就很可能使肌肉產(chǎn)生疲勞。其有力證據(jù)為：當(dāng)進(jìn)行1分鐘60～100％至大強(qiáng)度運(yùn)動時，ADP濃度會升高20～50％，Pi濃度升高300％，至大肌力下降超過35％，肌肉的放松能力下降60％。因此，短時間、大強(qiáng)度運(yùn)動中肌細(xì)胞內(nèi)ADP、AMP和Pi的堆積，可能是導(dǎo)致疲勞的原因之一。
3．1 ADP與運(yùn)動性疲勞
肌細(xì)胞中的ADP大都是與肌動蛋白結(jié)合著，只有約10％處于游離狀態(tài)。研究表明，當(dāng)游離的ADP濃度升高時，肌球蛋白與肌動蛋白結(jié)合與分離轉(zhuǎn)換所需時間延長，可使肌纖維的放松速率減慢，從而降低了肌肉的輸出功率，引發(fā)疲勞。另據(jù)報(bào)道，肌細(xì)胞內(nèi)ADP濃度的增加還可能損傷物質(zhì)代謝途徑，進(jìn)而引起肌體生理功能發(fā)生改變產(chǎn)生疲勞，影響肌體的運(yùn)動能力。
3．2 AMP與運(yùn)動性疲勞
當(dāng)機(jī)體進(jìn)行短時間劇烈運(yùn)動時，細(xì)胞內(nèi)的ADP、AMP濃度明顯增加，AMP是ADP的水解產(chǎn)物，對肌細(xì)胞有一定毒害作用。其原因?yàn)椋寒?dāng)AMP濃度升高時，可強(qiáng)烈激活A(yù)MP脫氨酶，使AMP脫氨生成NH3和IMP。NH3的堆積會限制肌細(xì)胞膜功能，減少收縮纖維數(shù)目。同時，血氨濃度升高，可明顯影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的代謝，使運(yùn)動的控制能力下降。
3．3無機(jī)磷（Pi）與肌肉疲勞
機(jī)體進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動時，伴隨CP的大幅度下降，細(xì)胞內(nèi)Pi的濃度明顯升高。去膜肌纖維研究顯示，高Pi抑制骨骼肌和心肌的至大力量，延長肌纖維的舒張時間，但對肌纖維的至大縮短速度影響不大。高Pi對舒張時間的延長作用，主要是通過降低與ATP水解相聯(lián)系的自由能變化，而降低了肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+的重?cái)z取，進(jìn)而又使Ca2+瞬時和舒張時間變慢。另據(jù)報(bào)道，Pi濃度的增加還可抑制肌鈣蛋白對Ca2+親和力，從而使肌肉收縮過程中橫橋的數(shù)目和力量均減少，且部分橫橋從強(qiáng)結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿醯慕Y(jié)合狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致肌力的下降。去皮膚纖維研究顯示，Pi濃度從1mmol/L增高到15mmol/L時，對肌力的抑制作用特別明顯。Pate等觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Pi超過10mmol時抑制至大縮短速度，但只發(fā)生在ATP濃度較低時。Cooke發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Pi濃度超過20mmol時，至大縮短速度沒有影響。而有人提出，Pi對肌力的作用因肌纖維種類不同而有所不同。Stienen等觀察到，15mmol濃度的Pi能使兔腰肌(快肌)力量降到正常水平的58％，但使兔比目魚肌(慢肌)的力量降為正常水平的78％。目前，不少人對產(chǎn)生作用的無機(jī)磷的類型進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)H2PO4-與肌力之間呈高度的負(fù)相關(guān)，因此普遍認(rèn)為Pi主要是通過H2PO4-對肌力產(chǎn)生作用。
4自由基與運(yùn)動性疲勞
自1978年Dillard初次提出自由基在運(yùn)動性疲勞中的作用后，自由基在運(yùn)動性疲勞中的重要意義已越來越受到人們的重視。80年代，美國一研究小組讓大鼠在動物跑臺上進(jìn)行亞極量運(yùn)動至衰竭，然后用ESR(electron spine resonance)技術(shù)在20℃下檢測其肝臟和肌肉勻漿中的自由基信號，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此時自由基信號(g=2．004)明顯增強(qiáng)，其波幅為安靜組的2～3倍，對在體肝臟所做的檢查結(jié)果一致。對持續(xù)30分鐘的大鼠腓腸肌過度收縮活動，進(jìn)行低溫ESR技術(shù)檢測，發(fā)現(xiàn)組織內(nèi)自由基信號峰值升高70％。由此可見，運(yùn)動在增加氧耗量的同時自由基生成量也在增加。目前認(rèn)為自由基的產(chǎn)生有3條途徑：
(1)機(jī)體在進(jìn)行耐力性運(yùn)動時，體內(nèi)代謝水平增加，能耗量增加，為了滿足代謝需要，加速ATP再合成，線粒體氧耗量增加，氧化磷酸化加強(qiáng)，細(xì)胞呼吸水平大大提高，氧自由基生成也隨之增多。
(2)運(yùn)動時隨著ATP的大量分解，使AMP生成增加，進(jìn)一步使黃嘌呤也大量增加，在黃嘌呤氧化酶的作用下生成超氧化物陰離子自由基。另外，當(dāng)運(yùn)動后氧氣供應(yīng)充足時，次黃嘌呤和黃嘌呤與氧氣反應(yīng)也生成大量的自由基。
(3)大強(qiáng)度運(yùn)動過程中，機(jī)體由于缺氧，糖酵解加強(qiáng)，生成大量乳酸并在體內(nèi)堆積，乳酸還原使胞漿中NADH和NADPH濃度大大下降，抑制了體內(nèi)自由基消除酶的活性，使自由基在體內(nèi)不斷增多。
盡管運(yùn)動時SOD、GSH-PX酶活性增加，自由基清除能力加強(qiáng)，但仍不足以平衡運(yùn)動應(yīng)激情況下產(chǎn)生的自由基及脂質(zhì)過氧化物。體內(nèi)自由基及脂質(zhì)過氧化物水平的增高，使某些蛋白質(zhì)變性、交聯(lián)和酶失活，從而改變了細(xì)胞生物膜的功能，造成某些重要的離子運(yùn)轉(zhuǎn)紊亂。如肌漿網(wǎng)、Ca2+-ATP酶受損，使Ca2+大量釋放到肌漿中而不能攝取，造成胞漿中Ca2+堆積，一些主要的代謝酶因交聯(lián)聚合而失活，從而降低了肌肉的工作能力。Tibbits提出，長時間運(yùn)動過程中產(chǎn)生的大量超氧陰離子自由基，可以破壞肌細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層，使膜上一些重要的蛋白質(zhì)(如鈉泵、鈣泵、Na+-Ca2+交換器)失活，從而影響肌細(xì)胞膜的正常功能。Jakchson MJ．Ed-wards RHT認(rèn)為，Ca2+和自由基可同時抑制線粒體呼吸，ATP合成量下降，造成肌肉疲勞。
運(yùn)動性疲勞是受多種因素制約的復(fù)雜現(xiàn)象，而每一因素的重要性又因運(yùn)動項(xiàng)目、運(yùn)動強(qiáng)度、形式和持續(xù)時間的不同而不盡相同。因此，疲勞的細(xì)胞機(jī)制具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，但它又具有一定的側(cè)重性，因?yàn)樵诟鞣N具體的情況下，引發(fā)疲勞的因素可能以某一方面為主?？傊?，要完全揭示疲勞的細(xì)胞機(jī)制，還有待進(jìn)一步研究。