《西安文理學院學報：自然科學版》2007年第2期
張耀斌李潔
西北師范大學體育學院甘肅蘭州730070
收稿日期：2006-12-05
作者簡介：張耀斌(1983-)，男，陜西渭南人，西北師范大學體育學院碩士研究生。
摘要：
目前，有關鈣離子代謝與運動性肌肉疲勞的研究十分活躍，但都是從線粒體、肌漿網單方面因素考慮的。本文旨把有關鈣與運動性肌肉疲勞的線粒體、肌漿網的孤立研究聯系起來，通過綜述方法從線粒體鈣、肌漿網鈣兩個方面具體闡述運動性肌肉疲勞產生的機制。結果表明，線粒體鈣和肌漿網鈣在運動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系起來的。
自從1808年英國知名化學家戴維通過電解反應得到鈣以來，鈣在自然界的作用越來越受到人們重視。目前，有關鈣離子(Ca2+)代謝對機體機能影響的研究十分活躍，鈣在維持身體結構和細胞功能方面發揮著重要作用，幾乎體內各種細胞功能均與鈣離子調節有關．鈣與運動的關系的研究，較多地集中在鈣對肌肉收縮的調節機制方面。近年來，鈣與運動性疲勞的關系已受到重視。
線粒體是細胞的重要呼吸器官，它除了具有氧化代謝，生成ATP的功能外，還是細胞重要的Ca2+儲存庫，具有攝取、釋放Ca2+以及調節胞漿Ca2+濃度的能力。肌漿網則是肌肉組織中調節鈣代謝的主要細胞器，在骨骼肌的收縮-舒張過程中起著重要的作用。另外，細胞的游離鈣作為第二信使，廣泛參與細胞生理活動的調節，在心肌收縮過程中，游離鈣作為偶聯因子誘發心肌細胞興奮與收縮偶聯，進而產生心肌收縮，同時胞內鈣對增強心肌收縮力及收縮速率方面有著重要的作用。因此，鈣與運動疲勞有著密切的關系。
細胞內總鈣由結合的和自由的鈣組成，后者大部分是離子狀態的Ca2+，結合Ca2+主要在糖、蛋白質、磷脂、磷酸、磷酸脂的陰離子部位，經過測量各種細胞類型的平均鈣濃度，細胞內總鈣濃度約為1．5mmol/L，細胞質中自由鈣離子濃度不超過100μmol/L。對于靜止細胞，40％～60％被貯存在線粒體中，以離子形式或結合成為碳酸、磷酸鹽沉淀的形式，約有20％在內質網中，其他的要么在分泌中積累，要么在核內，或結合到胞質內大分子上。
1運動疲勞時線粒體內膜的研究
1．1力竭性運動對心肌線粒體內膜流動性的影響
生物膜是一種動態結構，其結構系統包括膜脂的流動性和膜蛋白組分的運動狀態。廣義上的流動性包括二者。膜功能的正常進行要求膜脂處于適當的流動狀態。膜流動性的改變將影響各種膜功能。但是急性運動對線粒體膜流動性影響的報道不多見。Klug等的研究發現，力竭性運動后大鼠肝臟線粒體膜流動性降低。張勇等采用遞增負荷力竭性運動模型，運用了熒光探測劑直接標記技術，觀察了SD(Sprangue-Dawley)大鼠急性運動至力竭后心肌線粒體和骨胳肌線粒體內膜流動性的變化，力竭性運動后心肌線粒體內膜熒光偏振值和膜微黏度增高，膜流動性下降，有序性增高。意味著內膜分子動力學發生改變、膜磷脂分子活動降低，將改變膜蛋白側向運動的微環境，線粒體內膜流動性降低的同時，呼吸鏈復合體Ⅰ活性并行性降低。當呼吸鏈電子傳遞受阻，復合體處于還原狀態，內膜流動性降低，客觀地反映了線粒體內膜脂雙層分子動力學變化。
1．2力竭性運動對線粒體內膜NADH-CoQ還原酶和ATP酶活性的影響
張勇等還發現力竭性運動后線粒體內膜NADH-CoQ還原酶活性顯著降低，心肌和骨骼肌線粒體內膜ATP酶活性分別較安靜時降低74．3％和45．7％。并且推測力竭運動所致線粒體內膜NADH-CoQ還原酶活性的降低可能與下列因素有關：
(1)遞增負荷力竭性運動時心肌缺血可能是一個早期觸發、后期加劇的因素；
(2)過氧化脂質對膜蛋白組分的損害；
(3)膜磷脂含量的降低。
2運動性疲勞時線粒體鈣的研究
線粒體是細胞的重要呼吸器官，而且是細胞重要的Ca2+貯存庫，在維持細胞功能中發揮重要作用，許多學者發現線粒體攝Ca2+與胞漿Ca2+濃度有關。當胞漿Ca2+濃度增加時，線粒體主動攝取Ca2+，以緩沖胞漿Ca2+濃度增加，細胞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能下降，其中線粒體聚鈣，減少ATP生成是造成細胞鈣代謝惡性循環、損害細胞的重要機制。這個研究結果提示線粒體鈣聚積可能通過影響細胞呼吸，減少ATP的生成，造成運動性疲勞。
研究表明，細胞內游離鈣作為第二信使廣泛參與細胞生理活動的調節過程。一方面，在細胞增殖過程中，胞內游離鈣介導神經分泌激素刺激細胞增殖基因的表達，進而誘發細胞增殖，導致肥胖的發生。另一方面，在心肌收縮過程中，胞內游離鈣作為偶聯因子誘發心肌細胞興奮與收縮偶聯過程進而產生心肌收縮。因此，細胞內游離鈣濃度的改變是介導心臟結構與功能改變的重要因素。
毛麗娟等通過對力竭游泳(300±50)min的大鼠為運動疲勞模型，觀察了大鼠心肌線粒體游離鈣的變化。結果表明，長時間力竭游泳的大鼠心肌線粒體游離鈣的含量明顯下降。但王翔等實驗發現，大鼠力竭運動后，紅肌和白肌線粒體鈣含量都顯著增加，肌漿網Ca2+-ATP酶活性降低，說明急性力竭運動后肌細胞Ca2+轉運功能發生了改變，影響了肌肉的收縮特性，從而產生了運動疲勞。很顯然，前兩位研究的結果相反，其原因在于，毛麗娟測得的是基質游離鈣，而王翔測得的是基質總鈣。
3運動疲勞時線粒體功能的變化研究
陳剛等采用耗竭運動方式，觀察了大鼠運動后心肌線粒體脂質過氧化水平，超氧化物歧化酶活性和還原性谷胱甘肽含量的變化，發現運動后即刻心肌線粒體內丙二醛(MDA)含量增加，說明其脂質過氧化水平顯著升高，從前人研究的基礎上可以看出，急性運動導致心肌線粒體自由基濃度升高已得到廣泛的證實。進而我們可以得出：內源性自由基的產生是耐力性運動疲勞產生的原因之一。
運動疲勞時，肌組織中SOD活性受到抑制，SOD活性和脂質過氧化程度呈負相關，即力竭運動后心肌線粒體自由基和清除之間平衡受到破環．肌體內抗氧化系統對清除自由基有重要作用，抗氧化系統中一種重要物質是還原型谷胱甘肽(GSH)，其主要生理作用是保護細胞膜中含-SH的蛋白質不被自由基或其他氧化劑所破環。大鼠力竭性運動后，GSH含量顯著下降。力竭運動引起GSH含量下降的報道已很多。Lew報道了大鼠力竭運動后肝臟中GSH濃度下降。Cooper等和Kretzxchmar等分別報道了馬拉松跑后和至大功率自行車運動后，血漿GSH含量下降。
4運動疲勞對骨骼肌肌漿網鈣轉動的影響
骨骼肌正常活動有賴于其結構和功能的正常，肌漿網及其所含的鈣泵(Ca2+-ATPase)是參與骨骼肌活動的重要結構，在肌肉運動和疲勞時，這些結構和生物活性物質的改變是通過鈣的攝取、貯存和釋放來實現的。因此，調節胞漿鈣濃度，維持生理情況下的鈣平衡是維持骨骼肌正常活動的關鍵。肌漿網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運Ca2+的動力，每消耗1分ATP，能轉運2個Ca2+。Ca2+-ATPase是一種膜結合酶。膜磷脂的數量及膜脂質的構造對酶活性有影響；膜流動性降低及膜磷脂的丟失可導致酶活性降低。
魏源等采用遞增負荷力竭運動方式觀察急性運動對肌漿網鈣轉動能力的影響，發現運動后股四頭肌肌漿網Ca2+-ATPase活性和Ca2+攝取速率均明顯下降，表現為肌漿網增Ca2+-ATPase活性和Ca2+攝取速率分別下降51．2％和17．72％；而脂質過氧化物濃度則顯著升高。說明運動導致了肌漿網攝鈣功能受損，進而引起了肌肉運動的力竭。所以力竭運動后肌漿網功能下降與運動性骨骼肌疲勞密切相關。而力竭運動后，肌漿網脂質過氧化物水平顯著增高，且肌漿網Ca2+-ATPase水解活性有肌漿網Ca2+攝取率與肌漿網脂質過氧化物水平呈顯著負相關。
5運動性疲勞的鈣解釋
以前有關鈣與疲勞關系的研究幾乎都將線粒體和肌漿網割裂開來或分別進行研究，將其二者聯系起來的研究卻很少；但越來越多的實驗事實說明，線粒體與肌漿網對運動性疲勞的產生有著內在的聯系。因此，以線粒體鈣和肌漿網鈣共同來解釋運動性疲勞可能較為合理。
我們知道，細胞內游離Ca2+濃度可能主要依靠細胞內Mg2+濃度的變化調節，而Mg2+的這一調節功能主要是通過肌漿網來實現。一方面，細胞內Mg2+濃度下降可使肌漿網鈣釋放增多，胞漿Ca2+濃度增加；另一方面，胞內Mg2+還能抑制線粒體的Ca2+攝取，防止過多Ca2+進入線粒體造成的損傷。運動過程中ATP大量消耗，使得以Mg-ATP形式存在的Mg2+減少，游離實時性增多，繼而Mg2+外流，細胞Mg2+含量下降，線粒體Mg2+減少，造成能量代謝障礙；細胞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，進一步導致能量代謝紊亂，ATP生成減少，加重Mg2+的丟失和線粒體鈣的聚積。由此可見，運動性疲勞狀態下，胞內ATP減少，導致胞漿Mg2+的增多，從而Mg2+外流增加，胞漿Mg2+濃度下降，肌漿網功能也隨之下降。因此胞漿Ca2+濃度的升高，線粒體Ca2+增加，細胞氧化磷酸化過程受到抑制，導致ATP生成減少。另外，胞內ATP的減少，又可導致胞內Ca2+代謝的紊亂。如此反復的“惡性循環”可能就是運動性疲勞的鈣解釋機制。
綜上所述，鈣在運動性疲勞中起著重要的作用，有可能是其產生的一個中樞機制，線粒體鈣和肌漿網鈣是運動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，我們還認為將線粒體鈣和肌漿網鈣聯系起來對運動性疲勞的外周機制作出解釋較為合理，也期待著這方面研究的進一步深入。