盧昌亞
《山東體育學院學報》2001年03期
【作者單位】：上海師范大學體育與衛生學院
【摘要】：
新近有關運動疲勞時肌肉細胞和亞細胞機制的研究表明，細胞內pH下降是產生肌肉疲勞特征的重要因素。細胞內pH的下降能引起至大收縮力下降，收縮和舒張期延長，至大縮短速度下降以及至大收縮力和至大縮短速度同時下降所導致至大功率下降。
肌肉疲勞時所表現的功能特征的改變主要是：至大收縮力(Po)下降，收縮和舒張期延長，至大縮短速度(Vo)下降以及Po和Vo同時下降所引起的至大功率的下降。長期以來一般認為，在高強度運動時無氧代謝特別是酵解過程所積累的乳酸是導致疲勞的重要原因。新近大量證據表明，疲勞不是直接受乳酸濃度調節的，而是受運動時肌肉細胞內pH調節的。乳酸只不過是通過其解離狀態的H+改變了細胞的pH，從而影響了肌纖維的收縮特性，而其另一解離產物乳酸根則對肌細胞作用很小。較一致的結論是：肌細胞的pH降低是引起肌肉運動性疲勞的重要因素。
1疲勞時的肌細胞pH
盡管用于測定骨骼肌細胞內pH的技術方法各不相同，但其測值都一致地顯示，疲勞肌細胞的pH均比安靜時的值要低得多，且具有統計學顯著差異，而且這種pH隨疲勞而下降的現象，在各種不同種屬的細胞之間非常相似。安靜時蛙及哺乳類骨骼肌細胞內pH在7．0左右，而在高強度運動時，可以下降到6．2左右。有關具體測值如表1所示。
多數實驗結果證明，運動強度越大，pH的下降幅度也越大。一般在疲勞時，細胞內pH下降的至大幅度常在ⅡA型纖維中可以見到。
在經過運動訓練以后，高強度運動時肌細胞內pH的下降幅度有所減小，這是由于H+產生的下降以及細胞對酸的緩沖能力的增強所引起的。人在動力性運動后測定，以及蛙和哺乳動物骨骼肌的體外測定均表明，疲勞后恢復期中細胞內pH的回升均呈指數函數關系，且能在20～25分鐘內恢復，其恢復的速度比乳酸的消除速度要快，疲勞后乳酸的消除要30～40分鐘才能完全達到。細胞內pH恢復的重要機制被認為是細胞膜上的H+-Na+交換系統的活動。在疲勞后該系統被激活，H+被主動泵出胞外，從而使肌細胞內H+濃度降低，pH值回升。在某些實驗中發現，疲勞后恢復期的起初幾分鐘內，值并未立即開始回升，而是仍處于較低狀態。這被歸因于恢復期開始階段大量的磷酸肌酸重合成，增加了細胞內的酸度，從而限制了pH值的回升。
2細胞內pH和肌力
核磁共振技術顯示，不管是在體外還是在體內，不管是快肌纖維還是慢肌纖維，細胞內pH的下降與肌肉收縮力之間都有很高的相關性。有報道指出，當細胞內pH從7．0下降到6．2時，蛙肌至大張力下降了33％。細胞內pH的下降引起肌纖維收縮力變小的機制，大致有以下幾個方面。
2．1降低引起力-pCa曲線右移
細胞內Ca2+濃度的負對數通常以pCa表示，不同的pCa值時肌纖維收縮力隨之變化的曲線即為力-pCa曲線。實驗表明，細胞內pH降低時，可以使力-pCa曲線右移。這顯然提示，當細胞內pH降低時如要達到一定的張力，就需要比正常細胞內pH時更高濃度的游離Ca2+，或者在同樣濃度的游離Ca2+條件下，pH下降時肌肉產生的張力降低。而且這種細胞內低pH值對快纖維肌力的抑制作用比對慢肌纖維要明顯得多。這種抑制作用可能是由于過多的H+對Ca2+與肌鈣蛋白的正常結合產生了干擾，削弱了肌細胞中的興奮收縮偶聯效應，從而阻礙了肌球蛋白與肌動蛋白的結合以及粗細肌絲之間的滑行。
2．2細胞內pH降低對收縮蛋白的直接作用
即使在細胞內游離Ca2+濃度正常的情況下，甚至在達到飽和水平時，pH的降低也能抑制肌力。這一結果使人們考慮到，細胞內pH除了通過對Ca2+濃度的影響來干擾粗細肌絲的滑行之外，還能對肌纖維中的收縮蛋白產生作用。新近研究認為，過多的細胞內H+可使橫橋與細絲上肌動蛋白的結合不能從低力狀態過渡到高力狀態，從而直接抑制了肌力。細胞內pH對橫橋的直接作用涉及兩個方面：一是減少了活化橫橋的數目；二是減弱了每一個活化橫橋的力，后者也許是更重要的。這兩點在活體的單纖維實驗中已被證實。在單纖維研究工作中，用高濃度的CO2液浸潤肌細胞以造成細胞內酸化，而是細胞內pH下降，可以觀察到快肌纖維中由于活化橫橋數目的減少而引起的肌力下降。但是在慢肌纖維中尚未發現類似結果。
2．3細胞內pH下降引起爆發力下降
疲勞時肌肉張力下降，dp/dt下降，而dp/dt是爆發力的運動生理學指標。爆發力減弱的動力學表現是橫橋與肌動蛋白結合速率的降低。在疲勞的發生、發展及此后的恢復期，dp/dt與細胞內pH之間呈高相關。在實驗中，用高CO2液浸潤肌細胞的單纖維，能夠同時測出由于細胞內酸化而引起的至大肌力和dp/dt同時減弱的現象。其作用機制主要是，由于高濃度H+抑制了肌質網的Ca2+通道，使Ca2+釋放速率降低。衡量Ca2+釋放速率的指標是Ktr(轉移常數)，即單位時間內Ca2+的凈轉移量。細胞內測定表明，當pH下降時，Ktr也隨之下降。由于肌漿中的Ca2+濃度不足，使橫橋頭端的ATP位點不能激活，或激活的速率不高，因此橫橋與肌動蛋白的結合受到阻礙，特別是Ktr下降所引起的單位時間內橫橋擺動頻率減小，這樣就導致dp/dt即爆發力下降。
2．4細胞內pH降低抑制Ca2+與肌鈣蛋白的結合
當細胞內pH從7．0下降到6．2時，Ca2+與肌鈣蛋白的親和力與結合力下降。分子生物學表明，在細胞內pH很低時，肌鈣蛋白亞單位之間的配合作用被削弱。在這種情況下，即使肌漿中Ca2+的濃度相當高，Ca2+也不能正常地與肌鈣蛋白相結合，從而解除原肌球蛋白對肌動蛋白的覆蓋，因此直接妨礙了橫橋與細絲上肌動蛋白的結合，這樣橫橋的擺動就變得不可能，于是導致肌肉收縮力的降低。
3細胞內pH降低與肌纖維至大縮短速度(Vo)
實驗表明，蛙的骨骼肌在疲勞時纖維的至大縮短速度(Vo)顯著下降。但一般情況下，Vo的下降是在肌力下降10％時才開始出現，而且Vo的下降是受肌漿中pH值下降或H+濃度的增加而調節的。在實驗中發現，未受到刺激的肌纖維，如果用高CO2濃度液浸潤，同樣會出現Vo大幅度下降的結果。這充分說明細胞內pH對Vo的作用。
有些實驗較一致地表明，酸性pH在快肌纖維中對Vo的抑制作用大于在慢肌纖維中，而且Vo受抑制的程度在各種不同的肌群中變異性很大。有報告指出，蛙肌Vo在疲勞前后，可由6．7肌長/秒減小到2．5肌長/秒。
細胞內pH影響Vo的機制被認為是與ATP酶的活性有關。因為實驗中的測定顯示Vo與肌纖維中的ATP酶的活性成正比。pH下降時，細胞內過多的H+抑制了ATP酶，從而減慢了橫橋活化的周期率，使之不能發揮到應有程度，而導致Vo下降。
4細胞內pH與等長舒張速率
肌肉疲勞時，除了Ca2+轉移減慢以外，舒張期延長也是肌纖維的力學表現之一。實驗提示這種變化也與肌細胞內pH值直接相關。肌肉收縮時，Ca2+肌漿從肌質網中得到補充而濃度增加，然后Ca2+與肌鈣蛋白結合，引起橫橋與肌動蛋白結合，產生粗細絲之間的滑行，表現為肌肉收縮。舒張時Ca2+與肌鈣蛋白的結合必須解離，而且要被重新攝回肌質網中。Ca2+重新攝回肌質網的工作是由肌質網上的ATP酶來承擔的，用實驗方法降低肌細胞內的pH，同樣也能模擬肌肉疲勞時所表現出的舒張期延長效應，其作用機制仍然與有關酶的活性相關。當肌細胞內過多的H+使pH下降到7．0以下時，就影響了ATP酶的活性，因為肌質網上ATP酶的活性要有一個適宜的環境，即pH值不小于7．0。當肌質網ATP酶因活性降低而不能正常地把肌漿中的Ca2+攝回肌質網時，便導致肌漿中的Ca2+轉移速率下降，使Ca2+與肌鈣蛋白的解離減緩，從而延長了肌纖維的舒張期。
5小結
大量的實驗及研究成果表明，肌肉疲勞與細胞內的pH值高低密切相關。當細胞酸化而引起細胞內pH值從7．0降至6．2時，肌纖維的至大收縮力下降，至大縮短速度下降，至大收縮功率下降以及舒張期延長，終導致肌肉出現疲勞特征。