《首都體育學院學報》2003年第1期
侯春麗閆守扶孫紅梅
山西大學體育學院太原
首都體育學院北京
上海體育學院研究生部上海
收稿日期：2002-12-09
作者：侯春麗(1977-)，女，山東濰坊人，研究生，研究方向為運動生物化學
摘要：
運動性疲勞是一個十分復雜的過程，并受到多種因素的影響，迄今為止人們對其產生的機理仍未達成一致的看法。本文就運動性疲勞的機制問題對近幾年來研究的熱點及新進展情況試作闡述。
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的定義。目前比較趨于一致的關于運動性疲勞的定義是1982年在第五屆國際運動生化學術會議上所下的結論，認為：運動性疲勞是機體生理過程不能維持其機能在特定水平上和/或不能維持預定的運動強度。而在實際的運動過程中，疲勞的產生則是一個十分復雜的過程，生理學家們從各個不同的角度對其進行研究并探討其產生的機制。自90年代以來，除了在傳統的運動性疲勞研究領域有許多研究的成果出現以外，在肌肉疲勞的細胞機制方面也有了一定進展。目前的研究主要基于2個理論：
(1)細胞代謝因素變化的理論；
(2)興奮收縮耦聯(excitation-contractioncoupling，ECC)變化的理論。
本文著重從肌細胞pH值的變化、能源物質的消耗、磷酸化合物及自由基的變化等方面，對近幾年來運動性疲勞的肌肉細胞機制研究的進展、狀況與趨勢進行分析與討論。
1肌細胞pH值與運動性疲勞
早期研究認為，肌肉疲勞是由于肌肉內乳酸積累導致的，因此人們將乳酸稱為疲勞素。但目前大量實驗證明，乳酸本身對疲勞的作用非常微小。疲勞的發生并不是直接受運動時肌細胞代謝過程所積累的乳酸控制的，而是受細胞代謝所引起的pH改變來調節的。因此，乳酸導致疲勞的原因實際上是由于乳酸解離出的H+降低了肌細胞內的pH值，從而使肌肉的輸出功率、細胞酶的活性、肌質網對Ca2+的轉移以及肌鈣蛋白對Ca2+的結合能力的下降，導致疲勞的發生。
1．1肌細胞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致的。
1．1．1肌細胞pH值與至大收縮力
核磁共振技術檢測顯示，無論肌纖維的類型(快肌或慢肌)與狀態(離體或在體)如何，細胞內的pH值下降與肌肉收縮力之間都有著很高的相關性。當pH值降低時，要達到相同的張力，所需的Ca2+濃度要高于正常值，并且當pH值從7．0降至6．2時Ca2+與肌鈣蛋白的親和力與結合力均下降，從而直接阻礙了橫橋的功能，引起肌力下降。實驗發現，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生作用。Metzger等報道，pH值的下降減少了橫橋從低力量狀態向高力量狀態轉變的速度和數量，直接導致肌力下降。其后Edman用活的單個肌纖維證明這一結論的正確性，因此認為肌細胞內pH值的變化是通過調節橫橋的數目和每個橫橋的力量來影響肌力的。
1．1．2肌細胞pH值與至大縮短速度
Thompson的實驗結果表明：至大縮短速度的降低可以部分的歸因于H+濃度的升高。新近報告，蛙骨骼肌疲勞時至大縮短速度有顯著下降。在實驗中，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制被認為是pH值下降影響了ATP的酶活性，從而減慢了橫橋擺動的頻率，而橫橋循環速率的減慢正是至大縮短速度下降的根本原因。進一步研究表明，pH值對于快肌纖維ATP酶活性的抑制作用強于慢肌纖維，可見，pH值對快肌纖維至大縮短速度的抑制作用強于慢肌。
1．2肌細胞pH值與酶的活性
高強度訓練至力竭后，骨骼肌內pH值可以下降到6．6～6．3，這種pH值的降低可影響肌細胞內許多酶的活性，如磷酸果糖激酶、磷酸化激酶、腺苷酸環化酶、肌酸激酶、ATP酶，從而影響了細胞能量的產生和釋放過程，降低了肌肉的功能。Danforth的實驗證實，當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對離體肌肉標本的研究發現，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，使細胞中CP含量下降，阻礙了快速合成ATP的路徑。研究證實，CP的耗竭是暴發性項目疲勞的重要原因之一。
1．3肌細胞pH值與Ca2+的轉移
研究發現在肌肉運動性疲勞發生時，肌細胞中Ca2+的轉移幅度大大下降，主要包括2個過程：
(1)肌質網對Ca2+的釋放。
(2)肌質網對Ca2+的重攝取。
1．3．1肌細胞pH值與肌質網的Ca2+釋放
對于肌質網對Ca2+釋放幅度下降的機理，目前認為有2種可能：一種可能是由于肌質網內Ca2+貯備的耗竭。另一種可能是肌質網Ca2+通道被抑制的結果。研究者們在用咖啡因直接刺激疲勞肌的肌質網引起Ca2+釋放的實驗中發現，疲勞肌纖維張力的下降狀況得到了一定程度的逆轉。這表明，肌質網內Ca2+貯備并沒有耗竭。更可能的機制就是低pH值抑制了肌質網Ca2+通道。近期Ma和Zhao對Ca2+釋放通道蛋白進行了大量研究發現，肌質網膜脂質雙層側的酸化可以降低Ca2+釋放通道打開的可能性。但Lamb等報道，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，對于肌細胞pH值下降是否影響肌質網Ca2+釋放還有待進一步研究。
1．3．2肌細胞pH值與肌質網對Ca2+的重攝取
研究發現，肌質網膜ATP酶的理想pH值為7．0，當肌細胞pH值由7．0降至6．0時，肌質網對Ca2+的親和力減少10倍之多。Lnesi和hill認為疲勞時pH值下降，抑制肌質網鈣泵ATP酶活性，使鈣泵效率下降，Ca2+重攝能力下降，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性。
2能源物質的消耗與運動性疲勞
2．1 ATP和CP的消耗
如前所述，肌細胞內pH值下降抑制了糖酵解酶的活性，使ATP再合成速率下降。新研究結果表明，線粒體膜通透性改變，體溫升高及電子漏引起質子漏導致線粒體功能下降，ATP合成量減少。從運動供能的角度出發，ATP和CP是短時間至大強度運動的主要能源，其貯備的明顯下降可能導致這類運動疲勞的發生。然而，有人用肌肉活檢、核磁共振技術研究疲勞肌肉時發現：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性。同時還有人指出，運動時ATP微小的變化和CP的下降與疲勞沒有直接聯系。其有力的證據是，甚至在高強度疲勞時，細胞內ATP都很少下降到運動前水平的70％以下。且在高強度疲勞時細胞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負荷時，持續運動能力的喪失與肌糖元的耗竭高度相關。在一種糖元填充法的專門研究中發現，當受試者的肌肉糖元含量增加時，其工作持續時間增加。同時有研究表明，不同強度的運動對快肌和慢肌纖維中糖元的消耗次序和程度是不同的。據戈萊尼克報道，高頻率、低阻抗運動主要是慢肌纖維糖元下降，而低頻率、高阻抗運動主要是快肌纖維糖元下降。由此可見，在長時間大強度運動中肌肉疲勞的發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
研究發現，骨骼肌中脂肪的貯備量很小，運動時被大量動用的是體內脂肪組織中的脂肪。在一定程度上，我們可以把體內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，限制長時間運動能力的并非是脂肪消耗量的問題，而是運動時對脂肪的利用能力。近幾年來，有關脂肪代謝與運動能力的報道日漸增多。有認認為，耐力訓練可提高運動時脂肪的利用率，從而減少糖元的消耗和血糖水平的下降，延緩疲勞的出現。但運動對骨骼肌、心肌以及肝細胞產生不良影響，從而也可能引發運動疲勞的產生。
3磷酸化合物與運動性疲勞
當機體進行短時間大強度運動時，由于ATP、CP分解代謝加強，其代謝產物ADP、AMP和Pi等的濃度會明顯升高。雖然ADP與Pi是細胞能量代謝過程的激活劑，但肌漿內過量的ADP、Pi就很可能使肌肉產生疲勞。其有力證據為：當進行1分鐘60～100％至大強度運動時，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、大強度運動中肌細胞內ADP、AMP和Pi的堆積，可能是導致疲勞的原因之一。
3．1 ADP與運動性疲勞
肌細胞中的ADP大都是與肌動蛋白結合著，只有約10％處于游離狀態。研究表明，當游離的ADP濃度升高時，肌球蛋白與肌動蛋白結合與分離轉換所需時間延長，可使肌纖維的放松速率減慢，從而降低了肌肉的輸出功率，引發疲勞。另據報道，肌細胞內ADP濃度的增加還可能損傷物質代謝途徑，進而引起肌體生理功能發生改變產生疲勞，影響肌體的運動能力。
3．2 AMP與運動性疲勞
當機體進行短時間劇烈運動時，細胞內的ADP、AMP濃度明顯增加，AMP是ADP的水解產物，對肌細胞有一定毒害作用。其原因為：當AMP濃度升高時，可強烈激活AMP脫氨酶，使AMP脫氨生成NH3和IMP。NH3的堆積會限制肌細胞膜功能，減少收縮纖維數目。同時，血氨濃度升高，可明顯影響中樞神經系統的代謝，使運動的控制能力下降。
3．3無機磷（Pi）與肌肉疲勞
機體進行高強度運動時，伴隨CP的大幅度下降，細胞內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水解相聯系的自由能變化，而降低了肌質網對Ca2+的重攝取，進而又使Ca2+瞬時和舒張時間變慢。另據報道，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目和力量均減少，且部分橫橋從強結合狀態轉變為弱的結合狀態，進而導致肌力的下降。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等觀察發現，當Pi超過10mmol時抑制至大縮短速度，但只發生在ATP濃度較低時。Cooke發現，當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，不少人對產生作用的無機磷的類型進行了探討，發現H2PO4-與肌力之間呈高度的負相關，因此普遍認為Pi主要是通過H2PO4-對肌力產生作用。
4自由基與運動性疲勞
自1978年Dillard初次提出自由基在運動性疲勞中的作用后，自由基在運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行亞極量運動至衰竭，然后用ESR(electron spine resonance)技術在20℃下檢測其肝臟和肌肉勻漿中的自由基信號，結果發現此時自由基信號(g=2．004)明顯增強，其波幅為安靜組的2～3倍，對在體肝臟所做的檢查結果一致。對持續30分鐘的大鼠腓腸肌過度收縮活動，進行低溫ESR技術檢測，發現組織內自由基信號峰值升高70％。由此可見，運動在增加氧耗量的同時自由基生成量也在增加。目前認為自由基的產生有3條途徑：
(1)機體在進行耐力性運動時，體內代謝水平增加，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，細胞呼吸水平大大提高，氧自由基生成也隨之增多。
(2)運動時隨著ATP的大量分解，使AMP生成增加，進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，當運動后氧氣供應充足時，次黃嘌呤和黃嘌呤與氧氣反應也生成大量的自由基。
(3)大強度運動過程中，機體由于缺氧，糖酵解加強，生成大量乳酸并在體內堆積，乳酸還原使胞漿中NADH和NADPH濃度大大下降，抑制了體內自由基消除酶的活性，使自由基在體內不斷增多。
盡管運動時SOD、GSH-PX酶活性增加，自由基清除能力加強，但仍不足以平衡運動應激情況下產生的自由基及脂質過氧化物。體內自由基及脂質過氧化物水平的增高，使某些蛋白質變性、交聯和酶失活，從而改變了細胞生物膜的功能，造成某些重要的離子運轉紊亂。如肌漿網、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聚合而失活，從而降低了肌肉的工作能力。Tibbits提出，長時間運動過程中產生的大量超氧陰離子自由基，可以破壞肌細胞膜的脂質雙分子層，使膜上一些重要的蛋白質(如鈉泵、鈣泵、Na+-Ca2+交換器)失活，從而影響肌細胞膜的正常功能。Jakchson MJ．Ed-wards RHT認為，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。
運動性疲勞是受多種因素制約的復雜現象，而每一因素的重要性又因運動項目、運動強度、形式和持續時間的不同而不盡相同。因此，疲勞的細胞機制具有相當的復雜性，但它又具有一定的側重性，因為在各種具體的情況下，引發疲勞的因素可能以某一方面為主?？傊?，要完全揭示疲勞的細胞機制，還有待進一步研究。