魏國
沈陽師范大學體育科學學院，遼寧沈陽110034
《遼寧體育科技》2003年第3期
摘要：
本文通過對運動性肌質(zhì)網(wǎng)代謝異常所引起的骨骼肌疲勞機制及其產(chǎn)生原因的研究，探討骨骼肌細胞內(nèi)環(huán)境改變的病理機制，為揭示骨骼肌疲勞的產(chǎn)生提供理論依據(jù)。
骨骼肌疲勞的機制比較復雜，眾多學者對其機制提出了能量耗竭、代謝產(chǎn)物堆積、保護性抑制、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失調(diào)等多種學說。本文僅對運動性骨骼肌肌質(zhì)網(wǎng)代謝異常所引起的骨骼肌疲勞機制及其原因加以探討。
1肌質(zhì)網(wǎng)代謝異常
肌質(zhì)網(wǎng)是骨骼肌中調(diào)節(jié)細胞內(nèi)Ca2+濃度尤其重要的細胞器，在肌肉興奮-收縮偶聯(lián)過程中起關鍵的作用。由于運動引起代謝產(chǎn)物的堆積，使肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+濃度下降，同時肌質(zhì)網(wǎng)的結構成分和完整性也受到破壞。而且運動時間越長，肌質(zhì)網(wǎng)功能下降越明顯。許多實驗表明：長時間劇烈運動后，Ca2+-ATP酶活性降低，肌質(zhì)網(wǎng)釋放鈣量減少，而鈣攝取下降。肌動蛋白-肌球蛋白的相互作用受到制約，從而使肌肉收縮力下降。研究顯示劇烈運動后，伴隨著Ca2+-ATP酶活性的降低和Ca2+-ATP酶蛋白含量的減少，Ca2+-ATP酶蛋白降解。Ca2+-ATP酶蛋白是肌質(zhì)網(wǎng)膜的基本成分，它的降解不僅意味著肌質(zhì)網(wǎng)功能失調(diào)，也意味著肌質(zhì)網(wǎng)膜結構的破壞。
1．1骨骼肌肌質(zhì)網(wǎng)改變的原因
骨骼肌肌質(zhì)網(wǎng)的功能是在肌肉收縮和舒張過程中釋放和攝取Ca2+，有關疲勞時肌質(zhì)網(wǎng)功能改變的原因主要有以下幾種解釋。
1．1．1 ATP的減少
ATP是肌肉工作的主要供能物質(zhì)，目前認為，ATP濃度的下降可以使肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放能力下降。疲勞早期，ATP的濃度比較恒定，只是在疲勞的后一階段當磷酸肌酸的存儲耗竭時，其濃度下降。有許多機制可以將ATP濃度下降與肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放能力下降聯(lián)系在一起。
(1)Na+-K+-ATP酶活性下降可以使膜除極化并降低動作電位的放大程度；
(2)肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+泵損傷可以引起肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+負荷能力下降；
(3)肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+通道的至大開放需要ATP。
盡管ATP的分解產(chǎn)物ADP、AMP和無機磷也可以激活通道，但是它們的能力遠小于ATP的激活能力，所以ATP分解的結果減少了肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道的開放。
1．1．2離子紊亂
骨骼肌疲勞時可以引起多種離子的濃度發(fā)生改變，其中Ca2+、Mg2+等濃度的改變同肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放能力的下降關系比較密切。正常情況下，細胞內(nèi)外的Ca2+處于一種動態(tài)平衡。Ca2+參與機體結構、電生理過程、活動穩(wěn)定性、激素信使及對某些酶的激活作用等，任何原因造成的Ca2+平衡的破壞都將導致細胞功能的異常。研究表明Ca2+可以激活一種內(nèi)源性的磷脂酶，導致膜上的磷脂大量丟失，引起膜功能的改變。Lamb等認為高Ca2+濃度可以破壞興奮收縮偶聯(lián)過程的一個或幾個階段。T管和肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放通道間的通訊可以被高Ca2+濃度抑制。Mg2+是公認的除極化、誘導Ca2+釋放以及Ca2+通道波動的抑制劑，Mg2+濃度的升高可以抑制肌纖維的收縮，這可能歸因于Ca2+通道的關閉。Mg2+以與Ca2+競爭肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放通道的活性位點。研究表明，正常的除極化、Ca2+釋放和肌肉收縮均可因Mg2+濃度的升高而被抑制。Mg2+可以干擾開放Ca2+釋放通道的電壓感受器。Mg2+-ATP酶活性的下降可以引起游離Mg2+的增加，繼而Mg2+外流，細胞內(nèi)Mg2+含量下降，導致能量代謝障礙，引起肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放能力下降。
1．1．3 pH值的下降
肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道功能除受到離子、高能化合物的調(diào)節(jié)外，還受環(huán)境pH值、乳酸、H+影響。在運動中，肌細胞的代謝被激活，以產(chǎn)生維持至大收縮的高能磷酸物。為了保持足夠的ATP，肌肉進行無氧酵解，從而產(chǎn)生大量的乳酸根離子和H+，降低了被激活細胞的pH值。H+濃度的增加可以使細胞內(nèi)的pH值下降到6．5以下。眾所周知，乳酸作為代謝副產(chǎn)物可以引起肌肉力量的下降。當乳酸的濃度達到20mmol/L時，肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+釋放速率被抑制30％。運動導致的肌質(zhì)網(wǎng)功能障礙，細胞內(nèi)的H+濃度的變化可能是一個重要的因素。Kohmoto等用雞胚心室肌的肌質(zhì)網(wǎng)證實，單純將孵育液的pH值從7．05降到6．60時，肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+攝取明顯降低，細胞內(nèi)Ca2+濃度隨之顯著升高。低pH值可使肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+-ATP酶活性降低，并使其對Ca2+激活的敏感性降低，因此肌質(zhì)網(wǎng)活性鈣泵數(shù)目降低。pH值降低還使肌質(zhì)網(wǎng)上高能磷酸鍵中間產(chǎn)物的形成和解離速度降低，因此也抑制Ca2+的攝取速率。
1．1．4氧自由基的作用
Murphy等觀察到，氧自由基清除劑在負氧前加入可抑制鈣超負荷的發(fā)生；而負氧后加入，對鈣超負荷無明顯作用，這表明氧自由基是參與骨骼肌疲勞的另一重要介質(zhì)。氧自由基是O2不完全氧化的產(chǎn)物，具有很強的氧化性，肌質(zhì)網(wǎng)是其攻擊的主要靶細胞器。氧自由基可以抑制肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+-ATP酶活性。實驗顯示把肌質(zhì)網(wǎng)放入氧自由基發(fā)生系統(tǒng)中孵育，隨著時間的延長，Ca2+-ATP酶活性顯著降低；若在該系統(tǒng)加入SOD和過氧化氫酶，可使酶活性部分恢復。Okabe等用黃嘌呤-黃嘌呤氧化酶系統(tǒng)孵育肌質(zhì)網(wǎng)，也得到類似結果，且鈣攝取的降低和黃嘌呤呈劑效依賴關系。氧自由基對鈣調(diào)蛋白有抑制作用，其濃度的升高不僅使肌質(zhì)網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)運受抑制，而且使Ca2+釋放抑制因子作用減弱，Ca2+釋放增加。氧自由基還破壞肌質(zhì)網(wǎng)膜脂雙層結構。膜脂質(zhì)是保持肌質(zhì)網(wǎng)膜的Ca2+-ATP酶和鈣釋放通道的蛋白結構和功能完整的基礎，也是阻止肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+擴散入細胞質(zhì)的屏障。氧自由基使膜脂質(zhì)被氧化導致膜損傷，肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+潛入胞質(zhì)，升高細胞內(nèi)Ca2+濃度。
2肌質(zhì)網(wǎng)改變的后果
肌質(zhì)網(wǎng)是骨骼肌細胞內(nèi)重要的Ca2+調(diào)節(jié)細胞器，它是Ca2+儲存和釋放的主要位點。肌質(zhì)網(wǎng)功能的下降將導致肌肉形態(tài)和機能的變化。據(jù)報道極量運動后肌質(zhì)網(wǎng)攝取Ca2+能力下降，使肌質(zhì)網(wǎng)不能將肌肉在興奮過程中釋放的Ca2+及時重新攝取到肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)，使胞漿Ca2+濃度升高，并且，通過激活磷脂酶A2、中性蛋白水解酶和線粒體鈣聚集等多種途徑引起肌肉蛋白降解和代謝機制障礙，造成肌肉形態(tài)和功能的變化，直接影響肌肉的收縮-放松過程，使Ca2+不能與肌鈣蛋白解離，使肌肉處于一種持續(xù)的收縮狀態(tài)，進一步加重骨骼肌的疲勞，導致肌肉收縮能力的下降。此外，肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放能力的下降，激活了興奮收縮偶聯(lián)有關的蛋白質(zhì)的破壞過程，使可以引起興奮收縮偶聯(lián)的蛋白質(zhì)的數(shù)目下降，從而引起肌力下降。
3小結
綜上所述，骨骼肌疲勞的發(fā)生與肌質(zhì)網(wǎng)的代謝異常有密切關系，肌質(zhì)網(wǎng)代謝異常的原因主要有：能量物質(zhì)的過量消耗和不能迅速恢復；離子代謝紊亂；pH值下降；氧自由基的作用，結果使骨骼肌的興奮-放松過程受到影響，從而表現(xiàn)為骨骼肌的收縮力下降和痙攣的產(chǎn)生。