卢昌亚

《山东体育学院学报》2001年03期

【作者单位】：上海师范大学体育与卫生学院

【摘要】：

新近有关运动疲劳时肌肉细胞和亚细胞机制的研究表明，细胞内pH下降是产生肌肉疲劳特征的重要因素。细胞内pH的下降能引起至大收缩力下降，收缩和舒张期延长，至大缩短速度下降以及至大收缩力和至大缩短速度同时下降所导致至大功率下降。

肌肉疲劳时所表现的功能特征的改变主要是：至大收缩力(Po)下降，收缩和舒张期延长，至大缩短速度(Vo)下降以及Po和Vo同时下降所引起的至大功率的下降。长期以来一般认为，在高强度运动时无氧代谢特别是酵解过程所积累的乳酸是导致疲劳的重要原因。新近大量证据表明，疲劳不是直接受乳酸浓度调节的，而是受运动时肌肉细胞内pH调节的。乳酸只不过是通过其解离状态的H+改变了细胞的pH，从而影响了肌纤维的收缩特性，而其另一解离产物乳酸根则对肌细胞作用很小。较一致的结论是：肌细胞的pH降低是引起肌肉运动性疲劳的重要因素。

1疲劳时的肌细胞pH

尽管用于测定骨骼肌细胞内pH的技术方法各不相同，但其测值都一致地显示，疲劳肌细胞的pH均比安静时的值要低得多，且具有统计学显著差异，而且这种pH随疲劳而下降的现象，在各种不同种属的细胞之间非常相似。安静时蛙及哺乳类骨骼肌细胞内pH在7．0左右，而在高强度运动时，可以下降到6．2左右。有关具体测值如表1所示。

多数实验结果证明，运动强度越大，pH的下降幅度也越大。一般在疲劳时，细胞内pH下降的至大幅度常在ⅡA型纤维中可以见到。

在经过运动训练以后，高强度运动时肌细胞内pH的下降幅度有所减小，这是由于H+产生的下降以及细胞对酸的缓冲能力的增强所引起的。人在动力性运动后测定，以及蛙和哺乳动物骨骼肌的体外测定均表明，疲劳后恢复期中细胞内pH的回升均呈指数函数关系，且能在20～25分钟内恢复，其恢复的速度比乳酸的消除速度要快，疲劳后乳酸的消除要30～40分钟才能完全达到。细胞内pH恢复的重要机制被认为是细胞膜上的H+-Na+交换系统的活动。在疲劳后该系统被激活，H+被主动泵出胞外，从而使肌细胞内H+浓度降低，pH值回升。在某些实验中发现，疲劳后恢复期的起初几分钟内，值并未立即开始回升，而是仍处于较低状态。这被归因于恢复期开始阶段大量的磷酸肌酸重合成，增加了细胞内的酸度，从而限制了pH值的回升。

2细胞内pH和肌力

核磁共振技术显示，不管是在体外还是在体内，不管是快肌纤维还是慢肌纤维，细胞内pH的下降与肌肉收缩力之间都有很高的相关性。有报道指出，当细胞内pH从7．0下降到6．2时，蛙肌至大张力下降了33％。细胞内pH的下降引起肌纤维收缩力变小的机制，大致有以下几个方面。

2．1降低引起力-pCa曲线右移

细胞内Ca2+浓度的负对数通常以pCa表示，不同的pCa值时肌纤维收缩力随之变化的曲线即为力-pCa曲线。实验表明，细胞内pH降低时，可以使力-pCa曲线右移。这显然提示，当细胞内pH降低时如要达到一定的张力，就需要比正常细胞内pH时更高浓度的游离Ca2+，或者在同样浓度的游离Ca2+条件下，pH下降时肌肉产生的张力降低。而且这种细胞内低pH值对快纤维肌力的抑制作用比对慢肌纤维要明显得多。这种抑制作用可能是由于过多的H+对Ca2+与肌钙蛋白的正常结合产生了干扰，削弱了肌细胞中的兴奋收缩偶联效应，从而阻碍了肌球蛋白与肌动蛋白的结合以及粗细肌丝之间的滑行。

2．2细胞内pH降低对收缩蛋白的直接作用

即使在细胞内游离Ca2+浓度正常的情况下，甚至在达到饱和水平时，pH的降低也能抑制肌力。这一结果使人们考虑到，细胞内pH除了通过对Ca2+浓度的影响来干扰粗细肌丝的滑行之外，还能对肌纤维中的收缩蛋白产生作用。新近研究认为，过多的细胞内H+可使横桥与细丝上肌动蛋白的结合不能从低力状态过渡到高力状态，从而直接抑制了肌力。细胞内pH对横桥的直接作用涉及两个方面：一是减少了活化横桥的数目；二是减弱了每一个活化横桥的力，后者也许是更重要的。这两点在活体的单纤维实验中已被证实。在单纤维研究工作中，用高浓度的CO2液浸润肌细胞以造成细胞内酸化，而是细胞内pH下降，可以观察到快肌纤维中由于活化横桥数目的减少而引起的肌力下降。但是在慢肌纤维中尚未发现类似结果。

2．3细胞内pH下降引起爆发力下降

疲劳时肌肉张力下降，dp/dt下降，而dp/dt是爆发力的运动生理学指标。爆发力减弱的动力学表现是横桥与肌动蛋白结合速率的降低。在疲劳的发生、发展及此后的恢复期，dp/dt与细胞内pH之间呈高相关。在实验中，用高CO2液浸润肌细胞的单纤维，能够同时测出由于细胞内酸化而引起的至大肌力和dp/dt同时减弱的现象。其作用机制主要是，由于高浓度H+抑制了肌质网的Ca2+通道，使Ca2+释放速率降低。衡量Ca2+释放速率的指标是Ktr(转移常数)，即单位时间内Ca2+的净转移量。细胞内测定表明，当pH下降时，Ktr也随之下降。由于肌浆中的Ca2+浓度不足，使横桥头端的ATP位点不能激活，或激活的速率不高，因此横桥与肌动蛋白的结合受到阻碍，特别是Ktr下降所引起的单位时间内横桥摆动频率减小，这样就导致dp/dt即爆发力下降。

2．4细胞内pH降低抑制Ca2+与肌钙蛋白的结合

当细胞内pH从7．0下降到6．2时，Ca2+与肌钙蛋白的亲和力与结合力下降。分子生物学表明，在细胞内pH很低时，肌钙蛋白亚单位之间的配合作用被削弱。在这种情况下，即使肌浆中Ca2+的浓度相当高，Ca2+也不能正常地与肌钙蛋白相结合，从而解除原肌球蛋白对肌动蛋白的覆盖，因此直接妨碍了横桥与细丝上肌动蛋白的结合，这样横桥的摆动就变得不可能，于是导致肌肉收缩力的降低。

3细胞内pH降低与肌纤维至大缩短速度(Vo)

实验表明，蛙的骨骼肌在疲劳时纤维的至大缩短速度(Vo)显著下降。但一般情况下，Vo的下降是在肌力下降10％时才开始出现，而且Vo的下降是受肌浆中pH值下降或H+浓度的增加而调节的。在实验中发现，未受到刺激的肌纤维，如果用高CO2浓度液浸润，同样会出现Vo大幅度下降的结果。这充分说明细胞内pH对Vo的作用。

有些实验较一致地表明，酸性pH在快肌纤维中对Vo的抑制作用大于在慢肌纤维中，而且Vo受抑制的程度在各种不同的肌群中变异性很大。有报告指出，蛙肌Vo在疲劳前后，可由6．7肌长/秒减小到2．5肌长/秒。

细胞内pH影响Vo的机制被认为是与ATP酶的活性有关。因为实验中的测定显示Vo与肌纤维中的ATP酶的活性成正比。pH下降时，细胞内过多的H+抑制了ATP酶，从而减慢了横桥活化的周期率，使之不能发挥到应有程度，而导致Vo下降。

4细胞内pH与等长舒张速率

肌肉疲劳时，除了Ca2+转移减慢以外，舒张期延长也是肌纤维的力学表现之一。实验提示这种变化也与肌细胞内pH值直接相关。肌肉收缩时，Ca2+肌浆从肌质网中得到补充而浓度增加，然后Ca2+与肌钙蛋白结合，引起横桥与肌动蛋白结合，产生粗细丝之间的滑行，表现为肌肉收缩。舒张时Ca2+与肌钙蛋白的结合必须解离，而且要被重新摄回肌质网中。Ca2+重新摄回肌质网的工作是由肌质网上的ATP酶来承担的，用实验方法降低肌细胞内的pH，同样也能模拟肌肉疲劳时所表现出的舒张期延长效应，其作用机制仍然与有关酶的活性相关。当肌细胞内过多的H+使pH下降到7．0以下时，就影响了ATP酶的活性，因为肌质网上ATP酶的活性要有一个适宜的环境，即pH值不小于7．0。当肌质网ATP酶因活性降低而不能正常地把肌浆中的Ca2+摄回肌质网时，便导致肌浆中的Ca2+转移速率下降，使Ca2+与肌钙蛋白的解离减缓，从而延长了肌纤维的舒张期。

5小结

大量的实验及研究成果表明，肌肉疲劳与细胞内的pH值高低密切相关。当细胞酸化而引起细胞内pH值从7．0降至6．2时，肌纤维的至大收缩力下降，至大缩短速度下降，至大收缩功率下降以及舒张期延长，终导致肌肉出现疲劳特征。