《首都体育学院学报》2003年第1期

侯春丽闫守扶孙红梅

山西大学体育学院太原

首都体育学院北京

上海体育学院研究生部上海

收稿日期：2002-12-09

作者：侯春丽(1977-)，女，山东潍坊人，研究生，研究方向为运动生物化学

摘要：

运动性疲劳是一个十分复杂的过程，并受到多种因素的影响，迄今为止人们对其产生的机理仍未达成一致的看法。本文就运动性疲劳的机制问题对近几年来研究的热点及新进展情况试作阐述。

自1880年莫索(Mosso)研究人类的疲劳开始，距今已有100多年的历史，在此期间，不断有人对疲劳的定义加以修改、完善，但至今都没有一个公认的定义。目前比较趋于一致的关于运动性疲劳的定义是1982年在第五届国际运动生化学术会议上所下的结论，认为：运动性疲劳是机体生理过程不能维持其机能在特定水平上和/或不能维持预定的运动强度。而在实际的运动过程中，疲劳的产生则是一个十分复杂的过程，生理学家们从各个不同的角度对其进行研究并探讨其产生的机制。自90年代以来，除了在传统的运动性疲劳研究领域有许多研究的成果出现以外，在肌肉疲劳的细胞机制方面也有了一定进展。目前的研究主要基于2个理论：

(1)细胞代谢因素变化的理论；

(2)兴奋收缩耦联(excitation-contractioncoupling，ECC)变化的理论。

本文着重从肌细胞pH值的变化、能源物质的消耗、磷酸化合物及自由基的变化等方面，对近几年来运动性疲劳的肌肉细胞机制研究的进展、状况与趋势进行分析与讨论。

1肌细胞pH值与运动性疲劳

早期研究认为，肌肉疲劳是由于肌肉内乳酸积累导致的，因此人们将乳酸称为疲劳素。但目前大量实验证明，乳酸本身对疲劳的作用非常微小。疲劳的发生并不是直接受运动时肌细胞代谢过程所积累的乳酸控制的，而是受细胞代谢所引起的pH改变来调节的。因此，乳酸导致疲劳的原因实际上是由于乳酸解离出的H+降低了肌细胞内的pH值，从而使肌肉的输出功率、细胞酶的活性、肌质网对Ca2+的转移以及肌钙蛋白对Ca2+的结合能力的下降，导致疲劳的发生。

1．1肌细胞pH值与肌肉的输出功率

肌肉输出功率的下降是疲劳的表现之一，而输出功率的下降是由至大收缩力和至大缩短速度的同时下降所导致的。

1．1．1肌细胞pH值与至大收缩力

核磁共振技术检测显示，无论肌纤维的类型(快肌或慢肌)与状态(离体或在体)如何，细胞内的pH值下降与肌肉收缩力之间都有着很高的相关性。当pH值降低时，要达到相同的张力，所需的Ca2+浓度要高于正常值，并且当pH值从7．0降至6．2时Ca2+与肌钙蛋白的亲和力与结合力均下降，从而直接阻碍了横桥的功能，引起肌力下降。实验发现，pH值不仅可以通过Ca2+浓度影响肌力，而且还能对收缩蛋白直接产生作用。Metzger等报道，pH值的下降减少了横桥从低力量状态向高力量状态转变的速度和数量，直接导致肌力下降。其后Edman用活的单个肌纤维证明这一结论的正确性，因此认为肌细胞内pH值的变化是通过调节横桥的数目和每个横桥的力量来影响肌力的。

1．1．2肌细胞pH值与至大缩短速度

Thompson的实验结果表明：至大缩短速度的降低可以部分的归因于H+浓度的升高。新近报告，蛙骨骼肌疲劳时至大缩短速度有显著下降。在实验中，蛙肌至大缩短速度在疲劳时从疲劳前的6．7肌长/秒下降到2．5肌长/秒，而对未受到刺激的肌纤维使用高CO2浓度的浸润液以降低pH值，会同样出现至大缩短速度的大幅度下降，这样充分说明了pH值对至大缩短速度的作用。pH值影响至大缩短速度的机制被认为是pH值下降影响了ATP的酶活性，从而减慢了横桥摆动的频率，而横桥循环速率的减慢正是至大缩短速度下降的根本原因。进一步研究表明，pH值对于快肌纤维ATP酶活性的抑制作用强于慢肌纤维，可见，pH值对快肌纤维至大缩短速度的抑制作用强于慢肌。

1．2肌细胞pH值与酶的活性

高强度训练至力竭后，骨骼肌内pH值可以下降到6．6～6．3，这种pH值的降低可影响肌细胞内许多酶的活性，如磷酸果糖激酶、磷酸化激酶、腺苷酸环化酶、肌酸激酶、ATP酶，从而影响了细胞能量的产生和释放过程，降低了肌肉的功能。Danforth的实验证实，当pH值下降至6．4时，磷酸果糖激酶的活性几乎完全被抑制。Tnivede对离体肌肉标本的研究发现，pH值每下降0．1个单位，磷酸果糖激酶的活性下降10～20倍，从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、腺苷酸环化酶的活性而变慢，从而减少葡萄糖的供给，使糖酵解的速度下降，阻碍了ATP的合成。而ATP是肌肉收缩时的直接能源，供给不足，从而导致肌肉工作能力下降。由于pH值的下降影响了肌酸激酶、ATP酶的活性，使细胞中CP含量下降，阻碍了快速合成ATP的路径。研究证实，CP的耗竭是暴发性项目疲劳的重要原因之一。

1．3肌细胞pH值与Ca2+的转移

研究发现在肌肉运动性疲劳发生时，肌细胞中Ca2+的转移幅度大大下降，主要包括2个过程：

(1)肌质网对Ca2+的释放。

(2)肌质网对Ca2+的重摄取。

1．3．1肌细胞pH值与肌质网的Ca2+释放

对于肌质网对Ca2+释放幅度下降的机理，目前认为有2种可能：一种可能是由于肌质网内Ca2+贮备的耗竭。另一种可能是肌质网Ca2+通道被抑制的结果。研究者们在用咖啡因直接刺激疲劳肌的肌质网引起Ca2+释放的实验中发现，疲劳肌纤维张力的下降状况得到了一定程度的逆转。这表明，肌质网内Ca2+贮备并没有耗竭。更可能的机制就是低pH值抑制了肌质网Ca2+通道。近期Ma和Zhao对Ca2+释放通道蛋白进行了大量研究发现，肌质网膜脂质双层侧的酸化可以降低Ca2+释放通道打开的可能性。但Lamb等报道，pH值为6．2时，对蛙和小鼠皮肤肌纤维Ca2+的释放并没有影响，他们将pH值降低时肌力的下降归因于收缩器的抑制。当pH值降低时通道打开的可能性下降且pH值为6．2时其可能性为0。所以，对于肌细胞pH值下降是否影响肌质网Ca2+释放还有待进一步研究。

1．3．2肌细胞pH值与肌质网对Ca2+的重摄取

研究发现，肌质网膜ATP酶的理想pH值为7．0，当肌细胞pH值由7．0降至6．0时，肌质网对Ca2+的亲和力减少10倍之多。Lnesi和hill认为疲劳时pH值下降，抑制肌质网钙泵ATP酶活性，使钙泵效率下降，Ca2+重摄能力下降，使肌浆中Ca2+浓度维持在较高的水平，从而使肌动蛋白和肌球蛋白的横桥不易发生分离，大大延长了肌肉放松的时间。因此，pH值与疲劳消除之间有着显著的相关性。

2能源物质的消耗与运动性疲劳

2．1 ATP和CP的消耗

如前所述，肌细胞内pH值下降抑制了糖酵解酶的活性，使ATP再合成速率下降。新研究结果表明，线粒体膜通透性改变，体温升高及电子漏引起质子漏导致线粒体功能下降，ATP合成量减少。从运动供能的角度出发，ATP和CP是短时间至大强度运动的主要能源，其贮备的明显下降可能导致这类运动疲劳的发生。然而，有人用肌肉活检、核磁共振技术研究疲劳肌肉时发现：肌肉疲劳时，其中的ATP、ADP和AMP较安静相比浓度均有所下降但不明显，CP浓度明显降低，但与肌肉张力的下降没有必然的相关性。同时还有人指出，运动时ATP微小的变化和CP的下降与疲劳没有直接联系。其有力的证据是，甚至在高强度疲劳时，细胞内ATP都很少下降到运动前水平的70％以下。且在高强度疲劳时细胞ATP浓度都比纤维至大收缩力所需要的量高100多倍。由此可见，因其它因素引起的疲劳在ATP尚未耗尽时就降低了细胞对ATP的利用率，比如，pH值的下降抑制了ATP水解酶活性，所以疲劳时ATP浓度一般保持在较高的水平。

2．2糖元的消耗

在65～85％VO2max负荷时，持续运动能力的丧失与肌糖元的耗竭高度相关。在一种糖元填充法的专门研究中发现，当受试者的肌肉糖元含量增加时，其工作持续时间增加。同时有研究表明，不同强度的运动对快肌和慢肌纤维中糖元的消耗次序和程度是不同的。据戈莱尼克报道，高频率、低阻抗运动主要是慢肌纤维糖元下降，而低频率、高阻抗运动主要是快肌纤维糖元下降。由此可见，在长时间大强度运动中肌肉疲劳的发生可能是由于这两类肌纤维的募集顺序不同，造成其中一种肌纤维的糖元先被耗竭而引起的。

2．3脂肪的消耗

研究发现，骨骼肌中脂肪的贮备量很小，运动时被大量动用的是体内脂肪组织中的脂肪。在一定程度上，我们可以把体内的脂肪组织看作是一个取之不尽用之不竭的能源库。那么很显然，限制长时间运动能力的并非是脂肪消耗量的问题，而是运动时对脂肪的利用能力。近几年来，有关脂肪代谢与运动能力的报道日渐增多。有认认为，耐力训练可提高运动时脂肪的利用率，从而减少糖元的消耗和血糖水平的下降，延缓疲劳的出现。但运动对骨骼肌、心肌以及肝细胞产生不良影响，从而也可能引发运动疲劳的产生。

3磷酸化合物与运动性疲劳

当机体进行短时间大强度运动时，由于ATP、CP分解代谢加强，其代谢产物ADP、AMP和Pi等的浓度会明显升高。虽然ADP与Pi是细胞能量代谢过程的激活剂，但肌浆内过量的ADP、Pi就很可能使肌肉产生疲劳。其有力证据为：当进行1分钟60～100％至大强度运动时，ADP浓度会升高20～50％，Pi浓度升高300％，至大肌力下降超过35％，肌肉的放松能力下降60％。因此，短时间、大强度运动中肌细胞内ADP、AMP和Pi的堆积，可能是导致疲劳的原因之一。

3．1 ADP与运动性疲劳

肌细胞中的ADP大都是与肌动蛋白结合着，只有约10％处于游离状态。研究表明，当游离的ADP浓度升高时，肌球蛋白与肌动蛋白结合与分离转换所需时间延长，可使肌纤维的放松速率减慢，从而降低了肌肉的输出功率，引发疲劳。另据报道，肌细胞内ADP浓度的增加还可能损伤物质代谢途径，进而引起肌体生理功能发生改变产生疲劳，影响肌体的运动能力。

3．2 AMP与运动性疲劳

当机体进行短时间剧烈运动时，细胞内的ADP、AMP浓度明显增加，AMP是ADP的水解产物，对肌细胞有一定毒害作用。其原因为：当AMP浓度升高时，可强烈激活AMP脱氨酶，使AMP脱氨生成NH3和IMP。NH3的堆积会限制肌细胞膜功能，减少收缩纤维数目。同时，血氨浓度升高，可明显影响中枢神经系统的代谢，使运动的控制能力下降。

3．3无机磷（Pi）与肌肉疲劳

机体进行高强度运动时，伴随CP的大幅度下降，细胞内Pi的浓度明显升高。去膜肌纤维研究显示，高Pi抑制骨骼肌和心肌的至大力量，延长肌纤维的舒张时间，但对肌纤维的至大缩短速度影响不大。高Pi对舒张时间的延长作用，主要是通过降低与ATP水解相联系的自由能变化，而降低了肌质网对Ca2+的重摄取，进而又使Ca2+瞬时和舒张时间变慢。另据报道，Pi浓度的增加还可抑制肌钙蛋白对Ca2+亲和力，从而使肌肉收缩过程中横桥的数目和力量均减少，且部分横桥从强结合状态转变为弱的结合状态，进而导致肌力的下降。去皮肤纤维研究显示，Pi浓度从1mmol/L增高到15mmol/L时，对肌力的抑制作用特别明显。Pate等观察发现，当Pi超过10mmol时抑制至大缩短速度，但只发生在ATP浓度较低时。Cooke发现，当Pi浓度超过20mmol时，至大缩短速度没有影响。而有人提出，Pi对肌力的作用因肌纤维种类不同而有所不同。Stienen等观察到，15mmol浓度的Pi能使兔腰肌(快肌)力量降到正常水平的58％，但使兔比目鱼肌(慢肌)的力量降为正常水平的78％。目前，不少人对产生作用的无机磷的类型进行了探讨，发现H2PO4-与肌力之间呈高度的负相关，因此普遍认为Pi主要是通过H2PO4-对肌力产生作用。

4自由基与运动性疲劳

自1978年Dillard初次提出自由基在运动性疲劳中的作用后，自由基在运动性疲劳中的重要意义已越来越受到人们的重视。80年代，美国一研究小组让大鼠在动物跑台上进行亚极量运动至衰竭，然后用ESR(electron spine resonance)技术在20℃下检测其肝脏和肌肉匀浆中的自由基信号，结果发现此时自由基信号(g=2．004)明显增强，其波幅为安静组的2～3倍，对在体肝脏所做的检查结果一致。对持续30分钟的大鼠腓肠肌过度收缩活动，进行低温ESR技术检测，发现组织内自由基信号峰值升高70％。由此可见，运动在增加氧耗量的同时自由基生成量也在增加。目前认为自由基的产生有3条途径：

(1)机体在进行耐力性运动时，体内代谢水平增加，能耗量增加，为了满足代谢需要，加速ATP再合成，线粒体氧耗量增加，氧化磷酸化加强，细胞呼吸水平大大提高，氧自由基生成也随之增多。

(2)运动时随着ATP的大量分解，使AMP生成增加，进一步使黄嘌呤也大量增加，在黄嘌呤氧化酶的作用下生成超氧化物阴离子自由基。另外，当运动后氧气供应充足时，次黄嘌呤和黄嘌呤与氧气反应也生成大量的自由基。

(3)大强度运动过程中，机体由于缺氧，糖酵解加强，生成大量乳酸并在体内堆积，乳酸还原使胞浆中NADH和NADPH浓度大大下降，抑制了体内自由基消除酶的活性，使自由基在体内不断增多。

尽管运动时SOD、GSH-PX酶活性增加，自由基清除能力加强，但仍不足以平衡运动应激情况下产生的自由基及脂质过氧化物。体内自由基及脂质过氧化物水平的增高，使某些蛋白质变性、交联和酶失活，从而改变了细胞生物膜的功能，造成某些重要的离子运转紊乱。如肌浆网、Ca2+-ATP酶受损，使Ca2+大量释放到肌浆中而不能摄取，造成胞浆中Ca2+堆积，一些主要的代谢酶因交联聚合而失活，从而降低了肌肉的工作能力。Tibbits提出，长时间运动过程中产生的大量超氧阴离子自由基，可以破坏肌细胞膜的脂质双分子层，使膜上一些重要的蛋白质(如钠泵、钙泵、Na+-Ca2+交换器)失活，从而影响肌细胞膜的正常功能。Jakchson MJ．Ed-wards RHT认为，Ca2+和自由基可同时抑制线粒体呼吸，ATP合成量下降，造成肌肉疲劳。

运动性疲劳是受多种因素制约的复杂现象，而每一因素的重要性又因运动项目、运动强度、形式和持续时间的不同而不尽相同。因此，疲劳的细胞机制具有相当的复杂性，但它又具有一定的侧重性，因为在各种具体的情况下，引发疲劳的因素可能以某一方面为主。总之，要完全揭示疲劳的细胞机制，还有待进一步研究。