引发运动疲劳的生化研究新进展.doc

一.运动性疲劳的概念运动性疲劳（exercise-induced fatigue）是指在运动过程中，机体的运动能力或者工作效率下降，不能维持在特定水平的生理过程。运动性疲劳是由运动引起的一种特有生理现象。在1982年的第五届国际化学会议上，将疲劳（fatigue）定义为：机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上和/ 或不能动强度能维持预定的强度。 迄今关于运动性疲劳产生机制的理论主要有“衰竭学说”、“堵塞学说”、“内环境稳定性失调学说”、“保护性抑制学说”、“突变理论”、“自由基学说”以及“细胞凋亡学说”等。运动性疲劳产生的生化机制主要探讨各种化学诱发因素及其作用的途径与方式，是近年来运动性疲劳研究的热点之一。二.运动疲劳的概念特点及分类概念的特点是；把疲劳时机体组织和器官的技能水平与运动能力结合起来评定疲劳的发生和疲劳程度；有助于选择客观的指标评定疲劳，如心率、血乳酸、最大吸氧量和输出功率在某一特定水平工作时，单一指标或者多指标同时改变都可以来判断疲劳。运动生物化学的疲劳分类：中枢疲劳和外周疲劳。1引发中枢疲劳的生化机制近年来, 随着新技术的应用和新的研究方法的发展, 人们对于运动性中枢疲劳的研究不再局限于一些神经递质和神经调质, 而是逐渐延伸到神经递质的受体和一些相关的酶类, 以及脑源性神经营养因子( BDNF) 、胶质纤维酸性蛋白( GFAP) 、细胞凋亡等分子生物学水平, 使得运动性中枢疲劳的研究取得了突破性进展。近年来化学因素与中枢疲劳关系的研究较多且成果丰富。大量研究证实，中枢神经系统中5羟色氨(5HT)、多巴胺(DA)、氨基丁酸(GABA)等神经递质以及氨浓度变化可能是导致中枢疲劳的化学因素。1.15羟色氨(5HT)1987年，NEWSHOLME等首先提出5HT可能是引发中枢疲劳的化学物质。该学说认为运动可控制5HT的合成和转换的各种因素，从而造成大脑5HT含量增加，引发中枢疲劳。之后，国内外学者均对5HT在运动性疲劳中的作用给予关注。目前，5HT被认为是认识比较清楚的一种中枢神经递质。5HT是中枢神经系统中的一种抑制性递质，其神经原主要位于低位脑干的中线附近，发出上行、下行和支配低位脑干的投射纤维，不仅与睡眠、情绪等有关，而且是构成运动疲劳的重要递质。它以结合和游离的形式存在于血液中，血中浓度受其结合蛋白白蛋白的控制。其前体为色氨酸，色氨酸在脑内通过色氨酸羟化酶的作用生成5羟色氨酸，再进一步通过5羟色氨酸脱羧酶作用生成5HT。5HT主要储存在神经原的囊泡。大量实验证明，5HT浓度变化与运动性疲劳关系密切。CHAOULOOFF(1997年)研究报道3，运动性疲劳状态下大脑许多部位5HT水平增高。BAILEY等4通过对老鼠的实验发现，运动至衰竭状态下脑内5HT含量明显增加，使用5HT的激动剂QD能够加快疲劳发生的过程，而提前注射5HT的拮抗剂LY53857则能明显改善耐力运动的成绩，二者对老鼠耐力运动时间的影响分别为32和28。5HT不能通过血脑屏障，必须在脑内由色氨酸转变而成。血浆中的色氨酸大部分与白蛋白结合，而仅有10左右呈游离状态，后者可跨越血脑屏障。血浆色氨酸进入脑组织的多少决定了脑内5HT的合成。研究表明，血浆游离色氨酸与血浆支链氨基酸的浓度比升高、血浆脂肪酸浓度升高，均可促进色氨酸入脑，导致脑内5HT水平升高，引起中枢疲劳5。YAMAMLFO等通过给予支链氨基酸组与盐水或白蛋白组的对比实验发现，给予支链氨基酸补充可推迟疲劳发生时间，同时表明5HT参与了中枢疲劳2。但王健5指出，补充支链氨基酸不能有效阻止疲劳的发生和发展。1.2多巴胺(DA)BIASS等动物实验发现，服用一定数量安非他明来增加多巴胺能活性后，脑内多巴胺代谢水平增加，耐力性运动成绩提高，并首次提出多巴胺可能是诱发运动性疲劳的重要因素2。DA与中枢疲劳的关系也是近年来研究的焦点之一。DA也是一种中枢神经递质，在黑质制造，分布于纹状体。它是血液中的酪氨酸经位于神经原胞浆中的酪氨酸羟化酶催化，生成多巴，再经芳香族氨基酸脱羧酶AADC催化生成，然后进入囊泡。运动性疲劳与DA的浓度变化也密切相关。PRISCILLA检测到大鼠进行耐力活动后纹状体中多巴胺和多巴胺受体浓度大幅度升高，且具有明显的相关性2。BAILEY4实验发现，在适量运动和运动至疲劳后，大脑不同部位DA含量也有所不同。以大约6065Vo2max强度运动1 h，鼠中脑纹状体、丘脑下和海马部位DA增加；而运动3 h至疲劳后，其水平均显著下降。传统认为，脑内多巴胺与维持肌肉运动平衡、影响垂体某些激素的分泌以及参与精神活动有关4。如DAVIS和CHAOULOFF研究发现，大脑多巴胺对控制运动过程起重要作用，随着运动性疲劳的出现，其中枢含量趋于减少。脑中多巴胺浓度下降，活性减弱，降低了肌肉活动的协调能力，导致疲劳发生4。BAILEY(1993年)实验发现，大脑5HT/DA比率增加，可通过增加某些心理因素如促动作用，激发作用的水平，提高肌肉协调性而推迟疲劳的出现，而大脑5HT/DA比率增加，可通过减弱促动作用的水平及运动神经的协调性丧失而导致运动性疲劳6。然而近年研究发现，运动鼠的疲劳与脑干和中脑DA合成和代谢的水平减弱密切相关，保持合成转换平衡，就可有效延缓疲劳的发生6，但详细的作用机制尚不清楚。1.3氨基丁酸(GABA)1971年，雅科普列夫等研究发现，老鼠进行10 h游泳引起疲劳时，大脑皮层GABA含量明显下降。由此推测GABA是中枢疲劳发生的神经递质之一7。GABA是哺乳类动物中枢神经系统的主要抑制性神经递质，属于氨基酸类递质，是由谷氨酸经酶作用分解生成，诸多实验表明，脑内GABA含量与中枢疲劳关系密切。李人等8对Wister大鼠的实验研究证明了脑中GABA增高与运动性疲劳的中枢抑制过程有关，并提出Glu/GABA的比值在观察运动性疲劳时，脑的机能状态有比单纯观察GABA值有更大的意义。此外，耐力训练可改善脑机能状态，有助于延迟疲劳发生。一般认为，GABA对大脑形成神经抑制的过程，是GABA从神经细胞释放后，主要与突触后膜上特异性GABA受体结合，引起Cl通道开放，造成突触后膜超极化而形成神经抑制，诱发中枢疲劳5。1.4氨浓度变化短时间大强度运动中，体内血液中NH3浓度升高，血氨可通过血脑屏障进入脑组织。NH3在体内积聚会产生毒害作用，大脑中大量存在可对中枢神经系统造成一定影响：运动控制能力下降，思维连贯性差，甚至失去意识。运动时血氨增高对中枢疲劳的影响机制尚不清楚，但氨在中枢神经系统的作用十分广泛。氨可与脑细胞中的酮戊二酸结合生成谷氨酸，抑制三羧酸循环，影响脑细胞内糖的有氧代谢。此外，大量氨在脑细胞中积聚，还可引起细胞水肿5。2引发外周疲劳的生化机制人体从事运动强度和代谢性质不同的运动时，产生运动性疲劳的机制也不相同。从外周疲劳来看，现代生理学中许多实验均支持“衰竭学说”、“堵塞学说”和“内环境稳定性失调学说”。 但是目前的研究认为外周肌肉疲劳链上很多环节都可能因多种原因发生疲劳，所以从细胞和分子水平定量测定肌肉细胞内外的各种生化物质变化来解释外周疲劳成为新的热点。此外，近年还提出了神经-内分泌-免疫调节网络机制。2.1能量物质消耗与运动性疲劳2.1.1ATPCP系统腺苷三磷酸(ATP)在肌肉中含量很低，每千克干重快肌纤维含量约为27mol，慢肌纤维约为19mol。CP是骨骼肌中的基本成分，人体内贮量约为120140 g，96在骨骼肌中。ATP、CP是短时间大强度运动的主要能源9，应该说它们的贮存量下降就可能导致疲劳发生，但现代疲劳研究并不支持这一观点。有人用肌肉活组织检查、核磁共振技术研究疲劳肌肉时发现：与安静状态相比，最大强度运动后，肌肉中ATP浓度减少，但不明显；CP浓度明显下降，但与肌肉张力的改变没有必然的比例关系10。机体进行数秒极限强度运动时，ATP的含量基本保持在6070运动前水平(快肌)5。因此，一般认为ATP、CP浓度不是影响肌肉工作能力的主要因素。但是，也有人持相反观点。BROOKS(1988年)强调ATP、CP贮备低于供能需求，运动就不能持久10。有研究发现将近7080的细胞内ATP存在于线粒体附近，这表明，整体肌肉的ATP变化较小并不意味着肌肉横桥有足够能量支持4。此外，还有人认为ATP、CP贮备排空严重影响快肌纤维的收缩功能1。然而，ATP是在线粒体内膜呼吸链上完成的。在十几秒甚至数分钟的运动中，肌肉内贮存的ATP耗尽，ATP的重新合成就对机体保持体力产生重要意义。凡是影响线粒体内膜呼吸链过程的都将阻碍ATP合成。近几年，对此有一些新的研究结果。丁树哲等11，12报道，运动疲劳状态下，心肌、骨骼肌和肝脏线粒体氧化磷酸化合成ATP的速率会显著下降。张勇等13实验得出结论：线粒体内膜流动性降低，膜脂脂、脂蛋白运动的微环境改变；线粒体膜通透性改变；体温升高；电子漏引起质子漏等，均导致了线粒体功能下降，呼吸链过程受阻，ATP合成减少。2.1.2糖酵解系统糖是人体最重要的能源物质，主要包括肌糖原、肝糖原和血糖。其中，肌糖原贮量约350400 g。肝糖原70100 g，血糖6 g左右，总量不超过500 g。运动强度的大小是决定肌糖原消耗的主要因素。NEWSHOMLE报道，人体在从事6585Vo2max之间的中等强度和亚最大强度持续性运动或者90Vo2max以上大强度重复性运动时，肌肉疲劳发生与肌糖原的排空程度高度相关，而进行60以下的耐力运动和大于90Vo2max的持续性运动，肌糖原消耗不是主要原因14。戈莱尼克的研究还指出肌糖原的消耗具有肌纤维类型依赖性。高频、低阻运动伴随慢肌纤维糖原减少，低频、高阻运动伴随快肌纤维糖原减少1。肌糖原消耗引发肌肉疲劳的机制目前学术界还没有一致的观点。有人认为可能是肌肉利用糖氧化存在一个阈限。肌糖原利用超过阈限，线粒体NADH氧化磷酸化受阻，ATP生成减少。但实验发现，补糖维持运动中肌糖原氧化利用率相对稳定，并不能阻止疲劳的发生2。研究人员认为其他一些非能量代谢因素可能与疲劳发生机制有关。2.1.3有氧氧化系统脂肪是人体内贮存能量的最重要的物质之一，比糖原含量大10倍。在休息状态和长时间运动中脂肪供能有重要作用。长时间耐力运动脂肪供能占优势，但限制运动能力并非脂肪消耗能力，而是脂肪利用能力。冯炜权等15报道，耐力训练可提高运动时脂肪的分解速率，减少肌糖原、血糖消耗，延缓疲劳出现。但一些最新研究结果表明，脂肪的过度动用对人体的运动能力带来不利影响，甚至引起疲劳的发生。长时间运动中，当血浆游离脂肪酸，尤其是不饱和脂肪酸浓度过高时，可对肌质网钠泵和钙泵的机能产生抑制，影响肌细胞膜动作电位的形成，以及肌质网对钙离子的摄取，使肌肉收缩和放松过程受到影响，这是形成疲劳的重要原因16。2.2代谢产物堆积与运动性疲劳2.2.1磷酸化合物和磷酸腺苷二磷酸(ADP)和腺苷酸(AMP)：机体进行大强度运动时，肌细胞中ADP、AMP和肌苷酸(IMP)浓度明显升高9，这可能成为疲劳产生的原因之一。肌细胞中大多数ADP是与肌动蛋白结合的，ADP浓度升高，肌动蛋白与肌球蛋白结合与分离转换时间延长，使肌纤维的放松速率减慢，从而使肌肉的输出功率下降，疲劳发生17。剧烈运动过程中，ADP、AMP浓度增加还可强烈激活AMP脱氨酶，AMP脱氨酶生成NH3和IMP。NH3在肌细胞中浓度过多会产生毒害作用。郑陆18实验结果表明：NH3的堆积会限制肌细胞膜功能，减少收缩肌肉纤维数目。细胞内无肌磷(Pi)作用机制：短时间大强度运动，体内Pi浓度升高与运动性疲劳的发展具有显著相关性19。STIERE20实验报道，高浓度的Pi能抑制肌纤维的最大肌力，降低肌肉的放松能力，但对最大收缩速度没有影响。PRAMPERD10对皮下肌纤维研究结果显示：进行1 min 60100最大强度运动时，Pi浓度升高300，最大肌力下降超过35，肌肉放松能力下降60。COOKE等发现浓度超过20 mmol时对最大缩短速度没有影响。PATE等通过实验观察到Pi超过10 mmol时抑制最大缩短速度，但只发生在ATP浓度较低时21。值得关注的是，ALLEN等22最新提出了重要的Pi作用机制学说。该学说将Ca2和Pi对外周疲劳的作用联系起来，解释了短时间(12 min)剧烈活动导致的运动性疲劳。认为Pi浓度增加可直接作用于横桥，减少肌球蛋白的Ca2敏感性，同时减少肌肉收缩力，但不影响收缩速度。另外，高Pi还可作用于肌质网，影响Ca2释放。其作用途径有三条：在运动性疲劳早期刺激Ca2释放；抑制ATP驱动的肌质网Ca2回收；在运动性疲劳后期进入肌质网形成Ca2Pi沉淀，影响Ca2的释放。2.2.2乳酸，pH值在进行数分钟大强度运动中，机体所需能量大部分由糖无氧酵解供应。乳酸则是糖酵解过程的必然产物。乳酸与外周疲劳之间的因果关系主要是通过乳酸产生的H联系的。因此，H是导致疲劳的直接物质。安静状态下，肌细胞pH值约为7.0，而短时间剧烈运动时，pH值会降至6.26.5之间。pH值下降导致肌纤维最大肌力、最大收缩速度、肌肉输出功率、收缩启动时间和放松能力等下降。pH值与肌力：唐纳德森等研究报道，肌肉pH值由7.0降至6.5时，型肌纤维最大肌力下降了25，型肌纤维降低了1223。可见，pH值不仅对肌纤维最大肌力有影响，而且还具有肌纤维类型依赖性。METZGEN报道，H浓度升高，减少了横桥从低力量状态向高力量状态转变的速率和数量，导致肌力下降24。肌细胞pH值下降，高浓度H与Ca2竞争肌钙蛋白上的结合位点，使肌钙蛋白与Ca2的亲合力下降，从而影响肌球蛋白和肌动蛋白形成横桥的数目。这两点都与THOMPSON等人报道一致，调节肌力变化的途径可能有二：横桥数目减少；每一横桥力量的减少17。pH值与最大收缩速度：THOMPSON蛙肌实验表明，疲劳时，肌肉最大收缩速度从疲劳前的6.7肌长/s下降到2.5肌长/s，且pH值对快肌纤维最大收缩速度的影响大于慢肌纤维24。最大收缩速度反映了横桥循环的速率。pH值下降，可能抑制了肌球蛋白ATP酶活性，从而使ATP的释放速度减慢，横桥摆动速度减慢，导致最大收缩速度的下降17。pH值与肌肉输出功率：DANFORTH(1964年)提出肌细胞pH值降到6.4时，磷酸果糖激酶活性几乎完全被抑制。TNIVEDE对离体肌肉标本的研究发现，pH值每降低0.1个单位，磷酸果糖激酶的活性下降1020倍1，从而大大减慢了糖酵解的速度，使ATP合成受限，肌肉输出功率下降25。pH值与收缩启动时间：肌纤维收缩时，由Ca2启动收缩过程，因此，对Ca2的浓度有一阈值限制5。细胞内H浓度升高，就会与Ca2竞争与肌钙蛋白结合，所需结合肌钙蛋白的Ca2浓度要求