疲劳性运动对血浆游离氨基酸和中枢神经递质影响的研究进展.doc

疲劳性运动对血浆游离氨基酸和中枢神经递质影响的研究进展2006-05-18关键词：疲劳性运动运动性疲劳中枢神经递质和神经调质血浆中氨基酸对运动性疲劳的研究已有百余年的历史，但运动性疲劳的生化机制至今还没有完全阐明。运动医学界提出了多种假说对其进行解释，从20世纪30年代的衰竭学说发展到80年代的疲劳链和“突变”理论等。这些假说指出：在运动疲劳发生时，机体内离子代谢发生紊乱，自由基增多，氨大量生成，高能磷酸盐和脂肪酸的浓度改变，内分泌、神经、免疫系统的协调平衡被打破等诸多变化，从而导致疲劳的发生。许多学者认为运动性疲劳的发生机制与运动的类型有关，如短时间剧烈运动时出现的疲劳，往往与肌肉中能源物质的消耗及乳酸等代谢产物的堆积这些外周因素有关，而长时间中等强度的运动产生的疲劳，则以中枢神经系统出现保护性抑制的中枢因素为主。中枢神经系统中的神经递质和神经调质参与了这种疲劳的发生，它们大致可分为兴奋性和抑制性两种，前者包括谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)等；后者有-氨基丁酸(GABA)和5-羟色胺(5HT)等。运动时这些递质的变化规律目前尚未完全阐明，对其深入研究不但可以加深对运动性疲劳的理论认识，而且可指导体育运动训练，延迟运动性疲劳的发生和发展。1运动与血浆游离氨基酸许多学者对运动与血浆中氨基酸变化的关系进行了较为细致的研究。1985年Blomstrand1研究了马拉松运动员和持续1.5小时军训的军人运动前后血浆氨基酸和脂肪酸的变化，结果表明：疲劳性运动可使血浆中的支链氨基酸(BCAA)下降，游离脂肪酸(FFA)显著增加，马拉松运动员的血浆芳香族氨基酸(AAA)的浓度上升，游离色氨酸(F-Trp)的浓度升高了140%；军人血浆中Glu含量上升，AAA变化不明显。这两项运动都属力竭性运动，分析两组差别的原因，可能与机体代谢差异和运动类型、持续时间的不同有关。这两种运动可能使F-TrpBCAA的比值上升，促使更多的F-Trp进入血脑屏障，脑中5-HT等由此升高，而5-HT在一定的脑区与这种持续性运动中体力和或精神的改变有关。作者的再次研究12发现，力竭性运动可使大鼠血浆中BCAA升高，色氨酸总量(T-Trp)下降，尽管F-Trp的变化在训练组中更为明显，但两组的F-TrpBCAA的比值均增大。长期训练不仅增加血浆中某些AAA的水平，还使力竭性运动对BCAA和氨基酸(AA)的影响更为明显。Struder3的研究表明：4小时的网球比赛明显降低了运动员血浆中BCAA的水平，增加了F-Trp、FFA的浓度，由此F-TrpBCAA的比值升高了165%，再一次提示长时间的力竭运动导致血浆F-TrpBCAA的比值上升，运动疲劳的发生可能与之有关。吴泽志4证明5000米长跑升高了非运动员血浆中游离氨基酸(AA)的水平。Tanka5却报道过度训练对运动员血浆中的Trp、BCAA以及TrpBCAA的比值无多大影响。同年Struder6的研究发现持续5小时的自行车运动使运动员血浆中兴奋性递质Glu的浓度下降，铵和FFA的浓度升高。这些结果1、3、7表明：长时间的大强度运动可使血浆中BCAA下降，AAA上升，AAABCAA的比值增大，这将使更多的某些递质的前体如Phe、Tyr、Trp进入脑组织，引起大脑内的Trp和5-HT等递质升高，从而导致疲劳的出现。Francis8在他的研究中发现运动对外周和中枢影响的同步效应，大鼠进行中等强度的耐力运动后，外周和脑内的F-Trp分别增加显著。这种运动性疲劳时AA的变化在其它类型的疲劳研究中也有发现，Takanobu9检测了冠状动脉旁路移植术后病人和其它外科术后的年老病人的血浆，发现两组病人的白蛋白下降，BCAA几乎不变，F-Trp和F-TrpBCAA的比值增加。分析其原因，可能是由于能够结合Trp的白蛋白的降低使得F-Trp浓度上升，进而引起F-TrpBCAA的比值变化，导致更多的F-Trp进入脑内，促使5-HT的合成增强，而部分脑区5-HT的升高可能与病人术后的疲劳发生有关。Remo10的研究发现急性运动对训练过的大鼠血浆儿茶酚胺(CA)的影响十分显著。Palliar11的报道与Remo的结果较为一致。中等强度的两周跑台训练对血浆中CA的浓度影响不明显，训练时间的长短也未在两组间引起明显差异；急性运动则显著改变了A和NA的水平，相同长度的运动时间在不同的训练组间未引起显著性差异，在同一组动物中，运动时间的延长同样没有改变CA的最大值，只是推迟了它们的恢复时间。齐燕妮12的研究表明：长期的耐力训练降低了大鼠血浆中CA的水平，而一次性的力竭游泳使动物血浆中NA的含量增加，A则在限制活动组中下降了4倍，在训练组中呈上升趋势。其原因可能是因为运动训练使交感神经系统的兴奋性下降，抑制了A和NA的分泌，急性运动或许相反，增加了它们的分泌；限制活动组由于长期处于一种应激状态，因此其安静时的NA和A水平均高于训练组。这些结果说明：长期的运动训练可能使交感神经的适应性增强，使CA的分泌减弱(或不变)，急性运动则使CA的活动明显改变。2运动与脑内神经递质脑内游离AA和单胺的含量显著高于血液，脑组织内的单胺的合成前体是AA，而脑组织内所需的AA必须通过血脑屏障才能从血液入脑。运动中，动物血液中的AA的改变会影响中枢递质的变化。由于脑内神经元和胶质细胞种类繁多，有明显的区域分布，故脑内递质的分布和代谢也有明显的区域性差异。李人13报道，安静状态下训练和未训练过的大鼠脑中GluGABA的比值无明显差别，这意味着它们在安静时各脑区中Glu与GABA的代谢平衡水平是相似的。未训练组的大鼠经过短时间游泳后，部分脑区显著高于安静值，提示脑中出现以兴奋为主的效应，经过长时间(9小时)的运动后各脑区此值明显下降，这意味此时脑中出现以抑制效应占优势的状态。可是运动训练过的动物虽然经过长时间的游泳，中枢抑制过程并不显著。联系大鼠的运动状态与脑中Glu和GABA的含量变化，可以初步认为脑中GABA水平变化与长时间运动引起的运动性疲劳的中枢抑制过程有关，特别是当机体运动出现疲劳时各脑区中Glu与GABA的代谢平衡发生了改变，GABA含量升高幅度大于Glu升高幅度，使脑中以GABA的抑制效应占优势。然而脑中中枢递质甚多，运动性疲劳的产生可能不仅仅与GABA有关，也可能是各种中枢递质综合作用的结果。运动训练可以维持脑组织内环境的稳定性，保证了较长时间肌肉活动时脑的协调以及生理功能的调节。同时运动训练对动物脑中GABA代谢稳定性的影响也是一种适应性的变化。脑中GABA代谢的稳定对脑机能的维持和改善起到积极的作用。这有可能推迟中枢抑制，从而延长运动时间，增强耐力素质，推迟疲劳的发生。Priscilla14检测到大鼠进行耐力运动后纹状体中多巴胺(DA)，3，4羟苯乙酸(DOPAC)及DA受体浓度大幅度上升，且DA与其受体的变化呈明显的正相关。Blomstrand2在研究耐力训练对血浆AA影响的同时，分别测定了耐力训练和一次急性力竭运动后大鼠六个脑区Trp、5-HT及其代谢物5-HIAA和多巴(DOPA)、NA和脑内单胺氧化酶的变化，结果发现：力竭性运动增加了六个脑区F-Trp含量，提高了大部分脑区DA、5-HT、5-HIAA的浓度，它们的升高可能与Trp的变化有关，这些部位可能在中枢疲劳的过程中发挥了重要作用。但递质的动态改变是否也与运动时情绪的变化有联系，是值得考虑的。Dley15检测了中等强度耐力运动1小时或运动训练4周的大鼠脑区的5-HT的代谢，其结果为：急性运动明显增加了脑干、下丘脑中5-HT的合成与代谢，而4周的训练同样促进了皮层中5-HT的合成与代谢，运动对不同脑区的影响差异十分显著。Hoffmann-p16的报道提示，长时间的运动训练降低了5-HT、DA的合成和代谢。尤春英17研究了大鼠在不同负荷强度下时，跑台训练不同时间后脑中NA、DA、及其它们的前体DOPA、5-HT和它的代谢产物5-HIAA的含量变化，结果显示：训练时间的长短和脑内5-HT的变化有一定的关系，而与负荷强度的相关性不大。5-HIAA在短期训练3周后明显上升，而5周，7周后无明显反应，这可能是由于多次重复的刺激使大鼠对运动疲劳有了适应性，同时运动作为一种应激加速了DA、5-HT的合成和降解，总之运动训练对神经递质的影响表现出时间相关性。上述研究均是采用传统的离体取样方法，所得结果一般代表细胞内外物质的混合量，无法准确监测活体动物脑内神经递质合成、释放等活动。微透析技术的发展使得直接测定清醒状态的动物脑内递质动态成为可能，这样就可以更准确地了解动物运动时脑内神经递质的变化。近年来，已有文献报道用微透析技术检测运动对脑内神经递质的影响，探讨运动疲劳的机制。Karena18证明旋转运动增强了纹状体中DA的代谢。Mieko19通过大鼠负荷步行后在体检测了清醒状态时大鼠大脑皮层中乙酰胆碱(Ach)、NA和5-HT的变化，结果显示：5分钟的步行使这三种物质的浓度升高，Ach升高最为明显。李倩茗20的研究提示了尾核多巴胺代谢与运动强度有关，随着运动强度增大，DA的释放增加，分解代谢加快。Pagliari10和Palliar11分别报道了2周的耐力训练和急性运动对大鼠额状皮层内NA及其代谢产物的影响。二者的实验方法类同，得出的结论也较一致：中等强度的耐力训练对大脑皮质中NA的代谢作用不明显，急性运动对它们的影响却很显著，运动时间的延长对最大值的影响不大，但延迟了它们回到安静值的时间。耐力训练和急性运动同时激活了外周CA的分泌和中枢NA的活动，运动时间的延长增加了中枢高浓度NA的持续期，且在外周A的分泌和中枢NA的浓度之间有明显的相关性。1997年Meeusen20报道6周的中等强度跑台训练明显降低了大鼠纹状体中DA、NA、Glu的浓度，对GABA的影响不大。急性运动使训练和未训练过大鼠的DA、NA和GABA的水平分别增加，但对训练组Glu的影响远远超过未训练组。可见耐力训练可以使纹状体中GABA相对稳定，推迟了运动疲劳的发生，同时使神经递质DA，NA，GABA的释放减少，但并不影响中枢对直性运动的反应。综上所述，目前尚不能得出运动对神经递质影响的动力学曲线，这主要是由于实验设计、运动或训练方案以及检测的脑区和检方法不同所致。但总体上可以得出如下结论2、10、11、13、21：运动对脑内神经递质的活动有影响，这种影响有区域性差异。且运动的不同强度，不同的持续时间具有不同的效果，如长期的运动训练可减弱抑制性递质GABA等的分泌，且训练时间越长，效果越显著；而急性疲劳性运动可明显改变神经递质的释放，使5-HT等递质的合成和分解增强，且变化程度与动物原有的训练水平有很大的联系。因此运动疲劳的发生，不仅与运动的速度，运动时间有关，还与运动员的机体状况，运动水平等诸多因素有关。3运动时血浆游离氨基酸改变和中枢递质改变的关系运动时血浆氨基酸和中枢神经系统的氨基酸以及单胺类递质都会发生变化，二者之间是否存在相关性，目前还没有充分的实验来验证。Remo10和Pagliari11认为：运动引起的外周A的分泌与中枢NA的活性及其代谢有正相关性。作者由此认为：外周A的增加是调节中枢神经化学、生理、认知等改变的重要调节因素。但未发现外周NA的分泌和中枢NA浓度之间的相关性。可见运动引起的外周氨基酸的改变和中枢神经递质的变化之间存在某种关系。长时间大强度运动可使血浆中BCAA水平下降，FFA的浓度上升，后者将和Trp争夺清蛋白上的结合位点，增加了血浆中游离Trp的浓度和TrpBCAA的比值。这将促使更多的Trp等递质氨基酸竞争穿过血脑屏障，使脑内特定区域抑制性递质Trp、5-HT的合成及其代谢加强，从而引起疲劳的发生，改变动物的运动行为。同时脑内Phe、Tyr的增多为CA的合成提供了更多的前体，造成DA等递质增多，引起脑内递质释放紊乱，干扰正常的生理功能，这可能是运动疲劳发生的重要原因之一13、7、10、11、15、17。基于这种结论，有人提出假设：运动时给运动员口服BCAA或Trp可缓解或加强疲劳，改变运动成绩。Verger22让不同的大鼠分别服用Glu、BCAA，结果发现BCAA组的极限运动耐力不如Glu组。而Newsholme23在他的研究中发现BCAA的摄入可能提高了速度较慢的马拉松运动员的成绩，而对速度本来就较快者作用不明显。这些结果提示BCAA的补充可能影响中枢疲劳，但它对运动成绩的影响则是很复杂的，因此到目前为止，还不能简单地肯定BCAA等氨基酸的补充能影响疲劳的发生，改变运动成绩。4小结虽然目前的研究结果不完全一致，但仍然可以看出：运动影响了外周AA和中枢的递质，而且这些递质的改变与运动疲劳的发生和发展有关。递质变化可能与递质的相互作用、递质受体的浓度和活性变化、载体蛋白的改变、血脑屏障渗透性的改变等诸多因素有关。微透析技术将为上述研究提供较为客观的取样和检测方法，若在此基础上规范实验方案，进行动态研究，有助于更好地了解运动对神经递质影响的规律，便可增加对运动疲劳机制的了解，在实际应用中，才能适宜地选择训练方法和负荷，提高身体抗疲劳能力并加速疲劳的消除，从而提高训练水平和运动成绩。参考文献1.BlomstrandE,etal.Changesinplasmaconcentrationsofaromaticandbranchedchainaminoacidsduingsustainedexerciseinmanandtheirpossibleroleinfatigue.ActaphysiolScand,1988;133;1151212.BlomstrandE,etal.Effectofsustainedexerciseonplasmaonaminoacidconcentrationsand5-hydroxytryptaminemetabolisminsixdifferentbrainregionsintherat.ActsPhysiolScan,1989;236;4734813.StruderHK,etal.Aminoacidmetablismintennisanditspossibleinfluenceontheneuroendocrinesystem.Br.J.Sports.Med,1995Mar;29(1):28304.吴泽志等.大强度运动后血浆及红细胞内游离氨基酸变化的研究.中国运动医学杂志，1996.05.07.15(2)：1421455.TanakaH,etal.Changesinplasmatryptophanbranchedchainaminoacidratioinresponsetotrainingvolumevariation.Int.J.Sports.Med,1997May;18(4):27056.StruderHK,etal.Effectofexerciseintensityonfreetryptophantobranched-chainaminoacidsratioandplasmaprolactinduringenduranceexercise.Can.J.Appl.Physiol,1997Jun;22(3):280917.章江洲等.芳香族氨基酸对运动性疲劳的影响(综述).中国运动医学杂志，1991；10(4)：2292328.FrancisChaouloff,etal.AminoAcidAnalysisDemonstratesthatIncreasedPlasmaFreeTryptophanCausestheIncreaseofBrainTryptophanDuringExerceiseintheRat.J.Neurochem.1986;46,164716509.TakanobuYamamoto,etal.ChangesintheAlbuminBindingofTryptophanDuringPostoperativeRecovery:APossibleLinkwithCentralFatigue-BrainResearchBulletin,1997;Vol.43,No.1,pp.434610.RemoPagliari,etal.Norepingphrinereleaseintheratfrontalcortexundertreadmillexercise:astudywithmicrodialysis.J.Appl.Physiol,1995;78(6):2121213011.Palliar.L.P.etal.Physicalconditioninginratsinfluencesthecentralandperipheralcatecholamineresponsestosustainedexercise.Eur.J.Appl.Physiol1995;71:415212.齐燕妮等.大鼠运动训练与限制活动对血浆神经肽Y、儿茶酚胺浓度及其应激改变的影响.中国运动医学杂志，1992；11(4)：21321613.李人等.运动性疲劳与脑中r-氨基丁酸.中国运动医学杂志，1985；4(2)：818614.Priscilla,G.M,etal.EndurancetrainingeffectsonstriatalD2dopaminereceptorbindingandstriataldopaminemetabolitelevels.NeuroscienceLetters,1987;79:13814415.Dey,S,etal.Exercisetraining:significanceofregionalalterationsinserotoninmetabolismofratbraininrelationtoantidepressanteffectofexercise.Physiol,Behav1992,Dec;52(6):1095916.Hoffman,P,etal.Effectsoflong-lastingvoluntaryrunningonthecerebrallevelsofdopamine,serotoninandtheirmetabolitesinthespontaneouslyhypertensiverat