离子浓度改变对骨骼肌膜电位和骨骼肌疲劳的研究进展

摘要：骨骼肌疲劳一直是学者们研究的重点。越来越多的研究证明骨骼肌疲劳发生的关键机制不是源于神经传导，而在肌肉本身。其中E-C耦联阻滞起着决定性作用。国外广泛采用电刺激方案建立离体骨骼肌疲劳模型进行膜电位和肌力研究；但国内这方面研究起步较晚。且发展缓慢。综述了近年来离子浓度对膜电位和骨骼肌疲劳影响的研究进展。

关键词：膜电位；肌力；骨骼肌疲劳；ATP；Na+，K+-ATPase；乳酸；钙离子

中图分类号：G804.21 文献标识码：B 文章编号：1007-3612(2009)01-0084-04

骨骼肌作为人体运动的动力器官，其收缩能力的好坏是影响运动能力的重要因素。现有许多研究都是以正常安静组两栖类(蛙、蟾蜍)或哺乳类(大、小鼠、兔)等为研究对象，采用电刺激离体肌肉建立骨胳肌疲劳模型来进行膜电位电变化和肌力研究的。电刺激技术是目前国际上普遍采用的研究骨骼肌疲劳的方法，但国内将该技术应用到运动训练模型上的研究尚不多见，截止目前仅有马强曾就9周游泳训练对大鼠骨骼肌膜电位和收缩力量的影响进行过相关报道。越来越多的研究证实，骨骼肌疲劳时运动神经和神经一肌肉接头处的信号传导维持正常，说明骨骼肌疲劳发生的关键机制不是源于神经传导(相对不疲劳性)，而在肌肉本身，诸如肌膜、E-c耦联各环节和物质代谢方面，其中E-c耦联阻滞具有决定性作用。近年来，一些学者把研究重点集中到肌膜的跨膜电位和K+、Ca+的转运规律上，以进一步探讨肌肉疲劳的机制。本文就近年来国内外有关离子浓度变化对膜电位和骨骼肌疲劳的研究进行总结。

1　K+、Na+浓度变化对膜电位和骨骼肌疲劳的影响

骨骼肌中含有大量无机盐离子，其中Na+、K+、Ca+在肌肉应激、收缩和舒张过程中发挥重要作用。肌膜是肌细胞进行物质交换的场所，同时又是兴奋及兴奋传播的部位。有研究证明：运动性疲劳发生过程中，肌肉疲劳时间最长。肌肉活动时，细胞内离子增加／减少，以适应工作需要。而不适当的肌肉活动则可改变细胞内外离子分布平衡。使肌肉结构受损，功能下降。严重的甚至可导致血浆离子成分改变，影响心血管系统等整体功能。

骨骼肌兴奋时，K+大量外泄，导致细胞间隙K+可达10-15mm(正常5.9 mm)；反过来，高K+导致肌细胞去极和收缩功能受损，加速了疲劳的发生。Bolog利用蛙离体半腱肌发现疲劳发生时，[Na+]i从16 mm增至49m、[K+]i从142mm降至97 mm，静息电位(RP)则从-83mV去极为-74mV，同时肌力下降。随后[Na+]i、[K+]i和膜电位与力量恢复的初始阶段类似，据此他提出，Na+、K+梯度改变导致骨骼肌疲劳的可能机制为：动作电位(AP)传播受阻、去极化引起T管电活动钝化失活以及锋电位下降引起T管电荷幅度下降。尽管作者先前的一篇研究认为AP波形改变，如RP上升。OS下降，半时恢复时间延长，但这些改变不足以导致疲劳发生。尽管如此，作者还是提出在T管深处AP可能伴有更大的变化。对蛙缝匠肌实施高频电刺激(50 Hz，2min)发现，AP下降14.5mV,RP去极15.4mV,去除T管处的H2有助于AP恢复。说明骨骼肌疲劳发生时T管处变化比膜表面要深刻。Cairns对高K+环境中小鼠快、慢肌的强直力量、RP研究发现，比目鱼肌力量下降幅度大于胫骨前肌，分析原因认为是由于慢肌比快肌RP绝对值低2-3mV。同时还提出高K+导致细胞去极至-60 mV时，快、慢肌都会产生疲劳。SesboueB[2006]在综述中提到骨骼肌疲劳的外周机制中肌膜表面的电活动是首先可能发生衰竭的部位。随后Fitts又发现骨骼肌高强度收缩运动导致最大肌力、收缩速度和功率下降，兴奋恢复延迟、AP幅度降低、传导速度减慢等，最终导致传导阻滞。因为运动能力的维持要求终板、肌膜、T管等处必须有良好的兴奋性。Overgaard也发现低Na+环境孵育60min。导致肌力下降70％，而Na+-K+泵激活有助于力量恢复。Nielsen(2004)也证明[K+]梯度下降导致T管功能受抑。但伴随发生的高[Na+]i通过激活Na+K+泵对T管起了保护作用。Nielsen也证明Na+-K+泵快速激活提供了一个前馈(feedforward)机制。加s内Na+内流增加约20倍。激活Na+-K+泵对Na+-+K+梯度和膜电位起到了动态保护作用。Na+-K+泵即Na+-K+-ATPase不对称地镶嵌在生物膜内，是一个依赖于磷脂需要磷脂来维持其活性的酶。其维持的离子梯度差不仅维持可兴奋细胞(如神经一肌细胞等)的膜电位，而且可调节细胞体积和驱动某些细胞内糖和氨基酸的正常输送。所以该酶和AP、E-C耦连、骨骼肌的兴奋性等关系密切。研究表明，自由基是Na+-K+-ATPase损伤的重要因素之一。长时间递增负荷运动导致自由基的生成增加，而其清除能力显著降低，Na+-K+-ATPase因受自由基攻击而活性下降；同时脂质过氧化增强，而细胞膜是最易受自由基攻击的部位之一。当细胞膜发生脂质过氧化后，脂质自由基可从酶分子中夺取氢原子，通过链式反应，使酶分子发生聚合、交联。导致构象改变，同时膜流动性下降，最终活性下降。Na+-K+-ATPase活性下降是导致骨骼肌疲劳的重要因素。而激活剂羟甲叔丁肾上腺素、rCGRP、双丁酰cAMP有助于骨骼肌疲劳的消除，并提出Na+-K+泵激活是大强度运动后肌肉功能恢复的重要机制之一。静息时，膜上只有2％6％的泵活动，而运动会激活更多的泵，其活性主要依赖Na+、K+跨膜分布和激素水平。周期性训练可以增加该

酶数量和活性，产生良性适应。Overgaard将离体SOL置于10mm K+孵育60min发现，最大肌力和M波分别下降23％和24％。紧接着以1.5 s强直刺激，1 min间隔，刺激15min力量和M波面积分别恢复81％和90％。筒箭毒碱实验表明这是因为骨骼肌的感觉神经释放了某种化合物，该物质激活了Na+-K+泵，引起力量恢复。这种机制可以对抗运动中骨骼肌因胞外高K+导致的疲劳。已证明，肌膜上限制AP传导的关键部位是T管处。T管膜上也含有Na+-K+泵，但含量大大低于其它部位，由于T管处结构空间非常窄小，所以，相同的K+泄露。T管处的浓度变化达2倍。每当一个AP传来时，会使T管间隙的K+升高1.28 mm。这种变化抑制了兴奋传导并与疲劳的发生密切相关。

目前国内这方面的研究资料不多，但结果与上文类似。李强采用10Hzx电刺激使大鼠腓肠肌持续运动，通过微电极技术测量细胞膜RP，发现随时间延长RP明显下降。根据Nemst方程RP=-59.5 Ln([K+]i／[K+]o)推论，肌肉持续收缩RP幅值下降，可能是K+i大量泄露导致内[K+]i减少，[K+]o增加所致，同时EMG时程变大，波形展宽，推测与肌膜兴奋程度降低，信号传播时间延长有关。林丽雅通过建立运动终板阻断蟾蜍腓肠肌动物模型，发现针刺促进力竭腓肠肌收缩能力的恢复，这可能与E-C耦联的某些环节改善有关，或收缩蛋白合成能力增加。

总之，由于肌膜上ATP含量非常有限，而Na+-K+-AT- Pase又需消耗大量ATP，因此持续运动后细胞膜ATP含量明显减少，再加上运动时自由基生成增多引起骨骼肌细胞膜脂质过氧化反应，最终导致K+通道大量开放，K+大量释放至细胞间隙，RP绝对值随运动时间延长明显下降，这种变化最终导致AP下降，促使疲劳发生。兴奋传导的衰减和阻滞，被认为是骨骼肌疲劳发生的关键因素。

2　乳酸对膜电位和骨骼肌疲劳的影响

一直以来认为乳酸的生成引起pH值下降，同时肌力下降，或乳酸的生成使pH值下降以及pH值下降后导致肌肉张力下降。其主要原因一方面认为肌钙蛋白(Tn)与Ca2+结合力降低，肌动蛋白(Actin)反应数目减少，收缩能力下降；另一方面pH值降低还通过抑制PFK活性，使机体无氧供给能量途径受阻产生疲劳。李建文发现pH 6.8-7.2之间蟾蜍腓肠肌收缩能力最佳，过高／过低都导致收缩力下降。张国栋也发现酸性环境导致离体腓肠肌阈值升高，收缩力降低。

但这些传统观点近年来遭到质疑。Allen和Westerblad(2004)首次在Science杂志上发表了题为Lactic acid：the latestperformance-enhanced drug的论文，以综述形式总结了近年来关于乳酸的研究，对乳酸是否是疲劳物质以及pH的下降对肌肉机能影响的传统认识提出了相对立的观点。最近国内学者肖国强(2007，体育科学)也以综述形式发表了题为“对乳酸在肌肉疲劳中作用的再认识”一文，总结了近年国外发表的最新研究成果，读后很有启发。

肌肉进行大强度收缩时，肌力和细胞内pH值均下降这一点已很明确，但并不能认为二者之间有因果关系，它们只是同时发生而已。研究表明肌力下降是胞内其它因素所致。而非源于乳酸堆积。酸中毒使肌肉机能下降，可影响肌膜兴奋性和肌细胞容积，但却有减轻疲劳发生的作用。研究已证明乳酸具有保护作用，维持了肌细胞兴奋性，即提出了乳酸对肌力下降的保护作用，原因可能与C1-通透性下降、内流减少有关，因为静息时C1-起稳定膜电位作用，这保证在去极时AP仍可沿T管进行传播。在11mmK+、10mm乳酸、沙丁胺醇(30-35℃)中对骨骼肌进行孵育，发现肌力完全恢复。肌肉反复收缩代谢产物堆积。渗透压增加使水分内流，而致肌细胞容积增大，尽管并不清楚调节细胞容积的机制，但蛙肌研究表明，细胞内pH下降可减少肌纤维的容积。提示肌肉收缩引起的细胞酸化，可以抑制肌纤维容积增大。以维持肌纤维机能。

尽管如此，也有研究发现。仅在高K+溶液中被动孵育的骨骼肌才存在乳酸的保护作用，而在活跃态的骨骼肌，乳酸对肌力的恢复作用并没有得到证实。由此看来，关于乳酸在肌肉收缩中所扮演角色的定位，还有待进一步深入研究。

3　Ca2+浓度变化对膜电位和骨骼肌疲劳的影响

脊椎动物骨骼肌收缩开始于一系列与E-c耦联有关的APs爆发，即是说，APs传播到T管引起快速去极、激活二氢吡啶受体(DHPR)；反过来通过钙通道触发Ca2+释放。Ca2+在肌肉收缩至肌细胞降解全程中扮演着第二信使，因此胞浆[Ca2+]控制对骨胳肌细胞非常重要。SR主要通过两个调节控制系统：一是Ca2+-ATPase又称钙泵系统，将胞浆中游离Ca2+摄入SR腔，使肌肉舒张；另一个是通道释放系统，细胞兴奋时，可迅速将SR腔内贮存的Ca2+释放，引起肌肉收缩。

运动时，骨骼肌ATP主要用于：肌凝蛋白ATPase消耗ATP，引起肌丝相对滑动和肌肉收缩；SR钙泵消耗ATP转运Ca2+，调节肌肉松弛；肌膜上钠泵消耗ATP，转运Na+／K+离子，调节膜电位。据报道，仅SR转运Ca2+所消耗的能量就占总耗能的1／3。因此，钙与肌肉疲劳密切相关。安静时膜对Ca2+通透性低。当肌膜去极至-40 mV水平。膜对Ca2+通透性增加，触发肌肉收缩。肌细胞通过电压依赖性钙通道。Rvanodine受体、钙泵、Na+-Ca2+交换等机制，实现细胞内外Ca2+调节,从而维持肌细胞正常生理功能。研究也发现骨骼肌兴奋时，钠通道介导Ca2+大量内流。剧烈运动往往引起钙超载。通过激发一系列过程，导致细胞自稳的衰退。引起肌肉损伤。Mikkelsen利用4周大鼠进行研究发现，力量丢失的同时伴随[K]i+下降、[Na]+i和[Ca]2+i升高，同时还发现

LDH浓度比刺激前升高了10倍，膜去极幅度达13 mV。但也有学者对低钙任氏液和钙离子拮抗剂对蛙骨骼肌疲劳的影响进行了观察，发现地尔硫卓、甲氧异搏定和低钙任氏液加速了疲劳的发生。因此提出Ca2+适度内流对肌肉收缩具有一定作用。Williams和Lipska研究结果与此类似。新近研究发现(2006)，通过药物干预造成蛙缝匠肌SR钙释空。发现AP受阻程度明显高于低钙和正常钙缓冲液，进一步证明SRCa2+浓度强烈影响着肌膜兴奋性，同时也表明Ca2+通过影响AP的波形、发放等来影响骨骼肌疲劳。此外，运动中自由基攻击生物膜导致Na+，K+-ATPase活性下降。引起[Na]+i升高。而钠升高通过Na+-Ca2+交换既可导致钙内流，又可抑制钙外流，最终导致钙聚积。钙超载激活中性蛋白酶和磷脂酶A2，引起细胞组分分解和膜完整性破坏；ROS增加致脂质过氧化，线粒体钙超载，所有这些因素加重了自我补偿过程的破坏，具体讲可通过其信号转导方式、激活蛋白酶方式、激活核酸内切酶方式、激活转谷氨酰胺酶方式等激活促使细胞死亡的各个信号转导途径。Williams认为疲劳引起细胞内在变化既包括SR Ca2+释放通道的变化，也包括T管和SR之间的信息传递的改变。钙通道在T管处特别丰富，是所有肌细胞钙内流的通道，在E-c耦联中起特殊作用。近年来骨骼肌E-c耦联中的Ca2+诱导Ca2+释放现象成为研究热点之一。李霆采用低温冷冻技术、毫秒级实时处理技术对潜伏期内蟾蜍骨骼肌电镜观察发现，骨骼肌E-c耦联发生时，肌膜下出现大量小泡。推测小泡形成可能与Ca2+火花释放有关。Dutka利用去掉外膜的快肌纤维(能继续维持正常AP介导的Ca2+释放)，研究了高Pi暴露对正常E-c耦联的影响。发现10和30m Pi导致强直力量下降25％和45％，并发现Ca2+并没有从SR泄漏出去，而是形成磷酸钙导致可利用的Ca2+快速释放减少引起力量下降。可见，钙与骨骼肌膜电位和肌力关系的研究还需深入开展。

4　小结

综上分析可见，肌膜、T管与SR、横桥等部位的结构和功能的改变以及离子代谢紊乱、能量过度消耗是骨骼肌疲劳产生的重要原因。多数研究认为：运动使肌肉产生疲劳，是因为各种因素引起跨膜分布的离子梯度发生改变，导致膜去极化，AP幅度下降或消失，兴奋传导速度减慢，使E-c耦联减弱或中断，最终表现为肌力下降。至于各个研究结果存在或多或少的差异。这可能与实验品种(蟾蜍、蛙、兔、大鼠、小鼠)、月龄长短、标本类型(缝匠肌、半腱肌、比目鱼肌、胫骨前肌、趾长伸肌、腓肠肌)、电刺激方案、温度控制等多种因素有关。另外，所得出的结论要应用到运动训练上去还有相当大的距离。总之。这方面的研究还需深入探讨，特别是国内很有必要开展这方面的研究。