離子濃度改變對骨骼肌膜電位和骨骼肌疲勞研究進展

1、離子濃度改變對骨骼肌膜電位和骨骼肌疲勞研究進展 摘要：骨骼肌疲勞一直是學(xué)者們研究的重點。越來越多的研究證明骨骼肌疲勞發(fā)生的關(guān)鍵機制不是源于神經(jīng)傳導(dǎo)，而在肌肉本身。其中E-C耦聯(lián)阻滯起著決定性作用。國外廣泛采用電刺激方案建立離體骨骼肌疲勞模型進行膜電位和肌力研究；但國內(nèi)這方面研究起步較晚。且發(fā)展緩慢。綜述了近年來離子濃度對膜電位和骨骼肌疲勞影響的研究進展。 關(guān)鍵詞：膜電位；肌力；骨骼肌疲勞；ATP；Na+，K+-ATPase；乳酸；鈣離子 中圖分類號：G804.21 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1007-3612(2009)01-0084-04 骨骼肌作為人體運動的動力器官，其收縮能力的好壞是影響

2、運動能力的重要因素。現(xiàn)有許多研究都是以正常安靜組兩棲類(蛙、蟾蜍)或哺乳類(大、小鼠、兔)等為研究對象，采用電刺激離體肌肉建立骨胳肌疲勞模型來進行膜電位電變化和肌力研究的。電刺激技術(shù)是目前國際上普遍采用的研究骨骼肌疲勞的方法，但國內(nèi)將該技術(shù)應(yīng)用到運動訓(xùn)練模型上的研究尚不多見，截止目前僅有馬強曾就9周游泳訓(xùn)練對大鼠骨骼肌膜電位和收縮力量的影響進行過相關(guān)報道。越來越多的研究證實，骨骼肌疲勞時運動神經(jīng)和神經(jīng)一肌肉接頭處的信號傳導(dǎo)維持正常，說明骨骼肌疲勞發(fā)生的關(guān)鍵機制不是源于神經(jīng)傳導(dǎo)(相對不疲勞性)，而在肌肉本身，諸如肌膜、E-c耦聯(lián)各環(huán)節(jié)和物質(zhì)代謝方面，其中E-c耦聯(lián)阻滯具有決定性作用。近年來，一些

3、學(xué)者把研究重點集中到肌膜的跨膜電位和K+、Ca+的轉(zhuǎn)運規(guī)律上，以進一步探討肌肉疲勞的機制。本文就近年來國內(nèi)外有關(guān)離子濃度變化對膜電位和骨骼肌疲勞的研究進行總結(jié)。 1K+、Na+濃度變化對膜電位和骨骼肌疲勞的影響 骨骼肌中含有大量無機鹽離子，其中Na+、K+、Ca+在肌肉應(yīng)激、收縮和舒張過程中發(fā)揮重要作用。肌膜是肌細(xì)胞進行物質(zhì)交換的場所，同時又是興奮及興奮傳播的部位。有研究證明：運動性疲勞發(fā)生過程中，肌肉疲勞時間最長。肌肉活動時，細(xì)胞內(nèi)離子增加減少，以適應(yīng)工作需要。而不適當(dāng)?shù)募∪饣顒觿t可改變細(xì)胞內(nèi)外離子分布平衡。使肌肉結(jié)構(gòu)受損，功能下降。嚴(yán)重的甚至可導(dǎo)致血漿離子成分改變，影響心血管系統(tǒng)等整體功能

4、。 骨骼肌興奮時，K+大量外泄，導(dǎo)致細(xì)胞間隙K+可達(dá)10-15mm(正常5.9 mm)；反過來，高K+導(dǎo)致肌細(xì)胞去極和收縮功能受損，加速了疲勞的發(fā)生。Bolog利用蛙離體半腱肌發(fā)現(xiàn)疲勞發(fā)生時，Na+i從16 mm增至49m、K+i從142mm降至97 mm，靜息電位(RP)則從-83mV去極為-74mV，同時肌力下降。隨后Na+i、K+i和膜電位與力量恢復(fù)的初始階段類似，據(jù)此他提出，Na+、K+梯度改變導(dǎo)致骨骼肌疲勞的可能機制為：動作電位(AP)傳播受阻、去極化引起T管電活動鈍化失活以及鋒電位下降引起T管電荷幅度下降。盡管作者先前的一篇研究認(rèn)為AP波形改變，如RP上升。OS下降，半時恢復(fù)時間延

5、長，但這些改變不足以導(dǎo)致疲勞發(fā)生。盡管如此，作者還是提出在T管深處AP可能伴有更大的變化。對蛙縫匠肌實施高頻電刺激(50 Hz，2min)發(fā)現(xiàn)，AP下降14.5mV,RP去極15.4mV,去除T管處的H2有助于AP恢復(fù)。說明骨骼肌疲勞發(fā)生時T管處變化比膜表面要深刻。Cairns對高K+環(huán)境中小鼠快、慢肌的強直力量、RP研究發(fā)現(xiàn)，比目魚肌力量下降幅度大于脛骨前肌，分析原因認(rèn)為是由于慢肌比快肌RP絕對值低2-3mV。同時還提出高K+導(dǎo)致細(xì)胞去極至-60 mV時，快、慢肌都會產(chǎn)生疲勞。SesboueB2006在綜述中提到骨骼肌疲勞的外周機制中肌膜表面的電活動是首先可能發(fā)生衰竭的部位。隨后Fitts又

6、發(fā)現(xiàn)骨骼肌高強度收縮運動導(dǎo)致最大肌力、收縮速度和功率下降，興奮恢復(fù)延遲、AP幅度降低、傳導(dǎo)速度減慢等，最終導(dǎo)致傳導(dǎo)阻滯。因為運動能力的維持要求終板、肌膜、T管等處必須有良好的興奮性。Overgaard也發(fā)現(xiàn)低Na+環(huán)境孵育60min。導(dǎo)致肌力下降70，而Na+-K+泵激活有助于力量恢復(fù)。Nielsen(2004)也證明K+梯度下降導(dǎo)致T管功能受抑。但伴隨發(fā)生的高Na+i通過激活Na+K+泵對T管起了保護作用。Nielsen也證明Na+-K+泵快速激活提供了一個前饋(feedforward)機制。加s內(nèi)Na+內(nèi)流增加約20倍。激活Na+-K+泵對Na+-+K+梯度和膜電位起到了動態(tài)保護作用。Na

7、+-K+泵即Na+-K+-ATPase不對稱地鑲嵌在生物膜內(nèi)，是一個依賴于磷脂需要磷脂來維持其活性的酶。其維持的離子梯度差不僅維持可興奮細(xì)胞(如神經(jīng)一肌細(xì)胞等)的膜電位，而且可調(diào)節(jié)細(xì)胞體積和驅(qū)動某些細(xì)胞內(nèi)糖和氨基酸的正常輸送。所以該酶和AP、E-C耦連、骨骼肌的興奮性等關(guān)系密切。研究表明，自由基是Na+-K+-ATPase損傷的重要因素之一。長時間遞增負(fù)荷運動導(dǎo)致自由基的生成增加，而其清除能力顯著降低，Na+-K+-ATPase因受自由基攻擊而活性下降；同時脂質(zhì)過氧化增強，而細(xì)胞膜是最易受自由基攻擊的部位之一。當(dāng)細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化后，脂質(zhì)自由基可從酶分子中奪取氫原子，通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使酶分子發(fā)

8、生聚合、交聯(lián)。導(dǎo)致構(gòu)象改變，同時膜流動性下降，最終活性下降。Na+-K+-ATPase活性下降是導(dǎo)致骨骼肌疲勞的重要因素。而激活劑羥甲叔丁腎上腺素、rCGRP、雙丁酰cAMP有助于骨骼肌疲勞的消除，并提出Na+-K+泵激活是大強度運動后肌肉功能恢復(fù)的重要機制之一。靜息時，膜上只有26的泵活動，而運動會激活更多的泵，其活性主要依賴Na+、K+跨膜分布和激素水平。周期性訓(xùn)練可以增加該 酶數(shù)量和活性，產(chǎn)生良性適應(yīng)。Overgaard將離體SOL置于10mm K+孵育60min發(fā)現(xiàn)，最大肌力和M波分別下降23和24。緊接著以1.5 s強直刺激，1 min間隔，刺激15min力量和M波面積分別恢復(fù)81和

9、90。筒箭毒堿實驗表明這是因為骨骼肌的感覺神經(jīng)釋放了某種化合物，該物質(zhì)激活了Na+-K+泵，引起力量恢復(fù)。這種機制可以對抗運動中骨骼肌因胞外高K+導(dǎo)致的疲勞。已證明，肌膜上限制AP傳導(dǎo)的關(guān)鍵部位是T管處。T管膜上也含有Na+-K+泵，但含量大大低于其它部位，由于T管處結(jié)構(gòu)空間非常窄小，所以，相同的K+泄露。T管處的濃度變化達(dá)2倍。每當(dāng)一個AP傳來時，會使T管間隙的K+升高1.28 mm。這種變化抑制了興奮傳導(dǎo)并與疲勞的發(fā)生密切相關(guān)。 目前國內(nèi)這方面的研究資料不多，但結(jié)果與上文類似。李強采用10Hzx電刺激使大鼠腓腸肌持續(xù)運動，通過微電極技術(shù)測量細(xì)胞膜RP，發(fā)現(xiàn)隨時間延長RP明顯下降。根據(jù)Nem

10、st方程RP=-59.5 Ln(K+iK+o)推論，肌肉持續(xù)收縮RP幅值下降，可能是K+i大量泄露導(dǎo)致內(nèi)K+i減少，K+o增加所致，同時EMG時程變大，波形展寬，推測與肌膜興奮程度降低，信號傳播時間延長有關(guān)。林麗雅通過建立運動終板阻斷蟾蜍腓腸肌動物模型，發(fā)現(xiàn)針刺促進力竭腓腸肌收縮能力的恢復(fù)，這可能與E-C耦聯(lián)的某些環(huán)節(jié)改善有關(guān)，或收縮蛋白合成能力增加。 總之，由于肌膜上ATP含量非常有限，而Na+-K+-AT- Pase又需消耗大量ATP，因此持續(xù)運動后細(xì)胞膜ATP含量明顯減少，再加上運動時自由基生成增多引起骨骼肌細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，最終導(dǎo)致K+通道大量開放，K+大量釋放至細(xì)胞間隙，RP絕對

11、值隨運動時間延長明顯下降，這種變化最終導(dǎo)致AP下降，促使疲勞發(fā)生。興奮傳導(dǎo)的衰減和阻滯，被認(rèn)為是骨骼肌疲勞發(fā)生的關(guān)鍵因素。 2乳酸對膜電位和骨骼肌疲勞的影響 一直以來認(rèn)為乳酸的生成引起pH值下降，同時肌力下降，或乳酸的生成使pH值下降以及pH值下降后導(dǎo)致肌肉張力下降。其主要原因一方面認(rèn)為肌鈣蛋白(Tn)與Ca2+結(jié)合力降低，肌動蛋白(Actin)反應(yīng)數(shù)目減少，收縮能力下降；另一方面pH值降低還通過抑制PFK活性，使機體無氧供給能量途徑受阻產(chǎn)生疲勞。李建文發(fā)現(xiàn)pH 6.8-7.2之間蟾蜍腓腸肌收縮能力最佳，過高過低都導(dǎo)致收縮力下降。張國棟也發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境導(dǎo)致離體腓腸肌閾值升高，收縮力降低。 但這些

12、傳統(tǒng)觀點近年來遭到質(zhì)疑。Allen和Westerblad(2004)首次在Science雜志上發(fā)表了題為Lactic acid：the latestperformance-enhanced drug的論文，以綜述形式總結(jié)了近年來關(guān)于乳酸的研究，對乳酸是否是疲勞物質(zhì)以及pH的下降對肌肉機能影響的傳統(tǒng)認(rèn)識提出了相對立的觀點。最近國內(nèi)學(xué)者肖國強(2007，體育科學(xué))也以綜述形式發(fā)表了題為“對乳酸在肌肉疲勞中作用的再認(rèn)識”一文，總結(jié)了近年國外發(fā)表的最新研究成果，讀后很有啟發(fā)。 肌肉進行大強度收縮時，肌力和細(xì)胞內(nèi)pH值均下降這一點已很明確，但并不能認(rèn)為二者之間有因果關(guān)系，它們只是同時發(fā)生而已。研究表明肌

13、力下降是胞內(nèi)其它因素所致。而非源于乳酸堆積。酸中毒使肌肉機能下降，可影響肌膜興奮性和肌細(xì)胞容積，但卻有減輕疲勞發(fā)生的作用。研究已證明乳酸具有保護作用，維持了肌細(xì)胞興奮性，即提出了乳酸對肌力下降的保護作用，原因可能與C1-通透性下降、內(nèi)流減少有關(guān)，因為靜息時C1-起穩(wěn)定膜電位作用，這保證在去極時AP仍可沿T管進行傳播。在11mmK+、10mm乳酸、沙丁胺醇(30-35)中對骨骼肌進行孵育，發(fā)現(xiàn)肌力完全恢復(fù)。肌肉反復(fù)收縮代謝產(chǎn)物堆積。滲透壓增加使水分內(nèi)流，而致肌細(xì)胞容積增大，盡管并不清楚調(diào)節(jié)細(xì)胞容積的機制，但蛙肌研究表明，細(xì)胞內(nèi)pH下降可減少肌纖維的容積。提示肌肉收縮引起的細(xì)胞酸化，可以抑制肌纖維

14、容積增大。以維持肌纖維機能。 盡管如此，也有研究發(fā)現(xiàn)。僅在高K+溶液中被動孵育的骨骼肌才存在乳酸的保護作用，而在活躍態(tài)的骨骼肌，乳酸對肌力的恢復(fù)作用并沒有得到證實。由此看來，關(guān)于乳酸在肌肉收縮中所扮演角色的定位，還有待進一步深入研究。 3Ca2+濃度變化對膜電位和骨骼肌疲勞的影響 脊椎動物骨骼肌收縮開始于一系列與E-c耦聯(lián)有關(guān)的APs爆發(fā)，即是說，APs傳播到T管引起快速去極、激活二氫吡啶受體(DHPR)；反過來通過鈣通道觸發(fā)Ca2+釋放。Ca2+在肌肉收縮至肌細(xì)胞降解全程中扮演著第二信使，因此胞漿Ca2+控制對骨胳肌細(xì)胞非常重要。SR主要通過兩個調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)：一是Ca2+-ATPase又稱鈣

15、泵系統(tǒng)，將胞漿中游離Ca2+攝入SR腔，使肌肉舒張；另一個是通道釋放系統(tǒng)，細(xì)胞興奮時，可迅速將SR腔內(nèi)貯存的Ca2+釋放，引起肌肉收縮。 運動時，骨骼肌ATP主要用于：肌凝蛋白ATPase消耗ATP，引起肌絲相對滑動和肌肉收縮；SR鈣泵消耗ATP轉(zhuǎn)運Ca2+，調(diào)節(jié)肌肉松弛；肌膜上鈉泵消耗ATP，轉(zhuǎn)運Na+K+離子，調(diào)節(jié)膜電位。據(jù)報道，僅SR轉(zhuǎn)運Ca2+所消耗的能量就占總耗能的13。因此，鈣與肌肉疲勞密切相關(guān)。安靜時膜對Ca2+通透性低。當(dāng)肌膜去極至-40 mV水平。膜對Ca2+通透性增加，觸發(fā)肌肉收縮。肌細(xì)胞通過電壓依賴性鈣通道。Rvanodine受體、鈣泵、Na+-Ca2+交換等機制，實現(xiàn)細(xì)

16、胞內(nèi)外Ca2+調(diào)節(jié),從而維持肌細(xì)胞正常生理功能。研究也發(fā)現(xiàn)骨骼肌興奮時，鈉通道介導(dǎo)Ca2+大量內(nèi)流。劇烈運動往往引起鈣超載。通過激發(fā)一系列過程，導(dǎo)致細(xì)胞自穩(wěn)的衰退。引起肌肉損傷。Mikkelsen利用4周大鼠進行研究發(fā)現(xiàn)，力量丟失的同時伴隨Ki+下降、Na+i和Ca2+i升高，同時還發(fā)現(xiàn) LDH濃度比刺激前升高了10倍，膜去極幅度達(dá)13 mV。但也有學(xué)者對低鈣任氏液和鈣離子拮抗劑對蛙骨骼肌疲勞的影響進行了觀察，發(fā)現(xiàn)地爾硫卓、甲氧異搏定和低鈣任氏液加速了疲勞的發(fā)生。因此提出Ca2+適度內(nèi)流對肌肉收縮具有一定作用。Williams和Lipska研究結(jié)果與此類似。新近研究發(fā)現(xiàn)(2006)，通過藥物干

17、預(yù)造成蛙縫匠肌SR鈣釋空。發(fā)現(xiàn)AP受阻程度明顯高于低鈣和正常鈣緩沖液，進一步證明SRCa2+濃度強烈影響著肌膜興奮性，同時也表明Ca2+通過影響AP的波形、發(fā)放等來影響骨骼肌疲勞。此外，運動中自由基攻擊生物膜導(dǎo)致Na+，K+-ATPase活性下降。引起Na+i升高。而鈉升高通過Na+-Ca2+交換既可導(dǎo)致鈣內(nèi)流，又可抑制鈣外流，最終導(dǎo)致鈣聚積。鈣超載激活中性蛋白酶和磷脂酶A2，引起細(xì)胞組分分解和膜完整性破壞；ROS增加致脂質(zhì)過氧化，線粒體鈣超載，所有這些因素加重了自我補償過程的破壞，具體講可通過其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式、激活蛋白酶方式、激活核酸內(nèi)切酶方式、激活轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶方式等激活促使細(xì)胞死亡的各個信號

18、轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。Williams認(rèn)為疲勞引起細(xì)胞內(nèi)在變化既包括SR Ca2+釋放通道的變化，也包括T管和SR之間的信息傳遞的改變。鈣通道在T管處特別豐富，是所有肌細(xì)胞鈣內(nèi)流的通道，在E-c耦聯(lián)中起特殊作用。近年來骨骼肌E-c耦聯(lián)中的Ca2+誘導(dǎo)Ca2+釋放現(xiàn)象成為研究熱點之一。李霆采用低溫冷凍技術(shù)、毫秒級實時處理技術(shù)對潛伏期內(nèi)蟾蜍骨骼肌電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，骨骼肌E-c耦聯(lián)發(fā)生時，肌膜下出現(xiàn)大量小泡。推測小泡形成可能與Ca2+火花釋放有關(guān)。Dutka利用去掉外膜的快肌纖維(能繼續(xù)維持正常AP介導(dǎo)的Ca2+釋放)，研究了高Pi暴露對正常E-c耦聯(lián)的影響。發(fā)現(xiàn)10和30m Pi導(dǎo)致強直力量下降25和45，并發(fā)現(xiàn)Ca2+并沒有從SR泄漏出去，而是形成磷酸鈣導(dǎo)致可利用的Ca2+快速釋放減少引起力量下降?？梢姡}與骨骼肌膜電位和肌力關(guān)系的研究還需深入開展。 4小結(jié) 綜上分析可見，肌膜、T管與SR、橫