魏源王革卓莉
《上海体育学院学报》2007年02期
【作者单位】：广州体育学院科学实验中心韩山师范学院体育系韩山师范学院体育系
【关键词】：运动；骨骼肌微损伤；机械损伤学说；代谢学说；炎症反应学说；
【摘要】：
综述运动性骨骼肌微损伤机制的研究进展，将其归纳为机械损伤学说、代谢学说(包括能量代谢紊乱学说、细胞内钙稳态失调学说和自由基学说等)、炎症反应学说等不同假说。认为：运动性骨骼肌微损伤的机制仍处于探索之中，应综合机械损伤和化学损伤等假说解释运动性骨骼肌微损伤。
目前，有关运动导致骨骼肌微损伤的机制，学术界一直存在着不同的看法，可归纳为机械损伤学说、代谢学说(包括能量代谢紊乱学说、细胞内钙稳态失调学说和自由基学说等)、炎症反应学说等不同假说。本文拟对此作一综述。
1、机械损伤学说
早在20世纪初，Hough初次提出，肌肉损伤主要是由于运动引起的肌纤维的机械损伤所致。随后许多学者的大量研究结果均支持和丰富这一学说，使其成为骨骼肌运动性损伤研究中的经典学说。Newham等报道，在肌肉牵拉练习后，可见肌节结构破坏，细胞膜通透性增高，纤维变性，巨噬细胞浸润等组织学改变。Warren等认为机械牵拉是离心性收缩所致肌肉损伤的始动因素，其中肌张力起主要作用。Newham研究表明，当肌肉承担的负荷相同时，进行离心收缩比向心收缩更容易导致肌肉损伤，这是因为进行离心收缩时，主动肌单根肌纤维上承受的力要比相同负荷向心收缩时肌纤维上承受的力大1倍。Armstrong发现延迟性肌肉酸痛和损伤多发生在进行离心收缩的肌肉，他认为离心性运动虽然氧耗、能耗少，但是参与的肌纤维也少，势必使离心性运动时单根肌纤维所承受的力较大，易于造成损伤。
目前的研究结果认为，肌肉收缩时产生的机械牵拉可破坏肌细胞的超微结构，造成肌肉损伤。具体表现在以下几个方面。
1．1肌细胞膜损伤
反复的高强度的肌肉收缩可对肌细胞膜产生很大的牵拉作用，当这种牵拉作用产生的张力超过细胞膜的承受范围时，使得细胞膜损伤或细胞膜通透性增加，引起肌细胞产生一系列变化，导致肌肉超微结构变化。
Friden等报道离心训练导致肌肉损伤2d后，血清CK含量升高36％，并指出离心训练的高紧张性造成机械损伤，使肌肉酶释放入血。Byrres等报道下坡跑后，血清中CK值、肌红蛋白值显著增加。Balave发现离心性收缩造成肌肉损伤后，血清CK值和肌红蛋白浓度呈延迟性增高。田野认为，在离心运动后，血清肌肉酶活性升高，且其变化呈延迟性特征，并同延迟性肌肉损伤和肌肉酸痛的时相相似，表明肌细胞膜损伤可能是导致肌肉超微结构变化的重要原因。Brown等认为离心运动不导致肌细胞内质网的损伤，因为离心收缩后虽然肌肉电-机械延迟增加，但舒展功能并不受影响，这可能是DOMS可以自动消失的结构基础。
1．2细胞骨架损伤
细胞骨架对维持肌节的正常结构起着非常重要的作用，在运动过程中，高张力的机械牵拉会使细胞骨架的正常结构受到影响，从而造成肌肉收缩蛋白结构破坏。
根据运动后细胞外骨架Desmin蛋白的变化，有学者提出一种肌肉损伤变化的假说：高张力的离心收缩对肌组织产生高张力牵拉，造成中间蛋白微丝断裂，使肌肉蛋白分子结构破坏，降解肌肉蛋白和球状蛋白，激活溶酶体蛋白水解酶，进一步降解肌肉蛋白质，破坏Z盘结构，从而导致肌肉超微结构损伤。
虽然目前尚没有充足的直接证据证实运动导致细胞内骨架的变化，但有研究表明运动会导致细胞内骨架titin的骨架网络破坏。Clare等(1991)发现，离心收缩后，盘流的附近，myosin蛋白脱离肌节中间位置而更接近某一盘，提示可能是由于维持myosin正常位置的titin的结构被牵拉性破坏，从而引起myosin位置改变，即高张力牵拉→肌节内骨架titin结构破坏→维持myosin正常位置的作用力减弱或消失→myosin位置发生变化→肌细胞收缩功能下降。Lieber等报道，肌节的过度扩张引起胞内局部钙离子浓度升高，激活蛋白酶，使Desmin血发生水解，从而使得肌节结构紊乱。进一步验证Brooks等的假说，即细胞骨架蛋白的水解是骨骼肌离心收缩损伤的重要原因。
1．3肌细胞收缩成分的机械性损伤
收缩成分的损伤是肌原纤维在受到被动牵拉时所发生的损产或肌微丝的降解。这种损伤的原因也许并不如此简单，可能涉及蛋白质空间结构的破坏和ATP能量转换障碍。由于蛋白质的功能与其空间结构有关，空间结构又依赖各种化学键维持，而肌肉运动时横桥的摆动恰好是蛋白质空间结构的改变。由于离心收缩时横桥的摆动与其正常摆动的方向相反，这就有可能导致维持其空间结构的化学链的破坏和结构损伤。有人认为细胞收缩成分的机械性损伤还可能与ATP酶的水解速度有关：在横桥作退让性摆动时，若ATP酶水解速度与牵拉速度适应，损伤不会发生；而当ATP酶水解速度落后于被动牵拉的速度时损伤即可能发生。有证据表明，离心运动的速度是比力量更重要的致DOMS因素。但问题是：如果离心速度足够慢的话是否可以完全避免DOMS?耐力运动员是否比速度运动员更易表现出DOMS?
1．4邻近肌节受力不平衡
肌肉在正常状态下，邻近肌节的长度和收缩速度本身存在轻微的不平衡状态，在不同的收缩形式下，这种不平衡状态会使邻近肌节的受力产生不平衡。如在向心性收缩时，当肌肉至大缩短速度相差0．5％时，邻近肌节的受力相差2％；而在肌肉离心收缩时，虽然收缩速度同样相差0．5％，但邻近肌节的受力就相差50％以上。因此，肌肉在离心收缩时，由于相邻肌节的牵拉力相差较大，容易造成Z线流，或牵拉myosin造成myosin在肌节中的位置改变。
Morgan等研究发现，活动中的肌肉在受到牵拉时，肌节的动态变化与肌张力之间的关系异常。因为肌肉受到牵拉后，肌节的长度超过了粗细肌丝相互重叠时的长度，此时，粗细肌丝之间已不能形成横桥连接。而当肌肉舒张时，这些肌节的粗细肌丝并不能回复原位，随后肌肉收缩又牵拉这些肌节，由此产生“Popping”损伤。并对邻近肌节施加更大的牵拉应力，导致邻近肌节结构破坏。也有不少研究者认为：肌节间牵张力的不平衡在运动性骨骼肌损伤发生中的作用比肌牵张力的作用要大；同时肌节对承受应力存在一个生理阈值，只有肌节所承受的应力超过此阈值，才导致肌纤维损伤。
2、肌细胞能量代谢紊乱学说
许多学者的研究表明，肌肉收缩过程中，肌细胞内能量物质耗竭、代谢产物堆积等对肌纤维的功能及整个肌肉的工作能力均产生影响，也是运动导致骨骼肌微损伤发生的一个重要的原因。
2．1高能磷酸化合物与损伤
骨骼肌收缩时，肌纤维的收缩蛋白-肌动蛋白和肌球蛋白在连接和分离的过程中要消耗能量，其能量来源于三磷酸腺苷(ATP)分子的分解反应；越来越多的研究表明，高能磷酸化合物在肌肉损伤的发生过程中起着很大的作用。当肌肉由于长期处于收缩状态而导致ATP分解速率大于合成速率时，ADP、AMP、Pi和乳酸等代谢产物在体内大量堆积，导致pH值下降，肌肉酶活性及电解质浓度发生改变。Taylor研究表明，ADP和Pi从肌动蛋白-肌球蛋白复合物(AM)的解离是不同步的，所产生的作用也不相同。Pi的解离是与AM复合物从低力结合态到高力结合态的转变相偶联的，其解离触发储存在肌球蛋白横桥中的能量释放，使横桥滑动，而肌球蛋白的头部和肌动蛋白的脱离先需要ADP的解离，之后ATP与肌球蛋白分子结合，横桥断开，随后ATP被位于肌球蛋白头部的ATP酶分解。Cooke等发现ADP可以抑制横桥脱离速度，表明ADP的解离发生在横桥循环的末期。另一方面肌肉持续收缩使局部血管受压，血供减少，细胞缺氧，而线粒体是细胞内对缺氧尤其敏感的细胞器，因此先出现损伤，使能量生成进一步减少，长期影响可导致肌肉结构的损伤。
2．2肌糖原(muscleglycogen)与肌肉疲劳/损伤
很多研究均发现肌肉疲劳发生的同时伴随着肌糖原的耗竭。而肌糖原的利用率取决于运动强度。当运动负荷从25％VO2max上升到100％V02max时，糖原利用率从表面上0．3上升到3．4个葡萄糖单位/kg·min。当运动负荷小于60％VO2max时，由于此时游离脂肪酸作为主要的供能底物，肌糖原维持在较高的水平。因此，当运动强度较低、维持时间较长时所导致的疲劳不能归因于糖原的大量降低。虽然当运动负荷大于90％VO2max时，肌糖原迅速分解供能，但在肌糖原仍维持在较高水平时即可发生疲劳。当负荷量在65％～85％VO2max时，肌肉疲劳与肌糖原大量减少高度相关。Bergstron等认为：在从中等到大负荷运动的过程中，肌糖原不仅是主要的能量来源，而且是必要的底物，因此它的大量减少将引起疲劳/损伤。这一假说也被Saltin等的研究所证实，他们以10名参加30km跑的运动员为研究对象(实验组给予高碳水化合物饮食)发现：高碳水化合物饮食可以增加静息肌糖原含量，并与运动持续时间的延长有关；当股四头肌中糖原含量降低到3～5g/kg肌肉湿重时．所有研究对象的跑速均降低；有规律的耐力训练可以降低肌糖原的耗竭率，延迟疲劳/损伤的发生。Fitts等也发现：训练大鼠的糖原利用减少和耐力增加现象与肌肉氧化呼吸能力提高高度相关。
由以上研究结果可以推想：维持65％～90％V02max的长时间训练需要保持一定水平的碳水化合物的氧化代谢，随着肌糖原的耗竭和胞浆底血糖的发生发展，碳水化合物的氧化代谢低于所需的阈值时，可导致肌肉疲劳损伤，无法继续工作。糖类氧化对疲劳起到抑制作用的确切机理尚不十分清楚。一种可能是：在肌肉、肝脏糖原耗竭和低血糖发生后，肌纤维必需依靠游离脂肪酸(FFA)的摄取和氧化获得收缩时所需的能量。FFA从胞浆转运到线粒体将引起组织摄氧量的降低和细胞能量供应的下降。消耗同量氧时，从脂肪氧化得到的能量比从糖类氧化得到的能量少，但这种差别并不显著，因而不能解释与长时间训练有关的完全耗竭。另一种可能是：NADH的至大氧化和电子传递或脂肪氧化的维持均需一定水平的糖类氧化。如果糖类氧化不足，三羧酸循环中的中介物也将不足。Sahlin等和Spencer等的研究结果支持这种可能性。Sahlin等发现三羧酸循环中的中介物总量在循环运动达疲劳的过程中先升高后降低，Spencer等发现给予糖类物质可减少中介物的降低，但没有证据表明中介物的降低限制了组织的氧化代谢。
有报道认为，在长时间训练中肌糖原耗竭、低血糖及糖类氧化的降低并不是导致疲劳的全部因素。Coyle等研究发现：补充糖类的实验组运动时间比对照组长1 h时，即使血糖水平和糖类氧化率保持在正常水平依旧发生疲劳。此外，如果糖原耗竭通过减少能量生成而直接引起疲劳，则细胞ATP含量应下降，但通常事实并非如此。糖原耗竭引起疲劳可能是通过一个不依赖它在能量生成中的角色的机制。比如，糖原耗竭可能诱发肌浆网的功能性改变或激活溶酶体酶，进而对收缩功能产生消极影响。因此，糖原耗竭与疲劳发生有关，但不是引起疲劳损伤的全部原因，在这种情况下，其它因素，如细胞器结构的改变将参与疲劳/损伤的发生。
综上所述，关于肌细胞能量代谢紊乱导致肌肉疲劳和损伤这一假说有许多不确定的方面，还有待进一步研究。
3、肌细胞内钙稳态失调学说
钙广泛地存在于人体细胞和体液之中，胞内游离钙不仅是肌肉收缩舒张的偶联因子，而且由生理性刺激而引发的胞内游离钙的变化还可启动一系列生物学反应。近年来的研究表明，肌细胞内钙稳态失调是导致肌肉损伤的重要原因之一。
3．1钙代谢在肌肉疲劳/损伤中的作用
许多研究证实，肌细胞Ca2+代谢异常会直接影响肌肉的收缩活动和代谢机能。从理论上讲，剧烈运动时，胞浆Ca2+浓度会应激性增加，引起各种生理反应，使与Ca2+调节机能有关的亚细胞器发生机能变化。研究发现，运动后一些亚细胞结构(主要为肌浆网和线粒体)的摄取能力和钙含量发生变化，而且亚细胞器的代谢异常会直接影响机体的运动机能，严重的会导致肌肉疲劳和损伤。田野认为Ca2+在运动性肌肉疲劳/损伤产生过程中起着重要的作用，可能是其产生的一个中枢机制。
3．2胞浆Ca2+代谢异常对骨骼肌超微结构的影响
近年来，在肌肉疾病和肌肉损伤模型的大量研究表明，胞浆Ca2+的不可逆增加是导致肌肉损伤的原因之一。Duan等报道，大鼠下坡跑后骨骼肌胞浆钙含量与肌细胞的损伤呈显著相关，在给大鼠喂食或腹腔注射钙整合剂EDTA和EGTA后，胞浆钙含量明显降低，同时肌细胞损伤减轻。Baraoos和陈英杰等的研究也表明类似的结果。
运动时肌细胞内Ca2+浓度升高对肌肉的收缩是必要的，但胞浆Ca2+浓度过高可以通过以下几种途径诱发肌肉超微结构的变化，出现肌细胞损伤：
(1)激活细胞膜磷脂酶A2(PLA2)，即环氧化酶、脂质氧化酶系统，引起肌膜损伤，肌肉酶外流和肌肉蛋白水解；
(2)激活中性蛋白水解酶(CANP)，引起肌原纤维蛋白复合体的水解和原肌球蛋白等发生降减；
(3)影响溶酶体的功能，促进溶酶体膜分解、破裂，导致酸性水解酶释放增多，引起肌原纤维蛋白复合体的水解和原肌球蛋白等发生降减；
(4)导致线粒体聚钙。剧烈运动时线粒体聚钙增加，虽然使胞浆中Ca2+浓度升高的趋势得以缓解，但由于线粒体内Ca2+的增多，抑制了其本身的氧化磷酸化过程，减少了ATP的生成。而线粒体的正常形态、结构的维持需要ATP提供能量，钙泵及钠泵的活动也需要ATP提供能量，因此，ATP含量的下降除进一步造成离子代谢紊乱外，还可直接导致线粒体肿胀、嵴断裂等亚细胞结构的破坏，使氧化磷酸化脱偶联，能量供应不足，进而引起严重的离子代谢紊乱，导致恶性循环，终导致肌细胞损伤，造成肌肉运动能力下降。
综上所述，钙在运动性肌肉疲劳和损伤中起着重要的作用，有可能是其产生的一个中枢机制。线粒体和肌浆网钙代谢是运动性肌肉疲劳和损伤的主要参与者，并受到ATP、pH值、离子浓度等一系列因素的影响。
4、自由基和脂质过氧化学说
由于运动可以引发内源性自由基生成增加，故有理由推测自由基与运动性肌肉损伤有关。许多学者进行了此方面的研究，以下研究结果均支持此种假设。
Kanter等测定了9名男性受试者在80km超长距离赛跑前后血清的MDA、CK、LDH，发现无论运动前还是运动后血清总CK、CK-MB与MDA浓度显著相关，据此笔者认为运动引起的脂质过氧化加强与肌肉损伤有关。Zerba等证实鼠注射SOD减轻了向心收缩运动后肌肉损伤和氧化应激。Goodman等测定了20名男性赛跑运动员在21km赛跑前后及运动后24h血清CK、肌红蛋白(MB)和MDA浓度，并进行了肌肉超微结构的电镜观察。笔者认为，运动后血清CK和MB的升高是由于自由基引起肌细胞膜的损伤，造成肌细胞膜通透性增加的结果，而不是机械性肌损伤的结果。
目前已建立了几种假说来推测自由基在肌肉损伤中的作用：
(1)白细胞机制。组织的炎症过程中白细胞的浸润涉及组织再生过程，吞噬白细胞有助于释放自由基，后者能刺激组织的分解。因此在损伤组织可出现中性粒细胞和巨噬细胞的浸润，由此可引起继发性肌肉损伤。
(2)细胞素机制。有报道认为，中等强度的运动可引起中性粒细胞提高两倍，在应激状态下细胞素也能被激活而引发自由基的产生。
(3)肌细胞膜损伤机制。运动后自由基增多，造成细胞膜脂质过氧化反应增强，使细胞膜损伤，从而引发肌肉损伤。
对于自由基产生在运动性肌肉损伤中是否具有病理意义还存在着争议，争论的焦点在于肌肉中自由基的产生与肌肉损伤两者是因果关系，还是相互影响关系?许多研究结果表明，运动氧化应激与运动性肌肉损伤有相关性，但这并不一定意味着自由基参与运动性肌肉损伤，机体的脂质过氧化物代谢水平受被试者的运动能力、运动的持续时间和强度等诸多因素的影响。所以许多学者认为支持自由基引发运动性肌肉损伤的证据并不十分充分。Viguie等的研究结果表明：向心收缩运动可导致氧化应激的改变，但并没有肌肉损伤的证据。Saxton等察了14名志愿者离心收缩和向心收缩运动对自由基代谢和肌肉损伤指标的影响，结果发现：离心运动后2～4d血清CK明显增加，但向心收缩运动前后CK没有变化，MDA在两种运动前后都没有改变，而共轭双烯只有很少的增加。Warren等的研究发现，抗氧化剂维生素E的补充不能减轻运动性肌肉损伤，其结果也不支持自由基参与肌肉损伤的观点。
综上所述，虽然有许多的证据表明自由基的增加与肌肉损伤有关，但还不能认为自由基介导的反应是肌肉损伤的必要过程。自由基与运动性肌肉损伤的确切关系还有待进一步深入研究。
5、炎症反应假说
该假说认为骨骼肌微损伤/DOMS是由机械性损伤所导致的一系列炎症反应，钙离子在其中起触发作用。Croisier发现前列腺素在DOMS中并无异常表现。DOMS的炎症反应及结构损伤已被电镜研究及核磁共振技术证明。近期有不少证据表明DOMS与普通炎症有着相似的循环及组织免疫反应：循环系统中白细胞增多、白细胞介素IL-1、IL-6浓度增加，DOMS局部白细胞数量及IL-6的mRNA含量增加。DOMS炎症反应在运动后24 h内开始出现，并继续发展，单核细胞在运动后5～11 h明显增加，中性粒细胞在运动后96h明显增加。嗜酸、嗜碱性粒细胞亦有所增加。炎症反应的时程与DOMS时程变化并不一致，DOMS在运动后24～48 h内出现高峰，而炎症反应的高峰出现在运动后72～96h。十分有趣的是，使用抗生素、维生素不能或不能明显减轻DOMS，而用顺势疗法(用能加重炎症反应的药物处理)亦不能加重DOMS。说明DOMS有着独立的过程。
6、结语
解释骨骼肌微损伤现象的假说主要是机械损伤和化学损伤两种假说。机械损伤理论即高张力理论认为，受训练的肌肉参加长时间的工作可能会造成结构损伤，并认为疼痛是由肌肉结构的损伤引起的，其中包括肌纤维损伤和结缔组织损伤。离心运动能引起肌肉至大酸痛，主要是由于离心收缩参与工作的肌纤维少，因此，每一用力时由于高张力运动的作用，就容易造成骨骼肌细微结构的损害，这样的后果便是细胞内酶的释放和无菌性炎症的出现。该理论不能很好解释的方面在于：如果DOMS主要由于机械损伤引起，那么从理论上讲，运动者更应在运动后即刻出现DOMS，而不是在运动后24h，高峰期也不应该在24～48h。所以，所有支持机械损伤是骨骼肌微损伤机制的证据，更让人容易信服的解释是，骨骼肌细微结构的损害和DOMS有密切关系，但不能解释成为因为机械张力导致超微结构损伤，继而引起骨骼肌微损伤。
化学假说的核心在于，运动应激使肌细胞增加的自由基将攻击细胞膜脂质，出现脂质过氧化，产生大量MDA，引起细胞膜通透性的改变，钙离子进入细胞内，细胞内钙的超载将抑制细胞内呼吸链，从而导致ATP生成减少及有巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞参与的炎症反应等等。所以用两种或两种以上的假说综合解释骨骼肌微损伤似乎更为合理。