肌肉疲劳的生化机制及诊断疲劳方法的综述

肌肉疲劳的生化机制及诊断疲劳方法的综述

□鞠丽丽(郑州大学体育学院河南郑州450000)

摘要:本文主要综述了引起肌肉疲劳的机制和代谢影响因素,重点阐述了诊断肌肉疲劳的方法,为肌肉疲劳的基础研究和潜在治疗提供参考依据。疲劳是一种常见的非特异性症状,与许多健康状况有关。疲劳分类方法众多。根据其持续时间的长短,疲劳可分为急性疲劳和慢性疲劳。疲劳也可分为认知和情感疲劳和指运动性疲劳。肌肉疲劳是指随着肌肉收缩产生的最大力量减小和收缩速度下降。参与收缩的这些肌肉起源于不同的运动通路,一般分为中枢疲劳和外周疲劳。外周疲劳是由神经肌肉接头结构或远端的变化引起的。中枢疲劳是由于中枢神经系统减少了神经冲动导致的。

关键词:肌肉疲劳骨骼肌力量运动

中图分类号:G807文献标识码:A文章编号:1006-8902-(2019)-11-216-2-LXY

1、肌肉疲劳的机制

骨骼肌力量的产生依赖于收缩机制,而横桥上游的神经、离子、血管和能量系统任何一点发生紊乱都会引起肌力消失从而引起肌肉疲劳。尤其是肌肉收缩过程中的能量代谢因素像氢离子

(H+)、乳酸、无机磷酸(Pi)、活性氧(ROS)、热休克蛋白(HSP)、α-酸性糖蛋白(ORM)也影响肌肉疲劳。

1.1、神经机制

五羟色胺(5-HT)、多巴胺(DA)、神经氨酸酶(NA)等中枢神经递质在整个肌肉运动和收缩过程中非常重要。5-HT产生抑制作用,而甲苯酯,一种DA释放的增强剂和再摄取抑制剂,对运动能力产生积极的影响。

“中枢疲劳假说”认为,运动会导致中枢神经递质的浓度的变化,而疲劳则源自中枢神经系统的变化。近期数据显示,在正常环境温度下药物几乎不影响神经递质系统的性能,但在高温环境下能显著提高耐力。中枢神经系统通过传递中枢神经递质,引起脊髓运动神经元上产生各种兴奋和抑制,最终激活运动单位(MUs)从而输出力量。运动神经元调控着肌肉收缩强度和时间。当第一次收缩时,运动单位一般输出5-8赫兹。人体短暂无疲劳自主收缩中,平均运动速率是50-60赫兹。根据肌动神经元的大小,以一种有序的方式招募或摘除肌动蛋白,它们基本上控制被激活的肌肉组织数量。

1.2、Ca2+

引起脑传递到肌肉的横小管系统,导致肌浆网(SR)向胞质中释放Ca2+引起横桥摆动。这一过程称为兴奋收缩耦联,其基本步骤包括一下几个方面:通过神经肌肉接头结构产生的动作电位(AP)沿着肌细胞膜表面传到横小管系统,激活横管膜上的钙通道,进一步激活终池膜上的钙通道,使终池中的Ca2+释放入胞浆,引起肌浆中的Ca2+浓度极度升高;促使肌钙蛋白与Ca2+结合引起横桥摆动;胞浆内Ca2+浓度升高的同时,激活纵管膜上的钙泵,钙泵将胞浆中Ca2+收回至纵管,使胞浆中Ca2+的浓度降低,肌肉舒张。

1.3、血氧含量

肌肉收缩时血流量可以为ATP的产生提供氧气和清除代谢废物,在能量输出方面伴有重要的角色。肌肉随意收缩增大了平均动脉压,减少了工作肌中的净血流量,从而导致肌肉疲劳。血液不断流向工作肌肉缩短了肌肉疲劳时间和增加了力量的下降幅度,以上这些说明血液流动对预防疲劳具有重要意义。然而,尽管血流量改变可引起肌肉疲劳,但血流量减少并不是引起疲劳的的唯一因

素。研究者等运用静脉体积阻塞描记法统计发现,减少踝关节背屈

肌血流量,则肌肉力量的下降在很大程度上引起了血流量的改变。

血液流动的一个重要作用是提供氧气。有研究显示降低肌肉中氧

的利用率可引起肌肉深度疲劳。吸入含氧量低的氧气可明显的增

加机体疲劳,增加肌肉氧气含量可直接延缓疲劳并增强其利用效

率。然而,中等强度运动氧气利用率可影响疲劳的发生。

1.4、能量

肌肉收缩必须有ATP提供能量。ATP为肌肉收缩提供能量需有

三种ATP酶激活:Na+/K+泵酶、肌球蛋白ATP酶、Ca2+泵酶。在动作

点位发生后Na+/K+泵酶会促使Na+向细胞外流动,K+向细胞内流

动。肌球蛋白酶促使ATP分解为肌肉收缩提供能量,Ca2+泵酶促使

Ca2+流向基织网,引起肌肉舒张。这些酶活性占10%,分别占ATP活

动的60%、30%。

糖原储存为ATP的生成提供能量。有三个亚细胞结构产生糖

原:间肌原纤维糖原在肌浆网和线粒体中;内肌原纤维糖原少部分

储存在肌原纤维中,大部分在肌小节的I带中;位于肌膜下面主要

和线粒体毗连。细胞中大约75%的总糖原是间间肌原纤维糖原。

1.5、代谢因素

传统观点认为,H+在肌肉疲劳的发展中具有重要意义。糖酵解

产生丙酮酸盐,为三羧酸循环提供氧化。若丙酮酸盐的生成量大于

其氧化的含量,则多余的丙酮酸盐转变为乳酸,这就是游离的乳酸

盐和H+。H+累计降低了pH值,这些因素导致肌浆网中Ca2+释放,肌钙蛋白C与Ca2+结合,横桥摆动导致受损肌肉控制。然而,pH值降

低导致肌肉疲劳但具体原因目前还尚未清楚。最近研究发现pH值

降低对哺乳动物肌肉收缩的影响可能较小。此外,在人体恢复过程

中pH值的改变和全身肌肉疲劳之间缺乏必然联系。

2、疲劳反应物

生物体对疲劳压力有不同程度的适应性反应,其中包括中枢

神经系统、交感神经系统、内分泌系统(肾上腺皮质轴,HPA轴),先

天免疫系统(那是非特定性细胞因子、补体系统、自然杀伤细胞)。

大量疲劳反应物,如皮质醇、儿茶酚胺、IL-6、热休克蛋白在肌肉功

能方面具有重要作用。

血清类黏蛋白(ORM)是一种急性时相蛋白,pI值非常低只有

2.8-

3.8和含糖量非常高45%。其主要在肝脏中合成。也有研究显示,在生理和病理状态下一些其他组织也会分泌ORM。研究发现,在

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睡眠不足、游泳和跑步疲劳时,机体血清、肝脏和骨骼肌中ORM的含量显著增加。有意思的是,外源性ORM可增加肌糖原含量和增强肌肉耐力,然而,ORM缺乏可导致肌肉耐力下降,表明ORM是一种内源性抗疲劳蛋白。进一步研究显示肌细胞中ORM结合CC趋化因子受体类型5(CCR5)激活AMPK,促进糖原储存和增加肌肉耐力,是正向抵抗疲劳和维持内稳态的一个机制。

3、调控肌肉疲劳的非植入性技术

肌肉疲劳表明机体是完整的生物体。目前,关于人的研究中利用非植入性特定位点刺激技术评估整个系统的潜在位点正大量运用。所有刺激肌肉引起的反应都可以用肌电图(EMG)记录下来。

3.1、颅磁刺激

颅磁刺激指应用磁刺激达到运动皮层和最大化的激活参与的肌肉。电极刺激诱发肌肉记录的EMG被称为运动诱发潜能(MEP)。MEP不仅受皮层兴奋性影响还与脊髓运动神经元兴奋性和肌肉影响。MEP抑制发生在疲劳肌肉运动后放松时可能是肌肉疲劳的结果。上、下肢肌肉在维持次最大量的等长收缩时MEP是增加,同时也被认为中央神经元向下一个神经元传递尽管可能发展成疲劳也允许维持常量控制的水平。据报道,在MVC模型中MEP在前几秒先增加然后下降,是呈线性增长还是趋于平稳将取决于肌肉的利用。

3.2、髓角电刺激

在髓角区域电刺激激活皮质脊髓束,从而抑制皮层对肌肉的反应。众所周知,EMG记录的肌肉反应是髓角运动诱发的电位

(CMEP)。比较MEP和CMEP的区别有利于区分皮质层和皮质下层兴奋性变化。据报道,在一次足底屈肌维持30%的模型中,MEP剧烈增加而CMEP仅略微升高,表明脊髓因素在次最大强度疲劳收缩时增加了皮质脊髓的兴奋性。相反,像MEP和CMEP的动力学被发现一样,50%的肘屈肌模型都失败了,这表明中枢的改变几乎都发生在脊髓层面。

3.3、末梢神经低强度电刺激

末梢神经低强度电刺激最先激活脊髓α-运动神经元的Ia 感觉神经纤维。然后信号沿着运动神经元单向传递给肌肉,在肌肉处发生反应,这就是霍夫曼反射(H-reflex)。H-reflex反射一般用来评估肌肉的兴奋和抑制反应。众所周知,尽管H-reflex振幅有一些增长或改变,但随着肌肉疲劳的发展H-reflex反射的振幅几乎全部下降,说明脊髓兴奋性降低。

3.4、末梢神经高强度电刺激

末梢神经高强度电刺激直接激活α运动神经元,引起肌肉运动反应(m-波)。m-波是一种复合行为潜在的记录了浅表EMG和评估肌膜末梢兴奋性及在神经肌肉结点结构的传输。在m-波中力没有改变表明肌肉不再发生兴奋收缩偶联。短期疲劳诱导m-波振幅和面积上增加。较长时间的最大力收缩不会导致m-波振幅改变,而中枢激活会导致大幅度下降。表明引起疲劳的主要因素是中枢因素而与外周膜兴奋性影响不大。而长期耐力训练诱导的疲劳可引起膜兴奋性下降和m-波改变。

4、生物标记诊断肌肉疲劳

目前,还没有具体的因素与特定的肌肉疲劳类型紧密相连。运动类型(有氧/无氧,短期/长期),收缩类型(如:增加的/恒定的,等长/非等长,向心的/非向心),疲劳程度/疲劳耐受力及全部影响影响生物标记的方面。根据引起肌肉疲劳的机制和代谢因素把生物标记分为三个类型:(1)ATP代谢生物标记,如:乳酸,氨和氧嘌呤;(2)活性氧(ROS),如脂质过氧化反应,蛋白质过氧化反应,抗氧化力;(3)炎症生物标记物,如肿瘤坏死因子,白细胞,白细

胞介素。

4.1、ATP代谢生物标价物

一般情况下,总腺嘌呤核苷酸库(ATP、ADP、AMP)总量保持不

变。在运动中ATP合成量满足不了其需求量时,疲劳产生。两分子

的ADP可转化为一分子的ATP和一分子AMP。随后AMP被AMP脱氨

酶分解为IMP和氨。IMP分解为肌酐和次黄嘌呤,氨进一步转化成

尿素氮,血尿素氮增加。氧气供应不足,氧化磷酸化的ADP产生ATP

的能量供应不足时,ATP的产生从有氧过程转变成无氧糖酵解过

程,引起乳酸积累。肌肉疲劳典型的生物标记物从ATP代谢中产生

的乳酸、氨和次黄嘌呤。乳酸和氨通常在血液中,次黄嘌呤通常是

在血液和尿液中。

4.2、氧化应激生物标记物

肌肉舒张时ROS保持较低水平而当肌肉快速收缩时POS分泌

大量增加。ROS产生导致蛋白质、脂肪或核酸氧化导致抗氧化能力

降低引起疲劳。有望用生物标记物评估肌肉疲劳的氧化损伤包括

脂质过氧化物生物标记物(硫代巴比妥酸性反应物质(TBARS)和异

前列腺素),蛋白质氧化生物标记物(蛋白质羰基(PCs))。生物标记

物评估抗氧化反应能力包括谷胱甘肽(GSH)、谷胱甘肽过氧化物

酶、过氧化氢酶、总抗氧化能力(TAC)。

4.3、炎症生物标记

运动和疲劳除了会引起ATP消耗和ROS含量减少以外,也会

引起局部或全身炎症反应。肌肉疲劳时有希望用白细胞、IL-6、

TNF-α评估炎症反应。运动后T-淋巴细胞,尤其是CD4+、CD8+从外周淋巴液流到血液中。另外,运动后即刻中性粒细胞呈显著性增

加。这些变化表明即使组织没有损伤,也是有缺血引起的非特异性

免疫反应。IL-6是重要的促炎细胞因子,目前认为是肌肉收缩释放

因子。巨噬细胞诱导分泌的TFN-α水平,随着肌肉疲劳其分泌的

含量不断增加。一般情况下,IL-6和TNF-α主要存在血清中,IL-6

的含量也能通过唾液确定。

5、小结

肌肉力量的产生是一个复杂过程,从大脑皮层兴奋到运动单

元的激活再到兴奋-收缩偶联,最终引起肌肉收缩。神经通路上神

经、离子、血管和能量系统任何一点的变化都会破坏肌肉力量的产

生,并导致肌肉疲劳的发生发展。代谢因子和疲劳反应物,如H+、

乳酸、Pi、ADP、ROS、HSP25和ORM也会影响肌肉疲劳。通过非植入性

技术对位点进行特异性刺激为生理条件下系统了解疲劳的过程提

供一种方法。更多潜在机制,生物标记物,靶点和相关的治疗肌肉

疲劳的药物还需要进一步研究探讨。

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