不同乳酸浓度对骨骼肌变力状态的影响_梁庆伟

2006年6月　　第27卷第3期湛江师范学院学报JOUR NAL OF ZHANJIANG NORMAL COLLE GE Jun . , 2006Vol . 27　No . 3

不同乳酸浓度对骨骼肌变力状态的影响

梁庆伟, 戚华均, 陈筱春

(湛江师范学院体育科学学院, 广东湛江524048)

　　摘　要:观察不同浓度乳酸状态下对骨骼肌力学的影响. 取小鼠腹直肌条, 为防止热缺血缺氧性损伤, 先采用预冷灌流液处理, 再缓慢复温, 把小鼠腹直肌一端固定在恒温肌槽中, 另一端连接张力换能器, 采用生物机能实验系统, 分别记录分析0mmol , 2mmol , 4mmol , 8mmol , 16mmol /L 等乳酸浓度下的腹直肌条接受电刺激(电刺激强度为

1. 2倍最大刺激强度) 后力学的变化. 在不同乳酸浓度下, 肌肉收缩时张力变化不明显(P >0. 05) , 但肌肉收缩和舒张时的张力速率随着乳酸浓度的增高呈直线关系. 不同乳酸浓度组之间的d F /d t 和-d F /d t 的比较存在着显著性的差异(P

关键词:骨骼肌; 张力; 张力上升速率; 张力下降速率; 乳酸

中图分类号:G804. 7　　　　文献标识码:A 　　　　文章编号:1006-4702(2006) 03-0101-04

无氧运动时糖酵解所产生的乳酸(lactic acid , LA ) 是导致肌肉疲劳发生, 降低运动能力的重要因素, 许多研究也从不同的角度阐明了pH 值降低导致疲劳和降低运动能力的机制. 因此, 耐乳酸能力也被广泛作为评价运动能力的重要指标之一. 众所周知, 肌收缩的外表特征主要是收缩做功, 做功的大小取决于肌肉收缩时产生张力的大小和收缩速度的快慢. 但以往的大部分研究仅局限于从pH 值影响肌肉收缩的最大张力(Po max ) 的角度阐述肌收缩的力学特征, 而对骨骼肌在不同L A 浓度状态下其收缩力学特征, 特别是张力上升速率(d F /d t ) 和张力下降速率(-d F /d t ) 的变化的影响, 目前尚未见报道, 而且乳酸影响骨骼肌变力状态(内在的收缩能力) 的机制也无一致的认识. 因此, 本实验研究用不同浓度乳酸液模拟无氧运动状态, 采用电脑专用软件采集信息, 观察其对骨骼肌的力学影响. [1_3]

1　材料与方法

1. 1　材料

5周龄的昆明种小白鼠10只, 雄雌不拘. 实验前小鼠自由进食饮水, 静养1周时间. 实验时小鼠采用20%乌拉坦(5mL /kg ) 经腹腔注射麻醉, 用固定针将小白鼠固定在鼠板上, 切开腹腔取出腹直肌, 制成长1. 5c m , 宽0. 5cm 的肌条并迅速用已制备好的4℃不含LA 的改良台氏液(由氯化钠(Na Cl ) 137m mol /L 、氯化钾(KCl ) 5. 4mmol /L 、氯化钙(CaCl 2) 1. 8mmol /L 、氯化镁(MaCl ) 1. 0mmol /L 、碳酸氢钠(NaHC O 3) 12mmol /L 、磷酸钠(NaH 2PO 4) 0. 42mmol /L 、葡萄糖(C 6H 12O 6) 5. 5mmol /L 、蒸馏水等成分配置而成) 清洗干净备用.

1. 2　实验装置

把制备好的肌条一端固定在盛有30mL 改良台氏液的肌槽中, 另一端连接张力换能器, 静息张力1. 4g , 输出信号经B L -410生物机能实验系统(成都泰盟科技有限公司) 接收处理.

1. 3　方法

1. 3. 1　灌流与复温

收稿日期:2006-02-24

作者简介:梁庆伟(1983—), 男, 广东阳江人, 湛江师范学院体育科学学院2003级本科生.

102湛江师范学院学报(自然科学) 第27卷标本固定后, 充氧气(95%O 2+5%CO 2) , 启动恒温器电动泵, 灌流液逐渐复温. 标本在0mmol /L 乳酸时的改良台氏液中复温平衡时间为40min , 在2mmol /L 、4mmol /L 、8mmol /L 、16mmol /L 乳酸梯度时平衡时间分别为20min , 最终温度都是34℃.

1. 3. 2　记录与测量

采用BL -410生物机能实验系统数据处理软件, 给予5次矩形波手动电刺激, 电刺激强度为1. 2倍最大刺激强度, 刺激波宽5ms . 用区间测量和两点间测量, 进行微分处理, 分别测量小鼠腹直肌在0mmol /L 、2mmol /L 、4mmol /L 、8mmol /L 、16mmol /L 乳酸等5个梯度时受电刺激后的肌肉收缩曲线的最大肌张力, d F /d t 和-d F /d t .

1. 3. 3　数据处理

采用SPSS 10. 0统计处理软件. 实验结果数据用平均数±标准差(x ±s ) 表示, 使用单因素方差分析检验组间均数的显著性差异.

2　结果

从表1看, 肌肉在不同浓度LA 状态下收缩时的最大张力并不明显, 不同LA 浓度组之间的比较也不存在显著性差异, 这似乎说明运动时产生的乳酸对骨骼肌收缩时的最大张力影响不大. 但对骨骼肌舒张时的另外两个特征:d F /d t 及-d F /d t 具有非常明显的影响. 随着LA 浓度的升高, d F /d t 、-d F /d t 都与LA 浓度呈负相关系, 即降低, 分别从0mmol 时的133. 67±46. 28降到16mmol 时的53. 81±21. 58, 106. 02±47. 24降到38. 33±15. 88. 4mmol , 8mmol , 16mmol 与0mmol 相比都呈显著性差异(P

表1　不同乳酸浓度对骨骼肌收缩张力、+d F /d t 及-d F /d t 的影响　　

±s , n =10)

1乳酸浓度/mmol ·L -肌张力/g

2. 83±1. 47

2. 41±0. 90

3. 09±0. 84

2. 95±0. 83

1. 72±0. 52+d F /d t /g ·s -1　　　　133. 67±46. 28　　　　117. 96±31. 07　　　　103. 33±30. 00＊　　　　89. 99±33. 74＊＊　　　　53. 81±21. 58＊＊-d F /d t /g ·s -1　　　　106. 02±47. 24　　　　90. 43±42. 00　　　　69. 75±32. 66＊　　　　69. 67±29. 79＊　　　　38. 33±15. 88＊＊024816

注:与0mmol /L 乳酸酸浓度比较:＊P

3　讨论

人体在进行无氧运动时血乳酸(Blood Lactic Acid , BLA ) 的升高主要来自肌乳酸的扩散. 乳酸是在无氧条件下, 丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下, 甘油醛-3-磷酸脱氢时生成的NADH +H +还原成的, 是糖酵解的终产物. 研究发现, 在任何运动的开始, 只要能量需求超过有氧供能能力时, 就有LA 生成[4]. LA 的堆积过多不仅会降低人体运动能力, 而且还会对机体造成一定的损伤, 造成运动性障碍, 主要的外表特征是肌肉酸疼, 导致运动性疲劳的发生. 目前公认的肌收缩机制理论是1954年由Huxley 提出的肌丝滑行理论(myofilament slid -ing theory ) , 其主要内容是:横纹肌的肌原纤维是由粗、细两组与其走向平行的蛋白丝构成, 肌肉的缩短和伸长均通过粗、细肌丝在肌节内的相互滑动而发生, 肌丝本身的长度不变. 肌肉收缩效能(performance of contrac -tion ) 表现为肌肉收缩时产生的张力(force ) 和缩短程度(shortening ) , 以及产生张力或缩短的速率, 横桥周期的长短决定肌肉的缩短速度[5]. 肌肉这种特性主要取决于兴奋-收缩藕联过程中胞质内Ca 2+的水平和肌球蛋2+2+

第3期梁庆伟等:不同乳酸浓度对骨肌变力状态的影响103其引起的肌钙蛋白构型的改变来引起肌肉收缩的.

LA 是影响肌肉收缩能力的因素之一[6-7]. 但激烈运动时所产生的LA 又是如何影响肌肉收缩? 对L A 影响骨骼肌活动的机制, 目前尚无统一的理论认识. 有人认为, 人体随着运动强度的提高, 特别是在无氧运动过程中, 肌乳酸不断增多, pH 值下降, 游离H +增多, 使许多酶的催化活性下降, ATP 生成速度减慢. 糖元分解

--减少和H +增多使HPO 4更多转化HP O 2Ca 2+释出减少使它与肌钙蛋白的结合4使肌肉内酸度进一步提高.

率下降[8]. 而肌钙蛋白与Ca 2+结合是粗、细肌丝相互作用的首要条件, 因此, LA 所释放的H +可能抑制了肌纤维横桥头部的ATP 酶活性, 令粗、细肌丝滑行机制受阻, 影响肌肉收缩机制. 有研究指出, 当肌细胞内过多的H +使pH 下降到7. 0以下时, 就影响了ATP 酶的活性. 当肌质网ATP 酶因活性降低而不能正常地把肌浆中的Ca 2+摄回肌质网时, 便导致肌浆中的Ca +转移速率下降, 使Ca 2+与肌钙蛋白的解离减缓, 从而延长了肌纤维的舒张期[9]. 也有报道指出, 过多的细胞内H +可使横桥与细肌丝上肌动蛋白的结合从低力状态过度到高力状态, 从而直接抑制了肌力[10].

Thompson 等人报道指出[11], 细胞内pH 对横桥的直接作用涉及两个方面:一是减少了活化横桥的数目; 二是减弱了每个活化横桥的力. 这两点在活体的单纤维实验中已被证实. 有人通过核磁共振技术显示, 肌细胞内的pH 值的下降与肌力之间存在着很高的相关性. 椐报道[12], 当细胞内pH 值从7. 0下降到6. 2时, 蛙肌最大张力下降了33. 0%,卢昌亚用CO 2液浸润肌细胞的单纤维, 也测出由于细胞内酸化而引起的最大肌力和dp /dt 同时减弱的现象. 其作用机制主要是, 由于高浓度H 抑制了肌质网的Ca 通道, 使Ca 释放速

2+率降低. 衡量Ca 释放速率的指标是Ktr (转移常数) , 即单位时间内Ca 2+的净转移量. 细胞内测定表明, 当

pH 值下降时, Ktr 也下降. 由于肌浆中的Ca 2+浓度不足, 横桥头端的ATP 位点不能激活, 或激活的速率不高. 因此, 横桥与肌动蛋白的结合受到阻碍, 特别是Ktr 下降所引起的单位时间内横桥摆动频率减少[13], 这样就导致dp /dt 的下降. pH 值下降时, ATP 与Mg 2+结合将分离, 肌细胞内游离的Mg 2+将竞争性地与肌钙蛋白结合, 从而影响肌力. 大量研究结果表明, H 可抑制Ca

而影响肌肉收缩机制[14]. +2+[1]+2+2+-ATP 酶的活性, Ca 不能正常与肌钙蛋白相结合, 从2+

本实验观察到腹直肌在不同LA 浓度时其收缩张力的变化并不明显, 即LA 浓度的高低对腹直肌最大张力影响不大, 这与有关报道的随pH 值的降低肌收缩时的最大张力降低并不相符. 而在腹直肌收缩时其+d F /d t 及-d F /d t 却随着LA 浓度增加逐渐降低并呈显著性的差异, 分别由0m mol 时的133. 67±46. 28降低到16mmol 的53. 81±21. 58, 106. 02±47. 24到38. 33±15. 88, 下降幅度达50%之多. 在4mmol , 8mmol , 16mmol 分别与0mmol 相比时都呈显著性差异(P

肌肉收缩的快慢直接影响到运动的能力, 骨骼肌收缩时张力上升速率越快, 对外做功时的输出功率越高, 最主要的外表特征是爆发力. 因此, 提高肌肉收缩时的最大张力, 特别是提高张力变化速率对指导以速度为主要特征的运动项目具有重要的意义.

4　小结

1) 高乳酸浓度对骨骼肌收缩时的张力上升速率和舒张时的下降速率两个力学特征具有显著的影响.

2) 乳酸对骨骼肌收缩的影响, 可能是通过释放H +直接影响Ca +-ATP 酶的活性, 影响横桥的功能, 减慢横桥周期, 从而降低骨骼肌收缩速率. 也可能是因为L A 直接抑制了骨骼肌肌纤维中的快肌(Ⅱ型) 的收缩能力, 从而导致做功能力降低.

3) 从实验结果看, d F /d t 和-d F /d t 较肌肉收缩时的最大张力更为敏感, 用+d F /d t 和-d F /d t 来评价骨骼肌收缩能力可能是更好的指标.

参考文献

[1]p [,

104湛江师范学院学报(自然科学) 第27卷

[2]黄兴裕. 运动性疲劳与pH 值[J ]. 山东体育科技, 2003, 25(4) :34_35.

[3]李石光, 马勇占. 乳酸能系统在100米跑中的代谢特征研究[J ]. 2005, 2(1) :100_102.

[4]周毅. 短跑训练对人体血乳酸代谢和血清酶活性的影响[J ]. 中国临床康复, 2002, 6(9) :1330_1331.

[5]姚泰, 吴博威. 生理学[M ]. 北京:人民卫生出版社, 2003.

[6]艾华, 李斌. 不同浓度肌酸对骨骼肌收缩能力和葡萄糖跨膜转运速率的影响[J ]. 中国运动医学杂志, 2003, 22(2) :133_137.

[7]赵敬国, 李建文. p H 值对蟾蜍离体腓肠肌收缩能力的影响[J ]. 山东体育科技, 2003, 25(1) :18_20.

[8]彭文杰. 运动训练中骨骼肌的适应[J ]. 体育学刊, 1995, 2(3) :87_88.

[9]Lindin ger MI . Sjogaard G . Potassium regulation during exercise recovery [J ]. sport Med , 1991, 11(6) :382_401.

[10]Rios E , M a JJ , Gonzale A . The mechanical h ypothesis of excitaion contraction coupling in skeletal muscle [J ]. J Muscle Res Cell Motil ,

1991, 12(2) :127_135.

[11]Thompson LV , Balog E M , Riley DA , et al . Muscle fatigue in frog se mitendiuosus :alteration in contractile functing [J ]. AM j Physiol ,

1992, 262(6) :1500_1506.

[12]Westblad H , Allen DG . Changes of intracellular pH due to repetitive stimulation of single fibers from mouse skeletal muscle [J ]. J Physiol

Lond , 1992, 499. 49_97.

[13]Ed man KA , Lou F . Changes in force and stiffness indyced by fatigue and intracellular acidufication in frog muscle fibers [J ]. J Physil

Lond , 1990, 424:133_149.

[14]许豪文. 运动生物化学概论[M ]. 北京:高等教育出版社, 2001.

Effect of the Different Lactic Acid Concentration on Mechanics

Change of Skeletal Muscle

LIANG Q ing _wei , Qi Hua _jun , CH EN Xiao _chun

(Department of Physical Education , Zhanjiang Teaching College , Zhanjiang , Guangdong 524048, China )

A bstract :The purpose of the study is to observe the effect on the mechanics change of skeletal muscle in the state of different lactic acid concentration . To prevent the muscle slip which was cliped from the belly of rat from being da maged by blood deficiency and oxygen deficienc y in heat , it was cooled by the pr ecooled flo wing liquid first , then regained its for mer temperature slowly . one end of the muscle slip was fixed in constant te mperature sank , and the other is linked with the transducer of tension . B y the experiment system of biological function . The mechanics change of skeletal muscle was recorded after electrical stimulation (the max strength of the electrical stimulation is 1. 2times ) in the different lactic acid density (0mmol , 2mmol , 4mmol , 8m mol , 16mmol /L , and so on ) . the change of muscle tension is not so obvi -ous when it systoles (P >0. 05) , but the tension velocity increased when muscle systoles and diastoles with the increas -ing lactic acid concentration . The result showed a straight line relativity . The d F /d t and -d F /d t among the different lactic acid concentration groups were of gr eat difference (P

Key words :skeletal muscle ; tension ; upward velocity of tension ; downward velocity of tension ; lactic acid