大鼠骨骼肌靜力性負荷所致損傷過程中肌細胞能量代謝的變化

陳曉光,劉 曄

(1.河南師范大學體育學院,河南 新鄉 453007;2.北京體育大學運動解剖學教研室,北京 100084)

大鼠骨骼肌靜力性負荷所致損傷過程中肌細胞能量代謝的變化

陳曉光1,劉 曄2

(1.河南師范大學體育學院,河南 新鄉 453007;2.北京體育大學運動解剖學教研室,北京 100084)

通過采用骨骼肌靜力性負荷損傷動物模型,觀察在所致損傷過程中肌糖原含量、骨骼肌線粒體ATP酶活性以及骨骼肌胞漿和血清中乳酸含量的變化,來探討肌細胞能量代謝變化與骨骼肌靜力性負荷所致損傷的關系。結果表明,肌細胞能源物質耗竭、能量供應不足以及糖類氧化不足所引起的三羧酸循環中介物缺乏并非導致骨骼肌靜力性損傷的直接原因,肌細胞內乳酸等代謝產物堆積產生的毒副作用可能是引起骨骼肌靜力性損傷的重要因素。

骨骼肌細胞;靜力性損傷;能量代謝

目前對肌細胞內能量物質耗竭、合成障礙及代謝產物堆積是否會導致肌肉損傷存在較大爭議,同時以往研究大多是針對離心性或向心性運動所致的骨骼肌損傷,而靜力性運動所致的骨骼肌損傷研究較少,缺乏對其發生機制的深入探討。本文通過骨骼肌靜力性負荷所致損傷動物模型,從肌細胞能量代謝的角度對靜力性負荷所致骨骼肌損傷的機制進行探討,以期為大眾健身、勞動衛生和運動訓練領域提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 動物分組

健康純系雄性 SD大鼠 72只(8周齡),體重221.8 ±4.7g,隨機分成對照組(CON)、4周實驗組(4WE)、3周實驗組 (3WE)、2周實驗組 (2WE)、1周實驗組(1WE)和 3天實驗組(3DE),每組 12只。適應 2天后分籠飼養,飼養環境溫度為 22±2℃,相對濕度為 45-55%,自然光照,自由飲食、飲水。

1.2 骨骼肌靜力性負荷所致損傷模型的制作

設計自制空心實驗臺,臺上安裝可調節高度的鐵架。鐵架橫梁表面有用以固定大鼠前肢的光滑凹槽。在鐵架下方臺面鉆 3個圓孔,2孔在前,相距 3cm,其連線距鐵架橫梁投影線后 5cm并與之平行,用于施加負荷的砝碼通過而懸掛在大鼠踝關節上,同時起到固定大鼠后肢保持靜力性運動的作用;另 1個孔在前面2孔連線中點后 2cm處,用于實驗中容納鼠尾,避免鼠尾支撐。

實驗時將大鼠前肢固定在鐵架橫梁上,調節高度使其兩側后肢踝關節處于跖屈位支撐站立(以跖趾關節最大支撐不離開臺面為標準),并在兩側踝關節處各施加 50%體重的負荷,每天上、下午各訓練 1小時,分別訓練 3天、1周、2周、3周和 4周。對照組不訓練,其它條件與實驗組相同。大鼠均在全部訓練結束次日宰殺取材。

通過光鏡、電鏡切片和血清 CK、LDH檢測證實,持續 3天至 4周后肢負重站立的靜力性負荷誘發了大鼠腓腸肌發生損傷。

1.3 取材與指標測定

乙醚淺麻醉后,眼球取血,然后斷頭處死。血樣以3000轉/分轉速離心 10分鐘,分離血清。迅速取出右后肢腓腸肌,放入冷生理鹽水中洗去浮血,剔除脂肪及結締組織,用濾紙吸干。

稱取腓腸肌 85毫克,采用南京建成生物工程研究所提供的肌糖原試劑盒和 721分光光度計測定肌糖原含量。

稱取腓腸肌 2克,以差速離心法制備線粒體和胞漿[1]。采用南京建成生物工程研究所提供的 ATP酶試劑盒和 721分光光度計分別測定腓腸肌線粒體中Ca2+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶和 Na+-K+-ATP的活性。

采用南京建成生物工程研究所提供的乳酸 (LA)試劑盒和 721分光光度計分別測定腓腸肌胞漿和血清中乳酸含量。

1.4 數據統計處理

數據均以平均數 ±標準差(Mean±SD)表示,使用SPSS10.0統計軟件進行處理,采用單因素方差分析進行各組間的差異顯著性檢驗。顯著性水平為 P﹤ 0.05。

2 實驗結果

2.1 施加不同時間靜力性負荷對肌糖原含量的影響

由表 1可見,施加 3天至 4周靜力性負荷后,與對照組相比,各實驗組大鼠肌糖原含量均下降,除 1周組無統計學差異外,其余各組均有顯著性差異 (P<0.01或 P<0.05)。實驗組間肌糖原含量的變化趨勢表現為施加負荷 3天時已明顯下降,較對照組降低 14.7% (P<0.05),1周時略有恢復 (P>0.05);2周時下降明顯,與對照組、3天組和 1周組相比分別降低 37.8%、27.1%和 33.7%,均有極顯著性差異 (P<0.01);3周時又明顯回升,較 2周組升高 42.2%(P<0.01),但仍較對照組降低了 11.6%(P<0.05);至第 4周時急劇下降,較對照組降低 64.1%(P<0.01),較第 3周降低59%(P<0.01),與其余各組也有非常顯著性差異 (P <0.01)。

表 1 施加不同時間靜力性負荷后肌糖原與乳酸含量的變化

2.2 施加不同時間靜力性負荷對腓腸肌胞漿乳酸含量的影響

由表 1可見,施加 3天至 4周靜力性負荷后,各實驗組大鼠骨骼肌胞漿乳酸含量均顯著升高,與對照組相比均有極顯著性差異(P<0.01)。其變化趨勢表現為 3天至 1周時持續上升,分別較對照組升高了 20%和 27.3%。2周至 4周時骨骼肌胞漿乳酸增加更為明顯,分別較對照組升高了 61.8%、85.4%和 58.2%,與3天、1周時相比亦均有顯著性差異。3周時含量最高,至第 4周時略有回落,與 3周時相比具有顯著性差異(P<0.05),但仍顯著高于對照組、3天組和 1周組(P<0.01)。

2.3 施加不同時間靜力性負荷對血清乳酸含量的影響

施加 3天至 4周靜力性負荷后,各實驗組大鼠血乳酸含量與對照組相比均顯著升高 (P<0.01)。盡管各實驗組間血乳酸含量的差異無統計學意義,但與骨骼肌胞漿乳酸一樣,也表現出2至4周時高于3天至1周時的趨勢(見表 1)。

2.4 施加不同時間靜力性負荷對骨骼肌線粒體 ATP酶活性的影響

由表 2可見,施加 3天至 4周靜力性負荷后,各實驗組大鼠骨骼肌線粒體 Ca2+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶與Na+-K+-ATP酶活性與對照組相比均顯著升高(P<0.01)。其變化趨勢均表現為 3天和 1周時較為穩定,2至 4周時增加更為明顯。

表 2 施加不同時間靜力性負荷后線粒體ATP酶活性(μmolPi/mgProt/hour)的變化

3 分析與討論

骨骼肌中的糖原經過有氧氧化或無氧酵解,釋放能量合成ATP,是肌肉處于長時間收縮狀態時的主要供能物質。以往很多研究均發現肌肉疲勞和損傷發生的同時伴隨著肌糖原的耗竭。Entman[2]和 Friden[3]等的研究表明,肌糖原耗竭可導致 ATP含量下降,影響骨骼肌興奮 -收縮耦聯過程,并使肌原纖維蛋白的功能受損。Bergstrom等[4]認為在從中等到大負荷運動的過程中,肌糖原不僅是主要的能量來源,而且是必不可少的底物,因此它的大量減少將引起 ATP含量降低,導致疲勞甚至損傷。Sahlin等[5]的研究認為NADH的最大氧化和電子傳遞或脂肪氧化的維持均需一定水平的糖類氧化,如果糖類氧化不足,三羧酸循環中的中介物也將不足,最終導致肌肉疲勞和損傷。

但也有報道認為在長時間訓練中肌糖原耗竭、低血糖及糖類氧化的降低并不是導致肌肉疲勞和損傷的主要因素。Coyle等[6,7]研究發現:即使血糖和糖類氧化率保持在正常水平時實驗組依舊會發生疲勞。

本研究結果表明,在骨骼肌靜力性負荷所致損傷過程中,大鼠肌糖原含量均下降,除 1周實驗組外,其余各實驗組與對照組均有顯著性差異。同時各實驗組骨骼肌胞漿乳酸和血乳酸含量均顯著升高,并表現出

2-4周時高于 3天至 1周時的趨勢。這表明大鼠進行靜力性運動的過程中肌糖原作為能源物質直接參與了糖酵解供能,導致含量下降。這一結果排除了由于糖類氧化不足造成三羧酸循環的中介物不足而導致骨骼肌靜力性損傷的可能性。

同時,本研究中在施加負荷的第 1周時,肌糖原含量與對照組相比并無顯著性差異,施加負荷的第 3天、3周時也僅較對照組分別下降了 14.7%和 11.6%,下降幅度并不大,即使肌糖原含量降低較為明顯的第 2周和第 4周,與對照組相比分別降低 37.8%和

64.1 %,也尚未達到耗竭的程度。這些結果說明,在骨骼肌靜力性負荷所致損傷過程中,并未出現由肌糖原耗竭而導致ATP合成原料不足的現象,肌糖原含量的下降并不是導致骨骼肌靜力性負荷所致損傷的直接原因。

許多研究表明,當肌肉長時間處于收縮狀態時,由于各種途徑導致的ATP合成障礙、含量降低是引起肌肉損傷的重要原因[8、9]。但也有學者認為肌肉疲勞和損傷與ATP的代謝并不相關。Saugen[10]等發現:在接近力竭時,肌肉產生肌張力的能力和代謝產物水平都沒有發生很大的改變,即使是那些接近力竭的研究對象,仍可繼續運動 15-20分鐘而保持 ATP不下降。洪平等[11]使大鼠進行不同強度跑臺運動至力竭,發現在 54m/min-66m/min高強度范圍內 ATP含量較42m/min組顯著性增加,并且較安靜水平略有上升。這些結果均對肌肉力竭和損傷時存在“ATP危機”的觀點提出質疑。

Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶和 Ca2+-Mg2+-ATP酶是細胞內各種生物膜上普遍存在的膜結合酶。它們在能量轉換、物質運送等方面起著至關重要的作用。由于這些 ATP酶在發揮各自的功能時均有能量依賴性,必須水解 ATP釋放能量,故當細胞內ATP缺乏時勢必導致其活性的下降。因此細胞內ATP酶活性的改變可以反映細胞內 ATP含量的變化[12,13]。

在骨骼肌靜力性負荷所致損傷過程中是否存在由于ATP合成障礙而導致其含量減少的可能呢?為此,本研究通過測定肌細胞線粒體內各種 ATP酶活性的變化,來間接反映ATP含量的改變,籍此對上述問題進行討論。

本研究發現,施加 3天至 4周不同時間靜力性負荷導致骨骼肌損傷時,大鼠骨骼肌線粒體 Ca2+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶和 Na+-K+-ATP酶活性與對照組相比均顯著升高,表明ATP酶均處于較好的功能狀態。這說明在骨骼肌靜力性負荷所致損傷過程中肌細胞內ATP的含量沒有降低,并未出現合成原料不足以及合成障礙而導致ATP含量降低的現象。

糖原或葡萄糖在缺氧條件下通過糖酵解生成乳酸,骨骼肌是乳酸生成的主要場所。大量乳酸解離后將使肌細胞內 H+的濃度顯著升高。目前普遍認為肌細胞內 H+濃度升高是導致肌肉疲勞和損傷的一個重要因素。Murry等[14]認為乳酸、H+等酸性物質積聚可引起肌細胞超微結構的損傷。Armstrong[15]認為運動性肌肉損傷與肌肉收縮導致的局部 PH值下降所產生的負面效應有關。

本研究表明,在骨骼肌靜力性負荷所致損傷過程中,骨骼肌細胞胞漿內乳酸及血乳酸含量的變化均表現為施加負荷 3天時即產生明顯變化,且 2-4周時較3天 -1周時更為明顯。這說明,大鼠在進行靜力性運動的過程中,由于肌內壓持續較高,局部血管受壓,造成肌肉血供和代謝產物排出障礙,進而導致骨骼肌缺血、缺氧,骨骼肌的能量代謝方式以無氧糖酵解供能為主,乳酸生成增加。值得注意的是,胞漿內乳酸及血乳酸的變化與骨骼肌微觀結構損傷的發生和變化趨勢一致,由此提示骨骼肌細胞內乳酸等代謝產物堆積產生的毒副作用與骨骼肌靜力性損傷密切相關。

4 結論

(1)骨骼肌細胞能源物質耗竭、能量供應不足以及糖類氧化不足所引起的三羧酸循環中介物缺乏并非導致骨骼肌靜力性損傷的直接原因。

(2)骨骼肌細胞內乳酸等代謝產物堆積產生的毒副作用可能是引起骨骼肌靜力性損傷的重要因素。

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Changes of EnergyM etabolism in the SkeletalM uscle of Rats in Injury Induced by the Dynam ic Load

Chen Xiao-guang,L iu Yue
(School of Physical Education,He’nan Nor malUniversity,Xinxiang 453007)

The animalmodel of injury induced by the dynamic load of skeletalmuscle is used to observe changesof muscle glycogen,ATP activity of muscle mitochondria,cytoplasmic and lactic acid of serum of injury to discuss the relation between change of energy metabolism of skeletal muscle cell and injury induced by dynamic load of skeletal muscle.Results show that TAC resulting from energy material depletion,unbalanced energy supply and carbohydrate oxidative insufficiency is not the direct cause of injury of dynamic load and the important factor accounting for injury of dynamic load is likely to be the side-effect produced bymetabolite accumulated through lactic acid ofmuscle cell.

muscle cell,injury of dynamic load,energymetabolis m

G804.2

A

1001—9154(2010)09—0065—04

book=65,ebook=82

G804.2

A

1001—9154(2010)09—0065—04

河南省教育廳自然科學基金項目 (2008B890008)、河南師范大學青年科學基金項目 (2008qk26)

陳曉光 (1975-),男,甘肅天水人,碩士,講師。研究方向:運動人體科學。

2010—07—22