乳酸在運動中作用的再認識

郭建立

乳酸作為糖代謝的中間產物，與運動密切相關。以往的研究認為大強度運動時骨骼肌快肌纖維進行糖無氧酵解產生乳酸，乳酸在肌肉中堆積引起骨骼肌收縮能力降低，肌肉疲勞發生。但近年的研究證明在氧供充足的情況下，骨骼肌同樣進行糖酵解產生乳酸，乳酸不僅是運動過程中重要的能源物質，有延緩運動疲勞產生的作用，且可作為信號分子參與機體多基因的表達調節。因此，我們應該對乳酸在運動中的作用有一個全新的認識。

1 乳酸與運動疲勞

1907年Fletcher和Hopkins通過一系列實驗證明了骨骼肌收縮時產生乳酸，在缺氧情況下乳酸不斷增加，當氧供充足時累計的乳酸逐漸消失的現象。隨后Hill等人通過大量實驗論證了機體運動時兩種截然不同的供能方式即有氧代謝及無氧代謝，并構建了“乳酸循環”的理論，即“糖原--乳酸--糖原”的循環轉化過程。Hill等認為在運動開始時乳酸的增加是骨骼肌缺氧的直接結果，由此提出了“氧債”的假說，并認為乳酸是導致運動疲勞的原因。在后來的幾十年中氧債、無氧閾的理論被廣泛應用，成為設定運動訓練強度和安排運動方式的最直接和最有力的依據。而關于乳酸的作用，學者們一致認為除小部分（20%）在肝內合成糖原外，大部分以代謝廢物的形式排出體外，而其中解離后產生的H+酸化了血液，降低了機體的pH值，同時H+的增加還抑制了骨骼肌的最大收縮速度，減少橫橋由低功能狀態向高功能狀態的轉換，抑制肌纖維ATP酶的活性，降低了糖分解的速度，競爭性的抑制了鈣與肌鈣蛋白的結合，并減少了鈣的再攝取，因此骨骼肌的收縮功能明顯下降，運動性疲勞發生，即形成了“乳酸性酸中毒”。

20世紀80年代中期Connett等人對以上諸觀點提出質疑并進行了實驗驗證，發現中等強度運動時（50% VO2max）紅肌產生乳酸明顯增加，但組織中的乳酸量與細胞內的氧分壓沒有相關性。

2 乳酸對骨骼肌力量產生的保護作用

骨骼肌收縮能力下降是運動成績降低的主要原因，其與運動過程中骨骼肌細胞內外離子濃度平衡的失調密切相關。微透析顯示，在此最大強度和大強度運動時，隨著運動強度的增加，骨骼肌細胞間隙內K+濃度逐漸上升，增加1-2倍，達11-13mM，在耗竭性運動時可達15mM。而細胞內的K+則隨著運動強度的上升而降低。人體實驗顯示高強度運動時可致骨骼肌胞內K+從165mM下降至130mM。

骨骼肌疲勞的發生與升高的胞外K+和降低的胞內K+而引起的膜的去極化有關。當細胞間隙K+從4mM升高到8mM時，伴隨發生的是胞內的K+由150mM降低到90mM，此時可使K+的平衡電位降低33mV，當細胞間隙K+升至14mM時，K+平衡電位下降48mV，這種變化導致了膜的去極化，降低了細胞的興奮性，降低了骨骼肌的收縮力。細胞內Na+的升高與胞外Na+的降低減小了Na+的胞內外的濃度梯度，減少了動作電位期間Na+的內流，降低了動作電位的幅度，從而降低了肌肉收縮的力量。

乳酸有保護骨骼肌疲勞發生的作用。用4-10mM的含鉀培養液孵育鼠比目魚肌，其強直收縮能力逐漸降低至100分鐘左右達最低值并呈現出平臺現象，下降程度達20-25%。如添加20mM的乳酸共育40分鐘，可使骨骼肌的力量恢復80%，如用20mM的乳酸鈉亦可緩慢的恢復其肌力，但效果小于乳酸的作用，如聯合使用12mM的乳酸鈉和8mM的乳酸可恢復高鉀抑制的肌力的80%。

3 乳酸的供能作用

氧化代謝是骨骼肌的主要能量來源。乳酸作為糖代謝的最終產物，不僅為糖異生提供了豐富的底物，且可直接作為能源物質在體內氧化供能，乳酸的氧化率與血乳酸濃度密切相關。同樣，在大腦準備工作中，乳酸優于葡萄糖作為燃料。乳酸是肝臟的主要糖異生底物;當血乳酸濃度升高時，乳酸形成葡萄糖的使用增加。Mazzeo等對6名男性進行運動實驗，結果顯示安靜狀態下機體血乳酸濃度約0.84±0.01mM，其氧化率為49.3%，當以75%最大攝氧量運動65分鐘時，血乳酸濃度上升至4.75±0.28mM，其氧化率達87.0%;中等強度的運動乳酸供能占總碳水化合物氧化量的25%。

骨骼肌是乳酸產生的主要部位，也是攝取和利用乳酸的主要器官。14C標記示蹤顯示乳酸在氧化型及混合型肌纖維中的氧化是其消除的主要途徑。當動脈乳酸濃度接近2.5mM時，氧化性肌纖維對乳酸的攝取即明顯增加，凈攝取率為1.4±0.2（μmol.100g-1.min-1）;當乳酸濃度達4mM時，混合型和酵解型肌纖維開始增加對乳酸的利用，其凈攝取率分別為7.0±0.5（μmol.100g-1.min-1）和0.7±0.2（μmol.100g-1.min-1）。乳酸在酵解型、氧化型和混合型肌纖維中的氧化分別占乳酸清除的28%、51%和39%。糖異生是快肌纖維消除乳酸的主要方式。酵解型肌纖維糖異生速率為227±8（μmol.100g-1.2h-1）、混合型肌纖維為175±13（μmol.100g-1.2h-1），而氧化型肌纖維糖異生能力是酵解型肌纖維的10%。

運動刺激腦活動增加，腦血流速度、腦攝氧量及對能源底物的攝取量即腦代謝率（O2/（glucose+1/2lactate））會發生明顯變化。腦血流速度隨運動強度增大而升高，而腦代謝率則隨運動強度的上升而下降。安靜時大腦中動脈平均血流速度為67±6cm/s，腦代謝率約6.1;小強度運動時（HR 91±5次/分）腦血流速度增至71±6cm/s，腦代謝率變化不明顯;中等強度運動時（HR 122±3次/分）腦血流為73±5cm/s，腦對乳酸的攝取量隨動脈血乳酸濃度的升高而明顯增加，動靜脈乳酸差顯著增大，但對氧和葡萄糖的攝取變化不明顯;大強度耗竭性運動時（HR 170±8次/分），腦血流速達73±11cm/s，腦對乳酸的攝取增加達葡萄糖攝取量的80%，而動靜脈氧差及葡萄糖差沒有明顯變化，腦代謝率降至4.4。Ide 等通過遞增負荷運動至力竭的試驗也顯示了相似的結果。

運動可明顯增加骨骼肌、心肌MCTs的表達，促進了對乳酸的轉運，運動及高乳酸環境又增強了乳酸脫氫酶的表達，加速了乳酸的代謝利用，同時高濃度的乳酸可抑制骨骼肌糖轉運體蛋白-4（GLUT-4）的基因及蛋白表達，減少其對血糖的攝取，Leite等人通過實驗檢驗乳酸對各種小鼠組織中的酶活性的影響，乳酸抑制了所有分析組織中的磷酸果糖激酶（PFK）的活性，間接抑制了己糖激酶（HK）的活性，得出乳酸暴露可以誘導組織中葡萄糖消耗的抑制。Paoli等人在之前的一項研究中，乳酸會直接抑制 ClC-1通道，從而提高去極化大鼠肌肉的興奮性和收縮功能。這對維持血糖平衡，減少糖原消耗，延長運動時間，延緩運動性疲勞的發生起著重要作用。

3 乳酸的信號分子作用

乳酸作為能量底物參入機體物質代謝的同時，也可能作為信號分子對機體的多種生理功能產生的調節作用。15mM的乳酸培養人骨髓間質干細胞，一小時可上調63個下調51個基因的表達，6小時上調45下調47個基因表達，24小時上調57下調72個基因表達，培養3天時上調了103個下調28個基因表達，這些被調節的基因主要涉及到細胞因子、轉錄因子、細胞周期蛋白及細胞基質相關蛋白等的表達，其中IL—6、熱休克蛋白70和低氧誘導因子等明顯上調，而超氧化物歧化酶、BCL2相關蛋白等被下調。20mM乳酸培養L6細胞，10分鐘后NF-κB的結合活性增加，15分鐘后其活性氧產生明顯增加，1小時后明顯增加了單羧酸轉運蛋白-1（MCT-1）mRNA表達。細胞均漿顯示，10mM乳酸濃度培養時，1小時后L6細胞MCT-1蛋白的表達增加1.7倍，CD147蛋白表達增加1.9倍，6小時后細胞色素C氧化酶增加2.0倍，當乳酸濃度為20mM時，1小時后MCT-1蛋白表達增加2.0倍，CD147蛋白增加2.8倍，6小時后細胞色素C氧化酶增加2.5倍，乳酸脫氫酶的表達也明顯上升。10mM或20mM的乳酸孵育6小時均提高L6過氧化物酶體增殖體激活受體共激活物-1α的表達。20mM的乳酸培養1小時可增加L6細胞33個降低76個基因的表達，6小時后可增加673個降低2個基因的表達。在人皮膚成纖維細胞培養中，乳酸可上調CD44和透明質酸酶的表達，并呈劑量依賴性關系，同時也增加了c-fos、c-jun、c-ets、Hyal-1、Hyal-2和caveolin-1的基因表達。在CD34干細胞培養中，乳酸可增加硫氧還蛋白-1、低氧誘導因子、血管內皮生長因子、胞外信號調節激酶1和2、基質細胞驅動因子-1的表達。在臍靜脈和微血管內皮細胞的培養顯示，乳酸增加血管內皮生長因子的蛋白合成，并呈時間劑量依賴性關系，同時增加了細胞的遷移。

乳酸參與的多基因調節可能有利于機體大強度運動時對糖水化合物的利用，尤其是對乳酸的氧化，抑制脂肪分解，保持運動強度。在創傷的愈合中，乳酸起著積極的促進作用。但由于乳酸可增加透明質酸酶的表達，在腫瘤患者體內可促進癌細胞轉移，降低細胞毒性T淋巴細胞的增殖及細胞因子的分泌。當腫瘤患者體內乳酸濃度大于8μmol/g時，腫瘤轉移和復發的機率明顯增加，生存時間縮短。

4 乳酸與激素的關系

乳酸有刺激孕激素產生的作用。雌性大鼠靜脈注射乳酸（13 mg.kg-1.min-1）后15分鐘，血孕酮即明顯上升，30分鐘達峰值，然后緩慢下降，但血漿黃體生成素（LH）水平不受影響。在有無卵泡刺激素的作用下，乳酸（0.01-10mM）孵育卵巢組織均能明顯增加孕激素釋放，并增加cAMP的產生，且呈劑量依賴性關系，但LH不受乳酸濃度的影響。因此，作者認為運動過程中升高的孕酮是不依賴LH分泌的，與運動中升高的乳酸對卵巢的直接刺激增加cAMP產生的有關。

乳酸有增加睪酮分泌的作用。雄性大鼠靜脈注射乳酸（13mg.kg-1.min-1）后5分鐘，血睪酮即明顯上升，在注射后30分鐘達峰值，然后緩慢下降，持續至60分鐘趨于正常，血漿黃體生成素（LH）水平不受影響。在有或無絨毛膜促性腺激素（hCG）的作用下，乳酸（0.01-10mM）孵育睪丸組織均能明顯增加睪酮釋放及cAMP的產生，且呈劑量依賴性關系。

乳酸可降低兒茶酚胺類激素對運動的反應值。生理濃度的乳酸不能改變大鼠垂體前葉細胞及促皮質激素腫瘤細胞分泌β-內啡肽的水平，也不影響促皮質激素的分泌，但可明顯降低大鼠下丘腦組織促腎上腺皮質激素釋放激素的自發性分泌，提示大強度運動時乳酸對下丘腦-垂體-腎上腺軸沒有直接激活的作用，其降低NE和Epi值是源于乳酸降低了交感神經的興奮性。乳酸不影響運動過程中胰島素的水平。

乳酸轉運體蛋白各亞型（MCTs）的表達受多種激素的影響。實驗證明去甲腎上腺素、胰島素及胰島素樣生長因子-1（IGF-1）、神經營養因子等均可加強神經細胞MCT2蛋白的表達，但不影響MCT2 mRNA的表達，其機制是激活了PI3K/Akt-mTOR-S6K（phosphoinositide 3-kinase/AKT-mammalian target of rapamycin-S6 ribosomal protein）以及p38MAPK（mitogen-activated protein kinase）和p44/p42 MAPK通路，在轉運后水平上加強了MCT2蛋白的生成。大鼠補充三碘甲腺原氨酸（T3）（7天，900μg/100g 體重/天），心肌中MCT1 mRNA的表達增加114%，腓腸肌白肌和紅肌中MCT1 mRNA分別增加了49%和77%，但MCT1蛋白的表達在心肌與骨骼肌中均沒有明顯變化;T3補充增加腓腸肌白肌和紅肌MCT4 mRNA的表達量分別是40%和300%，其蛋白表達也分別增加了49%和43%，但對心肌MCT4 mRNA和蛋白的表達沒有明顯影響。補充睪酮（7天，100μl/100g 體重/天）可提高大鼠MCT1蛋白表達，在后肢跖肌中增加77%，比目魚肌增加67%，紅肌增加20%，脛骨前紅肌和白肌分別增加51%和50%，趾長伸肌和白肌改變不明顯。MCT4蛋白在白肌增加110%，脛骨前白肌增加80%，跖肌增加71%，趾長伸肌增加29%，脛骨前白肌增加35%，紅肌和比目魚肌改變不明顯，但心肌MCT1及MCT4蛋白量不受影響。MCTs表達的增加有利于乳酸的轉運與氧化，加強了機體對非糖能源底物的使用。

5 小結

作為糖代謝的中間產物，乳酸既是糖異生的底物，也是非乳酸產生組織氧化利用的直接能源底物;在高鉀離子環境中，乳酸有保護骨骼肌力量產生、延緩疲勞發生的效應;作為信號分子，乳酸參與了機體多種生理功能的調節;乳酸對睪丸組織的直接刺激作用可增加睪酮的分泌量，且乳酸可明顯降低兒茶酚胺類激素對運動的反應值。因此，乳酸不再是機體無氧代謝的“廢物”。運動過程中乳酸的產生和利用將有利于血糖平衡的維持，有利于糖原消耗的節省化，有利于延長運動時間延緩運動疲勞的發生的作用。

（作者單位：廣東省重競技體育訓練中心）