肌肉疲勞的生化機制及診斷疲勞方法的綜述

□ 鞠麗麗（鄭州大學體育學院 河南 鄭州 450000）

1、肌肉疲勞的機制

骨骼肌力量的產生依賴于收縮機制，而橫橋上游的神經、離子、血管和能量系統任何一點發生紊亂都會引起肌力消失從而引起肌肉疲勞。尤其是肌肉收縮過程中的能量代謝因素像氫離子（H+）、乳酸、無機磷酸（Pi）、活性氧（ROS）、熱休克蛋白（HSP）、α-酸性糖蛋白（ORM）也影響肌肉疲勞。

1.1、神經機制

五羥色胺（5-HT）、多巴胺（DA）、神經氨酸酶（NA）等中樞神經遞質在整個肌肉運動和收縮過程中非常重要。5-HT產生抑制作用，而甲苯酯，一種DA釋放的增強劑和再攝取抑制劑，對運動能力產生積極的影響。

“中樞疲勞假說”認為，運動會導致中樞神經遞質的濃度的變化，而疲勞則源自中樞神經系統的變化。近期數據顯示，在正常環境溫度下藥物幾乎不影響神經遞質系統的性能，但在高溫環境下能顯著提高耐力。中樞神經系統通過傳遞中樞神經遞質，引起脊髓運動神經元上產生各種興奮和抑制，最終激活運動單位(MUs)從而輸出力量。運動神經元調控著肌肉收縮強度和時間。當第一次收縮時，運動單位一般輸出5-8赫茲。人體短暫無疲勞自主收縮中，平均運動速率是50-60赫茲。根據肌動神經元的大小，以一種有序的方式招募或摘除肌動蛋白，它們基本上控制被激活的肌肉組織數量。

1.2、Ca2+

引起腦傳遞到肌肉的橫小管系統，導致肌漿網（SR）向胞質中釋放Ca2+引起橫橋擺動。這一過程稱為興奮收縮耦聯，其基本步驟包括一下幾個方面：通過神經肌肉接頭結構產生的動作電位（AP）沿著肌細胞膜表面傳到橫小管系統，激活橫管膜上的鈣通道，進一步激活終池膜上的鈣通道，使終池中的Ca2+釋放入胞漿，引起肌漿中的Ca2+濃度極度升高；促使肌鈣蛋白與Ca2+結合引起橫橋擺動；胞漿內Ca2+濃度升高的同時，激活縱管膜上的鈣泵，鈣泵將胞漿中Ca2+收回至縱管，使胞漿中Ca2+的濃度降低，肌肉舒張。

1.3、血氧含量

肌肉收縮時血流量可以為ATP的產生提供氧氣和清除代謝廢物，在能量輸出方面伴有重要的角色。肌肉隨意收縮增大了平均動脈壓，減少了工作肌中的凈血流量，從而導致肌肉疲勞。血液不斷流向工作肌肉縮短了肌肉疲勞時間和增加了力量的下降幅度，以上這些說明血液流動對預防疲勞具有重要意義。然而，盡管血流量改變可引起肌肉疲勞，但血流量減少并不是引起疲勞的的唯一因素。研究者等運用靜脈體積阻塞描記法統計發現，減少踝關節背屈肌血流量，則肌肉力量的下降在很大程度上引起了血流量的改變。血液流動的一個重要作用是提供氧氣。有研究顯示降低肌肉中氧的利用率可引起肌肉深度疲勞。吸入含氧量低的氧氣可明顯的增加機體疲勞，增加肌肉氧氣含量可直接延緩疲勞并增強其利用效率。然而，中等強度運動氧氣利用率可影響疲勞的發生。

1.4、能量

肌肉收縮必須有ATP提供能量。ATP為肌肉收縮提供能量需有三種ATP酶激活：Na+/K+泵酶、肌球蛋白ATP酶、Ca2+泵酶。在動作點位發生后Na+/K+泵酶會促使Na+向細胞外流動，K+向細胞內流動。肌球蛋白酶促使ATP分解為肌肉收縮提供能量，Ca2+泵酶促使Ca2+流向基織網，引起肌肉舒張。這些酶活性占10%，分別占ATP活動的 60%、30%。

糖原儲存為ATP的生成提供能量。有三個亞細胞結構產生糖原：間肌原纖維糖原在肌漿網和線粒體中；內肌原纖維糖原少部分儲存在肌原纖維中，大部分在肌小節的I帶中；位于肌膜下面主要和線粒體毗連。細胞中大約75%的總糖原是間間肌原纖維糖原。

1.5、代謝因素

傳統觀點認為，H+在肌肉疲勞的發展中具有重要意義。糖酵解產生丙酮酸鹽，為三羧酸循環提供氧化。若丙酮酸鹽的生成量大于其氧化的含量，則多余的丙酮酸鹽轉變為乳酸，這就是游離的乳酸鹽和H+。H+累計降低了pH值，這些因素導致肌漿網中Ca2+釋放，肌鈣蛋白C與Ca2+結合，橫橋擺動導致受損肌肉控制。然而，pH值降低導致肌肉疲勞但具體原因目前還尚未清楚。最近研究發現pH值降低對哺乳動物肌肉收縮的影響可能較小。此外，在人體恢復過程中pH值的改變和全身肌肉疲勞之間缺乏必然聯系。

2、疲勞反應物

生物體對疲勞壓力有不同程度的適應性反應，其中包括中樞神經系統、交感神經系統、內分泌系統（腎上腺皮質軸，HPA軸），先天免疫系統（那是非特定性細胞因子、補體系統、自然殺傷細胞）。大量疲勞反應物，如皮質醇、兒茶酚胺、IL-6、熱休克蛋白在肌肉功能方面具有重要作用。

血清類黏蛋白 （ORM）是一種急性時相蛋白，pI值非常低只有2.8-3.8和含糖量非常高45%。其主要在肝臟中合成。也有研究顯示，在生理和病理狀態下一些其他組織也會分泌ORM。研究發現，在睡眠不足、游泳和跑步疲勞時，機體血清、肝臟和骨骼肌中ORM的含量顯著增加。有意思的是，外源性ORM可增加肌糖原含量和增強肌肉耐力，然而，ORM缺乏可導致肌肉耐力下降，表明ORM是一種內源性抗疲勞蛋白。進一步研究顯示肌細胞中ORM結合CC趨化因子受體類型5（CCR5）激活AMPK，促進糖原儲存和增加肌肉耐力，是正向抵抗疲勞和維持內穩態的一個機制。

3、調控肌肉疲勞的非植入性技術

肌肉疲勞表明機體是完整的生物體。目前，關于人的研究中利用非植入性特定位點刺激技術評估整個系統的潛在位點正大量運用。所有刺激肌肉引起的反應都可以用肌電圖（EMG）記錄下來。

3.1、顱磁刺激

顱磁刺激指應用磁刺激達到運動皮層和最大化的激活參與的肌肉。電極刺激誘發肌肉記錄的EMG被稱為運動誘發潛能（MEP）。MEP不僅受皮層興奮性影響還與脊髓運動神經元興奮性和肌肉影響。MEP抑制發生在疲勞肌肉運動后放松時可能是肌肉疲勞的結果。上、下肢肌肉在維持次最大量的等長收縮時MEP是增加，同時也被認為中央神經元向下一個神經元傳遞盡管可能發展成疲勞也允許維持常量控制的水平。據報道，在MVC模型中 MEP在前幾秒先增加然后下降，是呈線性增長還是趨于平穩將取決于肌肉的利用。

3.2、髓角電刺激

在髓角區域電刺激激活皮質脊髓束，從而抑制皮層對肌肉的反應。眾所周知，EMG記錄的肌肉反應是髓角運動誘發的電位（CMEP）。比較MEP和CMEP的區別有利于區分皮質層和皮質下層興奮性變化。據報道，在一次足底屈肌維持30%的模型中，MEP劇烈增加而CMEP僅略微升高，表明脊髓因素在次最大強度疲勞收縮時增加了皮質脊髓的興奮性。相反，像MEP和CMEP的動力學被發現一樣，50%的肘屈肌模型都失敗了，這表明中樞的改變幾乎都發生在脊髓層面。

3.3、末梢神經低強度電刺激

末梢神經低強度電刺激最先激活脊髓α-運動神經元的Ia感覺神經纖維。然后信號沿著運動神經元單向傳遞給肌肉，在肌肉處發生反應，這就是霍夫曼反射(H-reflex)。H-reflex反射一般用來評估肌肉的興奮和抑制反應。眾所周知，盡管H-reflex振幅有一些增長或改變，但隨著肌肉疲勞的發展H-reflex反射的振幅幾乎全部下降，說明脊髓興奮性降低。

3.4、末梢神經高強度電刺激

末梢神經高強度電刺激直接激活α運動神經元，引起肌肉運動反應（m-波）。m-波是一種復合行為潛在的記錄了淺表EMG和評估肌膜末梢興奮性及在神經肌肉結點結構的傳輸。在m-波中力沒有改變表明肌肉不再發生興奮收縮偶聯。短期疲勞誘導m-波振幅和面積上增加。較長時間的最大力收縮不會導致m-波振幅改變，而中樞激活會導致大幅度下降。表明引起疲勞的主要因素是中樞因素而與外周膜興奮性影響不大。而長期耐力訓練誘導的疲勞可引起膜興奮性下降和m-波改變。

4、生物標記診斷肌肉疲勞

目前，還沒有具體的因素與特定的肌肉疲勞類型緊密相連。運動類型（有氧/無氧，短期/長期），收縮類型（如：增加的/恒定的，等長/非等長，向心的/非向心），疲勞程度/疲勞耐受力及全部影響影響生物標記的方面。根據引起肌肉疲勞的機制和代謝因素把生物標記分為三個類型：（1）ATP代謝生物標記，如：乳酸，氨和氧嘌呤；（2）活性氧（ROS），如脂質過氧化反應，蛋白質過氧化反應，抗氧化力；（3）炎癥生物標記物，如腫瘤壞死因子，白細胞，白細胞介素。

4.1、ATP代謝生物標價物

一般情況下，總腺嘌呤核苷酸庫（ATP、ADP、AMP）總量保持不變。在運動中ATP合成量滿足不了其需求量時，疲勞產生。兩分子的ADP可轉化為一分子的ATP和一分子AMP。隨后AMP被AMP脫氨酶分解為IMP和氨。IMP分解為肌酐和次黃嘌呤，氨進一步轉化成尿素氮，血尿素氮增加。氧氣供應不足，氧化磷酸化的ADP產生ATP的能量供應不足時，ATP的產生從有氧過程轉變成無氧糖酵解過程，引起乳酸積累。肌肉疲勞典型的生物標記物從ATP代謝中產生的乳酸、氨和次黃嘌呤。乳酸和氨通常在血液中，次黃嘌呤通常是在血液和尿液中。

4.2、氧化應激生物標記物

肌肉舒張時ROS保持較低水平而當肌肉快速收縮時POS分泌大量增加。ROS產生導致蛋白質、脂肪或核酸氧化導致抗氧化能力降低引起疲勞。有望用生物標記物評估肌肉疲勞的氧化損傷包括脂質過氧化物生物標記物（硫代巴比妥酸性反應物質（TBARS）和異前列腺素），蛋白質氧化生物標記物（蛋白質羰基（PCs））。生物標記物評估抗氧化反應能力包括谷胱甘肽 （GSH）、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、總抗氧化能力（TAC）。

4.3、炎癥生物標記

運動和疲勞除了會引起ATP消耗和ROS含量減少以外，也會引起局部或全身炎癥反應。肌肉疲勞時有希望用白細胞、IL-6、TNF-α評估炎癥反應。運動后T-淋巴細胞，尤其是CD4+、CD8+從外周淋巴液流到血液中。另外，運動后即刻中性粒細胞呈顯著性增加。這些變化表明即使組織沒有損傷，也是有缺血引起的非特異性免疫反應。IL-6是重要的促炎細胞因子，目前認為是肌肉收縮釋放因子。巨噬細胞誘導分泌的TFN-α水平，隨著肌肉疲勞其分泌的含量不斷增加。一般情況下，IL-6和TNF-α主要存在血清中，IL-6的含量也能通過唾液確定。

5、小結

肌肉力量的產生是一個復雜過程，從大腦皮層興奮到運動單元的激活再到興奮-收縮偶聯，最終引起肌肉收縮。神經通路上神經、離子、血管和能量系統任何一點的變化都會破壞肌肉力量的產生，并導致肌肉疲勞的發生發展。代謝因子和疲勞反應物，如H+、乳酸、Pi、ADP、ROS、HSP25和 ORM也會影響肌肉疲勞。通過非植入性技術對位點進行特異性刺激為生理條件下系統了解疲勞的過程提供一種方法。更多潛在機制，生物標記物，靶點和相關的治療肌肉疲勞的藥物還需要進一步研究探討。