實驗性高原生物骨骼肌超微結(jié)構(gòu)響應(yīng)的運動學(xué)意義研究

賈 磊，聶秀娟，方 梅

（1.黃山學(xué)院 體育系,安徽 黃山 245041；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物醫(yī)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070）

實驗性高原生物骨骼肌超微結(jié)構(gòu)響應(yīng)的運動學(xué)意義研究

賈 磊1，聶秀娟1，方 梅2

（1.黃山學(xué)院 體育系,安徽 黃山 245041；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物醫(yī)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070）

通過對高原生物和小鼠運動實驗，證實在高原缺氧環(huán)境或運動條件下，骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的生理響應(yīng)均沿著線粒體數(shù)目增多，體積增大，肌糖原積累、紅細(xì)胞數(shù)增加、載氧量增強的軌跡演變。這不僅說明研究高原生理學(xué)對探討運動生理學(xué)有重要意義，而且也為高原訓(xùn)練提供了理論依據(jù)。

高原生物；骨骼??；超微結(jié)構(gòu)；線粒體；肌糖原；紅細(xì)胞

為了挑戰(zhàn)奧運，提高人體體能，擴大人類生存空間，現(xiàn)在越來越多的科學(xué)家把目光投向了高原生物研究。[1，2]因為高原獨特的環(huán)境對機體的影響與運動時的生理響應(yīng)在很多方面是相似的。如我國青藏高原平均海拔3500m以上，空氣稀薄，大氣壓低，大氣氧含量不足海平面的60%。這與運動時，尤其是大強度運動時帶來的供氧不足，甚至自由基傷害造成的疲勞和運動能力下降幾乎有異曲同工的效應(yīng)。[3-6]因此，研究高原動物對環(huán)境的生理響應(yīng)與研究運動抗疲勞和提高運動能力有著重要的價值和巨大的潛能，對進(jìn)一步研究高原訓(xùn)練也有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

本實驗采用在我國青藏高原長期適應(yīng)演化形成的特有動物牦牛（Bos grunniens）作為高原生物的代表，并應(yīng)用犬科動物犬（Canis familiaris）在高原生活適應(yīng)性和小鼠運動實驗作對比，從骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的層次研究了與運動有關(guān)的內(nèi)容?，F(xiàn)就骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的響應(yīng)報道如下。

1 材料與方法

牦牛選自青海3000m以上自然放牧的健壯成年牛（3頭）。狗選自青海達(dá)日縣（海拔4000m左右）牧民飼養(yǎng)的2歲犬3只。小鼠采用一月齡清潔級昆明種小白鼠20只 （購自甘肅省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院實驗動物中心），雌雄各半，體重18-20g，隨機分為對照組和實驗組，實驗組每天進(jìn)行一次游泳鍛煉，方法按參考文獻(xiàn)[11]進(jìn)行，第22天做竭力運動后處死。處死和屠宰后的動物取大腿骨骼肌5×5mm3組織塊置于2%戊二醛固定液中，在4℃固定1-2h，然后用緩沖液反復(fù)洗滌2-3h（中間換液3次），再加入1%鋨酸固定2h，經(jīng)緩沖液沖洗3次，每次15min，各級酒精充分脫水，環(huán)氧樹脂（Epon-812）包埋，超薄切片機切片，鈾鉛染色。透射電鏡觀察、照相。圖片采用圖像分析系統(tǒng)測量、分析。

2 實驗結(jié)果

2.1 牦牛骨骼肌對高原低氧環(huán)境的響應(yīng)

牦牛骨骼肌對高原低氧環(huán)境的結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要表現(xiàn)有：肌細(xì)胞排列緊密；線粒體數(shù)目增多，甚至有大型線粒體出現(xiàn)（如圖1）；肌糖原在肌細(xì)胞中積累，而以肌節(jié)四周甚至在Z線附近比較集中（如圖2）；毛細(xì)血管增加，紅細(xì)胞數(shù)增多，直徑較大（如圖3）。

圖1 牦牛骨骼肌。示肌細(xì)胞排列緊密，線粒體數(shù)目多，體積大，肌糖原積累明顯

圖2 牦牛骨骼肌。示肌糖原積累較多且主要分布在肌節(jié)四周及Z線附近

圖3 牦牛骨骼肌。示毛細(xì)血管中紅細(xì)胞以及凋亡小體

2.2 犬骨骼肌對高原低氧環(huán)境的響應(yīng)

高原缺氧環(huán)境對犬骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的影響也是極為深刻的，如細(xì)胞排列疏松、胞間隙增大（圖4）；線粒體增多、體積變大，甚至出現(xiàn)巨型線粒體或空泡化 （圖4，5）；肌糖原明顯增多，也表現(xiàn)出在肌節(jié)四周或Z帶附近分布較多 （圖6）；次級溶酸體活躍（圖5），說明對線粒體更新有積極作用；局部有肌絲排列疏松、Z帶扭曲和肌溶灶出現(xiàn)（圖7-9）。

圖4 犬骨骼肌。示肌細(xì)胞排列疏松、間隙增大，線粒體增多

圖5 犬骨骼肌。示線粒體增大并有空泡化，并伴有次級溶酶體

圖6 犬骨骼肌。示肌糖原積累，在肌節(jié)四周及Z線附近分布較多

圖7 犬骨骼肌。示肌絲松散

圖8 犬骨骼機。示Z帶扭曲

圖9 犬骨骼肌。示肌溶灶

2.3 小鼠骨骼肌對高原低氧環(huán)境的響應(yīng)

小鼠游泳實驗，因為加大了對氧供的要求，骨骼肌超微結(jié)構(gòu)同樣也出現(xiàn)了線粒體增多、體積加大，甚至出現(xiàn)空泡（圖10）；肌糖原明顯增加，也多集中在肌節(jié)四周和Z線附近（圖11）；局部地區(qū)Z帶略有彎曲（圖12）和肌絲松散現(xiàn)象（圖13。

圖10 實驗小鼠骨骼肌。示線粒體增大并有空泡化 25000

圖11 實驗小鼠骨骼肌。示肌糖原積累，主要分布在肌節(jié)四周及Z線附近50000×

圖12 實驗小鼠骨骼肌。示Z線略有彎曲，個別地方Z線消失25000×

圖13 實驗小鼠骨骼肌。示肌絲松散20000×

3 討 論

不少研究表明，環(huán)境或運動疲勞與骨骼肌超微結(jié)構(gòu)、功能的變化直接相關(guān)。這些變化主要包括敏感細(xì)胞器線粒體的積極響應(yīng)，能源物質(zhì)的積累，[1，7-11]骨骼肌纖維結(jié)構(gòu)的改變和自由基、ATP等對細(xì)胞凋亡的啟動。

3.1 線粒體的響應(yīng)

牦牛生活在海拔3000m以上的青藏高原，同海平面相比，3000m處空氣含氧量減少1/3，5000m處約減少1/2。西藏東部海拔1000m以下地方空氣含氧量為250-280g/m3，3000m左右降為200g/m3，4000-5000m處僅為160-180g/m3。[12]為了解決供氧供能，骨骼肌的結(jié)構(gòu)響應(yīng)首先表現(xiàn)在線粒體上。

線粒體是生物氧化、產(chǎn)生能量的主要場所。三羧酸循環(huán)、呼吸鏈上的電子傳遞以及磷酸化都在線粒體上進(jìn)行。[13]糖、脂肪和蛋白質(zhì)等有機物先在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行部分氧化，然后進(jìn)入線粒體，通過三羧酸循環(huán)徹底氧化，脫下來的氫和電子通過呼吸鏈依次傳遞給氧，最后電子和H+結(jié)合氧形成水。在這個過程中釋放的能量以高能磷酸鍵（ATP）儲存在有機體內(nèi)供生物做功，包括肌肉收縮。[14，15]另外，線粒體在遺傳上具有獨立性，可以自我復(fù)制，也可通過出芽、自縊進(jìn)行繁殖。所以在氧缺乏的環(huán)境里，生物可以通過線粒體的快速反應(yīng)以保證能量的需要。反映在超微結(jié)構(gòu)上就出現(xiàn)了數(shù)量增多、體積增大。

3.2 肌糖原的積累

機體的能源物質(zhì)有糖類、脂肪和蛋白質(zhì)，其中糖類可被各種組織直接利用，稱為直接燃料。而脂肪和蛋白質(zhì)則需要分別轉(zhuǎn)變成脂肪酸、甘油和氨基酸才能被氧化利用。糖在體內(nèi)轉(zhuǎn)變成糖原而儲存。肌肉是人體耗能最多的組織，肌肉收縮做功主要靠肌糖原氧化供給。[16，17]故在缺氧需能的矛盾中，糖原在肌肉中積累，也是為了快速提供能源物質(zhì)。

關(guān)于糖原在肌節(jié)周圍和Z線附近較多，其機理與肌絲運動有關(guān)。因為，骨骼肌纖維收縮做功是肌原纖維內(nèi)肌絲的運動所致，即細(xì)肌絲在粗肌絲之間向M線方向滑動，結(jié)果使肌節(jié)變短，肌原纖維收縮，反之舒張。在此過程中均要由ATP提供能量，而能源物質(zhì)則以糖原最佳，其分布則以肌節(jié)周圍和Z線附近提供能量速度最快。這也反映了機體對缺氧環(huán)境科學(xué)、快速的響應(yīng)。

3.3 供氧系統(tǒng)的改善

有報道稱，[18]動物生活在高原環(huán)境中毛細(xì)血管密度增加。牦牛不僅毛細(xì)血管多，而且紅細(xì)胞數(shù)量多，且直徑大（圖2），據(jù)杰尼柯夫（Денисов.В.Ф）報道，紅細(xì)胞平均直徑，牦牛為4.83μ，同齡的吉爾吉斯牛（普通牛）僅為4.33μ。[12]說明同一單位血液中的氧容量牦牛遠(yuǎn)高于普通牛。另外，從外觀看，牦牛肌肉緊密、色澤鮮紅。緊密說明肌纖維發(fā)達(dá)，色澤鮮紅是因肌紅蛋白含量高、含氧量大所致，它和血紅蛋白構(gòu)成了機體組織內(nèi)氧的供應(yīng)系統(tǒng)，這對骨骼肌在低氧環(huán)境下正常工作具有重要作用。

3.4 細(xì)胞凋亡的啟動

細(xì)胞凋亡是指機體在生理條件下受到刺激后，經(jīng)過多種途徑的信號傳遞導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生一系列形態(tài)和生化方面的改變而引起細(xì)胞自殺性死亡的過程。這是一種機體消除損傷、衰老、突變的細(xì)胞，有利于機體維持正常生理平衡，完全不同于死亡的一種凋亡途徑。[19-21]細(xì)胞凋亡是受到高度調(diào)節(jié)的一種生理性細(xì)胞死亡過程，是受基因調(diào)控的一個主動連續(xù)的程序化反應(yīng)。其形態(tài)學(xué)上的改變主要包括細(xì)胞核染色質(zhì)固縮、邊集，細(xì)胞膜破裂形成凋亡小體，[22]線粒體基質(zhì)由于高滲面膨脹破裂、電子傳遞受阻、ATP產(chǎn)量驟減，無法維持供能，細(xì)胞走向凋亡。

基于本文研究的高原生物和小鼠肌細(xì)胞核的變化、線粒體出現(xiàn)腫脹、增大等的變化及肌絲排列出現(xiàn)紊亂等改變，可以認(rèn)為，高原環(huán)境或劇烈運動因缺血、缺氧等因素啟動了骨骼肌細(xì)胞的凋亡過程。而這一過程在一定程度上可能限制細(xì)胞壞死，并有利于骨骼肌的修復(fù)。同時，骨骼肌的細(xì)胞凋亡與缺血、缺氧等應(yīng)激因素及運動的時間與強度有很大的相關(guān)性。[23-25]袁箭峰采用流式細(xì)胞術(shù)對不同強度耐力訓(xùn)練及力竭運動大鼠心肌細(xì)胞凋亡情況進(jìn)行了活細(xì)胞觀察，[26]結(jié)果顯示中等強度訓(xùn)練組凋亡比率與對照組相比增加不明顯，大強度訓(xùn)練組及力竭組與對照組相比顯著增加，說明運動所造成的缺氧性應(yīng)激因素可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，且凋亡發(fā)生比率隨運動強度的增大而增加。丁延峰等在進(jìn)行缺血、缺氧引起心肌細(xì)胞凋亡的研究中證實了心肌細(xì)胞的凋亡是不同于細(xì)胞壞死的一種死亡方式，并且提出了缺血、缺氧之前的預(yù)處理有助于減輕心肌細(xì)胞的凋亡。[27]可見，細(xì)胞凋亡的啟動也是骨骼肌對高原環(huán)境或過度訓(xùn)練的一種保護(hù)性響應(yīng)。只有當(dāng)環(huán)境條件或運動量超過了一定閾值時，這時細(xì)胞就會出現(xiàn)壞死。但骨骼肌細(xì)胞對低氧環(huán)境的感受機制是十分復(fù)雜的，不同形式的缺氧刺激可能觸發(fā)不同的機制，所以不能簡單認(rèn)為缺氧、運動誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞凋亡的反應(yīng)是相同的。有關(guān)骨骼肌細(xì)胞凋亡的機理還有待進(jìn)一步的深入研究。

3.5 高原生物適應(yīng)性和小鼠運動實驗骨骼肌響應(yīng)

的雷同性

通過犬的高原適應(yīng)性實驗和小鼠的運動實驗證實，機體對高原缺氧和運動缺氧有著同樣的生理響應(yīng)，反應(yīng)在骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的變化上與牦牛雷同。如線粒體數(shù)量增多、體積增大，同時肌糖原積累，且也在肌節(jié)四周和Z線處分布較多。但是環(huán)境變化的劇烈，如犬在4000m左右生活和小鼠過量的運動，使骨骼肌出現(xiàn)了損傷，[3]在結(jié)構(gòu)上有Z帶扭曲、肌絲松散、甚至出現(xiàn)肌溶灶。

綜上所述，以上實驗不僅闡明了高原生物骨骼肌超微結(jié)構(gòu)的特點，而且證實了這種生理學(xué)響應(yīng)的運動學(xué)意義，同時也為高原訓(xùn)練從機理上提供了依據(jù)：

1.證明高原訓(xùn)練確實可以增加人體對缺氧的抵御能力和適應(yīng)性；

2.高原訓(xùn)練生理響應(yīng)最快的是線粒體和肌糖原；

3.機體的適應(yīng)能力與環(huán)境變化的大小和運動劇烈程度相關(guān)。

這也說明了高原訓(xùn)練海拔高度的選擇、訓(xùn)練的強度、時間等安排必須科學(xué)合理。所以，只有選用適當(dāng)?shù)暮０苇h(huán)境、通過科學(xué)的訓(xùn)練方式，供給相應(yīng)的營養(yǎng)（糖原等），運動員的運動能力才會得到相應(yīng)的提高。

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A Study on Kinematic Significance of Skeletal Muscular Ultrastructure Respondence in Experimental Altitude Organism

Jia Lei1,Nie Xiujuan1,Fang Mei2
(1.Department of Physical Education,Huangshan University,Huangshan 245041,China;
2.College of Veterinary Medicine,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

With altitude organism and rats as experimental subject,the physiological respondence of their muscular ultrastructure was investigated.The results showed that the physiological respondence of their muscular ultrastructure developed along the path of mitochondria increase both in number and in size, muscle glycogen and erythrocytosis accumulation,as well as transport oxygen capability enhancement after hypoxia exposure or sports.The results not only proved the significance of researching into altitude physiology for sports physiology but also provided theoretical evidence for altitude training.

altitude organism;skeletal muscle;ultrastructure;mitochondria;muscle glycogen; erythrocytosis

G804.1

A

1672-447X(2010)04-0098-05

2010-03-15

安徽省教育廳自然科學(xué)研究項目（KJ2009B274Z）;黃山學(xué)院引進(jìn)人才啟動基金項目（2008xskq013）

賈 磊（1971-），湖南岳陽人，黃山學(xué)院體育系副教授，博士，研究方向為運動分子生物學(xué)及運動生理學(xué)。

胡德明