間歇性無氧運動對SD雄性大鼠血清乳酸值和Ca2+濃度的影響

王燕軍

運動性疲勞指機體在生理過程中不能繼續(xù)在特定水平上進行或整個機體不能維持預定的運動強度[1]。探討運動性疲勞的形成機制對提高運動員訓練水平有著重要的意義。多項研究顯示，細胞鈣與運動性疲勞關系密切[2]；Ca2+代謝紊亂是引起運動性疲勞的重要原因。實驗表明，不同強度的運動都能引起肌漿網(wǎng)結(jié)構的變化，特別是疲勞性運動后，肌漿網(wǎng)對Ca2+攝取能力明顯下降，其中快、慢肌肌漿網(wǎng)的Ca2+-Mg2+-ATP酶活性均明顯下降，而前者活性下降更為顯著[3]。提高肌肉的Ca2+轉(zhuǎn)運能力可通過運動訓練來實現(xiàn)。短跑、間歇訓練、力量訓練后，白肌纖維對Ca2+攝取率會增加。其主要原因是訓練提高了肌漿網(wǎng)的體積和數(shù)量，從而使肌漿網(wǎng)中蛋白含量增加[4—6]。也有研究顯示，運動導致的血清乳酸值升高可抑制磷酸果糖酶活性，導致糖酵解的代謝過程減緩或中斷，使Ca2+減少，從而導致疲勞。因此，探討血清乳酸值和Ca2+濃度的影響可能用來解釋運動性疲勞的形成機制。筆者通過對健康雄性SD大鼠施加間歇性無氧運動干預，然后通過測定血乳酸值和鈣離子含量的方法，觀察間歇性無氧運動對骨骼肌胞漿鈣穩(wěn)態(tài)的影響，旨在為完善運動性疲勞理論提供依據(jù)。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗對象

健康雄性Sprague-Dawley大鼠，體重200±20g，鼠齡8周。由山西醫(yī)科大學實驗動物中心購得，飼料也由該中心提供；大鼠分籠飼養(yǎng)，自然光照，自由飲食；動物房內(nèi)相對濕度為45%～60%，溫度22±3℃。

將大鼠隨機分組，每組九只。運動組(TG)分為長間歇運動組(LTG)和短間歇運動組(STG)，各組內(nèi)根據(jù)取血時間不同又分為1h、24h、48h組，共計18只；對照組(CG)按照取血時間不同分為1h、24h、48h組，共計九只，對照組不參加運動。

1.2 運動方式

首先飼養(yǎng)大鼠兩天使其適應，然后隨機分為對照組和實驗組。對實驗組大鼠進行三天游泳訓練使其適應，每次20min，每天一次；隨后開始正式游泳訓練，時長為10d，運動方式參照Kawanaka Kentaro 提出的方法，[7]適當加以改進[8，9]。

訓練在160cm×160cm×160cm的玻璃缸中進行，靜水深100cm，水溫28±2℃。運動組在前三天，每天進行一次游泳運動，時間為上午九點開始，持續(xù)3h；第4d～10d每天進行兩次游泳運動，時間是3h，其中短間歇組間隔時間為3h，長間歇組時間間隔為6h。

游泳訓練中，當大鼠運動協(xié)調(diào)性下降、開始出現(xiàn)反復下沉時，取出大鼠讓其休息3min后，然后繼續(xù)，總時間不能少于3h。為防止大鼠漂浮，當大鼠浮在水面不動的時候，使用木棒驅(qū)趕使其始終保持運動狀態(tài)；[10]對照組大鼠不參與游泳訓練，但保持相同條件飼養(yǎng)，以便比較實驗數(shù)據(jù)。

1.3 取樣與分析

10d訓練結(jié)束后，1h、24h、48h分別取樣。用大鼠專用斷頭鍘刀處死大鼠；用離心管收集血液，取血量為2mL。

然后靜置30min，再以5 000r/min凍離心機離心15min，提取血清。采用半自動生化分析儀測定血乳酸值和鈣離子含量。用Excel統(tǒng)計分析，t檢驗。

2 實驗結(jié)果

2.1 運動對大鼠血乳酸水平的影響(見表1)

運動后的1h之內(nèi)大鼠血乳酸值有升高的趨勢。在1h末所測的血乳酸值，短間歇與對照相比有顯著的差異性，而長間歇組則沒有顯著差異性；隨著時間得延長，無論是短間歇還是長間歇組血乳酸值都有下降趨勢；到24h，短間歇組相對與對照血乳酸值仍有顯著性差異；在運動結(jié)束后48h末，這種顯著性差異消失，各組別的血乳酸值沒有顯著性差異。

表1 運動對大鼠血乳酸水平影響(mmoL/L)

注：**與對照組相比P<0.01；*與對照組相比P<0.05，下同。

2.2 運動對大鼠血清總鈣和游離鈣的影響(見表2、表3)

運動后的1h之內(nèi)大鼠血清總鈣變化幅度不明顯。在1h末所測的血清總鈣，短間歇和長間歇組與對照相比均沒有顯著的差異性；隨著時間得延長，無論是短間歇還是長間歇組血清總鈣變化都不明顯；到24h末，短間歇組相對于對照組血清總鈣存在明顯差異；在游泳訓練結(jié)束后48h，該顯著性差異仍然存在。

運動后的1h之內(nèi)大鼠血清游離鈣有下降的趨勢。在1h末所測的血乳酸值，短間歇與對照相比有顯著的差異性；而長間歇組則沒有顯著差異性。隨著時間得延長，無論是短間歇還是長間歇組血乳酸值都有下降趨勢；到24h末，短間歇組相對與對照組大鼠血清游離鈣具有極顯著性差異；在運動結(jié)束后48h末，短間歇組的這種顯著性仍然存在，而長間歇組始終沒有顯著性差異。

表2 游泳訓練對大鼠血清總鈣水平影響(mmoL/L)

表3 運動對大鼠血清游離鈣水平影響(mmoL/L)

3 討論

大鼠先天具有一定的游泳能力，進行游泳訓練時不會出現(xiàn)激烈的抵觸。在本實驗中，游泳池的水溫適宜(27—29℃之間)，避免因低溫而產(chǎn)生額外能量的消耗；游泳池的水深合適(靜水深約為大鼠身長的兩倍)，避免其將尾部支撐在游泳池底休息，影響運動負荷；游泳池的大小恰當(能自由游泳并不受其他動物的影響)。大鼠的運動方式[11]分為兩個階段進行：前3d為一次/天，每次3h；后七天為兩次/天，每次3h。每次間隔按組別有所不同：短間歇組間隔3h，長間歇組間隔6h。整個實驗過程中，大鼠每次運動后都基本達到力竭程度，使整個運動狀態(tài)處于無氧運動。這樣的兩階段運動負荷遞增方式，能有效避免大鼠產(chǎn)生適應現(xiàn)象，確保無氧運動的效果。

3.1 血乳酸與運動疲勞的關系

19世紀末，Lanke首次發(fā)現(xiàn)乳酸是一種引起肌肉收縮力量下降的體內(nèi)代謝物[12]。Meyerhof將離體肌肉放在咸性任格氏液中，發(fā)現(xiàn)肌肉的工作能力會明顯提高[13]。后來研究進一步證實，運動時產(chǎn)生的乳酸積累使體內(nèi)pH值下降，造成代謝性中毒，會影響體內(nèi)酸堿平衡，從而直接或間接地引起肌肉機能下降[14—16]。因此，要保持較強的運動能力必須盡快消除乳酸。乳酸在血液中的產(chǎn)生率和清除速率之間的動態(tài)平衡決定了血乳酸濃度的大小。乳酸在血液中的產(chǎn)生率是由運動時肌肉無氧代謝強度決定的。而消除速率則取決于多種因素，如肝臟攝取乳酸并氧化成二氧化碳和水的速率，活動與不活動肌肉攝取乳酸的速率、心臟和其他組織攝取和利用乳酸的速率等。

運動性疲勞時，肌細胞膜調(diào)節(jié)機體代謝的方式有兩種[17]：一種是細胞膜上的物質(zhì)轉(zhuǎn)運器轉(zhuǎn)運葡萄糖和脂肪酸；一種是一些膜蛋白(如胰島素和腎上腺素)可以生成第二信使，例如環(huán)磷酸腺苷、I型三磷酸肌醇和鈣離子，這些分子具有肌細胞的代謝功能和調(diào)節(jié)物質(zhì)轉(zhuǎn)運器功能[18]。實驗研究證實，劇烈運動時，乳酸轉(zhuǎn)運器通過調(diào)節(jié)肌細胞的pH值[19]和糖的酵解速率，減少了乳酸的生成[20]，從而緩解肌肉疲勞。

本研究發(fā)現(xiàn)，運動組大鼠在十天遞增負荷游泳運動后，短間歇大鼠1h血乳酸值達到最高水平，24h后恢復，但未能恢復到運動前水平。說明短間歇運動組的大鼠骨骼肌乳酸生成較多。這主要是短間歇運動乳酸恢復較慢，在體內(nèi)的積累所致。武桂新等[21]在對大鼠進行了6d短時間、大強度、間歇運動實驗研究后發(fā)現(xiàn)，大強度間歇運動組大鼠較空白安靜組大鼠的血漿pH值顯著降低、血乳酸含量顯著升高。這與本實驗短間歇運動組所得結(jié)果相互印證。短間歇運動后，機體內(nèi)環(huán)境受到酸性物質(zhì)的影響較大，而長間歇組的血乳酸值變化不明顯。提示：長間歇的運動可能有助于運動中血乳酸的恢復。

3.2 血清總鈣與運動疲勞的關系

肌肉組織中能夠調(diào)節(jié)鈣代謝的兩個主要細胞器是肌漿網(wǎng)和線粒體。Tate 首次發(fā)現(xiàn)，大鼠力竭性運動后骨骼肌線粒體的鈣含量明顯增加；Pierce發(fā)現(xiàn)，實驗組大鼠游泳運動后，心肌線粒體鈣含量水平明顯高于對照組[22]；田野發(fā)現(xiàn)，大鼠在一次性運動后線粒體的鈣含量顯著增大，24h后達到最大值，48h后鈣含量才有所減少，但仍高于運動前水平。研究表明，運動引起的線粒體鈣聚集會對機體產(chǎn)生長時間的影響，并不會因運動終止而立即恢復。運動中，胞漿鈣離子濃度的增加使線粒體大量聚鈣，導致自身的磷酸氧化過程受到抑制，ATP生成減少、含量下降，并導致細胞鈣離子代謝紊亂，由此形成惡性循環(huán)。這可能是形成運動時機體機能下降和運動性疲勞的重要機制。[23]調(diào)節(jié)骨骼肌細胞鈣離子濃度的另一重要細胞器是肌漿網(wǎng)。在安靜狀態(tài)，肌漿網(wǎng)膜內(nèi)外的鈣離子濃度差比較大，這種濃度差對骨骼肌收縮—舒張過程具有重要作用，而且肌漿網(wǎng)參與維持細胞內(nèi)的鈣離子穩(wěn)定，可能與機體的運動機能密切相關。

大鼠急性跑臺運動實驗顯示，誘發(fā)骨骼肌疲勞與SR功能下降密切相關。實驗結(jié)果表明，大鼠運動后股四頭肌的肌漿網(wǎng)Ca2+-Mg2+-ATP酶活性下降，肌漿網(wǎng)Ca2+-ATP酶水解活性也下降，從而使肌漿網(wǎng)Ca2+運轉(zhuǎn)能力明顯下降。由于ATP酶活性的下降，一方面使得SR攝取Ca2+能力下降，另一方面也使得SR肌肉在興奮狀態(tài)下不能再釋放出Ca2+。在此情況下，胞漿Ca2+濃度明顯升高，導致機體內(nèi)肌肉蛋白質(zhì)降解和代謝機能障礙，直接影響了肌肉的收縮—放松過程，使得肌肉收縮能力下降。[24，25]

本研究發(fā)現(xiàn)，運動組大鼠在十天遞增負荷游泳運動后，1h之內(nèi)大鼠血清總鈣變化幅度不明顯，在1h末所測的血清總鈣，短間歇組和長間歇組與對照組相比均沒有顯著的差異性。說明間歇性無氧運動對骨骼肌細胞胞漿總鈣的影響不明顯，但均比對照組要低。這與田野等的研究有著一致性。田野等人的研究證實急性運動后血清總鈣明顯下降，而本實驗中并未觀察到這種現(xiàn)象?？赡苎蹇傗}的變化與運動強度和時間有關系，本實驗的運動方式不足以使大鼠產(chǎn)生力竭。隨著時間的延長，無論是短間歇組還是長間歇組血清總鈣變化都不明顯；到24h末，短間歇組相對于對照組血清總鈣存在顯著性差異。這表明，運動后鈣離子濃度的變化存在一個時間段。在運動末的24h鈣離子濃度的變化才比較明顯。這與田野等人的研究是一致的。在運動結(jié)束后48h末，這種顯著性差異仍未消失。短間歇組運動后，機體內(nèi)環(huán)境受到酸性物質(zhì)的影響較大，血清總鈣離子的變化是相對較長的動態(tài)變化過程；長間歇組血清總鈣的變化不明顯，可能是運動的強度沒有達到力竭的程度，也可能是間歇的延長使得鈣離子的變化不明顯。提示：長間歇的運動可能有助于運動中骨骼肌對鈣離子的攝取，更有利于提高運動訓練的效果。

3.3 血清游離鈣與運動疲勞的關系

運動負荷在導致代謝功能變化的同時，會造成為人體提供生物氧化空間的線粒體形態(tài)改變，其體積增加，比表面縮小[26，27]。這種形態(tài)變化直接使其自身的氧化功能降低。從亞細胞水平分析，在運動過程中，細胞膜脂質(zhì)氧化加強和線粒體鈣聚積是造成線粒體氧化功能下降的原因。線粒體正常形態(tài)結(jié)構的維持和細胞鈣代謝的調(diào)節(jié)均需要三磷酸腺苷提供能量，而在運動中三磷酸腺苷大量消耗，使細胞三磷酸腺苷含量下降。這不僅能夠引起脂質(zhì)過氧化加強和線粒體鈣含量升高，而且會引發(fā)線粒體嵴斷裂和腫脹，進一步抑制了線粒體的氧化磷酸化過程，并導致三磷酸腺苷生成減少以及運動性骨骼肌疲勞發(fā)生。此外，當過度運動，血漿游離脂肪酸過高時，肌細胞膜的鈉泵(鈉離子三磷酸腺苷酶)和肌質(zhì)網(wǎng)的鈣泵(鈣離子三磷酸腺苷酶)功能會受到抑制，兩種酶水解三磷酸腺苷的能力也會減小。這又影響到肌細胞膜動作電位的形成，使肌肉收縮、放松過程都會受到影響，形成運動性疲勞。[28，29]

本研究發(fā)現(xiàn)，運動后的1h之內(nèi)大鼠血清游離鈣有下降的趨勢。在1h末所測的血乳酸值，短間歇組與對照組相比有顯著的差異性，但無法確定血清游離鈣的變化是血乳酸的變化直接造成的，還是血乳酸的變化間接引起血清游離鈣變化；隨著時間得延長，無論是短間歇組還是長間歇組血清游離鈣都有下降趨勢；到24h末，短間歇組相對于對照組大鼠血清游離鈣具有極顯著性差異(P<0.01)；到48h末，雖已經(jīng)開始恢復，但仍低于正常安靜值(P<0.05)。這兩項指標的變化與運動后線粒體鈣的變化相一致[3]。但長間歇組始終沒有顯著性差異，說明不同強度的運動形式，對于骨骼肌內(nèi)血清游離鈣的影響不同，對間歇運動的影響更大一些。提示：大強度運動后骨骼肌細胞線粒體鈣增加可能導致血鈣的下降。

4 總結(jié)

綜上所述，急性大強度運動能促使大鼠體內(nèi)酸性作用加強，pH值降低，破壞骨骼肌細胞胞漿Ca2+的平衡，使骨骼肌機能下降；中等強度長時間運動能導致線粒體鈣超載，胞漿Ca2+聚積，肌漿網(wǎng)鈣泵和線粒體活性降低，進而引發(fā)骨骼肌疲勞。因此，通過降低或延遲體內(nèi)酸性物質(zhì)的堆積，實現(xiàn)維持骨骼肌胞漿Ca2+的穩(wěn)態(tài)，是延緩疲勞的主要方法；提高骨骼肌攝鈣能力能有效促進骨骼肌疲勞后的恢復與再生，對運動和訓練中疲勞恢復有很大幫助；線粒體鈣超載可能是導致長時間運動骨骼肌機能下降的始動因素，應在運動和訓練研究中有所加強；除此之外，采用哪些更加科學合理的方法對胞漿Ca2+進行測定，仍是體育訓練學科亟待解決的問題。

[1] 姜山,韓勇,費明旋，等.運動疲勞大鼠心肌細胞L-型鈣通道生物物理特性的研究[J].體育科學,2011(11):48～51.

[2] 呂丹云,周未艾,王啟榮.鈣攝入量與運動能力的實驗研究[J].體育科學,1999(2):63～67.

[3] 田野，等.線粒體鈣聚集對運動性骨胳肌疲勞的影響[J],體育科學,1992(3):47.

[4] Brierley EJ, Johnson MA, James OF, et al. Effect of physical activity and age on mitochondria function[J]. Q.J.M.，1996,89:251～258.

[5] Taylor AW, Bachman L. The effects of endurance training on muscle fiber type senzymeactivities[J]. Can J Appl physical，1999,24:41～53.

[6] 王安利，池健，相子春，等.對有氧運動能夠抗衰老作用的研究[J].北京體育大學學報,2000(4):474～477.

[7] Kawanaka Kentaro， et al. Effects of high-intensity intermittent swimming on glucose transport in rat epitrochlearis muscle[J],J Appl.Physiol, 1998,84:1852～1857.

[8] 陳協(xié)芳.大鼠過度訓練時間與血乳酸值變化的關系探討[J].四川體育科學,1997(1):21～22.

[9] 李寧川.力竭性游泳訓練對建立過度訓練動物模型的作用[J].體育與科學,2000(21):53～55.

[10] 朱全，張敏.游泳方法是建立大鼠模擬過度訓練模型[J].中國運動醫(yī)學雜志，1998(2)：137～140.

[11] 朱全，浦鈞宗.大鼠游泳訓練在運動實踐中的應用方法[J].中國運動醫(yī)學雜志,1996(2):125～129.

[12] Stephen gndan. Lactate disppearance at various intersities of recovery exercese[J]. Physiol, 1984(5):57～59.

[13] 顧慎為.阻抗血流圖[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,1993.

[14] Green.H. J neuromuscular Aspects of Fatigue Can[J]. J. Spr. Sci,1987.

[15] Clausen T.Na+-K+pump regulation and skeletal muscle contractility[J].Physiol Rev.， 2003:83(4):1269～324.

[16] Edmank AP. Changes in force and stiffness induced by fatigue and intracellular acidification in frog muscle fiders [J]. Physiology, 1990,424:133～140.

[17] Li JL, Wang XN, Fraser SF，et al. Effects of fatigue and training on sarcoplasmic reticulum Ca(2+)regulation in human skeletal muscle[J].J Appl Physiol,2002,92(3):912～922.

[18] Clarksen PM， Hubal MJ. Exercise-induced muscle damage in humans[J]. Am J Phys Med Rehabil, 2002,8l(11 Supp1):852～869.

[19] Fitts RH. Cellular mechanisms of muscle fatigue[J]. Physiol Rev.,1994,74(1):49～94.

[20] Leppik JA， Aughey RJ， Medved I， et al. Prolonged exercise to fatigue in humans impairs skeletal muscle Na+-K+-ATPase activity. sarcoplasmic reticulum Ca2+release, and Ca2+uptake[J]. J Appl Physiol,2004,97(4),14～23.

[21] 武桂新,等.殼聚糖對無氧訓練大鼠糖代謝的影響[J].體育科學,2002(1):91～93.

[22] 連克杰,等.力竭性游泳對大鼠心肌線粒體基質(zhì)游離Ca2+及Na+/Ca2+交換的影響[J].中國運動醫(yī)學雜志,1998(3):216.

[23] C Duan, et.al. Rat Skeletal muscle mitochondrial [Ca2+] and injury from down hill walking[J]. J Appl Physiol, 1990, (68):1241～1451.

[24] Li JL， Wang XN, Fraser SF，et al. Effects of fatigue and training on saycoplasmic reticlilum Ca2+regulation in human skeletal muscle[J]. J Physiology, 2002,92(3)：91～222.

[25] H Kuipers. Exerciae-induced musle damage [J]. Int J sports Med, 1994,(15):132～135.

[26] Stary CM. Mathieu Costello O. Hogan MC.Resistance to fatigue of individual Xenopus single skeletal muscle fibres is correlated with mitochondrial volume density[J]. Exp Physiol,2004,89(5)：617～621.

[27] Conley KE, Kemper WF, Crowther GJ. Limits to sustainable muscle performancce：interaction between glycolysis and oxidative phosphorylation[J]. J Exp Biol, 2001,204(Pt 18)：3189～3194.

[28] 田野,等.急性運動對骨骼肌肌漿網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)運功能的影響[J].中國運動醫(yī)學雜志,1997(3):173.

[29] H Kuipers. Exercise-induced musle damage [J]. Int J Sport Med,1994,(15):132～135.