乳酸在運(yùn)動(dòng)中作用的再認(rèn)識(shí)

郭建立

乳酸作為糖代謝的中間產(chǎn)物，與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。以往的研究認(rèn)為大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌快肌纖維進(jìn)行糖無(wú)氧酵解產(chǎn)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(fā)生。但近年的研究證明在氧供充足的情況下，骨骼肌同樣進(jìn)行糖酵解產(chǎn)生乳酸，乳酸不僅是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重要的能源物質(zhì)，有延緩運(yùn)動(dòng)疲勞產(chǎn)生的作用，且可作為信號(hào)分子參與機(jī)體多基因的表達(dá)調(diào)節(jié)。因此，我們應(yīng)該對(duì)乳酸在運(yùn)動(dòng)中的作用有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。

1 乳酸與運(yùn)動(dòng)疲勞

1907年Fletcher和Hopkins通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明了骨骼肌收縮時(shí)產(chǎn)生乳酸，在缺氧情況下乳酸不斷增加，當(dāng)氧供充足時(shí)累計(jì)的乳酸逐漸消失的現(xiàn)象。隨后Hill等人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)論證了機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)兩種截然不同的供能方式即有氧代謝及無(wú)氧代謝，并構(gòu)建了“乳酸循環(huán)”的理論，即“糖原--乳酸--糖原”的循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程。Hill等認(rèn)為在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)乳酸的增加是骨骼肌缺氧的直接結(jié)果，由此提出了“氧債”的假說(shuō)，并認(rèn)為乳酸是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)疲勞的原因。在后來(lái)的幾十年中氧債、無(wú)氧閾的理論被廣泛應(yīng)用，成為設(shè)定運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度和安排運(yùn)動(dòng)方式的最直接和最有力的依據(jù)。而關(guān)于乳酸的作用，學(xué)者們一致認(rèn)為除小部分（20%）在肝內(nèi)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(chǎn)生的H+酸化了血液，降低了機(jī)體的pH值，同時(shí)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(tài)向高功能狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，抑制肌纖維ATP酶的活性，降低了糖分解的速度，競(jìng)爭(zhēng)性的抑制了鈣與肌鈣蛋白的結(jié)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(yùn)動(dòng)性疲勞發(fā)生，即形成了“乳酸性酸中毒”。

20世紀(jì)80年代中期Connett等人對(duì)以上諸觀點(diǎn)提出質(zhì)疑并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)（50% VO2max）紅肌產(chǎn)生乳酸明顯增加，但組織中的乳酸量與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓沒(méi)有相關(guān)性。

2 乳酸對(duì)骨骼肌力量產(chǎn)生的保護(hù)作用

骨骼肌收縮能力下降是運(yùn)動(dòng)成績(jī)降低的主要原因，其與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中骨骼肌細(xì)胞內(nèi)外離子濃度平衡的失調(diào)密切相關(guān)。微透析顯示，在此最大強(qiáng)度和大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，骨骼肌細(xì)胞間隙內(nèi)K+濃度逐漸上升，增加1-2倍，達(dá)11-13mM，在耗竭性運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)15mM。而細(xì)胞內(nèi)的K+則隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的上升而降低。人體實(shí)驗(yàn)顯示高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)可致骨骼肌胞內(nèi)K+從165mM下降至130mM。

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

乳酸有保護(hù)骨骼肌疲勞發(fā)生的作用。用4-10mM的含鉀培養(yǎng)液孵育鼠比目魚(yú)肌，其強(qiáng)直收縮能力逐漸降低至100分鐘左右達(dá)最低值并呈現(xiàn)出平臺(tái)現(xiàn)象，下降程度達(dá)20-25%。如添加20mM的乳酸共育40分鐘，可使骨骼肌的力量恢復(fù)80%，如用20mM的乳酸鈉亦可緩慢的恢復(fù)其肌力，但效果小于乳酸的作用，如聯(lián)合使用12mM的乳酸鈉和8mM的乳酸可恢復(fù)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(lái)源。乳酸作為糖代謝的最終產(chǎn)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(zhì)在體內(nèi)氧化供能，乳酸的氧化率與血乳酸濃度密切相關(guān)。同樣，在大腦準(zhǔn)備工作中，乳酸優(yōu)于葡萄糖作為燃料。乳酸是肝臟的主要糖異生底物;當(dāng)血乳酸濃度升高時(shí)，乳酸形成葡萄糖的使用增加。Mazzeo等對(duì)6名男性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示安靜狀態(tài)下機(jī)體血乳酸濃度約0.84±0.01mM，其氧化率為49.3%，當(dāng)以75%最大攝氧量運(yùn)動(dòng)65分鐘時(shí)，血乳酸濃度上升至4.75±0.28mM，其氧化率達(dá)87.0%;中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)乳酸供能占總碳水化合物氧化量的25%。

骨骼肌是乳酸產(chǎn)生的主要部位，也是攝取和利用乳酸的主要器官。14C標(biāo)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(dāng)動(dòng)脈乳酸濃度接近2.5mM時(shí)，氧化性肌纖維對(duì)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(dāng)乳酸濃度達(dá)4mM時(shí)，混合型和酵解型肌纖維開(kāi)始增加對(duì)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(yùn)動(dòng)刺激腦活動(dòng)增加，腦血流速度、腦攝氧量及對(duì)能源底物的攝取量即腦代謝率（O2/（glucose+1/2lactate））會(huì)發(fā)生明顯變化。腦血流速度隨運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增大而升高，而腦代謝率則隨運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的上升而下降。安靜時(shí)大腦中動(dòng)脈平均血流速度為67±6cm/s，腦代謝率約6.1;小強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)（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(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)（HR 122±3次/分）腦血流為73±5cm/s，腦對(duì)乳酸的攝取量隨動(dòng)脈血乳酸濃度的升高而明顯增加，動(dòng)靜脈乳酸差顯著增大，但對(duì)氧和葡萄糖的攝取變化不明顯;大強(qiáng)度耗竭性運(yùn)動(dòng)時(shí)（HR 170±8次/分），腦血流速達(dá)73±11cm/s，腦對(duì)乳酸的攝取增加達(dá)葡萄糖攝取量的80%，而動(dòng)靜脈氧差及葡萄糖差沒(méi)有明顯變化，腦代謝率降至4.4。Ide 等通過(guò)遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)至力竭的試驗(yàn)也顯示了相似的結(jié)果。

運(yùn)動(dòng)可明顯增加骨骼肌、心肌MCTs的表達(dá)，促進(jìn)了對(duì)乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，運(yùn)動(dòng)及高乳酸環(huán)境又增強(qiáng)了乳酸脫氫酶的表達(dá)，加速了乳酸的代謝利用，同時(shí)高濃度的乳酸可抑制骨骼肌糖轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白-4（GLUT-4）的基因及蛋白表達(dá)，減少其對(duì)血糖的攝取，Leite等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)乳酸對(duì)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(dǎo)組織中葡萄糖消耗的抑制。Paoli等人在之前的一項(xiàng)研究中，乳酸會(huì)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(duì)維持血糖平衡，減少糖原消耗，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，延緩運(yùn)動(dòng)性疲勞的發(fā)生起著重要作用。

3 乳酸的信號(hào)分子作用

乳酸作為能量底物參入機(jī)體物質(zhì)代謝的同時(shí)，也可能作為信號(hào)分子對(duì)機(jī)體的多種生理功能產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用。15mM的乳酸培養(yǎng)人骨髓間質(zhì)干細(xì)胞，一小時(shí)可上調(diào)63個(gè)下調(diào)51個(gè)基因的表達(dá)，6小時(shí)上調(diào)45下調(diào)47個(gè)基因表達(dá)，24小時(shí)上調(diào)57下調(diào)72個(gè)基因表達(dá)，培養(yǎng)3天時(shí)上調(diào)了103個(gè)下調(diào)28個(gè)基因表達(dá)，這些被調(diào)節(jié)的基因主要涉及到細(xì)胞因子、轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞周期蛋白及細(xì)胞基質(zhì)相關(guān)蛋白等的表達(dá)，其中IL—6、熱休克蛋白70和低氧誘導(dǎo)因子等明顯上調(diào)，而超氧化物歧化酶、BCL2相關(guān)蛋白等被下調(diào)。20mM乳酸培養(yǎng)L6細(xì)胞，10分鐘后NF-κB的結(jié)合活性增加，15分鐘后其活性氧產(chǎn)生明顯增加，1小時(shí)后明顯增加了單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1（MCT-1）mRNA表達(dá)。細(xì)胞均漿顯示，10mM乳酸濃度培養(yǎng)時(shí)，1小時(shí)后L6細(xì)胞MCT-1蛋白的表達(dá)增加1.7倍，CD147蛋白表達(dá)增加1.9倍，6小時(shí)后細(xì)胞色素C氧化酶增加2.0倍，當(dāng)乳酸濃度為20mM時(shí)，1小時(shí)后MCT-1蛋白表達(dá)增加2.0倍，CD147蛋白增加2.8倍，6小時(shí)后細(xì)胞色素C氧化酶增加2.5倍，乳酸脫氫酶的表達(dá)也明顯上升。10mM或20mM的乳酸孵育6小時(shí)均提高L6過(guò)氧化物酶體增殖體激活受體共激活物-1α的表達(dá)。20mM的乳酸培養(yǎng)1小時(shí)可增加L6細(xì)胞33個(gè)降低76個(gè)基因的表達(dá)，6小時(shí)后可增加673個(gè)降低2個(gè)基因的表達(dá)。在人皮膚成纖維細(xì)胞培養(yǎng)中，乳酸可上調(diào)CD44和透明質(zhì)酸酶的表達(dá)，并呈劑量依賴性關(guān)系，同時(shí)也增加了c-fos、c-jun、c-ets、Hyal-1、Hyal-2和caveolin-1的基因表達(dá)。在CD34干細(xì)胞培養(yǎng)中，乳酸可增加硫氧還蛋白-1、低氧誘導(dǎo)因子、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1和2、基質(zhì)細(xì)胞驅(qū)動(dòng)因子-1的表達(dá)。在臍靜脈和微血管內(nèi)皮細(xì)胞的培養(yǎng)顯示，乳酸增加血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的蛋白合成，并呈時(shí)間劑量依賴性關(guān)系，同時(shí)增加了細(xì)胞的遷移。

乳酸參與的多基因調(diào)節(jié)可能有利于機(jī)體大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)糖水化合物的利用，尤其是對(duì)乳酸的氧化，抑制脂肪分解，保持運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。在創(chuàng)傷的愈合中，乳酸起著積極的促進(jìn)作用。但由于乳酸可增加透明質(zhì)酸酶的表達(dá)，在腫瘤患者體內(nèi)可促進(jìn)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移，降低細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞的增殖及細(xì)胞因子的分泌。當(dāng)腫瘤患者體內(nèi)乳酸濃度大于8μmol/g時(shí)，腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的機(jī)率明顯增加，生存時(shí)間縮短。

4 乳酸與激素的關(guān)系

乳酸有刺激孕激素產(chǎn)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(dá)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(wú)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(chǎn)生，且呈劑量依賴性關(guān)系，但LH不受乳酸濃度的影響。因此，作者認(rèn)為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中升高的孕酮是不依賴LH分泌的，與運(yùn)動(dòng)中升高的乳酸對(duì)卵巢的直接刺激增加cAMP產(chǎn)生的有關(guān)。

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(dá)峰值，然后緩慢下降，持續(xù)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(wú)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(chǎn)生，且呈劑量依賴性關(guān)系。

乳酸可降低兒茶酚胺類激素對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)值。生理濃度的乳酸不能改變大鼠垂體前葉細(xì)胞及促皮質(zhì)激素腫瘤細(xì)胞分泌β-內(nèi)啡肽的水平，也不影響促皮質(zhì)激素的分泌，但可明顯降低大鼠下丘腦組織促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素的自發(fā)性分泌，提示大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)乳酸對(duì)下丘腦-垂體-腎上腺軸沒(méi)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(jīng)的興奮性。乳酸不影響運(yùn)動(dòng)過(guò)程中胰島素的水平。

乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白各亞型（MCTs）的表達(dá)受多種激素的影響。實(shí)驗(yàn)證明去甲腎上腺素、胰島素及胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子等均可加強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞MCT2蛋白的表達(dá)，但不影響MCT2 mRNA的表達(dá)，其機(jī)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(zhuǎn)運(yùn)后水平上加強(qiáng)了MCT2蛋白的生成。大鼠補(bǔ)充三碘甲腺原氨酸（T3）（7天，900μg/100g 體重/天），心肌中MCT1 mRNA的表達(dá)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(dá)在心肌與骨骼肌中均沒(méi)有明顯變化;T3補(bǔ)充增加腓腸肌白肌和紅肌MCT4 mRNA的表達(dá)量分別是40%和300%，其蛋白表達(dá)也分別增加了49%和43%，但對(duì)心肌MCT4 mRNA和蛋白的表達(dá)沒(méi)有明顯影響。補(bǔ)充睪酮（7天，100μl/100g 體重/天）可提高大鼠MCT1蛋白表達(dá)，在后肢跖肌中增加77%，比目魚(yú)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(zhǎng)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(zhǎng)伸肌增加29%，脛骨前白肌增加35%，紅肌和比目魚(yú)肌改變不明顯，但心肌MCT1及MCT4蛋白量不受影響。MCTs表達(dá)的增加有利于乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)與氧化，加強(qiáng)了機(jī)體對(duì)非糖能源底物的使用。

5 小結(jié)

作為糖代謝的中間產(chǎn)物，乳酸既是糖異生的底物，也是非乳酸產(chǎn)生組織氧化利用的直接能源底物;在高鉀離子環(huán)境中，乳酸有保護(hù)骨骼肌力量產(chǎn)生、延緩疲勞發(fā)生的效應(yīng);作為信號(hào)分子，乳酸參與了機(jī)體多種生理功能的調(diào)節(jié);乳酸對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)值。因此，乳酸不再是機(jī)體無(wú)氧代謝的“廢物”。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中乳酸的產(chǎn)生和利用將有利于血糖平衡的維持，有利于糖原消耗的節(jié)省化，有利于延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間延緩運(yùn)動(dòng)疲勞的發(fā)生的作用。

（作者單位：廣東省重競(jìng)技體育訓(xùn)練中心）