【高能磷酸盐的代谢与疲劳】
拼译：the high-energy phosphate metabolism and fatigue
每一个活细胞都具备能量转变机构以维持其生命和机能，各种活动所需要的能量形式主要都是以三磷酸腺苷(ATP)水解直接供能的，骨骼肌工作产生力量唯一的直接能源就是ATP。1928年洛曼(Lohmann)在研究肌肉收缩过程中能量释放的化学反应时，首先从肌肉的匀浆中发现了ATP。1929年费司克(Fiske)等分离了ATP并推论出其结构。20世纪30年代，伊布顿(Embden)等发现葡萄糖分解时无机磷酸盐(pi)和二磷酸腺苷(ADP)结合成ATP；恩格利哈尔特(Engneheant)发现肌球蛋白可促使ATP分解成ADP；任特(syent)等将肌纤维浸入甘油中除去代谢产物后再加入ATP使肌纤维收缩，再一次加入ATP又使肌纤维舒张，说明它是肌肉收缩和舒张所必需的物质；柯立(Cori)提出ATP具有生物合成作用，可以刺激葡萄糖合成糖原。1940年李普曼(Lipman)综合分析前人的研究成果，指出ATP是细胞内联系能量转变和能量利用的物质。近年来认为ATP是能量的供给体，ADP是能量的受体，在能量代谢中的能量转变和利用之间共同起着中间体的重要作用，使能量代谢中释放的能量有节制地逐步利用。在骨骼肌工作时需要使能量代谢保持在ATP再合成的速度和被利用的速度相同的平衡状态，这样才能维持恒定不变的输出功率。肌肉收缩时所产生的力量减少即疲劳，可由收缩器官降低了对ATP的利用率或降低了ATP再合成的速率而引起。现已证明，有几百种因素可以影响骨骼肌利用ATP的速率和力量生成。ATP再合成涉及3种主要的代谢途径：磷酸肌酸(PCr)，其贮量少，但可以缓冲在突然增加需能时ATP过度降低，ATP最大合成速率可以达到11．2mmol／kg干肌；脂肪总贮量最大，理论上不可能在一次运动中用尽，但只能氧化利用，产生ATP的速率最低，只有1mmol／kg干肌；糖可以被所有类型的肌肉收缩利用，以无氧或有氧代谢参与最大和次最大收缩时力量的生成，产生ATP的最大速率分别为6．0或2．2～2．9mmol／kg干肌。从理论上讲PCr可以成为最大强度运动时疲劳的因素，因为其贮量少，能量释放效率最高，然而不论在肌肉中是否存在着单独利用的PCr，大强度运动时总伴有糖元同时供能。糖是最有效的可用于氧化磷酸化作用的底物，它的贮量相对不多，在耐力运动中可能成为限制运动能力的因素，尤其在进行65%～85%最大摄氧量水平的运动时，肌糖元的贮量与运动时间相关。
一些研究等长或动力性运动的结果显示，在肌肉长时间收缩时ATP再合成率降低的速度几乎与力量生成下降的速率相同，分析其原因可能因某些因素使ATP水解率下降抑制了力量的生成或使ATP再合成率减少使肌肉收缩时力量生成减少。发生疲劳是由于在力量生成阶段因形成的横桥数目减少所引起力量生成减少，有3种机制可以使力量生成减少：(1)缺乏可利用的能量，不能保证肌动球蛋白形成横桥时最佳的ATP供应，或依靠ATP供能的钠泵或钙泵难以正常运转，肌细胞离子代谢紊乱。(2)能量代谢中的一些产物，如氢离子(H+)，PCr抑制了上述过程。(3)细胞膜表面动作电位传播至肌质网引起钙离子(Ca2+)释放的变化，改变了兴奋收缩的偶联过程。以往的研究认为，大强度运动之所以会引起疲劳是与骨骼肌细胞中高能磷酸盐，即ATP和PCr的浓度过分降低有关。1988年柯克(COOKe)等发现ATP水解过程的产物与肌肉疲劳的发生有重要的联系，打破了以往只从高能磷酸盐贮量排空程度来推测发生疲劳的格局。当肌细胞发生疲劳时细胞中积聚着多种代谢产物，会对肌动球蛋白的相互作用产生潜在性的抑制作用，此外，一种酶促反应的终产物常会反馈性的对酶的活性产生抑制作用。肌动球蛋白相互作用就提供了一个很好的范例，当横桥循环时ATP和它的水解的3种直接产物ADP、pi和H+的变化都可以用核磁共振技术(NMR)或化学分析方法检测。发现在中等程度的疲劳时，ATP的浓度仍然变化不大，但所有3种水解后的产物浓度都增加了10倍左右。静息肌中ADP浓度约10μmol，疲劳时可增至200μmol以上，pi的浓度可由3mmol增至20mmol以上，H+浓度由0．1μmol增至约1μmol。这3种物质变化的幅度还取于肌肉的类型和疲劳程度。对去膜肌纤维进行实验性研究证明，肌动球蛋白的相互作用受到ATP水解后所产生的这3种代谢产物的影响，不同浓度的代谢物对肌纤维的张力、收缩速度和ATP酶的活性有不同程度的作用。最大强度运动至极度疲劳，肌肉中ATP的浓度下降约50%，这是否是引起疲劳的直接原因目前还有争议。有人认为这时ATP的浓度仍超过肌动球蛋白ATP酶的Km，不足以产生对正常收缩的抑制，疲劳是由ATP水解的产物所引起的。但也有人认为由于肌细胞中ATP分布区域化，某些部位如横桥、钠泵、钙泵附近ATP浓度可能低于其它部位，不能满足能量代谢所需要，仍然可能成为诱发疲劳的因素。大强度运动可使肌肉中PCr降至静息值的3%，有人发现肌肉中PCr的浓度从静息值每公斤湿肌20mmol降低50%就可能与疲劳的发生有关，因为PCr浓度显著降低削弱了防止ATP迅速降低的缓冲作用，另加速ATP浓度下降，ADP浓度升高。即使以有氧代谢为主的运动时PCr过低势必影响线粒体经氧化磷酸生成的ATP经过肌酸化生成的PCr经过肌酸磷酸肌酸穿梭转运到细胞浆中供收缩蛋白等部位使用，因此与疲劳生成也有一定的关系。有人认为在最大强度运动时产生疲劳的机制中PCr浓度降低比乳酸浓度升高更为重要。ADP是ATP的竞争抑制剂，ADP浓度升高会对ATP酶产生抑制使肌肉收缩的最大速度降低，产生的力量减少。最近还有报导ADP浓度升高可减慢肌纤维收缩期末肌动蛋白和肌球蛋白分离的速度，延长了肌肉舒张时间，因此必然会使肌肉重复收缩的速度下降，收缩效率降低。近几年来有不少人通过去膜肌纤维标本研究浸入溶液中pi对肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的影响，证明肌球蛋白(M)头与肌动蛋白结合时是生成力量最主要的阶段，并伴有pi的释放。pi的释放使肌纤维从弱结合状态A．M．ADP．pi转变成为强结合的A．M．ADP状态。分析横桥循环的模式发现，肌动蛋白和肌球蛋白从弱结合状态转变为强结合状态确实与释放无机磷酸盐偶联，等长张力下降与logpi成线性关系。本世纪70年代初一些学者认为能够抑制肌肉张力的无机磷酸盐只有以双质子形式存在的
，在1971年研究昆虫的飞行肌首次发现pi对肌肉张力的抑制作用，1972年这一结果在研究脊椎动物的肌肉时也得到证实，当pi的浓度从3mmol增加到20mmol时等张力降低30%，当H+浓度由100nmol／L升至316．2nmol／L时肌纤维张力进一步降低到只有原来的75%。后来的工作证明在H+浓度不同pi对肌纤维张力的抑制作用相似(另一部分作用由H+浓度上升直接引起)，排除了pi的作用必需通过H+浓度来调节。近几年的研究工作表明单质子形式存在的无机磷酸盐
是抑制肌纤维张力的因素，它直接来自ATP水解，
并不是具有活性的肌纤维张力的抑制剂。研究结果表明高浓高的pi可以使肌动球蛋白ATP酶活性降低15%左右，这也可能与pi可以抑制肌纤维收缩的速度和张力有一定的关系。活体肌肉大强度收缩至疲劳时，H+浓度从静息值100nmol／L升至316．2nmol／L。研究去膜肌纤维收缩张力与H+浓度的关系，发现当H+浓度从100nmol／L升至1000nmol／L时等长张力降低50%，最大收缩速度降低27%，ATP酶活性降低25%。H+可以与Ca2+竞争肌钙蛋白的结合位点从而减弱了Ca2+通过与肌钙蛋白结合激发肌肉收缩的原始驱动过程，也就是说肌细胞浆中同样浓度的Ca2+在H+浓度升高时激发肌肉收缩的力量不可能维持在原来的水平，这样势必与疲劳的发生有一定的联系。目前正对ATP水解的其他代谢产物如一磷酸腺苷(AMP)、次黄嘌呤核苷酸(IMP)、氨和肌酸等对肌肉收缩的作用的研究还有待深入。【参考文献】：1 Katg A，et al．J．Appl．Physiol，1986；60：1839～18422 Cooke R，et al．Human Kinetics Books Champaign．liinois，1988，7：59～723 Hultman E，et al．Human Kinetics Books Champaign liinois，1988，7：73～91许豪文．运动生物化学进展．上海：华东师范大学出版社，1990．3～19(华东师范大学许豪文教授撰)