间歇性无氧运动对SD雄性大鼠血清乳酸值和Ca2+浓度的影响

王燕军

运动性疲劳指机体在生理过程中不能继续在特定水平上进行或整个机体不能维持预定的运动强度[1]。探讨运动性疲劳的形成机制对提高运动员训练水平有着重要的意义。多项研究显示，细胞钙与运动性疲劳关系密切[2]；Ca2+代谢紊乱是引起运动性疲劳的重要原因。实验表明，不同强度的运动都能引起肌浆网结构的变化，特别是疲劳性运动后，肌浆网对Ca2+摄取能力明显下降，其中快、慢肌肌浆网的Ca2+-Mg2+-ATP酶活性均明显下降，而前者活性下降更为显著[3]。提高肌肉的Ca2+转运能力可通过运动训练来实现。短跑、间歇训练、力量训练后，白肌纤维对Ca2+摄取率会增加。其主要原因是训练提高了肌浆网的体积和数量，从而使肌浆网中蛋白含量增加[4—6]。也有研究显示，运动导致的血清乳酸值升高可抑制磷酸果糖酶活性，导致糖酵解的代谢过程减缓或中断，使Ca2+减少，从而导致疲劳。因此，探讨血清乳酸值和Ca2+浓度的影响可能用来解释运动性疲劳的形成机制。笔者通过对健康雄性SD大鼠施加间歇性无氧运动干预，然后通过测定血乳酸值和钙离子含量的方法，观察间歇性无氧运动对骨骼肌胞浆钙稳态的影响，旨在为完善运动性疲劳理论提供依据。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

健康雄性Sprague-Dawley大鼠，体重200±20g，鼠龄8周。由山西医科大学实验动物中心购得，饲料也由该中心提供；大鼠分笼饲养，自然光照，自由饮食；动物房内相对湿度为45%～60%，温度22±3℃。

将大鼠随机分组，每组九只。运动组(TG)分为长间歇运动组(LTG)和短间歇运动组(STG)，各组内根据取血时间不同又分为1h、24h、48h组，共计18只；对照组(CG)按照取血时间不同分为1h、24h、48h组，共计九只，对照组不参加运动。

1.2 运动方式

首先饲养大鼠两天使其适应，然后随机分为对照组和实验组。对实验组大鼠进行三天游泳训练使其适应，每次20min，每天一次；随后开始正式游泳训练，时长为10d，运动方式参照Kawanaka Kentaro 提出的方法，[7]适当加以改进[8，9]。

训练在160cm×160cm×160cm的玻璃缸中进行，静水深100cm，水温28±2℃。运动组在前三天，每天进行一次游泳运动，时间为上午九点开始，持续3h；第4d～10d每天进行两次游泳运动，时间是3h，其中短间歇组间隔时间为3h，长间歇组时间间隔为6h。

游泳训练中，当大鼠运动协调性下降、开始出现反复下沉时，取出大鼠让其休息3min后，然后继续，总时间不能少于3h。为防止大鼠漂浮，当大鼠浮在水面不动的时候，使用木棒驱赶使其始终保持运动状态；[10]对照组大鼠不参与游泳训练，但保持相同条件饲养，以便比较实验数据。

1.3 取样与分析

10d训练结束后，1h、24h、48h分别取样。用大鼠专用断头铡刀处死大鼠；用离心管收集血液，取血量为2mL。

然后静置30min，再以5 000r/min冻离心机离心15min，提取血清。采用半自动生化分析仪测定血乳酸值和钙离子含量。用Excel统计分析，t检验。

2 实验结果

2.1 运动对大鼠血乳酸水平的影响(见表1)

运动后的1h之内大鼠血乳酸值有升高的趋势。在1h末所测的血乳酸值，短间歇与对照相比有显著的差异性，而长间歇组则没有显著差异性；随着时间得延长，无论是短间歇还是长间歇组血乳酸值都有下降趋势；到24h，短间歇组相对与对照血乳酸值仍有显著性差异；在运动结束后48h末，这种显著性差异消失，各组别的血乳酸值没有显著性差异。

表1 运动对大鼠血乳酸水平影响(mmoL/L)

注：**与对照组相比P<0.01；*与对照组相比P<0.05，下同。

2.2 运动对大鼠血清总钙和游离钙的影响(见表2、表3)

运动后的1h之内大鼠血清总钙变化幅度不明显。在1h末所测的血清总钙，短间歇和长间歇组与对照相比均没有显著的差异性；随着时间得延长，无论是短间歇还是长间歇组血清总钙变化都不明显；到24h末，短间歇组相对于对照组血清总钙存在明显差异；在游泳训练结束后48h，该显著性差异仍然存在。

运动后的1h之内大鼠血清游离钙有下降的趋势。在1h末所测的血乳酸值，短间歇与对照相比有显著的差异性；而长间歇组则没有显著差异性。随着时间得延长，无论是短间歇还是长间歇组血乳酸值都有下降趋势；到24h末，短间歇组相对与对照组大鼠血清游离钙具有极显著性差异；在运动结束后48h末，短间歇组的这种显著性仍然存在，而长间歇组始终没有显著性差异。

表2 游泳训练对大鼠血清总钙水平影响(mmoL/L)

表3 运动对大鼠血清游离钙水平影响(mmoL/L)

3 讨论

大鼠先天具有一定的游泳能力，进行游泳训练时不会出现激烈的抵触。在本实验中，游泳池的水温适宜(27—29℃之间)，避免因低温而产生额外能量的消耗；游泳池的水深合适(静水深约为大鼠身长的两倍)，避免其将尾部支撑在游泳池底休息，影响运动负荷；游泳池的大小恰当(能自由游泳并不受其他动物的影响)。大鼠的运动方式[11]分为两个阶段进行：前3d为一次/天，每次3h；后七天为两次/天，每次3h。每次间隔按组别有所不同：短间歇组间隔3h，长间歇组间隔6h。整个实验过程中，大鼠每次运动后都基本达到力竭程度，使整个运动状态处于无氧运动。这样的两阶段运动负荷递增方式，能有效避免大鼠产生适应现象，确保无氧运动的效果。

3.1 血乳酸与运动疲劳的关系

19世纪末，Lanke首次发现乳酸是一种引起肌肉收缩力量下降的体内代谢物[12]。Meyerhof将离体肌肉放在咸性任格氏液中，发现肌肉的工作能力会明显提高[13]。后来研究进一步证实，运动时产生的乳酸积累使体内pH值下降，造成代谢性中毒，会影响体内酸碱平衡，从而直接或间接地引起肌肉机能下降[14—16]。因此，要保持较强的运动能力必须尽快消除乳酸。乳酸在血液中的产生率和清除速率之间的动态平衡决定了血乳酸浓度的大小。乳酸在血液中的产生率是由运动时肌肉无氧代谢强度决定的。而消除速率则取决于多种因素，如肝脏摄取乳酸并氧化成二氧化碳和水的速率，活动与不活动肌肉摄取乳酸的速率、心脏和其他组织摄取和利用乳酸的速率等。

运动性疲劳时，肌细胞膜调节机体代谢的方式有两种[17]：一种是细胞膜上的物质转运器转运葡萄糖和脂肪酸；一种是一些膜蛋白(如胰岛素和肾上腺素)可以生成第二信使，例如环磷酸腺苷、I型三磷酸肌醇和钙离子，这些分子具有肌细胞的代谢功能和调节物质转运器功能[18]。实验研究证实，剧烈运动时，乳酸转运器通过调节肌细胞的pH值[19]和糖的酵解速率，减少了乳酸的生成[20]，从而缓解肌肉疲劳。

本研究发现，运动组大鼠在十天递增负荷游泳运动后，短间歇大鼠1h血乳酸值达到最高水平，24h后恢复，但未能恢复到运动前水平。说明短间歇运动组的大鼠骨骼肌乳酸生成较多。这主要是短间歇运动乳酸恢复较慢，在体内的积累所致。武桂新等[21]在对大鼠进行了6d短时间、大强度、间歇运动实验研究后发现，大强度间歇运动组大鼠较空白安静组大鼠的血浆pH值显著降低、血乳酸含量显著升高。这与本实验短间歇运动组所得结果相互印证。短间歇运动后，机体内环境受到酸性物质的影响较大，而长间歇组的血乳酸值变化不明显。提示：长间歇的运动可能有助于运动中血乳酸的恢复。

3.2 血清总钙与运动疲劳的关系

肌肉组织中能够调节钙代谢的两个主要细胞器是肌浆网和线粒体。Tate 首次发现，大鼠力竭性运动后骨骼肌线粒体的钙含量明显增加；Pierce发现，实验组大鼠游泳运动后，心肌线粒体钙含量水平明显高于对照组[22]；田野发现，大鼠在一次性运动后线粒体的钙含量显著增大，24h后达到最大值，48h后钙含量才有所减少，但仍高于运动前水平。研究表明，运动引起的线粒体钙聚集会对机体产生长时间的影响，并不会因运动终止而立即恢复。运动中，胞浆钙离子浓度的增加使线粒体大量聚钙，导致自身的磷酸氧化过程受到抑制，ATP生成减少、含量下降，并导致细胞钙离子代谢紊乱，由此形成恶性循环。这可能是形成运动时机体机能下降和运动性疲劳的重要机制。[23]调节骨骼肌细胞钙离子浓度的另一重要细胞器是肌浆网。在安静状态，肌浆网膜内外的钙离子浓度差比较大，这种浓度差对骨骼肌收缩—舒张过程具有重要作用，而且肌浆网参与维持细胞内的钙离子稳定，可能与机体的运动机能密切相关。

大鼠急性跑台运动实验显示，诱发骨骼肌疲劳与SR功能下降密切相关。实验结果表明，大鼠运动后股四头肌的肌浆网Ca2+-Mg2+-ATP酶活性下降，肌浆网Ca2+-ATP酶水解活性也下降，从而使肌浆网Ca2+运转能力明显下降。由于ATP酶活性的下降，一方面使得SR摄取Ca2+能力下降，另一方面也使得SR肌肉在兴奋状态下不能再释放出Ca2+。在此情况下，胞浆Ca2+浓度明显升高，导致机体内肌肉蛋白质降解和代谢机能障碍，直接影响了肌肉的收缩—放松过程，使得肌肉收缩能力下降。[24，25]

本研究发现，运动组大鼠在十天递增负荷游泳运动后，1h之内大鼠血清总钙变化幅度不明显，在1h末所测的血清总钙，短间歇组和长间歇组与对照组相比均没有显著的差异性。说明间歇性无氧运动对骨骼肌细胞胞浆总钙的影响不明显，但均比对照组要低。这与田野等的研究有着一致性。田野等人的研究证实急性运动后血清总钙明显下降，而本实验中并未观察到这种现象。可能血清总钙的变化与运动强度和时间有关系，本实验的运动方式不足以使大鼠产生力竭。随着时间的延长，无论是短间歇组还是长间歇组血清总钙变化都不明显；到24h末，短间歇组相对于对照组血清总钙存在显著性差异。这表明，运动后钙离子浓度的变化存在一个时间段。在运动末的24h钙离子浓度的变化才比较明显。这与田野等人的研究是一致的。在运动结束后48h末，这种显著性差异仍未消失。短间歇组运动后，机体内环境受到酸性物质的影响较大，血清总钙离子的变化是相对较长的动态变化过程；长间歇组血清总钙的变化不明显，可能是运动的强度没有达到力竭的程度，也可能是间歇的延长使得钙离子的变化不明显。提示：长间歇的运动可能有助于运动中骨骼肌对钙离子的摄取，更有利于提高运动训练的效果。

3.3 血清游离钙与运动疲劳的关系

运动负荷在导致代谢功能变化的同时，会造成为人体提供生物氧化空间的线粒体形态改变，其体积增加，比表面缩小[26，27]。这种形态变化直接使其自身的氧化功能降低。从亚细胞水平分析，在运动过程中，细胞膜脂质氧化加强和线粒体钙聚积是造成线粒体氧化功能下降的原因。线粒体正常形态结构的维持和细胞钙代谢的调节均需要三磷酸腺苷提供能量，而在运动中三磷酸腺苷大量消耗，使细胞三磷酸腺苷含量下降。这不仅能够引起脂质过氧化加强和线粒体钙含量升高，而且会引发线粒体嵴断裂和肿胀，进一步抑制了线粒体的氧化磷酸化过程，并导致三磷酸腺苷生成减少以及运动性骨骼肌疲劳发生。此外，当过度运动，血浆游离脂肪酸过高时，肌细胞膜的钠泵(钠离子三磷酸腺苷酶)和肌质网的钙泵(钙离子三磷酸腺苷酶)功能会受到抑制，两种酶水解三磷酸腺苷的能力也会减小。这又影响到肌细胞膜动作电位的形成，使肌肉收缩、放松过程都会受到影响，形成运动性疲劳。[28，29]

本研究发现，运动后的1h之内大鼠血清游离钙有下降的趋势。在1h末所测的血乳酸值，短间歇组与对照组相比有显著的差异性，但无法确定血清游离钙的变化是血乳酸的变化直接造成的，还是血乳酸的变化间接引起血清游离钙变化；随着时间得延长，无论是短间歇组还是长间歇组血清游离钙都有下降趋势；到24h末，短间歇组相对于对照组大鼠血清游离钙具有极显著性差异(P<0.01)；到48h末，虽已经开始恢复，但仍低于正常安静值(P<0.05)。这两项指标的变化与运动后线粒体钙的变化相一致[3]。但长间歇组始终没有显著性差异，说明不同强度的运动形式，对于骨骼肌内血清游离钙的影响不同，对间歇运动的影响更大一些。提示：大强度运动后骨骼肌细胞线粒体钙增加可能导致血钙的下降。

4 总结

综上所述，急性大强度运动能促使大鼠体内酸性作用加强，pH值降低，破坏骨骼肌细胞胞浆Ca2+的平衡，使骨骼肌机能下降；中等强度长时间运动能导致线粒体钙超载，胞浆Ca2+聚积，肌浆网钙泵和线粒体活性降低，进而引发骨骼肌疲劳。因此，通过降低或延迟体内酸性物质的堆积，实现维持骨骼肌胞浆Ca2+的稳态，是延缓疲劳的主要方法；提高骨骼肌摄钙能力能有效促进骨骼肌疲劳后的恢复与再生，对运动和训练中疲劳恢复有很大帮助；线粒体钙超载可能是导致长时间运动骨骼肌机能下降的始动因素，应在运动和训练研究中有所加强；除此之外，采用哪些更加科学合理的方法对胞浆Ca2+进行测定，仍是体育训练学科亟待解决的问题。

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