2 文献综述

肌肉损伤在运动和工作中极为常见，最常见的是急性拉伤，发生于运动和工作中，临床表现为明显的疼痛及功能障碍。另一类肌肉损伤则通常在运动和工作中无明显的疼痛感，有时仅表现为肌肉僵硬或酸胀，但在运动和工作后出现延迟性肌肉酸痛。延迟性肌肉酸痛是肌肉疲劳的典型表现，然而，肌肉疲劳时，肌肉损伤的某些症状可以经常被观察到，例如肌肉酸胀、僵硬、肿胀，此时肌肉疲劳似乎与肌肉损伤伴随出现。对疲劳肌肉的活组织检查也提供了肌肉损伤的直接证据，如血清肌酸激酶和乳酸脱氢酶升高，血清中肌红蛋白检出阳性 [10]，以及可以检出肌肉内蛋白质的一些降解产物 [11]。显然，肌肉的疲劳有时伴有肌肉的损伤。依据Hough的观点[12]，出现延迟性肌肉酸痛不可单纯地认为是肌肉疲劳，而可能伴有损伤，即当代许多学者所提出的肌肉微损伤 [13]。Hough将肌肉酸痛分为两大类型，第一类为发生于肌肉活动时的肌肉酸痛，它与疲劳有密切关系；第二类肌肉酸痛一般出现于运动后并且持续较长时间，依据现代的研究此类肌肉酸痛与肌肉损伤关系密切。根据Hough的论述和已报道的有关研究，可以认为在某些状况下，如肌肉进行长时间工作，或进行不习惯的活动，肌肉的微损伤伴随着肌肉的疲劳，而且二者可能有互为因果的关系。从肌肉功能的角度来看，运动性肌肉疲劳表现为肌肉不能维持原有的功率输出，而肌肉的运动能力下降；从肌肉结构变化的角度来看，运动性肌肉疲劳可能存在着骨骼肌微细结构的损伤。因此本文就肌肉疲劳及与其关系密切的肌肉损伤的相关研究进行综述。

2.1 肌肉疲劳及肌肉损伤机理的研究概况

肌肉疲劳是指肌肉在经过一段时间的持续收缩或反复收缩后，不能继续保持运动所需或所预期的肌张力和肌肉收缩 [14]。此概念最早由Edward提出，现己得到普遍认同。有关肌肉疲劳机理的研究一直是肌肉生理学研究的重点。肌肉疲劳及损伤主要是由于骨骼肌负荷过大引起的。其中一种负荷是动态负荷，如身体某些部位频繁或快速地运动；另一种是静态负荷，如长时间保持某种姿势或体位。前者骨骼肌进行向心性或离心性的收缩，在运动医学领域以往研究较多；后者骨骼肌多进行静力性的等长收缩，以往研究较少。目前，有关运动导致肌肉疲劳及损伤（又称骨骼肌超微结构变化）的机理，学术界一直存在着不同的看法，可归纳为肌肉能量代谢紊乱学说、自由基学说、细胞内钙稳态失调学说和机械损伤学说等不同假说。

2.1.1肌细胞能量代谢紊乱学说

许多学者的研究表明肌肉收缩过程中，肌细胞内能量物质耗竭、代谢产物堆积等对肌纤维的功能及整块肌肉的工作能力均产生影响，是导致肌肉疲劳和损伤发生的重要原因。

2.1.1.1高能磷酸化合物与肌肉疲劳

骨骼肌收缩时，肌纤维的收缩蛋白—肌动蛋白和肌球蛋白在连接和分离的过程中要消耗能量，其能量来自三磷酸腺苷（ATP）分子的分解反应。在肌丝滑动过程中，ATP的作用模式如下 [15]：（图2-1）

肌肉利用ATP的部位和作用是：（1）肌球蛋白ATP酶消耗ATP，引起肌丝相对滑动和肌肉收缩做功；（2）肌浆网膜上钙泵（Ca2+—ATP酶）消耗ATP，转运Ca2+，调节肌肉松弛；（3）肌膜上钠泵（Na+，K+—ATP酶）消耗ATP，转运Na+/K+离子，调节膜电位。通常肌肉组织中保持足够的ATP含量。而上述任何一个过程被阻断都将引起肌肉疲劳 [16]。

肌细胞内ATP储量十分有限，但由于ATP在消耗的同时又不断再合成，使人体可利用的ATP总量非常大。ATP合成基本上是ATP水解过程的逆转：ADP十Pi十能量→ATP十H2O。肌细胞中可提供能量合成ATP的代谢系统包括下列三个供能系统，它们构成了运动肌能量供应系统。

（1）磷酸原供能系统：高能磷酸化合物如磷酸肌酸（CP）分解供能，可表示为：CP+ADP←→Cr+ATP。磷酸肌酸（CP）安静时其含量是ATP的3～4倍，在短时间、最大强度运动中起主导作用。当肌肉收缩、ATP耗竭时，CP可暂时补充高能磷酸根，再生ATP，使胞浆中的ATP迅速恢复。近年的研究表明，CP的生理功能不止于此。Bessman等 [17，18]提出CP能量往返机制，指出CP不仅参与磷酸原供能系统，还能作为能量的转递者，将线粒体有氧代谢所产生的能量输送到所需部位，积极参与有氧氧化功能，使ATP在利用部位水解后，就地重新合成，有效地保证了ATP水解与再合成紧密的耦联。

（2）糖酵解供能系统：糖无氧分解供能，可表示为：G+3ADP+3Pi→ 2LA+3ATP；

（3）有氧代谢供能系统：糖、脂肪、蛋白质有氧氧化供能，可表示为：

G+6O2+39ADP+39Pi→6CO2+6H2O+39ATP。

越来越多的研究表明，高能磷酸化合物在肌肉疲劳和损伤的发生过程中起着很大的作用。当肌肉由于长期处于收缩状态而导致ATP分解速率大于合成速率时，ADP、AMP、Pi和乳酸等代谢产物在体内大量堆积，导致pH值下降，肌肉酶活性及电解质浓度发生改变。Taylor[19]研究表明，ADP和Pi从肌动蛋白—肌球蛋白复合物（AM）的解离是不同步的，所产生的作用也不相同。Pi的解离是与AM复合物从低力结合态到高力结合态的转变相耦联的，其解离触发了储存在肌球蛋白横桥中的能量的释放，使横桥滑动，而肌球蛋白的头部和肌动蛋白的脱离首先需要ADP的解离，之后ATP与肌球蛋白分子结合，横桥断开，随后ATP被位于肌球蛋白头部的ATP酶分解。Cooke[20]等发现ADP可以抑制横桥脱离速度，表明ADP的解离发生在横桥循环的末期。另一方面肌肉持续收缩使局部血管受压，血供减少，细胞缺氧，而线粒体是细胞内对缺氧最敏感的细胞器，因此首先出现损伤，使能量生成进一步减少，长期影响可导致肌肉疲劳和肌肉结构的损伤。

2.1.1.1.1 ATP对Ca2+的释放及再摄取的影响

Nagessar[21]曾报道在肌肉疲劳产生早期，胞内ATP浓度基本保持不变。但当肌肉的磷酸肌酸储备耗竭，进入肌肉疲劳后期以后，ATP含量缓慢下降，而此时肌浆网释放Ca2+亦呈下降趋势。因此他提出ATP含量的下降可能使Ca2+通道开放受到影响，从而使Ca2+释放减少。Al1en等 [22]应用ATP的P3-1-（2-硝基苯基）乙基酯复合物对此进行了研究。上述复合物经紫外线照射可发生光分解产生ATP，他们将这种复合物注入到鼠骨骼肌中，使肌纤维经反复强直收缩出现疲劳后给以紫外线照射，发现随着胞内ATP含量增加，Ca2+释放及肌张力也随之增加，但肌浆网膜上Ca2+泵功能没有明显变化，作者认为三联管处的ATP含量比肌浆中的ATP含量低，这将抑制Ca2+的释放。Han[23]发现当胞浆内Ca2+浓度从100nM增加至10µM时，三联管处的ATP水解率显著增加，当肌肉处于强直收缩状态时，肌浆中的Ca2+浓度可达1µM，在三联管处浓度更高一些，所以胞内Ca2+浓度增加导致三联管处ATP消耗增加，ATP含量下降，抑制肌浆网Ca2+释放。此外，ATP含量下降也可使Ca2+-Mg2+-ATP酶活性明显降低，肌浆网摄取Ca2+减少。

ATP浓度下降与Ca2+释放减少有关的机制可能有以下几方面：

（1）肌浆网Ca2+通道的开放需要ATP。虽然ATP的分解产物ADP和AMP均可激活Ca2+通道，但它们的激活能力远远小于ATP的激活能力，所以ATP浓度的下降将减少肌浆网Ca2+通道的开放；

（2）ATP浓度的下降可使肌膜表面的K+通道被激活，并且减少动作电位的幅度和持续时间，减少Ca2+的释放；

（3）随着ATP浓度的下降，肌浆网摄取Ca2+的速率和数量均下降，导致Ca2+的释放减少。

2.1.1.1.2 ADP在肌肉疲劳发生中的作用

Eisenberg[24]等认为肌肉最大收缩速度受横桥与肌动蛋白脱离速度的影响。Siemankowski[25]等提出横桥解离的速度又受ADP从AM复合物上解离的控制。White[26]通过实验发现，ADP浓度在0.05mmol/L时即可抑制肌动—肌球蛋白的解离。Cooke和Pate[20]发现，当肌细胞内ADP浓度由静息时的大约20µmol/L升高到疲劳时的200µmol/L时，等长收缩力升高2%，肌肉最大缩短速度降低了约5%。他们认为由于ADP从AM复合物解离下来的反应是可逆的，所以ADP浓度升高可使该解离反应向反方向进行，从而使大量ADP仍结合在AM复合物上，使肌球蛋白无法与ATP结合，导致肌球蛋白与肌动蛋白的分离速度下降，表现为肌肉的最大收缩速度下降。这种变化在ATP浓度低、ADP浓度高时最为明显。但上述实验是在缺乏肌酸激酶、磷酸肌酸和糖酵解反应的情况下进行的，这些反应可以使ADP不断磷酸化而保持在较低的水平，所以ADP在肌肉疲劳时使肌肉最大收缩速度下降的作用只有在特定实验条件或长时间持续运动后才能表现出来，而且这种作用同肌纤维类型密切相关。

2.1.1.1.3 H+浓度升高在肌肉疲劳发生中的作用

目前普遍认为肌细胞内H+浓度升高是导致肌肉疲劳的一个重要因素。肌细胞内H+浓度升高与肌张力下降之间有很高的相关性。静息状态时肌细胞内pH值—般在6.9～7.33之间。在高强度运动导致肌肉出现疲劳时，肌细胞内pH值一般下降0.4～0.8个单位，可低至6.2左右。大量实验表明随着pH值从7.0降至6.2，肌张力可降低30%左右。在肌肉疲劳后的恢复期进行观察发现，肌张力的恢复同pH值的升高呈显著相关。但也有人认为在正常生理温度下，肌细胞内pH值降低对肌张力产生的直接抑制作用不是导致肌张力下降的主要原因。Westerblad[27]等发现随着温度从12℃上升至32℃，pH值下降对肌张力的抑制作用也随之减弱。22℃时肌张力下降约28%，肌肉最大收缩速度降低约20%， 32℃时肌张力只下降了10%，肌肉最大收缩速度则没有改变。但肌细胞内H+浓度升高使肌张力下降是肯定的，只是目前人们对其作用机制尚不十分明确。

Sue palmer[28]提出H+抑制肌张力产生的作用机制可能为：作为ATP水解产物，H+释放是在横桥循环中完成的，当H+浓度升高时，可能使其释放过程逆转。Kentish[29]认为横桥循环中H+的释放可能发生在AM·ADP·Pi处于低力结合状态时。Seow和Ford[30]的研究肯定了这一说法，认为H+确实作用于横桥低力结合状态，使其无法正常过渡到高力结合状态，从而直接抑制肌张力的产生。

有一些学者认为肌细胞内H+浓度升高而使Ca2+敏感性降低也是导致肌肉疲劳的重要原因。对各种类型肌纤维所作实验证实，胞内pH值从7.0降至6.2时，力-pCa曲线出现右移，表明肌纤维进行收缩所必需的游离Ca2+敏感性下降。Blanchard[31]等认为H+浓度升高降低了TnC与Ca2+的亲和力，抑制了Ca2+与TnC的结合。但有人发现pH值降低对TnC-Ca2+结合部位的亲和力并无影响。在上述研究中均存在一个问题，即所用实验材料是完整的肌原纤维或是经分离纯化的肌钙蛋白，这样所测定的Ca2+可能是总结合的Ca2+，包括与TnC上高亲和力位置结合的Ca2+，也包括与TnC上低亲和力Ca2+专一位置结合的Ca2+，还可能包括与肌原纤维的其他蛋白成分相结合的Ca2+，这样就很难判定pH值变化对TnC上Ca2+专一位置Ca2+亲和力的影响。为解决这个问题，Sue palmer等 [28]应用荧光探剂标记经分离提纯的TnC以观察pH值降低对TnC上Ca2+专一位置Ca2+亲和力的直接影响，发现Ca2+敏感性下降的部分原因是由于H+浓度的增高对TnC的直接抑制作用，作用机制可能是H+竞争性地与TnC上低亲和力的Ca2+专一位置（Ⅱ位）结合，抑制了Ⅱ位与Ca2+的结合。Ca2+敏感性下降的另外一部分原因是由于间接作用造成的。这些间接作用包括H+浓度升高使处于高能结合状态的肌动蛋白—肌球蛋白复合体数目减少以致降低了Ca2+与TnC的亲和力，同时影响其他的调节蛋白（TnT、TnI或TM）功能并最终使Ca2+敏感性降低。

2.1.1.1.4 无机磷酸在肌肉疲劳发生中的作用

肌肉收缩时，随着CP和ATP含量的下降，肌细胞内无机磷酸（Pi）的含量增高。肌细胞对Pi浓度增高的反应是将其通过线粒体膜上的载体蛋白转运到线粒体中，这种载体蛋白能够选择性转运HPO42-。但这一转运系统在肌内Pi大量生成时作用有限，故肌肉疲劳时胞内有大量Pi蓄积。由于横桥周期中Pi的解离是一个可逆反应，Pi浓度升高使Pi解离反应逆向进行，也使得肌动蛋白—肌球蛋白复合物无法从低力结合状态过渡到高力结合状态，从而显著降低肌纤维的最大肌张力（P0）。Pate等 [32]发现，等长肌张力的下降同Pi浓度的对数成线性关系，他们认为Pi和ATP之间的竞争可阻止肌动蛋白与肌球蛋白的解离从而导致收缩速度的下降，且Pi对收缩速度的影响只有在ATP含量较低时才比较明显。

有人提出Pi中的HPO42-是导致肌张力下降的主要因素。当肌浆的pH值近中性时，Pi主要以HPO4-和HPO42-两种形式存在。当pH值降低时， Pi主要以HPO42-形式存在。在用肌纤维所做实验中证实HPO42-浓度与肌张力存在明显的负相关关系。近来Nosek[33]等研究证实在快肌纤维（Ⅱ型纤维）中，HPO42-浓度与肌张力呈负相关，但在慢肌纤维（Ⅰ型纤维）中，两者间无相关关系。

一些研究发现 [34]，肌细胞内Pi的积聚不但可以降低最大肌张力，而且可明显降低细胞对钙离子的敏感性，表现为力-pCa关系曲线右移（pCa=-1g[Ca2+]，在不同的pCa值时，肌张力的变化曲线为力-pCa关系曲线）。因为在正常的肌肉收缩过程中，肌球蛋白与肌动蛋白结合可以增强Ca2+敏感性，据推测可能是通过一种蛋白质间的相互作用使肌钙蛋白的亚单位C（TnC）对Ca2+的亲和力升高所致，所以对Pi升高时Ca2+敏感性下降的一个可能的解释是Pi浓度升高使肌动蛋白—肌球蛋白复合体数目减少，导致Ca2+敏感性降低。也有人提出Pi可能作用于TnC，使其与Ca2+的亲和力下降。Sue palmer[28]通过应用荧光探剂IAANS和DANZ标记分离的TnC研究了Pi浓度升高对TnC上Ⅰ、Ⅱ位专一性结合部位与Ca2+的亲和性的影响，结果表明Pi浓度升高对TnC与Ca2+的亲和性无影响，由此认为Pi浓度升高引起的Ca2+敏感性降低同TnC无关，而可能与Pi浓度升高所导致的高力结合态的肌动蛋白—肌球蛋白复合体数目减少有关或同Pi与Ca2+的功能拮抗作用有关。

2.1.1.1.5“高能磷酸化合物含量变化导致肌肉疲劳”的疑点

研究疲劳时一个重要问题是细胞ATP含量是否降低到一个临界水平，以致于肌肉产生力量的能力和/或横桥的循环率受到损害 [35，36]。有研究发现，即使在高强度运动疲劳时，细胞内ATP也很少降低到运动前水平的70%以下，此时细胞内ATP浓度仍比肌纤维产生最大收缩力所需要的量高100多倍 [37]。Sahlin[38]和Dawson[39]等认为：ATP在未耗竭时即可限制肌肉活动，原因是ATP水解释放的自由能减少。胞浆中的自由能由下列公式计算：

G'=G0-RT ln[ATP]/[ADP][Pi]

随着疲劳的发展，由于ADP和Pi不断增加，即使ATP含量保持稳定，可利用的自由能也将下降。

有研究表明，ADP可以降低横桥循环的速率和肌张力 [40]。在等长收缩（15～60秒）和重复性强直收缩时，ATP水解率下降，并影响到肌张力的生成和收缩速度 [41，42，43，44，45，46]。

目前，有些学者认为肌肉疲劳至力竭与高能磷酸化合物的代谢并不相关 [47，48，49，50]。VΦllestad等 [47]发现：当伸膝肌以30%MVC（最大随意收缩运动）进行间歇性收缩活动时，在开始的30分钟内，最大肌张力逐渐下降至开始的50%，而CP、Pi和H+都几乎保持不变，因此认为由重复性等长收缩所致的疲劳可能是由于兴奋—收缩耦联受阻所致，而与其底物和代谢改变无关。Sahlin等 [48]研究也发现：肌肉力竭时底物浓度改变并不明显，CP水平仍大约是对照组的50%。Saugen[40]等在相似的研究中发现：在接近力竭时，肌肉产生肌张力的能力和代谢产物水平都没有发生很大的改变，接近力竭的研究对象仍可继续运动15～20分钟而保持ATP不下降。相反，在运动开始的最初几分钟里，CP呈现较快速的下降。这一结果表明肌肉力竭与高能磷酸化合物的代谢并不相关。VΦllestad等 [47]发现：在肌肉近于力竭时，肌糖原分解率和肌乳酸都明显升高，表明肌肉糖酵解和无氧呼吸作用加强，释放能量以满足ATP需求。Saugen、VΦllestad和Sahlin [40，47，48]等发现：尽管在30%MVC重复性等长收缩中ATP需求增加了两倍，但能量代谢率仍远远低于股四头肌的有氧代谢能力。洪平等[51]使大鼠进行不同强度跑台运动至力竭，发现在54m/min～66 m/min高强度范围内ATP含量较42m/min组显著性增加，并且较安静水平略有上升。这些结果均对肌肉力竭时存在“能量危机”的观点提出疑问。

2.1.1.2 肌糖原（muscle glycogen）与肌肉疲劳

很多研究均发现肌肉疲劳发生的同时伴随着肌糖原的耗竭。而肌糖原的利用率取决于运动强度。当运动负荷从25%VO2max上升到100%VO2max时，糖原利用率从0.3上升到3.4个葡萄糖单位/Kg.min。当运动负荷小于60%VO2max时，由于此时游离脂肪酸作为主要的供能底物，肌糖原维持在较高的水平 [45]。因此，当运动强度较低、维持时间较长时所导致的疲劳不能归因于糖原的大量降低。虽然当运动负荷大于90%VO2max时，肌糖原迅速分解供能，但在肌糖原仍维持在较高水平时即可发生疲劳 [52]。当负荷量在65～85%VO2max时，肌肉疲劳与肌糖原大量减少高度相关 [52]。Bergstrom等 [53]认为：在从中等到大负荷运动的过程中，肌糖原不仅是主要的能量来源，而且是必不可少的底物，因此它的大量减少将引起疲劳。这一假说也被Saltin等 [52]的研究所证实。Saltin等研究了10名参加30公里跑的研究对象（实验组给予高碳水化合物饮食）后发现：高碳水化合物饮食可以增加静息肌糖原含量，并与运动持续时间的延长有关。他们注意到：当股四头肌中糖原含量降低到3～5g/Kg肌肉湿重时，所有研究对象的跑速均降低。他们还发现：有规律的耐力训练可以降低肌糖原的耗竭率，延迟疲劳的发生。Fitts等 [54]也发现：训练大鼠的糖原利用减少和耐力增强现象与肌肉氧化呼吸能力提高高度相关。

由以上研究结果可以推想：维持65～90%VO2max的长时间训练需要保持一定水平的碳水化合物的氧化代谢。随着肌糖原的耗竭和胞浆低糖的发生发展，碳水化合物的氧化代谢低于所需的阈值时，可导致肌肉疲劳，无法继续工作。糖类氧化对疲劳起到抑制作用的确切机理尚不十分清楚。一种可能性是：在肌肉、肝脏糖原耗竭和低血糖发生后，肌纤维必需依靠游离脂肪酸（FFA）的摄取和氧化来获得收缩所需的能量。FFA从胞浆转运到线粒体将引起组织摄氧量的降低和细胞能量供应的下降。消耗同量氧时，从脂肪氧化得到的能量比从糖类氧化得到的能量少，但这种差别并不显著，因而不能解释与长时间训练有关的完全耗竭。另一种可能性是：NADH的最大氧化和电子传递或脂肪氧化的维持均需一定水平的糖类氧化。如果糖类氧化不足，三羧酸循环中的中介物也将不足。Sahlin等 [55]和Spencer等 [56]的研究结果支持这种可能性。Sahlin等发现三羧酸循环中的中介物总量在循环运动达疲劳的过程中先升高后降低，Spencer等发现给予糖类物质可减少中介物的降低，但没有证据表明中介物的降低限制了组织的氧化代谢。

但也有报道认为在长时间训练中肌糖原耗竭、低血糖及糖类氧化的降低并不是导致疲劳的全部因素。Coyle等 [57，58]研究发现：补充糖类的实验组运动时间比对照组长一个小时，即使血糖水平和糖类氧化率保持在正常水平依旧发生疲劳。此外，如果糖原耗竭通过减少能量生成而直接引发疲劳，则细胞ATP含量应下降，但通常事实并非如此。糖原耗竭引起疲劳可能是通过一个不依赖它在能量生成中的角色的机制。比如，糖原耗竭可能诱发肌浆网的功能性改变或激活溶酶体酶，进而对收缩功能产生消极影响。因此糖原耗竭与疲劳发生有关，但不是引起疲劳的全部原因，在这种情况下，其它因素，如细胞器结构的改变将参与疲劳的发生 [59，60]。

综上所述，关于肌细胞能量代谢紊乱导致肌肉疲劳和损伤这一假说有许多不确定的方面，还有待进一步研究。

2.1.2肌细胞内钙稳态失调学说

钙广泛地存在于人体细胞和体液之中，胞内游离钙不仅是肌肉收缩舒张的偶联因子，而且由生理性刺激而引发的胞内游离钙的变化还可启动一系列生物学反应 [61]。近年来的研究表明 [62，63，64，65]，肌细胞内钙稳态失调是导致肌肉疲劳和损伤的重要原因之一。

2.1.2.1细胞内钙的代谢调节机制及生理作用

钙在体内广泛分布，约99%以上分布于骨骼中，其余约1%分布于血液、小肠液和细胞内液中。钙的细胞内外梯度大于任何离子。静息时，胞内钙含量极微，约为10-5～10-7M，而细胞外液钙含量高达10-2～10-3M[61]。

细胞内总钙由结合的和自由的钙组成，后者大部分是离子状态的Ca2+，结合Ca2+主要在糖、蛋白质、磷脂、磷酸、磷酸脂的阴离子部位。经过测量各种细胞类型的平均钙浓度，细胞内总钙浓度约为1.5mmol/L。细胞质中自由钙离子浓度不超过0.01%（大约100umol/L）。对于静止细胞， 40%～60%被贮存在线粒体中，以离子形式或结合成为碳酸、磷酸盐沉淀的形式，约有20%在内质网中，其它的有的在分泌中积累，有的在核内，有的结合到胞质内大分子上 [66]。

处于静息状态的肌细胞质中Ca2+的浓度极低，大约为0.1微克分子（10-7克分子）[67]，其中结合钙占0.5%，游离钙约占0.005%，细胞核大约占50%，线粒体占30%，肌浆网占14%，细胞膜（主要在外层）占5%。由于肌浆网和线粒体中含钙量比细胞质高出几百倍，因此常把这两种亚细胞结构视为细胞内钙库。骨骼肌收缩时所需要的游离钙大部分由肌浆网释放到细胞质中，所以肌浆网对调节骨骼肌的收缩机能有着特殊的重要性。

2.1.2.1.1细胞外Ca2+内流入胞质的机制

在电兴奋细胞中，细胞外Ca2+主要是通过电压依赖性Ca2+通道（VDCC）而内流的，当肌细胞膜去极化时，Ca2+通过镶嵌在脂双层中的蛋白质形成的通道被动运转进人细胞，引起瞬时Ca2+内流，减少电化学梯度。VDCC有开放、失活、关闭三种状态，主要通过跨膜电压变化来控制通道功能，其电压敏感性受诸如通道磷酸化、通道与G蛋白或化合物如二氢吡啶类（DHPs）结合等因素调节，增加细胞外K+浓度使膜去极化而开放VDCC。

VDCC的激活由如环核苷酸、脂类衍生物或Ca2+本身等介质所调节，这些介质或者使Ca2+通道由静息状态变为活化状态，或者在接受兴奋性电刺激后调整Ca2+通道的活性 [68]。细胞膜去极化时，通过特殊电压感受区域S4而引起Ca2+通道构型发生变化，引起跨膜Ca2+内流。骨骼肌细胞膜上钙通道作用至今尚未完全明了，一般认为在骨骼肌兴奋收缩偶联过程中细胞外液Ca2+内流的作用不大。

2.1.2.1.2肌细胞内Ca2+转运机制

由于肌细胞内钙主要以结合形式存在，故只有肌浆网和线粒体对细胞质Ca2+浓度的调节有重要作用。

2.1.2.1.2.1肌浆网（SR）

骨骼肌肌浆网摄取Ca2+主要通过肌浆网膜Ca2+-ATP酶水解ATP释放能量来主动摄取。它释放Ca2+主要是通过Ca2+通道。SR Ca2+通道蛋白镶嵌在靠近T管的SR终末池的脂质中，一部分氨基酸片断突出于T管和SR之间形成“足结构”（foot structure），信号传递及Ca2+释放仅在此进行。Ca2+通道蛋白又被称为ryanodine受体，现在人们己一致同意 ryanodine受体、足结构和Ca2+通道蛋白是同义词 [69，70]。

人们对ryanodine受体系统（RyR）的研究认为：RyR为跨膜蛋白，其C末端四叶式结构形成钙离子通道，游离于胞质中的N末端上有Ca2+结合位点。当电压控制性钙通道开放，少量钙内流，Ca2+与 RyR上的位点结合，而触发SR释放Ca2+。这种Ca2+诱发Ca2+释放（DICR）的正反馈是RyR系统触发Ca2+释放的特征。

RyR系统释放Ca2+的调节过程是：细胞外某种信号（如激素、化学物质等）引起一氧化氮（NO）合成，NO激活鸟苷环化酶，生成环鸟苷一磷酸（cGMP），从而激活cGMP依赖性蛋白激酶，进而使腺苷二磷酸核糖（ADPR）环化酶磷酸化使其激活，增加环腺苷二磷酸核糖（cADPR）的合成，cADPR直接作用于RyR或通过目前尚不清楚的途径如通过钙调蛋白影响RyR，在二价阳离子如Ca2+的参与下，触发CICR机制，引起SR中贮钙的释放。在此系统中，cADPR无疑是关键物质，但目前对cADPR合成与降解的调节还不十分清楚。

2.1.2.1.2.2 线粒体

正常细胞中大约有50%Ca2+贮存在线粒体中，在适宜的条件下线粒体能摄取、释放大量 Ca2+，作为调节细胞质Ca2+浓度的缓冲结构发挥作用。当细胞处于静息状态时，细胞质中Ca2+浓度大约为 0.1nmol/L，这时线粒体对Ca2+的摄取和释放量之间达到动态平衡的相对稳定状态。线粒体依靠耗能的内流机制摄取Ca2+，即依靠Ca2+-ATP酶水解ATP释放能量，通过Ca2+单向转运体（uniporter）将Ca2+转运入线粒体。在心肌细胞质中Ca2+浓度升高到大于某一阈值时可以发现线粒体发生快速摄取直到建立新的稳态平衡。骨骼肌细胞线粒体未发现有Ca2+快速摄取的阈值，可能在静息状态的胞质Ca2+的生理浓度超过了其阈值。当细胞质Ca2+浓度低于平衡点就发生线粒体释放Ca2+，但其速度相对比摄取速度要慢[67]。

线粒体释放Ca2+是通过Na+依赖性Ca2+释放、非Na+依赖性Ca2+释放以及线粒体可通透性转换（Permeability transition）来进行。Na+依赖性Ca2+释放是指线粒体内的Ca2+与胞质的Na+以Ca2+/nNa+（n≥2）的方式进行交换，Ca2+外流进入胞质，Na+则进入线粒体内。Na+不依赖性Ca2+释放的实质是一种Ca2+/nH+（n≥2）交换转运。所有组织均具有Na+依赖性与Na+不依赖性Ca2+释放两条途径，但存在一定的组织差异性，肌组织以前者为主。这两条Ca2+释放途径均需消耗能量，曾经一度认为Na+、H+的电化学梯度是其唯一能量来源，但目前研究表明这一过程还必须由ATP水解供能，可能是一个主动转运过程。线粒体可通透性转换的实质是一种通道复合体，由腺苷转运酶（ANT）和线粒体基质中的亲和素D（CyP-D）构成。

2.1.2.1.3细胞排出细胞质内Ca2+的机制

组织细胞从细胞质中排出Ca2+的过程，均依靠Ca2+-ATPase（钙泵）和Na+/Ca2+交换体系。

2.1.2.1.3.l Ca2+-ATPase

质膜、肌浆网、线粒体膜、核外膜上均存在Ca2+-ATPase。Ca2+-ATPase水解ATP与转运Ca2+是紧密偶联的。Ca2+-ATPase有两种状态；E1态（Ca2+高亲和态），E2态（Ca2+低亲和态）。SR囊泡外的2个Ca2+结合在E1态酶上（Kd为0.2～2umol/L）产生稳定的构象，促进与ATP的结合，使蛋白的ASp残基磷酸化，形成磷酸化中间产物，同时发生Ca2+从膜外侧向内侧移位，随着酶与Ca2+亲和力降低，导致Ca2+释放到囊泡中，在Mg2+参与下，膜内侧酶磷酸化的中间产物水解，形成Mg2+•E2，它又可与囊泡外的Ca2+结合，恢复E1态 [71]。膜钙泵活性的调控与钙调素（CaM）、Ca2+浓度有关。

2.1.2.1.3.2 Na+/Ca2+交换体系

质膜Ca2+-ATPase是一种具有高亲和力的Ca2+泵，它对细胞内的Ca2+哪怕是很微小的增长也会作出反应，如果Ca2+浓度变化很大，那么质膜中另一种去除Ca2+的系统—Na+/Ca2+交换体系也会得到活化。这种转运蛋白在兴奋细胞—神经细胞和肌肉细胞中尤其丰富。Na+/Ca2+交换体系是从Na+的化学梯度中获取能量以使Ca2+排出细胞，因此Na+/Ca2+交换体系依赖于Na+-K+-ATPase维持的跨膜Na+梯度，化学计量关系为3Na+∶1Ca2+，这种电荷的不平衡，使得运转过程有了能量，此能量表现为膜电位，即兴奋性细胞膜两边的电压梯度。处于静止状态的细胞膜内具有电势为90mV的负电荷，实际转运过程使得电荷移进细胞内，这样，化学梯度和电位梯度都驱使着交换系统的运转。在细胞内 Ca2+浓度相当高时，Na+/Ca2+交换系统效率很高。目前已经证实交换系统主要用于受刺激时从兴奋性细胞中除去大量的钙 [72，73]。

综上所述，细胞质中松驰结合和自由状态的Ca2+浓度的变化调节细胞许多基本生理功能，这是基于Ca2+在胞外、细胞质及某些细胞器中不均衡分布条件下进行的。通过质膜和内源性细胞器（尤其是肌浆网、线粒体）调控Ca2+的转运，对维持胞质Ca2+浓度极低的衡稳态起重要意义，对维持正常细胞生理功能有重要意义。

2.1.2.2钙代谢在肌肉疲劳和损伤中的作用

许多研究证实，肌细胞Ca2+代谢异常会直接影响肌肉的收缩活动和代谢机能。从理论上讲，剧烈运动时，胞浆Ca2+浓度会应激性增加，引起各种生理反应，使与Ca2+调节机能有关的亚细胞器发生机能变化。业已发现，运动后一些亚细胞结构（主要为肌浆网和线粒体）的摄钙能力和钙含量发生变化，而且亚细胞器的代谢异常会直接影响机体的运动机能，严重的会导致肌肉疲劳和损伤。田野 [74，75]认为Ca2+在运动性肌肉疲劳产生过程中起着重要的作用，可能是其产生的一个中枢机制。

2.1.2.2.1肌肉疲劳和损伤中肌浆网钙代谢的变化

肌质网（SR）是骨骼肌调节细胞Ca2+浓度的最重要的细胞器之一，也是骨骼肌细胞重要的钙储存库。在肌肉兴奋—收缩偶联过程中起关键作用。静息时胞浆内游离Ca2+浓度较低，肌肉处于松驰状态；肌肉兴奋时，肌质网释放Ca2+，通过一系列反应引起肌纤维收缩；兴奋停止后，肌质网通过钙泵消耗能量，将Ca2+重新摄入肌质网。机体在运动过程中，由于代谢物的不断堆积以及自由基等物质的产生，使肌质网Ca2+调节能力下降，同时，肌质网的结构成分和完整性也受到破坏。

2.1.2.2.1.1肌浆网结构成分的变化

Byrd等 [76]以马为实验对象，研究高强度力竭运动对肌浆网功能的影响，结果发现运动后即刻臀肌肌浆网Ca2+-Mg2+-ATP酶、Mg2+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性均有不同程度的下降。田野 [75]的研究结果表明，大鼠力竭运动后股四头肌肌浆网上述3种酶的活性也均有不同程度的下降。李洁 [77]以18m/min的速度令大鼠运动100min为耐力性运动模型，观察到腓肠肌和比目鱼肌肌浆网Ca2+-ATP酶活性都比对照组有显著性下降。Yasuda等 [78]观察了大鼠在中等强度和高强度两种运动负荷情况下比目鱼肌的肌浆网Ca2+-ATP酶的变化，结果显示两种负荷运动后即刻肌浆网Ca2+-ATP酶的活性均显著性下降（下降约20%）。但也有运动后ATP酶活性上升或未变的报道，这可能是所采取的运动方式及所引起的疲劳程度不同所致 [79]。

2.1.2.2.1.2肌浆网功能的变化

从钙的角度来说，肌浆网的功能包括在Ca2+-ATP酶的作用下将Ca2+逆浓度梯度转运入肌浆网内和在钙通道的作用下将Ca2+释放到胞浆这两个方面。因此，运动性肌肉疲劳状态下肌浆网功能的下降，可能这两方面的功能都有所下降。

Byrd等 [76]报道，马在一次性高强度运动后，骨骼肌肌质网摄取Ca2+的能力下降50%。Hashimoto等 [80]在大鼠力竭运动后提取腓肠肌和比目鱼肌的肌质网，发现肌质网的钙摄取能力分别为静息时的72%和35%，而且运动时间越长，肌质网功能下降越明显，这可能是肌质网纵管系统Ca2+-ATP酶活性下降的缘故。李洁 [77]报道，大鼠力竭运动后腓肠肌和比目鱼肌的Ca2+转运初始速率分别下降47.94%和11.19%，而最大Ca2+转运速率分别下降51.78%和10.14%。Tate[81]也发现大鼠力竭性运动后骨骼肌肌质网摄钙能力的下降。这些实验结果表明，肌质网（SR）摄取Ca2+的能力下降，造成胞浆Ca2+平衡紊乱可能是骨骼肌收缩力量下降的重要原因之一。但Bonner[82]让鼠在跑台上进行大强度运动（坡度为10%），8分钟后力竭，SR摄钙能力未发生显著性变化。以上研究结果的不同可能与运动强度、运动时间和动物种类有关。

以往对肌浆网功能下降的研究主要集中在其摄钙能力的下降，而有关运动对肌浆网钙释放能力变化的报道并不多见。大量的体外实验研究表明，运动还可以导致肌质网Ca2+释放功能的下降 [83，84，85]。Favero等 [83]曾报道大鼠在长时间持续跑台运动后肌浆网的Ca2+释放能力在硝酸银的激活下有20-30%的降低，他们还证实乳酸能阻止钙或/和咖啡因、H2O2激活的Ca2+释放。Terence等 [85]认为有两种理论可以解释外周的运动性肌肉疲劳：一是通过影响收缩蛋白的代谢从而降低肌肉收缩力量的产生；二是肌浆网Ca2+释放能力的降低。由此可见，在运动性疲劳产生时，由于钙摄取能力及钙释放通道功能的下降，从而在整体上导致钙代谢功能的下降。但迄今研究多局限于离体实验，有关整体实验的研究结果报道甚少。

有关肌肉疲劳和损伤时肌浆网钙调节功能改变的原因还不清楚，目前有以下几种解释：（1）能源物质的减少。一些研究认为，ATP浓度的下降可以使肌浆网Ca2+释放和摄取能力下降，糖原耗竭可能诱发肌浆网的功能性改变或激活溶酶体酶。（2）离子浓度的改变。许多研究发现细胞内游离Ca2+的升高可以激活肌肉的许多第二信使通道，后者可以破坏T管膜二氢吡啶（dihydropyridine）受体与肌浆网ryanodine受体之间的偶联，导致肌浆网Ca2+释放能力的下降；Mg2+可以与Ca2+竞争肌浆网Ca2+释放通道的活性位点，干扰开放Ca2+释放通道的电压感受器，引起肌浆网Ca2+释放能力下降；当机体处于疲劳状态时，动作电位使细胞膜外的K+和胞膜内的Na+骤然增多，最终导致动作电位的降低，从而限制肌浆网的Ca2+释放。（3）肌肉pH值的下降。乳酸既可以抑制肌浆网的Ca2+释放，降低ryanodine与其受体的结合，也可以通过关闭被通道激活剂激活的Ca2+释放通道来抑制ryanodine与其受体的结合，从而影响肌浆网的功能。（4）肌细胞中氧自由基的增加等。氧自由基可以导致ryanodine与其受体结合能力的逐步丧失和高分子蛋白的降解，可以导致Ca2+释放通道开放的可能性增加，最终导致通道功能的不可逆丧失。

肌浆网是骨骼肌细胞中重要的Ca2+调节器，它在肌肉疲劳和损伤的发生发展过程中起着重要作用。长时间运动所致的肌浆网功能下降可能不是单一因素作用的结果，而是多种因素相互作用的结果。肌肉疲劳和损伤过程中可能还有其它一些因素可以影响肌浆网的Ca2+调节功能，但目前还不清楚，有待进一步的研究。

2.1.2.2.2肌肉疲劳和损伤中线粒体钙代谢的变化

线粒体不仅具有摄取、释放Ca2+以调节胞浆Ca2+浓度的作用，被视为细胞内的钙库，而且其基质Ca2+浓度也直接影响线粒体的氧化磷酸化功能。有人认为线粒体ATP生成较直接的调控因素是肌细胞内Ca2+水平[86]。当肌细胞内Ca2+的浓度增加时，线粒体就会摄取Ca2+，使线粒体基质Ca2+浓度升高，进而激活线粒体内的Ca2+敏感酶使NADH增加，ATP生成增加 [87]。生理状态下肌细胞线粒体内保持钙摄取和释放的动态平衡，但是当运动强度过大、持续时间过长时，线粒体内Ca2+调节就会失去平衡，从而引发线粒体ATP生成的障碍，引起肌肉疲劳甚至肌肉损伤。

2.1.2.2.2.1线粒体膜结构成分的变化

运动性疲劳状态下肌细胞内自由基增多及其引发的脂质过氧化对线粒体膜结构的破坏有密切关系。力竭运动后机体自由基生成增加，线粒体脂质过氧化反应增强已有众多文献报道。丁树哲等 [88]以耗竭跑步和耗竭游泳的大鼠为急性运动实验模型，结果表明：耗竭跑步和耗竭游泳的大鼠心肌线粒体过氧化脂质水平显著高于安静组。张勇等 [89]对大鼠进行三级递增负荷跑台运动至力竭的研究，发现大鼠运动耗竭即刻心肌线粒体MDA含量较安静组有显著性增高，骨骼肌线粒体MDA较安静组增高。田野等 [90]的实验采用大鼠持续性下坡跑运动，运动后即刻骨骼肌线粒体MDA值安静组、24h后组有明显增加。即运动引发了脂质过氧化反应。自由基及其引发的不饱和脂肪酸的脂质过氧化的启动直接影响膜结构，并导致某些膜的物理特性改变如膜流动性下降，膜脆性增加，通透性改变。

线粒体钙超载（Ca2+ overload）对线粒体膜的损伤也是运动性疲劳状态下一个不可忽视的现象。线粒体钙超载可激活磷脂酶A2（PLA2），使膜脂降解。其产物游离脂肪酸及溶血磷脂又会产生类似去垢剂样作用，从而使线粒体内膜通透性改变。

丁树哲等 [91]采用荧光探剂DPH标记心肌线粒体膜，发现耗竭跑步组和耗竭游泳组与安静组相比心肌线粒体体膜流动性减小，急性运动后即刻心肌线粒体在反应体系中含有Ca2+、Mg2+的条件下，其Ca2+-ATPase活性比安静组有显著性增加。张勇等 [92]采用递增负荷力竭性运动模型，观察了SD大鼠急性运动至力竭后心肌和骨骼肌线粒体内膜流动性的变化，发现心肌和骨骼肌线粒体内膜荧光偏振值和微粘度均较安静时增高，即内膜流动性显著降低，但心肌和骨骼肌线粒体内膜ATPase活性较安静时都有显著性降低，其结果与丁树哲等的正好相反。这可能是由于前者为耐力运动，所测得的是线粒体膜Ca2+-ATPase的活性，而后者为急性运动，所测得的是线粒体内膜总体ATPase活性。类似不一致的结果Green[93]也有报导：有人认为运动后酶活性没有改变（Chin &Green.1996），有人认为活性降低（Gyrd.1989），也有人认为活性升高（Green.1996）。这些研究结果的不同可能与运动方式、运动强度和运动时间及所引起的疲劳程度不同有关。

2.1.2.2.2.2 线粒体内Ca2+浓度的变化

有关力竭性运动对线粒体内Ca2+浓度影响的报道较多。许多实验表明，在力竭运动后肌细胞线粒体内钙总量显著增加。Tate[94]让大鼠进行力竭性跑台运动，发现运动后骨骼肌线粒体钙含量增加132%。Pierce[95]以线粒体磷酸盐含量为指标观察运动对线粒体摄Ca2+及结合Ca2+能力的影响，发现连续三次力竭性运动后心肌线粒体钙含量较安静值显著增加。Duan[96]在大鼠下坡跑后即刻和运动后48小时测定腓肠肌和股中肌线粒体钙含量，发现运动后即刻两块肌肉的线粒体钙含量较安静时有显著性增加，48小时后这种变化更加明显。田野等 [97]连续观察大鼠力竭运动（200min）后线粒体钙含量的变化，结果发现：运动后即刻线粒体钙含量较运动前安静时有显著性增加，运动后24h达整个变化过程中的峰值，运动后48h已有明显恢复。

近年来一些实验表明，在力竭运动后肌细胞线粒体内游离Ca2+浓度下降。王文信等 [98]以力竭性游泳（220±30min）的大鼠为长时间运动疲劳的模型，观察到心肌线粒体基质游离钙的平均浓度下降。张均等[99]观察了大鼠游泳90min运动后、耗竭运动（504±191h）后即刻以及耗竭运动24h后心肌游离钙含量的变化，其结果显示耗竭即刻组最低， 90min组和安静组次之，24h恢复组最高。即运动性疲劳发生时，线粒体游离Ca2+浓度降低。

运动性疲劳发生时，线粒体游离Ca2+浓度下降可从以下三方面进行解释：首先，疲劳时线粒体Ca2+摄取减少。连克杰等 [87]研究了线粒体内Ca2+浓度净增加量，发现力竭性游泳后心肌线粒体Ca2+摄取能力下降，并认为此时心肌线粒体对胞浆Ca2+浓度变化的敏感性下降。其次，疲劳时线粒体Ca2+释放增加。丁树哲等 [100]观察到大鼠心肌线粒体总钙量积累增加，非特异性钙释放增加。第三，疲劳时线粒体无机磷（Pi）增加，即结合钙增加。Oviause等（1984）研究认为当β-氧化加速时，线粒体基质Pi浓度增加，与游离钙生成磷酸钙，使线粒体游离钙浓度下降 [99]。

2.1.2.2.2.3 线粒体功能的变化

运动过程中骨骼肌收缩机能下降，运动性疲劳的产生均与细胞呼吸水平下降、ATP生成减少有关，而机体生成ATP的主要场所是线粒体，因此疲劳状态下线粒体氧化代谢能力应该有所下降。田野等 [101]认为线粒体钙聚积在缓解胞浆Ca2+浓度升高、延缓疲劳出现的同时，又通过抑制线粒体本身的氧化磷酸化过程，降低呼吸水平，减少ATP生成。ATP生成减少，使得线粒体肿胀、嵴断裂；而线粒体形态的改变进一步抑制自身的氧化磷酸化过程，加剧离子代谢紊乱，形成“恶性循环”[102]。张勇等 [103]认为线粒体氧化磷酸偶联程度降低，线粒体功能受损，有五方面的原因：线粒体质子漏增加、线粒体呼吸链电子传递与质子泵出脱偶联、H+-ATPase合成活力下降、钙离子无效循环、游离脂肪酸的解偶联作用。

运动性肌肉疲劳状态下线粒体功能的另一方面改变表现在线粒体离子代谢功能的下降，尤其是钙调节能力的下降。线粒体钙调节能力下降主要表现为线粒体对胞浆Ca2+浓度变化的敏感性下降，即摄钙减少。连克杰等 [87]证实力竭性游泳组和对照组心肌线粒体游离Ca2+均随胞浆Ca2+浓度的增加而增加，表现为主动摄钙，但力竭性游泳组心肌线粒体内游离Ca2+的增加低于对照组，提示力竭性游泳后心肌线粒体对胞浆Ca2+浓度变化的敏感性下降。田野等 [102]认为线粒体钙调节能力的下降与胞浆Mg2+浓度下降有关。

2.1.2.2.3 胞浆Ca2+代谢异常对肌肉超微结构的影响

近年来，在肌肉疾病和肌肉损伤模型的大量研究 [103，104，105]表明，胞浆Ca2+的不可逆增加是导致肌肉损伤（包括骨骼肌和心肌）的原因之一。Duan[96]等报道，大鼠下坡跑后骨骼肌胞浆钙含量与肌细胞的损伤呈显著相关，在给大鼠喂食或腹腔注射钙螯合剂EDTA和EGTA后，胞浆钙含量明显降低，同时肌细胞损伤减轻。Baracos[106]和陈英杰 [107]等的研究也表明类似的结果。

目前普遍认为，肌细胞损伤时胞浆钙增加主要来源于两种途径：（1）细胞外途径。包括细胞外的Ca2+通过细胞膜上的慢钙通道内流入肌细胞；肌肉的用力收缩产生的机械牵拉，使细胞外的Ca2+通过细胞膜上的牵拉性Ca2+通道进入肌细胞；细胞膜脂质过氧化反应加强，攻击细胞膜，破坏细胞膜的完整性和膜屏障作用，导致细胞膜的通透性增加和膜外Ca2+内流。（2）细胞内途径。细胞内肌浆网、线粒体摄取Ca2+减少或释放增多；细胞膜Ca2+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶活性下降或Na+/Ca2+交换减少，胞内Ca2+外流障碍，胞浆内Ca2+浓度升高。

运动时肌细胞内Ca2+浓度升高对肌肉的收缩是必要的，但胞浆Ca2+浓度过高可以通过以下几种途径诱发肌肉超微结构的变化，出现肌细胞损伤：（1）激活细胞膜磷脂酶A2（PLA2），即环氧化酶、脂质氧化酶系统，引起肌膜损伤，肌肉酶外流和肌肉蛋白水解；（2）激活中性蛋白水解酶（CANP），引起肌原纤维蛋白复合体的水解和原肌球蛋白等发生降解；（3）影响溶酶体的功能，促进溶酶体膜分解、破裂，导致酸性水解酶释放增多，引起肌原纤维蛋白复合体的水解和原肌球蛋白等发生降解；（4）导致线粒体聚钙。剧烈运动时线粒体聚钙增加，虽然使胞浆中Ca2+浓度升高的趋势得以缓解，但由于线粒体内Ca2+的增多，抑制了其本身的氧化磷酸化过程，减少了ATP的生成。而线粒体的正常形态、结构的维持需要ATP提供能量，钙泵及钠钾泵的活动也需要ATP提供能量，因此ATP含量的下降除进一步造成离子代谢紊乱外，还可直接导致线粒体肿胀、嵴断裂等亚细胞结构的破坏，使氧化磷酸化脱偶联，能量供应不足，进而引起更严重的离子代谢紊乱，导致恶性循环，最终导致肌细胞损伤，造成肌肉运动能力下降。

综上所述，钙在运动性肌肉疲劳和损伤中起着重要的作用，有可能是其产生的一个中枢机制。线粒体和肌浆网钙代谢是运动性肌肉疲劳和损伤的主要参与者，受到ATP、pH值、离子浓度等一系列因素的影响。以往有关钙代谢与肌肉疲劳和损伤关系的研究几乎都将线粒体、肌浆网和胞浆割裂开来或分别进行研究，将三者联系起来的研究却很少，但越来越多的实验事实说明线粒体、肌浆网和胞浆对肌肉疲劳和损伤的产生有着内在的联系。因此，笔者认为将线粒体、肌浆网及胞浆钙代谢联系起来共同解释运动性肌肉疲劳和损伤可能较为合理。

2.1.3自由基和脂质过氧化学说

自由基（free radical）是指外层轨道中含有一个或一个以上末配对电子的原子、分子或分子片断。自由基具有较强的化学活性，极易得失电子进行各种氧化还原反应，它可与相接触的各种生物大分子反应，改变与损伤生物大分子的结构、功能 [108]。在正常生理条件下，体内即可产生自由基（O2-、H2O2、OH-等），但由于体内同时存在着自由基清除系统（SOD、GSH-Px、CAT、GSH等），使自由基的产生和清除维持动态平衡。一旦某种原因使这种动态平衡被打破，组织中脂质过氧化反应将增强。

脂质过氧化反应是指发生在不饱和脂肪酸共价键上的一系列自由基反应。机体存在大量的不饱和脂肪酸，它们极易受到过氧化作用产生对细胞具有毒性作用的脂质过氧化物。1956年Harman[109]首次提出自由基学说：多不饱和脂肪酸（PUFA）在自由基和其它一些氧化引发剂，如羟自由基（OH-）和过氧化氢（H2O2）作用下，生成自由基中间产物L-，然后与O2反应生成过氧自由基（LOO-）及脂质过氧化物（LOOP），它们可以自发分解形成更多的自由基，攻击其它双键，产生更多的脂质过氧化自由基，引起自由基连锁反应。过氧化中间产物、自由基降解产物为丙二醛（MDA）或乙烷和戊烷。脂质过氧化反应产生的自由基既可通过相互碰撞而猝灭，也可受生物体内的天然自由基清除剂或抗氧化剂的作用而终止反应。

机体存在着两种脂质过氧化防御系统：（1）酶促防御系统：包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、谷胱甘肽还原酶（GSH-R）等；（2）非酶防御系统：包括谷胱甘肽（GSH）、维生素E、维生素A、辅酶Q（CoQ）、硒和半胱氨酸等。它们可以有效地消除O2-、H2O2和LOOH等，并有终止自由基连锁反应的作用。

在生物学界和医学界，自由基的研究已成为一个重要的课题。关于运动性内源自由基代谢与运动损伤、疲劳、运动营养以及抗氧化能力的适应性，国内外学者近年来进行了较系统的研究。本文就此领域的研究进展做相应综述。

2.1.3.1自由基与运动性疲劳和损伤

1978年Dillard等 [110]首次报道人以50%最大摄氧量负荷踏车运动1小时后，呼出气中脂质过氧化产物戊烷含量明显增加，提出自由基在运动性疲劳、损伤中的作用。1982年Davies等 [111]应用ESR（电子自旋共振）技术检测了大强度跑或电刺激后骨骼肌的自由基变化，成功地找到了运动损伤使自由基增多的直接证据。随后众多人体和动物的研究证实，急性剧烈运动时，机体清除自由基的能力不足以平衡运动应激情况下产生的自由基，机体细胞内则处于氧化应激状态，从而导致细胞损伤。人们逐渐认识到，运动与自由基形成是一对无法抗拒的矛盾。

关于运动性内源自由基产生，一般认为有两个机制：（1）黄嘌呤氧化酶机制。在缺血、缺氧等病理情况下，ATP分解为ADP、AMP可转化成次黄嘌呤（HX）、黄嘌呤（X）。二者在黄嘌呤氧化酶作用下，可释放出过氧化物阴离子自由基（O2-）。（2）线粒体机制。体内大部分的氧耗发生在线粒体细胞色素氧化酶上。一个O2在此接受由呼吸链传递的4个电子后被还原，并与4个H+作用生成2H2O。但在呼吸过程中，线粒体电子传递链会“漏出”少量电子直接与氧结合形成过氧化物阴离子自由基（O2-），这一现象被称为线粒体电子漏（electron leak）。运动时机体代谢增强，耗氧量增加，自由基产生与线粒体氧利用率成正比。近年来又有学者提出了中性粒细胞机制、前列腺素机制和钙机制 [112]。

以往国内外许多研究多以自由基与不饱和脂肪酸反应后的一系列代谢产物如丙二醛（MDA）、共轭双烯等间接反映体内自由基水平。在过去的研究中，报道较多的是急性极量运动，如Brady[113]报道动物急性运动后血浆、肌肉、肝脏的MDA含量增加；曹国华 [114]报道人在急性有氧运动后血浆MDA含量增加。郭林等 [115]以大鼠为实验对象进行一次性力竭运动，大鼠股四头肌红肌MDA水平显著升高。这些结果说明急性运动可引起细胞自由基代谢和脂质过氧化反应加强。

另外，也有学者报道急性运动后MDA下降的现象。Lovin等 [116]证实，100%VO2max强度的极量运动导致人体血浆中的MDA水平升高，同时发现40%VO2max强度的运动后血浆中MDA低于运动前水平，Lovin等认为低强度的运动抑制了脂质过氧化反应。倪耀华等 [117]让8名体育系男生在功率自行车上以70%和30%VO2max强度运动至力竭时，发现血浆中MDA含量较安静时显著增多，但90%VO2max强度运动至力竭时却未发现MDA有显著变化。由此可见，有关运动对人体脂质过氧化影响的研究结果不一致，对此还有待进一步探讨。田野 [118]认为这种差异可能与运动强度和组织特异性有关，一般来说，大强度力竭性运动容易引起MDA增加，运动后肌肉组织中MDA的变化敏感。

运动中自由基的增加既可能是自由基代谢增强造成的结果，也可能是抗氧化能力下降所致。Lew等 [119]报道大鼠短时间运动至力竭，肝脏和骨骼肌中的非酶抗氧化剂谷胱苷肽（GSH）含量下降。Dufaux等 [120]研究报道了12名健康男子在马拉松跑后血浆中GSH浓度显著下降。毛丽娟等 [121]报道大鼠力竭性游泳后心肌线粒体GSH含量显著下降。隋波等 [122]对32名运动员进行了大运动量训练负荷下血浆中丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）测定，发现大运动量训练后MDA含量、SOD活性均显著升高。张宜龙等 [123]报道大鼠负重游泳力竭后即刻及力竭后24小时，血浆、红细胞和心肌细胞线粒体的MDA含量均显著性增高，红细胞中谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性显著升高，而心肌线粒体GSH-Px活性明显降低，与MDA的变化成反平行关系。由此可见，运动后脂质过氧化反应的变化取决于自由基和抗氧化能力的综合作用。田野 [118]认为，运动引起自由基生成增多，如果体内的抗氧化能力不变或下降，或者即使抗氧化能力提高但不如自由基增多得明显，造成机体抗氧化能力相对下降，都可引起脂质过氧化作用加强。

以往对运动性内源自由基的研究大多是观察血液和组织匀浆，对线粒体等细胞器进行直接观察的研究较少，所以对线粒体电子漏与黄嘌呤氧化酶途径在运动性内源自由基形成中的作用缺乏直接证据。张勇等 [124，125，126]利用化学发光法发现递增负荷运动至力竭后大鼠骨骼肌线粒体超氧阴离子自由基生成显著增高，据此认为在骨骼肌线粒体呼吸链电子传递过程中，电子漏形成的超氧阴离子自由基是运动性内源自由基的主要来源。同时，他们还研究了运动性内源自由基的产生与线粒体膜生物学的关系，提出并初步实验证实“呼吸链电子传递可能是长时间运动中线粒体氧化磷酸化偶联的重要限速步骤”的假说。

从研究运动性内源自由基产生的方法学上看，离体测定可能与在体情况有所不同，这必然会影响研究结果的准确性。另外，急性运动后组织自由基生成及脂质过氧化的状况可以一定程度地反映运动中自由基代谢水平及脂质过氧化程度，但所测出的自由基信号或脂质过氧化物是疲劳和损伤的起因，还是疲劳和损伤后的表现还值得进一步商榷。

2.1.3.2 自由基与肌肉损伤

如前所述，由于运动可以引发内源性自由基生成增加，所以有理由推测自由基与运动性肌肉损伤有关。许多学者进行了这方面的研究，以下研究结果均支持这种假设。

Kanter等 [127]测定了9名男性受试者在80公里超长距离赛跑前后血清的MDA、CK、LDH，发现无论运动前还是运动后血清总CK、CK-MB与MDA浓度显著相关，据此作者认为运动引起的脂质过氧化加强与肌肉损伤有关。Zerba等 [128]证实鼠注射SOD减轻了向心收缩运动后肌肉损伤和氧化应激。Goodman等 [129]测定了20名男性赛跑选手在21公里赛跑前后及运动后24小时血清CK、肌红蛋白（MB）和MDA浓度，并进行了肌肉超微结构的电镜观察，作者认为，运动后血清CK和MB的升高是由于自由基引起肌细胞膜的损伤，造成肌细胞膜通透性增加的结果，而不是机械性肌损伤的结果。

目前已建立了几种假说来推测自由基在肌肉损伤中的作用[112]：（1）白细胞机制。组织的炎症过程中白细胞的浸润涉及组织再生过程，吞噬白细胞有助于释放自由基，后者能刺激组织的分解。因此在损伤组织可出现中性粒细胞和巨噬细胞的浸润，由此可引起继发性肌肉损伤。（2）细胞素机制。有报道认为，中等强度的运动可引起中性粒细胞提高两倍，在应激状态下细胞素也能被激活而引发自由基的产生。（3）肌细胞膜损伤机制。运动后自由基增多，造成细胞膜脂质过氧化反应增强，使肌细胞膜损伤，从而引发肌肉损伤。

对于自由基产生在运动性肌肉损伤中是否具有病理意义还存在着争议，争论的焦点在于肌肉中自由基的产生与肌肉损伤两者是因果关系，还是相互影响关系？许多研究结果表明，运动氧化应激与运动性肌肉损伤有相关性，但这并不一定意味着自由基参与了运动性肌肉损伤，机体的脂质过氧化物代谢水平受被试者的运动能力、运动的持续时间和强度等诸多因素的影响。所以许多学者认为支持自由基引发运动性肌肉损伤的证据并不十分充分。Viguie等 [130]的研究结果表明向心收缩运动可导致氧化应激的改变，但并没有肌肉损伤的证据。Saxton等 [131]观察了14名志愿者离心收缩和向心收缩运动对自由基代谢和肌肉损伤指标的影响，结果发现，离心运动后2～4天血清CK明显增加，但向心收缩运动前后CK没有变化，MDA在两种运动后都没有改变，而共轭双烯只有很少的增加。Warren等 [132]的研究发现，抗氧化剂维生素E的补充不能减轻运动性肌肉损伤，其结果也不支持自由基参与肌肉损伤的观点。

综上所述，虽然有许多的证据表明自由基的增加与肌肉损伤有关，但还不能认为自由基介导的反应是肌肉损伤的必要过程。自由基与运动性肌肉损伤的确切关系还有待进一步深入研究。

目前，尚缺乏关于在不同运动形式下运动的不同时程、不同组织以及不同途径自由基产生和代谢的深入、系统研究，而这些问题的解决将为运用合理手段增进运动能力和减少运动性肌肉损伤提供相应的理论基础。

2.1.4机械损伤学说

早在20世纪初，Hough[12]首次提出，肌肉损伤主要是由于运动引起的肌纤维的机械损伤所致。随后许多学者的大量研究结果均支持和丰富了这一学说，使其成为骨骼肌运动性损伤研究中的经典学说。Newham[133]等报导，在肌肉牵拉练习后，可见肌节结构破坏，细胞膜通透性增高，纤维变性，巨噬细胞浸润等组织学改变。Warren等 [134]认为机械牵拉是离心性收缩所致肌肉损伤的始动因素，其中肌张力起主要作用。Newham[135]研究表明，当肌肉承担的负荷相同时，进行离心性收缩比向心性收缩更易导致肌肉损伤，这是因为进行离心性收缩时，主动肌单根肌纤维上承受的力要比相同负荷向心性收缩时肌纤维上承受的力大一倍。Armstrong[136]发现延迟性肌肉酸痛和损伤多发生在进行离心收缩的肌肉，他认为离心性运动虽然氧耗、能耗少，但是参与的肌纤维也少，势必使离心性运动时单根肌纤维所承受的力较大，易于造成损伤。

目前的研究结果认为，肌肉收缩时产生的机械牵拉可破坏肌细胞的超微结构，造成肌肉损伤。具体表现在以下几个方面：

2.1.4.1肌细胞膜损伤

反复的高强度的肌肉收缩可对肌细胞膜产生很大的牵拉作用，当这种牵拉作用产生的张力超过细胞膜的承受范围时，使得细胞膜损伤或细胞膜通透性增加，引起肌细胞产生一系列变化，导致肌肉超微结构变化。

肌细胞膜损伤的主要证据是运动后血液中的肌肉酶活性和肌红蛋白（Mb）含量增加。在正常生理状况下，肌酸激酶（CK）、乳酸脱氢酶（LDH）、碱性磷酸酶（ALP）和肌红蛋白主要存在于肌肉内，由于其分子量较大，不易透过细胞膜进入血液，故血液中肌肉酶和肌红蛋白的含量甚微。当在外力作用下肌细胞膜受到损伤时，细胞膜的屏障作用减弱，通透性增加，使原来不能通过细胞膜的肌肉酶和肌红蛋白进入血液，引起血清中肌肉酶活性和肌红蛋白含量增加。因此，运动后血清肌肉酶和肌红蛋白含量的变化可以间接反映肌细胞膜损伤。

Friden等 [137]报道离心训练导致肌肉损伤后2天，血清CK含量升高36%，并指出离心训练的高紧张性造成机械损伤，使肌肉酶释放入血。Byrres等 [138]报道下坡跑后，血清中CK值、肌红蛋白值显著增加。Balnave[139]发现离心性收缩造成肌肉损伤后，血清CK值和肌红蛋白浓度呈延迟性增高。田野 [140]认为，在离心运动后，血清肌肉酶活性升高，且其变化呈延迟性特征，并同延迟性肌肉损伤和延迟性肌肉酸痛的时相极为相似，表明肌细胞膜损伤可能是导致肌肉超微结构变化的重要原因。

2.1.4.2细胞骨架损伤

细胞骨架对维持肌节的正常结构起着非常重要的作用，在运动过程中，高张力的机械牵拉会使细胞骨架的正常结构受到影响，从而造成肌肉收缩蛋白结构破坏。

根据运动后细胞外骨架Desmin蛋白的变化，有学者提出一种肌肉损伤变化的假说 [140]：即高张力的离心收缩对肌组织产生高张力牵拉，造成中间蛋白微丝断裂，使肌肉蛋白分子结构破坏，降解肌肉蛋白和球状蛋白，激活溶酶体蛋白水解酶，进一步降解肌肉蛋白质，破坏Z盘结构，从而导致肌肉超微结构损伤。

虽然目前尚没有充足的直接证据证实运动会导致细胞内骨架的变化，但有研究 [140]表明运动会导致细胞内骨架titin的骨架网络破坏。Clare等发现，离心收缩后，在Z盘流的附近，myosin蛋白脱离肌节中间位置而更接近某一侧Z盘，提示可能是由于维持myosin正常位置的titin的结构被牵拉性破坏，从而引起myosin位置改变，即高张力牵拉→肌节内骨架titin结构破坏→维持myosin正常位置的作用力减弱或消失→myosin位置发生变化→肌细胞收缩功能下降。

2.1.4.3邻近肌节受力不平衡

肌肉在正常状态下，邻近肌节的长度和收缩速度本身存在轻微的不平衡状态，在不同的收缩形式下，这种不平衡状态会使邻近肌节的受力产生不平衡。如在向心性收缩时，当肌肉最大缩短速度相差0.5%时，邻近肌节的受力仅相差2%；而在肌肉离心收缩时，虽然收缩速度同样相差0.5%，但邻近肌节的受力就相差50%以上。因此，肌肉在离心收缩时，由于相邻肌节的牵拉力相差较大，容易造成Z线流，或牵拉myosin造成myosin在肌节中的位置改变 [140]。

综上所述，肌肉损伤涉及到多方面的因素，可能是多种因素共同作用的结果，它可能首先表现为由机械因素所造成的肌纤维损伤，如肌节痉挛、肌丝断裂、Z线溶解等，随时间的推移，肌肉组织的缺氧、缺血加重，造成细胞内外代谢产物堆积、某些代谢过程失调，肌肉损伤进一步向代谢因素损害方面转变，因此可能无法单纯用某一种理论或假说来解释其发生机理。关于肌肉损伤的机理目前还有许多不确定的方面，有待进行深入研究。

2.2 肌肉损伤的证据与标志

长时间剧烈运动所致肌肉损伤使肌肉的功能、代谢和形态结构均发生了变化。功能的改变表现在肌肉收缩力和收缩速度的下降，它实际是肌肉损伤的外在表现，但与肌肉疲劳的表现很难区分，不适宜作为肌肉损伤的证据和标志。而形态学的变化，无论是光学显微镜还是电子显微镜观察到的骨骼肌纤维结构变化，则可以作为肌肉损伤的直接证据。同时，血液生物化学方法检测到的血清中肌肉酶活性、肌红蛋白及肌肉蛋白质的降解产物含量的升高则可以作为肌肉损伤的间接证据和标志。

2.2.1肌肉损伤的形态学证据

运动引起肌肉损伤的形态学证据在光镜水平主要表现为肌膜、肌核异常、肌纤维的各种变性及坏死、肌纤维吞噬现象，在肌间质中可见水肿、炎细胞（特别是巨嗜细胞）浸润、血管扩张等。Smith[141]报道机体运动后出现延迟性肌肉酸痛，酸痛部位肌纤维间可见水肿、巨噬细胞浸润、溶酶体活性增强等现象。国内学者马建等 [142]对家兔进行4天或7天离心疲劳训练后发现，4天时胫前肌纤维的颗粒样变性、絮状变性、肌纤维吞噬现象、间质水肿和炎细胞浸润程度均非常明显，7天时明显减少或消失。段立公等 [143]在重复跑跳运动导致肌肉损伤和再生的研究中也观察到胫前肌和腓肠肌内侧头肌纤维出现灶状或片状Zenker，s变性，表现为多灶多相性损伤，间质中偶见炎细胞浸润，小静脉淤血、小动脉充血比较常见。

应用电子显微镜对骨骼肌超微结构进行观察帮助人们找到了肌肉损伤的更直接的证据。Armstrong[144]发现下坡跑运动后大鼠骨骼肌纤维的正常结构发生变化，在纵切面上可见肌原纤维间连续性破坏，I带变宽，相邻肌纤维间结构模糊。虽然发生上述异常变化的肌纤维仅占全部肌纤维的5%，但这种变化却未在对照组中出现。Olilvie[145]对鼠离心运动后的比目鱼肌进行电镜观察，发现骨骼肌超微结构的损伤，他将损伤分为三种类型：（1）局灶性A带断裂，I带相对不变，整个肌节被拉长；（2）局灶性Z线溶解，表现为Z线流或Z线消失，在这种变化中可见明、暗带，但不见Z线；（3）肌纤维凝固，在纵切面上可见凝固的肌原纤维。其中主要是A带断裂，占89%，肌纤维凝固占9%，Z线异常占2%。Stauber[146]对离心性运动后的肱二头肌活检，发现巨大细胞脱颗粒，细胞外基质与肌纤维分裂致细胞内蛋白逸出，细胞外蛋白质和离子进入造成肿胀，而破裂的胞外基质造成明显炎症反应。段昌平 [147]发现延迟性肌肉酸痛时骨骼肌肌小节呈痉挛状态，肌小节中未见I、A带，Z线、M线消失，部分肌丝断裂或消失，相应处出现散在的小颗粒或见小颗粒有串成细的线状结构的趋向。

Meltzer[148]研究认为，Z线是肌原纤维中对机械、化学变化最敏感的部位，运动中最容易产生形态学改变。Friden[149]研究了大强度无氧运动对肌原纤维中Z线结构的影响，结果发现实验组肌肉中36%的肌原纤维出现Z线变化，远远高于对照组。Friden将Z线的变化归纳为：（1） Z线流—Z线锯齿形或波形变化；（2）Z线模糊，Z线物进入I带；（3） Z线完全破坏或消失。其他学者的研究也发现类似超微结构的变化，并见到线粒体肿胀、破裂，肌细胞膜破裂，溶酶体增多、增大，卫星细胞增多等现象 [133，134，142，143]。

应当指出，运动性骨骼肌损伤中超微结构的变化仅占全部肌纤维的极小部分，而且在人体，由于实验方法学的限制，许多深层易损伤肌肉不易活检取样，因此研究时往往遗漏肌肉的某些超微结构的变化，可能会造成不同的研究结果。

2.2.2肌肉损伤的生物化学证据和标志

肌肉损伤的生物化学证据和标志主要包括两方面：（1）运动后血液中的肌肉酶活性、肌红蛋白（Mb）及肌肉蛋白质的降解产物含量增加；（2）运动后血液中与炎症反应有关的蛋白（如急相蛋白）和炎症过程指示物含量增加。

2.2.2.1 血液中的肌肉酶活性、肌红蛋白（Mb）及肌肉蛋白质的降解产物含量增加

在正常生理状况下，肌酸激酶（CK）、乳酸脱氢酶（LDH）、碱性磷酸酶（ALP）和肌红蛋白主要存在于肌肉内，由于其分子量较大，不易透过细胞膜进入血液，故血液中肌肉酶和肌红蛋白的含量甚微。在运动过程中，由于肌细胞膜受到损伤，细胞膜的屏障作用减弱，通透性增加，使原来不能通过细胞膜的肌肉酶和肌红蛋白，以及一些肌肉蛋白质的降解产物进入血液，引起血清中肌肉酶活性、肌红蛋白和肌肉蛋白质的降解产物含量增加。因此，它们在运动后含量的变化均可以间接反映肌细胞的损伤。以往研究比较多并得到公认的是肌酸激酶（CK）、乳酸脱氢酶（LDH）和肌红蛋白等。

2.2.2.1.1 肌酸肌酶（Cretine Phosphokinase，CK）

肌酸肌酶是催化ADP和磷酸肌酸转变为ATP和肌酸的一种酶，广泛存在于肌肉组织（骨骼肌和心肌）内。许多研究显示，当包含该酶的肌细胞被损伤时血中CK活性升高。

Armstrong[144]发现离心性活动（下坡跑）可导致大鼠血清CK活性在运动后呈双相变化，即运动后酶活性迅速升高，6-12小时基本恢复正常，36小时后再次出现高峰，并且血清CK活性第2次增加的程度更为显著。他认为造成这种现象的原因是由于离心性运动的牵拉作用导致了肌肉组织的严重损伤，从而引起部分肌纤维变性坏死后使肌肉酶释放的结果。Roxin[150]测定滑雪运动员89公里滑雪比赛后血浆中肌红蛋白（Mb）和肌肉酶含量的变化，发现运动后肌红蛋白含量和CK活性分别增加30倍和10倍，肌红蛋白含量和CK活性的变化呈显著性正相关（r=0.96， P＜0.001）。王起恩等 [151]发现动物腰部固定后，血清CK在实验第1天便显著升高，且在整个实验期间均保持较高水平。由此推测血清CK可作为强迫体位所至肌肉损伤的生物标志物。Jones[152]在伽玛摄影机下观察到因离心活动致伤的肌肉组织锝焦磷酸吸收量增加，且肌组织锝焦磷酸吸收量增加与外周血中CK活性的升高呈平行关系。作者认为与锝焦磷酸的放射性测量相比，CK更加简单易行。近年来，磁共振成像（MRI）由于其在肌肉骨骼系统疾病诊断中的准确性而被广泛应用，Nasaka[153]在10名男子肘部离心性收缩活动后用MRI 扫描肘部肌肉并检测血清肌酸激酶，发现受试者肘部肌肉MRI的Tl和T2驰豫时间明显异常（提示肌肉水肿），并且血清肌酸激酶水平显著升高，肌酸激酶水平与MRI影像异常显著相关（R=0.90～0.94）。

然而，也有学者对用血清肌酸激酶活性来评价肌肉损伤的作用提出了质疑。Takala[154]报道，游泳运动后小鼠血清肌酸激酶活性升高，小鼠肌肉并没有损伤的迹象（肌肉组织标本的β-葡萄糖醛酸酶浓度没有改变），而跑台运动后小鼠出现了肌肉损伤的迹象（β-葡萄糖醛酸酶浓度显著改变），但血清肌酸激酶在活动前后却没有显著性变化。Van Der Meulen[155]在动物实验中发现肌酸激酶的变化与光镜和电镜下观察到的活检标本肌内损伤变化没有联系。Manfredi[156]报道，老年人因不恰当活动导致肌肉损伤后，其血清肌酸激酶改变与肌肉的超微结构改变无关。这些研究结果的不同可能与采用的肌肉标本不同有关。Armstrong[144]让大鼠完成跑台运动后，对踝伸肌作横断面切片，发现多数损伤发生在深层红跖肌内，深层红肌（慢肌和快肌）纤维仅占整个跖伸肌的6%，并且跖肌纤维也不是都受到损伤。因此肌肉活检时欲发现这样小范围的损伤是很困难的。其它学者的动物实验结果也说明肌肉损伤并不是普遍的发生在所有的肌纤维内 [157]。

2.2.2.1.2 乳酸脱氢酶（Laetic dehydsogenase，LDH）

Armstrong[144]研究表明，大强度运动后血浆LDH活性显著升高，并与骨骼肌超微结构变化一致。LHD共有5种同工酶，它们在各组织细胞中的分布是不均匀的，心肌以LDHl为主，骨骼肌以LDH5为主。血清LDH的活性通常在运动后即刻就明显上升，30-60分钟恢复到安静水平，也有报告LDH活性与CK一样有双相增高现象 [158]。由于LDH有5种同工酶，其分布在不同的组织所占比例不同，所以运动后LDH同工酶的比例也有所改变。殷劲等通过实验发现，家免在短时剧烈运动致疲劳后，血清中LDHl及LDH5均显著升高，而LDH5的活性低于LDHl，很显然该运动对心肌和骨骼肌均产生了影响，只是对心肌的影响更大，使心肌释放的LDHl大于骨骼肌LDH5的释放，致使LDHl升高更显著 [159]。一般认为，运动对机体的影响是多组织的而不是单一的，血清中LDH在运动后的增加也不仅仅是某一组织的释放增多，而是多组织释放的总效应，所以不同的运动条件、方式对机体组织的影响轻重不同，可使LDH同工酶发生不同的变化。

2.2.2.2 血液中C—反应蛋白（C-Reactive Protein，CRP）含量升高

CRP是一种典型的急性时相血浆蛋白，由肝细胞合成，在正常情况下血液中仅含微量CRP。但在急性时相反应中，被激活的单核细胞释放白细胞介素1，后者刺激肝细胞加速合成CRP，血清CRP迅速升高，有报道炎症和组织损伤时CRP浓度可升高1000倍 [160]。运动导致的肌肉损伤是一种无菌炎症已经为人们所肯定，损伤的肌肉活检发现肌纤维结构的破裂，在肌肉损伤区域有白细胞的浸润以及大量的细胞脱颗粒和组织间隙炎性产物的增多 [161]。因此，在排除了细菌感染和心肌梗塞等疾病的前提下，血中CRP可作为骨骼肌运动性损伤的标志物 [162，163，164，165，166]。

除上述指标之外，血液中肌球蛋白重链（MHC）、骨骼肌肌钙蛋白抑制亚基（sTnI）的含量也可以被用来评价运动性骨骼肌损伤。

尽管目前对肌肉损伤的证据和生物标志物进行了一些研究，并发现了一些指标有可能作为生物标志物，但研究的多为动力性肌肉损伤。对于静力性运动所致肌肉损伤的生物标志物研究较少。而且虽然发现运动性肌肉损伤时血液中的某些酶和其它成分有变化，但没有明确的含量—效应和时间—效应关系，因此，今后研究应进一步观察某些指标随负荷大小及时间的变化规律，寻找特异的、灵敏的生物标志物。

2.3 肌肉损伤后修复与再生的研究概况

运动性肌肉微损伤变化时相表现为延迟性特征，并随着导致损伤的运动的强度、时间和肌肉的收缩方式而有所不同，持续时间从数分钟至2周或更长时间。根据发展过程一般可将其划分为4个阶段 [167]：（1）初发阶段（Initial Stage）。此过程主要与运动性肌肉微损伤的变化原因有关，许多特性尚不十分清楚。（2）自发阶段（Autogenetic Stage）。此阶段是指紧接着初发阶段之后肌纤维本身固有的蛋白水解系统和脂质过氧化系统对细胞结构的破坏过程，一般出现在吞噬细胞侵入损伤部位前几小时。在此阶段，主要是蛋白水解酶、溶酶体酶、溶血卵磷脂、前列腺素对局部组织的破坏作用。（3）吞噬阶段（Phagocytic Stage）。一般出现在运动后4～6小时，持续2～4天。在此阶段，血液吞噬细胞侵入损伤部位，损伤肌纤维的蛋白降解部分被吞噬细胞所吞噬。由于自发阶段和吞噬阶段紧密联系，因此，两阶段很难断然分开。（4）再生阶段（Regenerative Stage）。一般出现在运动后4～6天，受损肌纤维的收缩蛋白成分开始再生，10天以后，肌肉结构逐渐恢复正常。

目前尚没有足够的证据证实运动性肌肉损伤超微结构的变化具有累积性损害作用，局部组织的坏死也不会引起整个肌肉的坏死。损伤发生后，可以通过激活肌卫星细胞和RNA转录，加强损伤肌肉的修复与再生，其过程为肌卫星细胞激活、细胞核增多、RNA转录、肌管系统生成和肌原纤维增多。但目前有关损伤肌肉修复的详细过程和机制仍不十分清楚。

2.3.1肌卫星细胞

肌卫星细胞是主要分布于肌细胞膜和基膜之间的一种可移动的细胞。目前认为肌卫星细胞是储备的成肌细胞，是唯一的生肌干细胞的来源 [168]，与肌肉损伤的修复与再生密切相关。

在正常生理状态下肌卫星细胞处于静息状态或细胞周期G0期，当骨骼肌受损时，由于钙浓度增加，激活蛋白水解酶，水解肌肉蛋白。巨噬细胞和多核白细胞进入损伤组织，后者释放出具有肌卫星细胞趋向性物质，使肌卫星细胞分裂。当吞噬过程一开始，肌肉肌卫星细胞即被激活，在24小时内即进入分裂周期 [169]，2～4天后，达高峰 [170]。受损部位的肌卫星细胞被激活后可以转化为成肌细胞，进行分裂并分化为肌细胞，填补修复受损部位 [171]。在肌肉受到较大损伤时，受损部位则无法再生，由结缔组织填补 [172]。

2.3.2 生长因子

在骨骼肌的再生修复过程中，肌卫星细胞应答于正性、负性信号被激活，所以参与卫星细胞激活的信号途径、调节机制应是复杂多样的。现经大量研究发现，卫星细胞可通过自分泌（由靶细胞自身产生）和旁分泌（由旁细胞产生）的方式分泌FGF、TGF-β、IGF和VEGF等多种细胞生长因子，这些细胞生长因子大多是不到200个氨基酸组成的多肽，在微微分子浓度就具有活性，它们对骨骼肌卫星细胞的激活、分裂、增殖及成熟骨骼肌的形成起到调控作用。生长因子的研究是一个较新的领域，研究以体外细胞系培养为主，也有一些培养的细胞从其它动物体上分离获得，体内实验较少。

2.3.2.1成纤维细胞生长因子（FGFs）

成纤维细胞生长因子（fibroblastgrowth factor，FGFs）存在于多种组织，对肌卫星细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、骨细胞、神经细胞、神经胶质细胞等中胚层和神经外胚层来源的细胞有明显的促增殖作用。FGFs是一组结构相似的单体蛋白（每个蛋白约由150个氨基酸组成），至少由6种基因编码。其家族成员有aFGF、bFGF、int-2、hst-kfgf、FGF-5、FGF-6和KGF/FGF-1等不同类型，其中以酸性（aFGF）和碱性（bFGF）成纤维细胞生长因子为主。aFGF与bFGF有53%的氨基酸同源，许多生物学活性相类似，包括：均为促有丝分裂原；均为形态发生因子；具有趋化作用促细胞迁移。有实验发现，bFGF促进鸡离体骨骼肌卫星细胞分裂的能力比aFGF强500倍 [173]。

多克隆抗体实验显示，FGFs存在于肌细胞外基质 [174]。Fu等 [175]通过原位杂交方法发现，bFGF mRNA表达定位在胞浆，特别是胞浆的外周。Alterio等 [176]发现，培养的大鼠卫星细胞也能产生FGFs。FGFs分子缺乏向细胞外分泌的信号序列而通过细胞膜的微小破裂和细胞死亡而释放。aFGFmRNA在正在增殖的卫星细胞中含量很高，但当卫星细胞分化后便有所下降或消失，而bFGFmRNA在卫星细胞分化后含量大为增加。Walgenbach等 [177]将带蒂骨骼肌瓣移植入骨骼肌缺血区，证实骨骼肌瓣内骨骼肌卫星细胞被激活并表达bFGF。Olfert等 [178]观察了在常氧和缺氧环境下相同强度的跑台运动对大鼠骨骼肌生长因子mRNA的表达，发现常氧环境运动时bFGFmRNA增强2倍，缺氧环境下bFGFmRNA表达比常氧环境实验组下降，但也高于对照组。Lefaucheur等 [179]将bFGF中和抗体注入失神经及血管的骨骼肌中，发现再生毛细血管及巨噬细胞数量减少，巨噬细胞吞噬坏死肌纤维的能力下降。此种情况下，再生肌纤维的数量减少，直径减小，说明bFGF与肌纤维再生有关。Lee等 [180]也发现注射外源性bFGF能增加缺血再灌注大鼠肌肉内的毛细血管密度，促进肌肉功能的恢复。

但是也有急性运动后骨骼肌bFGF表达不变或降低的报道。Gavin等 [181]报道1-5天急性运动后腓肠肌bFGF mRNA表达无变化。Fu等 [175]用原位杂交和反转录聚合酶链反应技术（RT-PCR）检测了缺血再灌注大鼠骨骼肌中bFGF mRNA的表达，发现对照组大约有82%肌纤维原位杂交染色阳性，缺血组52%阳性，缺血再灌注组22%阳性。RT-PCR也证实缺血再灌注大鼠骨骼肌bFGF mRNA表达降低。作者认为缺血再灌注不仅破坏骨骼肌内储存的bFGF分子，而且造成bFGFmRNA表达下调，bFGF 蛋白合成减少，且二者同时发生，提示bFGF 在延迟性损伤恢复中起重要作用。以上这些不同的结果可能是由于实验的方式、负荷以及肌肉损伤的不同程度所造成的。

2.3.2.2转化生长因子-β（TGF-β）

转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）是一个多功能的多肽家族，是组织受伤后细胞外基质积聚过程中的主导介质，它调节细胞的生长发育及组织受伤后的修复重塑。人类的TGF-β家族分为三型，即TGF-β1、TGF-β2及TGF-β3，序列同源并且有类似的生物活性，蛋白序列都高度保守，分别在人、猪、鼠、鸡等动物中有相同序列。目前对于TGF-β1的研究相对较多。

TGF-β首先在血小板中得到提纯，后发现存在于大量细胞和组织中 [182]。TGF-β在体内对细胞分化、细胞增生、炎症过程、免疫系统都有不同程度的刺激、抑制或双相作用 [183]，是许多炎性细胞的化学诱导剂，尤其对细胞外基质的合成、重塑有独特作用。同时能抑制降解细胞外基质的几种蛋白酶产生，刺激特殊的蛋白酶抑制物产生，促进基底膜（Ⅳ型胶原）、软骨（Ⅱ型胶原）、皮肤铆固纤维（Ⅶ型胶原）等再生。TGF-β还可调节细胞基质粘附蛋白受体的亲和力，增加细胞间的基质吸附，在伤后组织修复重塑中起重要作用 [184]。TGF-β对细胞的生物学作用取决于细胞类型、细胞的生长状态、培养基成分、TGF-β浓度以及有无其他生长因子的存在等条件。

以往TGF-β主要被看作是肌肉再生的负性调节因子，认为对于卫星细胞来说，TGF-β在肌肉的发生和再生早期阶段抑制其融合，也可以阻止其分化 [173]。Bischoff[185]在研究卫星细胞的趋化性时发现，TGF-β对卫星细胞有很强的趋化作用，这与其抑制卫星细胞增殖的作用相一致。Yamazaki等 [186]已将TGF-β用于DMD坏死肌纤维的定位上。

然而，近几年许多学者的研究表明，TGF-β在肌肉损伤的修复和再生中的作用可能不仅于此。Sakamoto[187]采用免疫组化方法发现，连续离心运动肌肉微损伤后TGF在第1天即轻度增加，并在第3天单核细胞的周围增多。Gavin等 [181，188，189]的一系列研究均发现急性运动可导致骨骼肌TGF-β1 mRNA表达增强。本人认为对上述实验结果相孛的可能解释是：（1）离体的细胞培养实验不能完全反映在体时生长因子的生理作用。（2）TGF-β在体内可能对肌卫星细胞具有双相调节作用，组织受损使卫星细胞对TGF-β的反应发生转换。（3）TGF-β作为强趋化因子使得巨噬细胞、T淋巴细胞、成纤维细胞积聚于受损组织处，上述细胞释放其他生长因子又参与组织修复。

2.3.2.3胰岛素样生长因子（IGFs）

胰岛素样生长因子（IGFs）属胰岛素多肽家族，为单链蛋白，主要包括IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ两种，分别由70和67个氨基酸组成，两者有62%的结构相同。IGFs在物种间有高度保守性。有关IGFs基因表达的调控机制，目前尚不清楚。IGFs在生长骨骼肌中高度表达，但在成熟骨骼肌中水平很低 [190]。

在骨骼肌生长和分化过程中，IGFs首先促进肌细胞分裂，继而促其分化。在肌蛋白代谢方面，IGFs也能增强骨骼肌细胞间氨基酸和葡萄糖的转运，增加骨骼肌血液供应，促进肌蛋白合成，并抑制其分解。另外， IGFs还可以通过IGFs-神经-肌肉途径间接发挥肌肉营养作用 [173]。

实验测得在再生肌中，IGFs水平快速上升。IGFs能够刺激培养的鼠骨骼肌卫星细胞增殖并促进其分化 [191]，但卫星细胞必须已经进入有丝分裂期。注射生长激素或诱导产生生长激素分泌瘤，均可以增加肌肉中IGF mRNA的量，使正在生长的鼠肌中的卫星细胞增倍 [192，193]。

除上述生长因子外，生肌因子（Mitogen）、血小板源性生长因子（PDGFs）、睫状神经营养因子（CNTF）、巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）等在肌肉的再生和修复中也起重要的调节作用。这些生长因子对肌肉修复和再生的调节并不是单一的，而是存在相互促进、相互抑制的内在平衡机制。只有对其进一步研究，才能揭示生长因子对肌肉损伤修复的调节机制。

另外，内源性生长因子的定位、分布以及在损伤条件下含量的改变均可能与损伤时间相关。Sakamoto[187]采用免疫组化方法验证由于连续离心运动肌肉微损伤后IGF-1、bFGF、TGF的反应，结果发现IGF在损伤后第1天就明显上升，肌肉出现损伤后4天时间里持续增加，以后逐渐下降，并恢复到运动前水平；bFGF在第4～5天，特别是单核细胞出现时增加；TFG在第1天轻度增加，并在第3天单核细胞的周围增多，作者认为损伤肌肉的再生过程中，三种生长因子的变化幅度和时相都是不同的。

进入损伤区域的激活细胞能表达新的基因产物以增加蛋白质及其他因子的形成，故在今后的研究中应通过测定蛋白质mRNA的表达量来了解这些蛋白质的基因在转录水平的变化，通过检测蛋白质的表达量来了解这些蛋白质的基因在翻译水平的变化，籍此了解内源性生长因子在肌肉损伤修复过程中的变化、作用以及与损伤时间的关系。

目前对细胞生长因子的作用机制、释放机制、对卫星细胞的具体信号、受控因素以及与损伤时间的关系等方面知之甚少，还需作大量深入的研究。

2.4 骨骼肌静力性损伤动物模型建立的研究概况

在动物模拟性实验研究中，建立或复制动物模型是其研究的重要环节，模型的适用性、可靠性和可行性直接关系到实验结果的科学性。因此，总结已有研究的动物模型，分析其特点和适用性，对进一步深入骨骼肌损伤实验研究具有重要的实践意义。

以往研究中骨骼肌静力性损伤动物模型的建立通常采用电刺激造成肌肉等长收缩、动物抓杆悬挂以及固定笼固定等几种方式。

张培苏等 [194]通过连续电刺激家兔大腿后群肌肉，使其等长收缩，成功复制了骨骼肌静力性损伤模型。该模型的电刺激方案是：运用针电极，负极位于坐骨结节和髂结节中点，正极位于大腿内侧中部；电极刺入2.5-4厘米，极间距为5-6 厘米。刺激参数为：电压8-80伏，波宽0.1-0.5毫秒，频率66赫兹，串长0.5秒，每秒触发1次；每天训练2次（间隔不少于2小时）；每次训练刺激55分钟、休息5分钟，持续3小时；连续训练4-5次，肌肉出现僵硬。研究发现：僵硬后24 小时，肌肉肌节长度变短，僵硬后48 小时 和72小时，肌原纤维排列紊乱，Z线流出现。电刺激肌肉静力性损伤模型在运动强度的控制上具有一定的优势，但其不足亦是显而易见的：第一，实验中不可避免地使用麻醉剂，不同程度的构成了应激因素。这对一些生理功能，特别是内分泌系统会带来一定影响；第二，电刺激肌肉收缩在肌纤维募集方式上，与人体自然运动时的神经冲动存在较大差异，这种运动形式，通常募集了全部肌纤维，即Swynghedauw[195]称之为骨骼肌的持续性募集，而人类肌纤维的募集遵循一定的规律。故在结果分析中还应考虑到电刺激对工作肌群可能产生的影响。第三，电刺激收缩与人体自然运动比较，所引起的体内离子浓度变化可能有所不同 [196]。

宋敏 [197]采用如下方法建立了骨骼肌静力性损伤模型。他用2%戊巴比妥钠麻醉大鼠，将其上肢固定在高60厘米的木架上，剥离腓肠肌，不破坏主要血管，保持血液供应，将远端游离并给予负荷，每个负荷分别持续相应的时间。这种模型也具有一些明显的缺点：第一，实验中使用麻醉剂以及手术损伤构成了附加应激因素。第二，骨骼肌的工作条件与自然状态不同。第三，这种模型骨骼肌只能进行一次性的静力性工作，无法模拟长时间、重复性的静力运动，当然也就无法通过其来了解骨骼肌静力性损伤的病理发展、恢复再生的时相变化。

王生等 [198]采用动物固定笼的方法建立骨骼肌静力性损伤模型。该实验将家兔固定在20×15×30厘米的固定笼中，使其腰部处于最大生理弯曲状态。在每日上、下午各固定3小时，分别固定1周、4周和8周。该模型可以满足研究骨骼肌静力性损伤的病理发展、恢复再生的时相变化的需要，但肌肉工作方式不完全符合自然状态时肌肉主动收缩进行静力工作的特点，而与关节固定致肌肉退用性萎缩模型较接近。

动物抓杆悬挂是另一种典型的静力性训练模型。吕丹云 [199]复制出典型的慢性运动损伤模型。该实验中以大鼠为实验对象，训练安排如下：（1）上坡跑227天；（2）上坡跑62天后改为抓杆170天，共232天；（3）上坡跑62天后改为跑坡加抓杆170天，共232天。模型中，大鼠的步频为16-20步/10秒；坡度为10-15°；持续30-60分钟/天，抓杆为40分钟/天。该模型的不足之处是影响因素多，使模型复杂化，实际上该研究复制的慢性肌肉损伤是由于上坡跑和抓杆两种因素造成的。

在动物模型的建立过程中，其重要方面之一是尽可能使影响因素单一化。建立单一因素的、更接近生理状态的骨骼肌静力性损伤动物模型，有待于进一步研究，这对深入骨骼肌损伤的实验研究具有重要的现实意义。