对乳酸代谢研究的新认识_王立丰

* 收稿日期: 2008- 10- 11; 修回日期: 2009- 02- 13 作者简介:王立丰( 1982- ) ,男, 辽宁朝阳人,在读硕士研究生, 研究方向为人体机能评定。 对乳酸代谢研究的新认识 王立丰 卢 健 陈彩珍 (华东师范大学体育与健康学院,上海 200241) 摘 要:一直以来, 乳酸被认为只是缺氧糖酵解的终产物, 并且是致使运动性疲劳和运动后延迟性疼痛的主要因素。阶 段着研究的不断深入,乳酸其它作用逐渐被人们发现, 特别是乳酸穿梭概念的提出, 对于乳酸的认识又进入了一个新的 阶段。综述了近几年对乳酸研究成果,以改变长期人们对乳酸消极的认识。 关键词:乳酸; 运动;代谢信号 中图分类号: G804. 2 文献标识码: A 文章编号: 1672- 1365( 2009) 03- 0074- 03 The New Thinking about Lactate Metabolism Research Wang Lifeng, Lu Jian, Cheng Caizhen ( Physical Education and Health College of East China Normal University, Shanghai, 200241, China) Abstract: Since lactate is discovered in animal muscle, it was considered a dead- end product of glycolysis due to hypoxia, and was responsible for exhaus- tion during exercise and delayed onset muscle soreness after exercise. Recent evidence supported amounts of invest igation, the role of lactic acid were found, in part icular the concept of the lactic acid shuttle is proposed, lact ic acid for the understanding and entered a new era. This article summarizes to research on lactic acid in the recent years, in order to change people. s to negatively recognize long- term Lact ic acid. Key words: lactate acid; exercise;metabolic signal 1 前言 在运动过程中, 随着运动强度的增加, 乳酸在体内积累 会增加, 乳酸通过穿梭作用会在组织间进行穿梭, 包括骨骼 肌细胞间、细胞内, 以及胶质细胞和神经元之间[ 1, 2]。已有研 究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明[3] , 70% - 75%的乳酸通过穿梭, 在心肌和氧化型的 肌纤维进行氧化或在肝脏中作为糖异生的底物, 而乳酸在穿 梭的过程中 ,乳酸能够影响各组织的能源物质的代谢, 心肌 和氧化型的肌纤维将葡萄糖运输到酵解型肌纤维参加能量 的供应以适应运动强度的变化。乳酸能在胶质细胞和神经 元之间穿梭 ,乳酸防止在剧烈运动时机体发生损害, 从而引 发中枢神经的疲劳,是运动终止时起到信号的作用。因此, 乳酸的作用已不再是代谢的废物,而是在运动中物质代谢的 调节上起到了作用。本文主要从乳酸发展的历史, 以及最近 20 多年对于乳酸研究新的进展进行了综述, 改变对于乳酸在 运动过程中消极的认识。 2 乳酸的历史 在运动中发现乳酸的积累距今已近 200 年的历史, 1808 年, Berzelius发现, 在肌肉收缩时, 乳酸的浓度升高, 又在后来 的研究中发现肌乳酸与肌肉收缩的程度成比例。而在随后 的研究中, 一直没有突破性的进展, 直到 1907 年, Fletcher 和 Hopkins 在综合以前的研究中, 提出了氧气可以延缓但不能 阻止蛙的骨骼肌在体外收缩时兴奋性的丧失。在随后发表 的5两栖动物的肌乳酸6一文中, 在无氧条件下, 肌肉在电刺 激下会产生大量的乳酸, 但在有氧气存在的条件下, 肌肉受 到电刺激,乳酸的浓度会下降的[ 4]。在 20 世纪20 年代, 对于 乳酸的研究更进一步的认识, Mayerhof发现用电刺激蛙肌时, 使其收缩,乳酸的降低与糖原的含量降低有定量的关系, 认 为糖原是乳酸的前体。Hill和Mayerhof综合以前在运动中对 乳酸代谢的研究,提出了两个理论, 一是/ 乳酸循环0 (糖原 ) 乳酸 ) 糖原) , 另一个是运动中存在两种供能方式: 有氧供能 和无氧供能。Cori. s 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 提出了著名的 Cori. s 循环, 认为 糖原在肌肉中生成乳酸, 经血液运输到肝脏, 在肝脏中经糖 异生再合成糖原。Hill提出古典的氧债学说, 用于解释运动 后的过量的氧耗。随后,Margaria 对氧债学说加以修正,将氧 债分成两个部分,非乳酸性氧债和乳酸性氧债。而在以后的 40 年的研究中,乳酸只是作为代谢的废物来研究,对其本身 的功能却被忽视了。 20 世纪 70 年代,乳酸的研究又跨入了另一个时代,乳酸 不是作为代谢的终产物, 而是研究其在代谢过程中的作用。 Davis [ 5]提出了无氧阈的概念, 他观察到, 在运动的过程中, 当 运动强度超过某一个限度时,血乳酸的浓度就开始积累。在 同年[6] , George Brooks 提出了著名的/ 乳酸穿梭0的概念,对于 乳酸的作用又有了全新的认识。Andrew Philp 等[ 7]提出了一 个更新的概念,乳酸作为一个信号分子, 能够调节细胞和系 统代谢的过程。 3 乳酸与 pH、运动疲劳 在运动的过程中,骨骼肌的疲劳的发生伴随着乳酸浓度 的增加,在正常的生理 pH 下,大约 99%以上的乳酸水解成乳 酸根离子和H+ , 因此, 使人们形成了一个错误的概念, 认为 乳酸也是致使细胞内酸化的原因。人们之所以形成这样的 概念主要是对乳酸在代谢过程所发挥的作用不太清楚, Robert A. Robergs 等[8]认为乳酸的产生不是引起细胞内 pH 值 下降的原因,在剧烈运动时, 乳酸的产生延缓了丙酮酸的过 #74# 2009 年第 25卷第 3 期 吉林体育学院学报 Journal of Jilin Inst itute of Physical Education 2009 Vol1 25 No13 多积累,并为接下来的糖酵解提供了 NAD+ 。同时, ATP在分 解成 ADP和 Pi时释放出一个质子,当肌肉做功与线粒体供 能匹配时,不会发生 H+ 的积累, 但当剧烈运动时, 两者出现 不匹配的时候,就会出现 H+ 的积累使细胞内 pH 下降。以上 乳酸的积累与ATP 大量分解释放出的质子都是在剧烈运动 时出现,所以就误以为乳酸是引起细胞内酸化的原因。大量 的实验数据表明[9] :运动过程中肌肉组织中 pH 的下降会影 响肌肉的功能,其具体的表现: ( 1)减少了横桥由弱向强状态 的过渡。( 2)抑制了最大的收缩速度。( 3)抑制了 ATP 酶的 活性。( 4) 抑制了糖酵解的效率 ( 5)减少了 Ca+ 与肌钙蛋白 的结合。( 6)抑制了肌浆网对 Ca+ 的摄取。但是这种学说如 今也受到了质疑, Westerblad 等[ 10]的研究表明细胞内的酸化 不是引起疲劳发生的主要因素, 在研究去膜肌纤维中, 增加 H+ 的浓度是不会影响 Ca+ 的敏感性、收缩速度。而 Bangsbo 等[11]认为肌细胞内的酸化不会影响糖原分解。Pederson 等[12]的研究结果表明, 在肌肉细胞去极化时, 细胞内的酸化 能保持其细胞的兴奋性,延缓了疲劳的发生。因此, pH 的下 降是否能引起疲劳还有进一步的研究。 Nielsen等[ 13]提出了一个新奇的概念, 乳酸有可能对肌 肉的力量起到了保护作用, 在他们的实验中, 用分离出的肌 纤维放置在高浓度的 K+ 的缓冲液使其达到强直, 再放到 20mmol/ l的乳酸的缓冲液中, 观察到其强直状态减少, 认为 乳酸对肌肉的收缩起到保护作用。但是这只是在离体的情 况下得到的结果, 在体的研究还没有, 所以这种提法还进一 步的探讨。Noakes 等和 St Clair Gibson 等[ 14, 15]认为在最大强 度运动时, 运动神经元募集肌纤维的数量会下降, 降低运动 强度,以保护心脏、脑等组织的局部缺血。而有人试图证明 是否在外周组织有物质扮演信号的作用到达中枢神经系统 调解运动强度,但是这种机制仍然不是很清楚。 4 乳酸对代谢的调节 供能物质的选择与运动强度有着密切的关系, 随着运动 强度的增加 ,葡萄糖的供能逐渐的增加, 而自由脂肪酸供能 的比例逐渐的减少。Brooks 和 Mercier[ 16]认为在能源物质的 选择上,葡萄糖和自由脂肪酸( FFA)存在着明显的交叉,提出 了/ 交叉概念0 ,认为运动时葡萄糖与自由脂肪酸的供能存在 交叉点,机体是如何调控运动时能源物质的利用呢? Blake B. Rasmussen 等[ 17]认为葡萄糖供能增加时, 能对丙二酸单酰 辅酶A 有激活的作用,而丙二酸单酰辅酶A 又是肉碱棕榈酰 转移酶 1( CPT1)的抑制剂,从而减少了长链脂肪酸进入线粒 体进行氧化。而抑制 CPT1 因素不只是丙二酸单酰辅酶 A, Starritt等[ 18]在离体的实验中, pH 值从 7. 0 降低到 6. 8 时, CPT1 的活性降低了 40% ,这就提供了一个潜在因素, 细胞的 酸化能够抑制脂肪酸的氧化利用,即使 pH 波动很小的范围, 也会影响到脂肪酸的氧化利用。Jeukendrup 等[19]研究表明, 乳酸能够抑制脂解作用和增加的再酯化。Corbett 等[ 20]认为 在递增运动强度的运动中,血乳酸能使非酯化脂肪酸的水平 下降。而以前大量的研究也表明, 酸化能抑制脂肪的利用, 但是,是乳酸或 H+ 单独的作用, 还是二者共同的作用不是很 清楚。 综合上述的观点, 结合乳酸阈的概念, 在乳酸阈强度进 行运动时,能源物质的利用已经是葡萄糖供能占主体, 而血 乳酸的浓度只保持在 4mmol/ L, 乳酸浓度在安静时水平到达 这个浓度并保持此浓度在一个稳定的状态。在以前动物和 人的实验中得出这样的结论[ 21] : 在 40% VO2max 的运动中, 脂肪酸的利用率最大,占能量供给的 77%。Van Loon 等[ 22]的 实验研究中, 在同位素标记的实验中, 从 55% Wmax 到 75% Wmax 的运动中,脂肪酸的供能百分比下降了 34% ,而此时的 运动强度正是乳酸阈强度, 那我们可以假设, 乳酸就是一个 调解葡萄糖和脂肪酸供能的开关。当运动强度增加时,乳酸 能够抑制 CPT1的活性, 而 CPT1 活性的降低会减少长链脂肪 酸进入线粒体进行氧化。 5 乳酸代谢信号的作用 在运动时,随着运动强度的增加, 乳酸的浓度逐渐的增 大,增加的乳酸会通过血液循环到达心肌或临近氧化型的肌 纤维进行氧化,那么乳酸在细胞之间穿梭或是在血液运输到 达各种组织时起是否到一个信号分子的作用? Brooks[ 23] 认 为乳酸是一种拟激素, 在全身的水平上起到代谢信号的作 用,乳酸通过血液运输或穿梭到各种组织, 动员组织中的糖 原使其分解以适应随着运动强度的增加对代谢需求的增加。 Sebastian Cerdan 等[ 24]认为乳酸和丙酮酸之间的转换能够调 NAD+ / NADH 之间的比率, 调节了细胞的氧化还原状态, 从 而影响了细胞内的代谢水平。Fatter 等[25]利用乳酸钳夹技 术,当运动强度达到 65% Wmax 时, 乳酸的浓度保持在 4mmol/ L,与对照组相比, 实验组去甲肾上腺素和肾上腺素的 浓度都有显著的下降, 这说明在中等强度的运动时, 乳酸对 于调节代谢的激素有反馈的抑制作用。在运动的过程中(见 图1) : Andrew Philp等[ 7]认为, 在低强度运动时, 有少量乳酸 的生成,这时乳酸的生成的意义是增加通气量和血管舒张, 使人体的机能适应运动应激。在中等强度运动时, 乳酸浓度 的升高模拟缺氧的环境触发一系列的生理反应, 如促进糖原 的利用,抑制脂肪供能。在高强度运动至力竭的过程中, 乳 酸浓度继续升高对机体是一种保护的作用,运动强度过大而 使机体遭到损害。 图 1 乳酸随运动强度的增加而表现出的 信号作用(引自 Andrew Philp等[ 7] ) 在低强度运动时, 乳酸浓度保持在 2mmol/ L以下,能够 影响血管的舒张,儿茶酚胺的释放, 增加通气量, 刺激脂肪和 #75# 第 25卷 王立丰 ,等:对乳酸代谢研究的新认识 第 3期 碳水化合物的氧化, 同时, 能够穿梭到临近的细胞进入三羧 酸循环进行氧化, 或者到达肝脏进行糖异生。因此, 在低强 度时,乳酸作为一个信号- 能源物质的双重角色。随着运动 强度的增加,乳酸的浓度达到 2- 8mmol/ L, 乳酸的生成大于 其清除,乳酸和 H+ 共同影响 CPT1 的功能,抑制脂肪的氧化, 增加了碳水化合物的氧化。Trabold 等利用 SD大鼠作为实验 对象,受损的组织在局部缺氧导致的酸化的环境下能够使损 伤的组织再生,认为乳酸同缺氧相似的作用, 使损伤的组织 再生, 是一种局部的信号分子, 短期的效应是促使白介素- 1B分泌增多,而长期的作用是使表皮生长因子和转化生长因 子- B1 增多, 胶原也增加了 50% , 而胰岛素生长因子- 1 减 少了90%。因此,乳酸可以作为一种缺氧诱导因子, 能够使 受伤组织的胶原沉积和新血管的生成。在运动的过程中, 特 别是乳酸的浓度达到一定程度时, 同样能促进血管的发生, 增加氧化防御和胶原的合成,而这些因素都能使提高肌肉的 功能。当高强度至力竭的过程中(乳酸的浓度在 8- 20mmol/ L时) ,在骨骼肌中, ATP的利用已经到达最大,细胞和机体的 pH 出现了明显的下降, 能源物质几乎耗竭, 从而使运动终 止。在高强度运动到运动终止的过程中, 机体是怎样调节的 呢? Yang 等的实验认为下丘脑的服内侧能感受到乳酸浓度 的变化,但不能感受丙酮酸的变化。在神经系统中, 存在一 种酸敏感性离子通道家族( ASICs) ,对于 pH 值的变化比较敏 感。Immke andMcClesky 的研究表明, ASICs 中的 ASIC3 对于 乳酸的变化比较敏感, 在急性运动过程中, 乳酸的浓度会达 到20mmol/ l,使 pH 出现波动, 会激活 ASICs 和增加膜 Na+ 的 传导率和去极化。两人在进一步的研究发现: pH 的改变会 诱导 ASIC的开放, 并且增加肌肉的收缩, 延缓疲劳的发生, 或者作为停止运动的信号。因此,乳酸可能作为信号引起中 枢神经对运动应激的感知,在肌肉或其它器官损伤前终止运 动或使运动强度下降。 参考文献: [ 1] BROOKS G A.The lactate shuttle during exercise and recovery[ J] .Med. Sci. Sports. Exerc. 1986, 18, : 360- 368. [ 2] PELLERIN L,MAGISTRTTI. Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycoglysis: a mechanism coupl ing neuronal act ivity to glucose ut-i lization[ J] . Proc Nat l Acas Sci USA 1994, 91: 10625- 10629. [ 3] BROOKS, GEORGE. A lactate: Link between glycolyt ic and oxidative metabolism[ J] . Sports Medicine. 2007, 4- 5: 341- 343. [ 4] 许豪文.运动生物化学概论[M ] .高等教育出版社. 2001. [ 5] DAVIS J A.Anaerobic threshold: review of the concept and directions for future research[ J] .Med. Sci. Sports. Exerc. 1985, 17: 6- 18. 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