停止训练与肌球蛋白重链异形体转变及其相关性能变化研究进展

宋亚军

济宁学院体育系（山东曲阜 273155）

运动员由于某种原因减少或中止运动训练，可造成训练所获得的结构和生理机能的良好变化部分或完全消失，运动成绩也随之下降，这种现象称为停止训练（Detraining）[1]。早期的研究认为，系统运动训练后的停止训练与肌肉生物学功能的下降密切相关，停止训练可导致最大肌肉力量下降[2，5]，肌肉最高收缩功率降低[6，7]，肌肉体积减小[5，8，9]，神经－肌肉的传动速度下降[5，10]。近年来，人们就停止训练对骨骼肌生理、生化方面的影响作用进行了大量研究，提供了一些新的研究成果[3，4，11，25]。

骨骼肌的结构和功能性成分是肌动蛋白和肌球蛋白，肌球蛋白由两个重链和两个轻链构成，肌球蛋白重链（myosin heavy chain，MHC）有多种异形体表达，决定着骨骼肌机械活动的本质。研究表明[12，38]，肌球蛋白重链异形体通常可区分为3或4种，即MHC-I、MHC-IIA和MHC-IIB 或 MHC-I、MHC-IIA、MHC-IIX 和 MHC-IIB。由于其组成与骨骼肌的收缩性能和肌球蛋白ATP酶活性密切相关，故探讨肌球蛋白重链异形体的组成模式已成为反映肌纤维收缩功能的表型标志。

研究表明[13-16]，不同运动模式和运动负荷可导致肌纤维类型发生不同的转变。纵观抗阻力训练对MHC的影响，发现抗阻力训练影响人MHC和肌纤维组成的结论不尽相同，但MHC-II向MHC-1转化的结论居多。多数研究认为，不论是耐力训练还是抗阻力训练，这些增加负荷的训练方式均会引起II型MHC中快型向慢型转化，即MHC-IIB→MHC-IIX→MHC-IIA。事实证明，肌球蛋白重链异形体的这种转化过程对于运动训练具有重要的指导意义，因为I、II型肌纤维的相互转化意味着后天训练因素对提高运动成绩的作用越来越大。当然，研究方法、测试手段可能影响研究的结果，另外可能有很多其他因素影响MHC异形体的转变。

然而，大量研究表明，在停止训练和肌肉废用后，肌球蛋白重链异形体会发生某些有趣的转变。那么，停止训练后肌球蛋白重链异形体究竟发生哪些转变？这些转变会引起肌纤维收缩性能发生哪些变化？本文就此问题作一综述。

1 停止训练与肌球蛋白重链异形体的转变

研究认为[20，24]，成熟骨骼肌最显著的能力是通过改变基因表达以适应长期工作变化的需要，并导致特定基因转录率的变化和特殊蛋白质的合成率。Serrano等[23]以马为研究对象检测肌球蛋白重链显型和肌肉代谢状况的可塑性。运动训练早期阶段（3个月）的变化表现为伴随MHC-IIA的增加MHC-IIX纤维减少；同时，高氧化纤维的数量和有氧氧化酶以及糖原含量升高。8个月的有氧运动训练后，MHC-IIX表达进一步降低，MHC-I型表达增加，高氧化纤维、毛细血管密度、有氧氧化酶的活性和内源性糖原含量进一步增加。3个月停止训练对马臀肌MHC显型和代谢状况均产生显著影响，多数运动介导的变化在停止训练期间回到训练前水平。作者认为MHC-IIX基因构成了潜在的基因设置，通过收缩活动的增加而减小其表达，用于补偿MHC-IIA表达的增加；同样，停止训练后肌肉代谢特征返回到训练前水平，可观察到与停止训练相关的MHC显型变化，MHC-IIX表达返回到训练前水平。

目前，关于减少活动对肌肉反应和适应性变化的研究，除运动员停止训练以外，还包括肌肉固定不动（卧床休息或肢体固定）、神经肌肉病理学、失重（太空旅行）等。研究发现[21]，7名健康男性在37天卧床休息后，通过股外肌活检，采用肌原纤维ATPase组化和免疫细胞化学方法，并未发现肌纤维分布的改变；但原位杂交结果表明:MHC-I和MHC-IIA mRNA下降，含IIA和IIX mRNA的纤维以及单独含IIX mRNA 的纤维比例增加，并且MHC mRNA和蛋白水平的错配现象在卧床后增加，说明处于转变状态的肌纤维数目增多。动物实验表明，MHC异形体的适应性变化在全脊髓横断（ST）5天后开始；大鼠比目鱼肌在ST5天后MHC-I mRNA比对照组下降了33%，MHC-IIA和MHC-IIX mRNA的转录分别比对照组升高了2倍和5倍，MHC-IIB mRNA转录物重新表达。Lee 等研究[18]亦得出类似结论。研究发现[22]，使肌肉处于一种缩短状态的制动能够快速导致MHC异形体表达的变化。仅仅5天后，成年大鼠的跖肌和腓肠肌MHC-I和MHC-IIA mRNA的转录水平下降。在制动2天后，比目鱼肌MHC-I表达没有下降，而MHC-IIB表达却升高。应用这项技术制动7天后，比目鱼肌MHC-IIX mRNA较对照组上升24倍，MHC-IIB mRNA转录增加2.6倍，而MHC-I或MHC-IIA的转录没有变化。腓肠肌MHC-IIA mRNA下降了51%，MHC-IIX mRNA 增加了140%。这些事实可用RT-PCR技术对MHC异形体mRNA转录的量化分析得以证实。因此，MHC异形体mR NA的适应性变化与MHC蛋白的变化是一致的，而且在大鼠骨骼肌中这种变化发生得非常迅速。

人体对抗阻训练和停止训练的肌肉可塑性研究表明，在分子水平上，抗阻训练的停止会产生一个朝着快型IIX显型（表型）的转变[17]，这种转变可以达到超过训练前的表现[8]。研究表明[11]，先前没有受过训练的受试者进行3个月抗阻训练后，MHC-IIX比率从5.6±0.8%减少至 0.8±0.3%，而 MHC-IIA从 34.0±2.5%增加到39.4±2.0%。停止训练3个月后，MHC-IIX又增加到7.7±1.1%，与训练前和训练后相比呈显著性增加；全部的MHCII（IIA＋IIX）比例从 40.2±2.1%增加到 44.7±2.2%。研究认为[11]，伴随训练停止，在减少MHC-I的前提下，全部MHC-II（IIA＋IIX）比例增加；当然，在该研究中，受试者在停止训练期间可进行习惯性身体活动。与先前相关研究结果[8]一致，3个月抗阻训练后停止训练会引起MHC亚型表达朝着更快的方向转变（I→IIA→IIX）。有学者认为，人的骨骼肌MHC-IIX代表一种假设的基因序列，在肌肉收缩活动缺少时被表达出来[19]。

骨骼肌MHC异形体基因表达可以通过多种不同的信号途径和分子机制进行调控。目前研究比较多的两条途径是肌源调节因子途径（MRF）和钙－钙调磷酸酶－活性T细胞核因子（NFAT）途径。有学者认为，肌球蛋白重链编码基因表达的调节机制并未被很好地理解[38]。机械性信号，如紧张状态的变化很可能被包含在这种调节之中。快型基因似乎被“默认”地表达；并且，活动的减少应导致一个更高的快肌球蛋白重链的表达和一种II型纤维的增加。与不同刺激条件下运动单位的募集过程相似，不同类型肌球蛋白重链可根据刺激的性质不同按照一定的顺序进行转变。根据刺激的性质不同，MHC-I到MHC-IIA再到MHC-IIX在两个方向上的依次进行转变[38]。这种模型认为，减少活动和增加活动两种情况将会导致在骨骼肌中I型和II型纤维比例的变化，这种变化将会发生在I到IIA再到IIX（1-IIA-IIX）变化的程序之中。

运动对肌纤维类型影响的研究一直是运动医学领域中的热门话题，但由于肌纤维分类方法的多样性，对研究结果造成了一定的影响。但总体看来，停止训练或减少活动，多数情况下会引起慢型肌球蛋白重链异形体向快型肌球蛋白重链异形体方向转变。

2 停止训练与肌球蛋白重链异形体转变相关性能的变化

2.1 收缩速度的变化

研究证实，运动训练与停止活动一样能够改变个体肌纤维 MHC 亚型的表达[8，19，26]，表现为影响个体 MHC亚型的收缩特征[27]。研究显示，IIX型肌纤维的收缩速度大约是IIA型肌纤维的2倍，是I型肌纤维的9～10倍，而混合肌纤维表现出中间的收缩性能[28-30]。同样，在体肌肉中，混合类型肌纤维的收缩性能可通过I型和II型占优势的肌肉对比而被观察到[31]。基于MHCI-IIA-IIX型肌纤维之间在最大收缩速度上的关系，可以用一个简单的1-4-9的关系来进行估算[28-30]，表明从训练状态到停止训练后,肌球蛋白重链异形体的转变从理论上会引起最大无负荷收缩速度相应增加21%。当然，这种简单的估算主要基于单条肌纤维的最大收缩速度[28-30]，整个肌肉收缩性能可能比单条肌纤维的活动更复杂。

肌纤维类型的成分变化与收缩性能间关系越来越密切，这一点已被先前的研究证实，如随着肌球蛋白重链表达向快型转变，其收缩速度增加[32，34]。Tihanyi等[33]的研究发现，当缩短速度超过最大值的一半时，在体的股四头肌收缩力量与肌纤维类型相关的差异变得清晰起来。同样，Thorstensson等[34]的研究发现，II型肌纤维百分比与最大伸膝速度之间存在显著性相关关系。研究表明[11]，先前没有受过训练的受试者进行3个月抗阻训练后停止训练3个月，作为对停止训练的反应在朝更快MHC亚型转变的同时，无负荷肢体运动速度显著增加；并认为最大无负荷肢体运动速度和功率的增加很可能是作为MHC向更快亚型转变的结果。当然，其他因素的作用，如SRCa2＋动力学和兴奋－收缩耦联等因素的增强均不应被排除在外。

可见，作为对停止训练的反应，一个朝更快MHC亚型的显型转变，从理论上可以解释无负荷肢体运动速度增加的研究成果。

2.2 收缩功率的变化

肌肉功率输出是一种重要的功能性变量，它是肌肉收缩力量和收缩速率的产物。先前的研究认为[1，2，5]，停止训练导致肌肉最高收缩功率降低，但其机制尚不十分清楚，可能与肌肉萎缩以及神经刺激频率下降影响正常的肌纤维募集等因素有关。在这些研究中，从方法学上讲，运动要对抗外部阻力，对抗外部阻力的功率与最大肌肉力量密切相关[35]，而停止训练后功率减小可能与最大肌肉力量的减少相联系[6，7]。

近期研究发现[11]，停止训练后无负荷伸膝期间功率显著增加，认为依次增加的下肢加速度影响速度和力量的力矩共同影响功率。该研究中，功率是在无任何外部阻力的条件下测量的。这样，在无负荷肢体运动期间，一个高力量条件下的收缩速度对于取得高加速度、功率和速度是至关重要的。研究表明[29]，与I型肌纤维相对比，IIA型和IIB型肌纤维更快的横桥摆动速率提供了更快的力量速率，并增强下肢的加速度。Houston及其同事的研究支持这一观点，他们发现最大无负荷伸膝的角加速度与肌纤维类型的成分密切相关[35]。因此，功率的显著增加可能反映力量速率的增加，依次提供更大的下肢加速度。当肌肉收缩未对抗实质性外部负荷时，功率的产生受到肌肉体积和最大收缩力量的影响[35]；相反，完成最大速度的无负荷运动，内在的肌肉收缩性能却占据明显优势。

2.3 骨骼肌横断面积的变化

研究认为[39]，如果活动足够少，肌肉萎缩将会随着最大力量和功率的丢失而发生。动物实验表明，无负荷肌肉确实表现出I型纤维的优先性萎缩和II型纤维的比例增加[39，40]。研究发现[41]，6 周卧床休息后，7 名正常受试者下肢肌纤维类型的比例无显著性变化。这些研究支持了Sargeant等[42]的研究结果，其研究发现，7名下肢骨折病人用石膏固定131天，虽然I型纤维和II型纤维的数量未发生任何变化，但两者均发生显著萎缩。与II型纤维相比，I型纤维表现出更大的萎缩程度。在石膏固定人肢体的研究模型中，随着前十字韧带的重建，对相同受试者进行重复的肌组织活检；结果发现，仅I型肌纤维面积出现丢失[43]。研究发现[44]，用玻璃纤维管固定住 48 位健康受试者的左腿，发现其I型纤维的比例减少9%，而IIX纤维的比例增加7%。

对人体肌肉系统横向研究的结果表明，停止训练以前体育活动的类型、强度或发生在固定期间的肌肉收缩的情况会影响肌肉萎缩的状况。然而，当肌肉处于静止状态，多数变化出现在几个小时后[1，38]。肌肉萎缩的最重要特征即蛋白质合成率开始减少[37]。收缩蛋白浓度的下降可能会导致每个肌肉容量中活化的横桥数量的下降和肌电效应的降低[41]。

3 小结

当运动员遇到疾病、受伤、旅行等情况时往往会停止训练，停止训练对机体的影响已引起运动员和教练员的高度重视。近年来的研究发现，休息或减少几天的训练并不会影响运动能力，还有可能对运动能力有促进作用。由于肌球蛋白重链异形体与骨骼肌的收缩性能和肌球蛋白A T P酶活性密切相关，故探讨其对停止训练的反应、适应规律和机制具有十分重要的意义。已有的研究表明，尽管停止训练对肌球蛋白重链异形体及其相关性能转变的作用尚无确切定论，但总体上停止训练会在多数情况下引起慢型肌球蛋白重链异形体向快型肌球蛋白重链异形体转变，在一定程度上从理论角度解释了停止训练后肌肉无负荷收缩速度和功率增加的机制。

[1]Wilmore JH，Costill DC.Physiology of sport and exercise.Champaign:Human Kinetics，1994.309-315.

[2]Colliander EB and Tesch PA.Effects of detraining following shortterm resistance training on eccentric and concentric muscle strength.Acta Physiol Scand，1992，144（1）:23-29.

[3]Frotzler A，Coupaud S，Perret C，et al.Effect of detraining on bone and muscle tissue in subjects with chronic spinal cord injury after a period of electrically-stimulated cycling:a small cohort study.J Rehabil Med，2009，41:282-285.

[4]DennisRT，Tim RH，MichaelAN，etal.Alterationsin muscle attenuation following detraining and retraining in resistance-trained older adults.Gerontology，2009，55（2）:217-223.

[5]Narici MV，Roi GS，Landoni L，et al.Changes in force，cross-sectional area and neural activation during strength training and detraining of the human quadriceps.Eur J Appl Physiol，1989，59（4）:310-319.

[6]Kraemer WJ，Koziris LP，Ratamess NA，et al.Detraining

produces minimal changes in physical performance and hormonal variables in recreationally strength-trained men.J Strength Cond Res，2002，16:373-382.

[7]Mujika I and Padilla S.Muscular characteristics of detraining in humans.Med Sci Sports Exerc，2001，33（8）:1297-1303.

[8]Andersen JL and Aagaard P.Myosin heavy chain IIX overshootin human skeletal muscle.Muscle Nerve，2000，23（7）:1095-1104.

[9]Hortobagyi T，Houmard JA，Stevenson JR，et al.The effects of detraining on power athletes.Med Sci Sports Exerc，1993，25（8）:929-935.

[10]Hakkinen K，Alen M，and Komi PV.Changes in isometric force- and relaxation-time，electromyographic and muscle fibrecharacteristicsofhuman skeletalmuscle during strength training and detraining.Acta Physiol Scand，1985，125（4）:573-585.

[11]Andersen LL，Andersen JL，Magnusson SP，et al.Changes in the human muscle force-velocity relationship in response to resistance training and subsequent detraining.J Appl Physiol，2005，99（1）:87-94.

[12]杨锡让，傅浩坚.运动生理学进展——质疑与思考.第1版.北京体育大学出版社，2000.300-302.

[13]Ahtiainen JP，Hulmi JJ，Kraemer WJ，et al.Stength，endurance or combined training elicit diverse skeletal muscle myosin heavy chain isoform proportion but unaltered androgen receptor concentration in older men.Int J Sports Med，2009，30（12）:879-87

[14]Rivero JL，Ruz A，Marti-Korfft S，et al.Contribution of exercise intensity and duration to training-linked myosin transitions in thoroughbreds.Equine Vet J Suppl，2006，36:311-315.

[15]Willoughby DS，Nelson M.Myosin heavy chain mRNA expression after a single session of heavy resistance exercise.Med Sci Sports Exerc，2002，34（8）:1262-1269.

[16]Willoughby DS，Rosene J.Effects of oral creatine and resistance training on myosin heavy chain expression.Med Sci Sports Exerc，2001，33（10）:1674-1681.

[17]Staron RS，Leonardi MJ，Karapondo DL，et al.Strength and skeletal muscle adaptations in heavy-resistance-trained women afterdetraining and retraining.JApplPhysiol，1991，70（2）:631-640.

[18]Lee YS，Lin CY，Caiozzo VJ，et al.Repair of spinal cord transection and its effects on muscle mass and myosin heavy chain isoform phenotype.J Appl Physiol，2007，103（5）:1808-1814.

[19]Goldspink G，Scutt A，Martindale J，et al.Stretch and force generation induce rapid hypertrophy and myosin isoform gene switching in adult skeletal muscle.Biochem Soc Trans，1991，19:368-373.

[20]Leisson K，Jaakma U，Seene T.Adaptation of equine ocomotor muscle fiber types to endurance and intensive high speed training.J Equine Vet Sci，2008，28（7）:395-401.

[21]Andersen JL，Gruschy-Knudsen T，Sandri C，et al.Bed rest increasestheamountofmismatched fibersin human skeletal muscle.J Appl Physiol，1999，86（2）:455-460.

[22]Terrak M，Rebowski G，Lu RC，et al.Structure of the light chain-binding domain of myosin V.Proc Natl Acad Sci USA，2005，102（36）:12718-12723.

[23]Serrano AL，Quiroz-Rothe E，Rivero JLL.Early and longterm changes of equine skeletal muscle in response to endurance training and detraining.Pflug Arch Eur J Physiol，2000，441:263-274.

[24]Goldspink G，Scutt A，Loghna PT，et al.Gene expression in skeletal muscle in response to stretch and force generation.Am J Physiol，1992，262:356-363.

[25]TerjeFG，HansAD.Effectoftraining with different mechanicalloadingson MyHC and GLUT4 changes.Med Sci Sports Exerc，2009，41（1）:129-136.

[26]Andersen JL，Klitgaard H，Saltin B.Myosin heavy chain isoforms in single fibres from m.vastus lateralis of sprinters:influence of training.Acta Physiol Scand，1994，151（2）:135-142.

[27]Widrick JJ，Stelzer JE，Shoepe TC，et al.Functional properties of human muscle fibers after short-term resistance exercise training.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2002，283（2）:408-416.

[28]Bottinelli R，Canepari M，Pellegrino MA，et al.Force-vel ocity properties of human skeletal muscle fibres:myosin heavy chain isoform and temperature dependence.J Physiol，1996，495:573-586.

[29]Bottinelli R，Pellegrino MA，Canepari M，et al.Specific contributions of various muscle fibre types to human muscle performance:an in vitro study.J Electromyogr Kinesiol，1999，9（2）:87-95.

[30]Larsson L and Moss RL.Maximum velocity of shortening in relation to myosin isoform composition in single fibres from human skeletal muscles.J Physiol，1993，472:595-614.

[31]Harridge SD，Bottinelli R，Canepari M，et al.Whole-muscle and single-fibre contractile properties and myosin heavy chain isoforms in humans.Pflugers Arch，1996，432:913-920.

[32]Aagaard P and Andersen JL.Correlation between contractile strength and myosin heavy chain isoform composition in human skeletal muscle.Med Sci Sports Exerc，1998，30（8）:1217-1222.

[33]Tihanyi J，Apor P，Fekete G.Force-velocity-power characteristics and fiber composition in human knee extensor muscles.Eur J Appl Physiol，1982，48（3）:331-343.

[34]Thorstensson A，Grimby G，Karlsson J.Force-velocity relations and fiber composition in human knee extensor muscles.J Appl Physiol，1976，40（1）:12-16.

[35]Stone MH，Sanborn K，O’Bryant HS，et al.Maximum strength-power-performance relationships in collegiate throwers.J Strength Cond Res，2003，17（4）:739-745.

[36]Houston ME，Norman RW，Froese EA.Mechanical measures during maximal velocity knee extension exercise and their relation to fibre composition of the human vastus lateralis muscle.Eur J Appl Physiol，1988，58（1）:1-7.

[37]Rennie MJ，Edwards HT，Emery PW，et al.Depressed protein synthesis is the dominant characteristic of muscle wasting and cachexia.Clin Physiol，1983，3:398.

[38]Bruton A.Muscle Plasticity:Response to training and detraining.Physiotherapy，2002，88:398-408.

[39]Fitts RH，Riley DR，Widrick JJ.Microgravity and skeletal muscle.J Appl Physiol，2000，89:823-839.

[40]Jiang B，Ohira Y，Roy RR，et al.Adaptation of fibres in fast-twitch muscles of rats to space flight and hindlimb suspension.J Appl Physiol，1992，73:58-65.

[41]Berg HE，Larsson，L，Tesch PA.Lower limb skeletal muscle function after six weeks of bed rest.J Appl Physiol，1997，82:182-188.

[42]Sargeant AJ，Davies TM，Edwards RH，et al.Functional and structuralchangesafterdisuse ofhuman muscle.Clin Sci Mol Med，1997，52（4）:337-342.

[43]Haggmark T，Jansson E，Erikson E.Fibre type:Area metabolic potentialof the thigh muscle in man after knee surgery and immobilization.IntJSportsMed，1981，2:12-17.

[44]HortobagyiT，Dempsey L，FraserD，etal.Changesin muscle strength，muscle fibre size and myofibrillar gene expression after immobilisation and retraining in humans.J Physiol，2000，524:293-304.