乳酸在运动中作用的再认识

郭建立

乳酸作为糖代谢的中间产物，与运动密切相关。以往的研究认为大强度运动时骨骼肌快肌纤维进行糖无氧酵解产生乳酸，乳酸在肌肉中堆积引起骨骼肌收缩能力降低，肌肉疲劳发生。但近年的研究证明在氧供充足的情况下，骨骼肌同样进行糖酵解产生乳酸，乳酸不仅是运动过程中重要的能源物质，有延缓运动疲劳产生的作用，且可作为信号分子参与机体多基因的表达调节。因此，我们应该对乳酸在运动中的作用有一个全新的认识。

1 乳酸与运动疲劳

1907年Fletcher和Hopkins通过一系列实验证明了骨骼肌收缩时产生乳酸，在缺氧情况下乳酸不断增加，当氧供充足时累计的乳酸逐渐消失的现象。随后Hill等人通过大量实验论证了机体运动时两种截然不同的供能方式即有氧代谢及无氧代谢，并构建了“乳酸循环”的理论，即“糖原--乳酸--糖原”的循环转化过程。Hill等认为在运动开始时乳酸的增加是骨骼肌缺氧的直接结果，由此提出了“氧债”的假说，并认为乳酸是导致运动疲劳的原因。在后来的几十年中氧债、无氧阈的理论被广泛应用，成为设定运动训练强度和安排运动方式的最直接和最有力的依据。而关于乳酸的作用，学者们一致认为除小部分（20%）在肝内合成糖原外，大部分以代谢废物的形式排出体外，而其中解离后产生的H+酸化了血液，降低了机体的pH值，同时H+的增加还抑制了骨骼肌的最大收缩速度，减少横桥由低功能状态向高功能状态的转换，抑制肌纤维ATP酶的活性，降低了糖分解的速度，竞争性的抑制了钙与肌钙蛋白的结合，并减少了钙的再摄取，因此骨骼肌的收缩功能明显下降，运动性疲劳发生，即形成了“乳酸性酸中毒”。

20世纪80年代中期Connett等人对以上诸观点提出质疑并进行了实验验证，发现中等强度运动时（50% VO2max）红肌产生乳酸明显增加，但组织中的乳酸量与细胞内的氧分压没有相关性。

2 乳酸对骨骼肌力量产生的保护作用

骨骼肌收缩能力下降是运动成绩降低的主要原因，其与运动过程中骨骼肌细胞内外离子浓度平衡的失调密切相关。微透析显示，在此最大强度和大强度运动时，随着运动强度的增加，骨骼肌细胞间隙内K+浓度逐渐上升，增加1-2倍，达11-13mM，在耗竭性運动时可达15mM。而细胞内的K+则随着运动强度的上升而降低。人体实验显示高强度运动时可致骨骼肌胞内K+从165mM下降至130mM。

骨骼肌疲劳的发生与升高的胞外K+和降低的胞内K+而引起的膜的去极化有关。当细胞间隙K+从4mM升高到8mM时，伴随发生的是胞内的K+由150mM降低到90mM，此时可使K+的平衡电位降低33mV，当细胞间隙K+升至14mM时，K+平衡电位下降48mV，这种变化导致了膜的去极化，降低了细胞的兴奋性，降低了骨骼肌的收缩力。细胞内Na+的升高与胞外Na+的降低减小了Na+的胞内外的浓度梯度，减少了动作电位期间Na+的内流，降低了动作电位的幅度，从而降低了肌肉收缩的力量。

乳酸有保护骨骼肌疲劳发生的作用。用4-10mM的含钾培养液孵育鼠比目鱼肌，其强直收缩能力逐渐降低至100分钟左右达最低值并呈现出平台现象，下降程度达20-25%。如添加20mM的乳酸共育40分钟，可使骨骼肌的力量恢复80%，如用20mM的乳酸钠亦可缓慢的恢复其肌力，但效果小于乳酸的作用，如联合使用12mM的乳酸钠和8mM的乳酸可恢复高钾抑制的肌力的80%。

3 乳酸的供能作用

氧化代谢是骨骼肌的主要能量来源。乳酸作为糖代谢的最终产物，不仅为糖异生提供了丰富的底物，且可直接作为能源物质在体内氧化供能，乳酸的氧化率与血乳酸浓度密切相关。同样，在大脑准备工作中，乳酸优于葡萄糖作为燃料。乳酸是肝脏的主要糖异生底物;当血乳酸浓度升高时，乳酸形成葡萄糖的使用增加。Mazzeo等对6名男性进行运动实验，结果显示安静状态下机体血乳酸浓度约0.84±0.01mM，其氧化率为49.3%，当以75%最大摄氧量运动65分钟时，血乳酸浓度上升至4.75±0.28mM，其氧化率达87.0%;中等强度的运动乳酸供能占总碳水化合物氧化量的25%。

骨骼肌是乳酸产生的主要部位，也是摄取和利用乳酸的主要器官。14C标记示踪显示乳酸在氧化型及混合型肌纤维中的氧化是其消除的主要途径。当动脉乳酸浓度接近2.5mM时，氧化性肌纤维对乳酸的摄取即明显增加，净摄取率为1.4±0.2（μmol.100g-1.min-1）;当乳酸浓度达4mM时，混合型和酵解型肌纤维开始增加对乳酸的利用，其净摄取率分别为7.0±0.5（μmol.100g-1.min-1）和0.7±0.2（μmol.100g-1.min-1）。乳酸在酵解型、氧化型和混合型肌纤维中的氧化分别占乳酸清除的28%、51%和39%。糖异生是快肌纤维消除乳酸的主要方式。酵解型肌纤维糖异生速率为227±8（μmol.100g-1.2h-1）、混合型肌纤维为175±13（μmol.100g-1.2h-1），而氧化型肌纤维糖异生能力是酵解型肌纤维的10%。

运动刺激脑活动增加，脑血流速度、脑摄氧量及对能源底物的摄取量即脑代谢率（O2/（glucose+1/2lactate））会发生明显变化。脑血流速度随运动强度增大而升高，而脑代谢率则随运动强度的上升而下降。安静时大脑中动脉平均血流速度为67±6cm/s，脑代谢率约6.1;小强度运动时（HR 91±5次/分）脑血流速度增至71±6cm/s，脑代谢率变化不明显;中等强度运动时（HR 122±3次/分）脑血流为73±5cm/s，脑对乳酸的摄取量随动脉血乳酸浓度的升高而明显增加，动静脉乳酸差显著增大，但对氧和葡萄糖的摄取变化不明显;大强度耗竭性运动时（HR 170±8次/分），脑血流速达73±11cm/s，脑对乳酸的摄取增加达葡萄糖摄取量的80%，而动静脉氧差及葡萄糖差没有明显变化，脑代谢率降至4.4。Ide 等通过递增负荷运动至力竭的试验也显示了相似的结果。

运动可明显增加骨骼肌、心肌MCTs的表达，促进了对乳酸的转运，运动及高乳酸环境又增强了乳酸脱氢酶的表达，加速了乳酸的代谢利用，同时高浓度的乳酸可抑制骨骼肌糖转运体蛋白-4（GLUT-4）的基因及蛋白表达，减少其对血糖的摄取，Leite等人通过实验检验乳酸对各种小鼠组织中的酶活性的影响，乳酸抑制了所有分析组织中的磷酸果糖激酶（PFK）的活性，间接抑制了己糖激酶（HK）的活性，得出乳酸暴露可以诱导组织中葡萄糖消耗的抑制。Paoli等人在之前的一项研究中，乳酸会直接抑制 ClC-1通道，从而提高去极化大鼠肌肉的兴奋性和收缩功能。这对维持血糖平衡，减少糖原消耗，延长运动时间，延缓运动性疲劳的发生起着重要作用。

3 乳酸的信号分子作用

乳酸作为能量底物参入机体物质代谢的同时，也可能作为信号分子对机体的多种生理功能产生的调节作用。15mM的乳酸培养人骨髓间质干细胞，一小时可上调63个下调51个基因的表达，6小时上调45下调47个基因表达，24小时上调57下调72个基因表达，培养3天时上调了103个下调28个基因表达，这些被调节的基因主要涉及到细胞因子、转录因子、细胞周期蛋白及细胞基质相关蛋白等的表达，其中IL—6、热休克蛋白70和低氧诱导因子等明显上调，而超氧化物歧化酶、BCL2相关蛋白等被下调。20mM乳酸培养L6细胞，10分钟后NF-κB的结合活性增加，15分钟后其活性氧产生明显增加，1小时后明显增加了单羧酸转运蛋白-1（MCT-1）mRNA表达。细胞均浆显示，10mM乳酸浓度培养时，1小时后L6细胞MCT-1蛋白的表达增加1.7倍，CD147蛋白表达增加1.9倍，6小时后细胞色素C氧化酶增加2.0倍，当乳酸浓度为20mM时，1小时后MCT-1蛋白表达增加2.0倍，CD147蛋白增加2.8倍，6小时后细胞色素C氧化酶增加2.5倍，乳酸脱氢酶的表达也明显上升。10mM或20mM的乳酸孵育6小时均提高L6过氧化物酶体增殖体激活受体共激活物-1α的表达。20mM的乳酸培养1小时可增加L6细胞33个降低76个基因的表达，6小时后可增加673个降低2个基因的表达。在人皮肤成纤维细胞培养中，乳酸可上调CD44和透明质酸酶的表达，并呈剂量依赖性关系，同时也增加了c-fos、c-jun、c-ets、Hyal-1、Hyal-2和caveolin-1的基因表达。在CD34干细胞培养中，乳酸可增加硫氧还蛋白-1、低氧诱导因子、血管内皮生长因子、胞外信号调节激酶1和2、基质细胞驱动因子-1的表达。在脐静脉和微血管内皮细胞的培养显示，乳酸增加血管內皮生长因子的蛋白合成，并呈时间剂量依赖性关系，同时增加了细胞的迁移。

乳酸参与的多基因调节可能有利于机体大强度运动时对糖水化合物的利用，尤其是对乳酸的氧化，抑制脂肪分解，保持运动强度。在创伤的愈合中，乳酸起着积极的促进作用。但由于乳酸可增加透明质酸酶的表达，在肿瘤患者体内可促进癌细胞转移，降低细胞毒性T淋巴细胞的增殖及细胞因子的分泌。当肿瘤患者体内乳酸浓度大于8μmol/g时，肿瘤转移和复发的机率明显增加，生存时间缩短。

4 乳酸与激素的关系

乳酸有刺激孕激素产生的作用。雌性大鼠静脉注射乳酸（13 mg.kg-1.min-1）后15分钟，血孕酮即明显上升，30分钟达峰值，然后缓慢下降，但血浆黄体生成素（LH）水平不受影响。在有无卵泡刺激素的作用下，乳酸（0.01-10mM）孵育卵巢组织均能明显增加孕激素释放，并增加cAMP的产生，且呈剂量依赖性关系，但LH不受乳酸浓度的影响。因此，作者认为运动过程中升高的孕酮是不依赖LH分泌的，与运动中升高的乳酸对卵巢的直接刺激增加cAMP产生的有关。

乳酸有增加睾酮分泌的作用。雄性大鼠静脉注射乳酸（13mg.kg-1.min-1）后5分钟，血睾酮即明显上升，在注射后30分钟达峰值，然后缓慢下降，持续至60分钟趋于正常，血浆黄体生成素（LH）水平不受影响。在有或无绒毛膜促性腺激素（hCG）的作用下，乳酸（0.01-10mM）孵育睾丸组织均能明显增加睾酮释放及cAMP的产生，且呈剂量依赖性关系。

乳酸可降低儿茶酚胺类激素对运动的反应值。生理浓度的乳酸不能改变大鼠垂体前叶细胞及促皮质激素肿瘤细胞分泌β-内啡肽的水平，也不影响促皮质激素的分泌，但可明显降低大鼠下丘脑组织促肾上腺皮质激素释放激素的自发性分泌，提示大强度运动时乳酸对下丘脑-垂体-肾上腺轴没有直接激活的作用，其降低NE和Epi值是源于乳酸降低了交感神经的兴奋性。乳酸不影响运动过程中胰岛素的水平。

乳酸转运体蛋白各亚型（MCTs）的表达受多种激素的影响。实验证明去甲肾上腺素、胰岛素及胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、神经营养因子等均可加强神经细胞MCT2蛋白的表达，但不影响MCT2 mRNA的表达，其机制是激活了PI3K/Akt-mTOR-S6K（phosphoinositide 3-kinase/AKT-mammalian target of rapamycin-S6 ribosomal protein）以及p38MAPK（mitogen-activated protein kinase）和p44/p42 MAPK通路，在转运后水平上加强了MCT2蛋白的生成。大鼠补充三碘甲腺原氨酸（T3）（7天，900μg/100g 体重/天），心肌中MCT1 mRNA的表达增加114%，腓肠肌白肌和红肌中MCT1 mRNA分别增加了49%和77%，但MCT1蛋白的表达在心肌与骨骼肌中均没有明显变化;T3补充增加腓肠肌白肌和红肌MCT4 mRNA的表达量分别是40%和300%，其蛋白表达也分别增加了49%和43%，但对心肌MCT4 mRNA和蛋白的表达没有明显影响。补充睾酮（7天，100μl/100g 体重/天）可提高大鼠MCT1蛋白表达，在后肢跖肌中增加77%，比目鱼肌增加67%，红肌增加20%，胫骨前红肌和白肌分别增加51%和50%，趾长伸肌和白肌改变不明显。MCT4蛋白在白肌增加110%，胫骨前白肌增加80%，跖肌增加71%，趾长伸肌增加29%，胫骨前白肌增加35%，红肌和比目鱼肌改变不明显，但心肌MCT1及MCT4蛋白量不受影响。MCTs表达的增加有利于乳酸的转运与氧化，加强了机体对非糖能源底物的使用。

5 小结

作为糖代谢的中间产物，乳酸既是糖异生的底物，也是非乳酸产生组织氧化利用的直接能源底物;在高钾离子环境中，乳酸有保护骨骼肌力量产生、延缓疲劳发生的效应;作为信号分子，乳酸参与了机体多种生理功能的调节;乳酸对睾丸组织的直接刺激作用可增加睾酮的分泌量，且乳酸可明显降低儿茶酚胺类激素对运动的反应值。因此，乳酸不再是机体无氧代谢的“废物”。运动过程中乳酸的产生和利用将有利于血糖平衡的维持，有利于糖原消耗的节省化，有利于延长运动时间延缓运动疲劳的发生的作用。

（作者单位：广东省重竞技体育训练中心）