謝東山

（福建師范大學體育科學學院，福建福州 350117）

1 乳酸研究的經典時代

1.1 “乳酸前時代”到“乳酸時代”

探討乳酸與運動的關系源于肌肉化學的研究。Von Muralt曾將肌肉化學（muscle chemistry）研究的發(fā)展分為4個時期：前乳酸時代（pre-lactic acid era）、乳酸時代（lactic acid era）、磷酸原時代（phosphorylation era）、肌球蛋白時代（myosin era）[1]，可見乳酸的研究在人類探尋肌肉秘密的早期占據著重要地位。前乳酸時代始于1808年，由有機化學之父Berzelius首次發(fā)現了肌肉中游離乳酸的存在[2]，但Berzelius的發(fā)現也導致這個領域的研究在剛開始后的近百年就陷入瓶頸，這期間不乏乳酸與糖原、乳酸與肌肉酸化、乳酸與肌肉工作量（the amount of work done）及乳酸與肌肉缺氧的報道[1,3]，但方法及技術上的限制導致人們對于乳酸的研究始終困難重重。直到1907年，Fletche和Hopkins[4]的經典研究使得肌肉與乳酸的研究有了標志性的進展。他們不但發(fā)現肌肉疲勞時乳酸堆積、富氧環(huán)境下乳酸消失的現象，并認為收縮過程中釋放的乳酸被用于再合成，而他們的研究方法還可以防止在提取和分析肌肉組織中的乳酸前，讓肌肉組織中的乳酸在靜息狀態(tài)下增加，解決了長期困擾前人的問題，乳酸時代就此到來。

1.2 “乳酸時代”與肌肉熱力學

1910年，Hill等[5]通過肌肉熱力學研究將肌肉活動過程分為兩部分：運動初始熱和有氧恢復熱，并測算出兩者基本相等，這一結果支持了Fletche和Hopkins收縮過程中釋放的乳酸被用于再合成的觀點；但Hill也發(fā)現，有氧清除乳酸時產生的熱量不足乳酸自身氧化熱量的1/7，并隱約意識到恢復期乳酸可能并非僅氧化清除的問題。1920年，Meyerhof[6]對肌肉恢復過程中乳酸代謝和氧消耗、產熱和氧消耗之間的關系以及安靜期、工作期和恢復期肌肉中糖和乳酸的代謝進行了平行測定，這些測定最終為Hill在研究中提出的問題找到了確定性的答案。Meyerhof的研究結果表明，在恢復期與氧消耗量相對應的乳酸代謝量不超過乳酸消失總量的1/4～1/3，顯然大部分乳酸是通過其他方式消失的；產熱量與氧耗計算出的熱量相比偏低，表明乳酸的燃燒與某個吸熱過程相結合，并在此過程中利用了部分熱量；當乳酸在肌肉中蓄積時，對應數量的糖原消失了，而當乳酸消失時，肌肉中的糖原又增多，且增多的量接近消失的乳酸總量與氧化量的差。這說明了在肌肉恢復過程中每3～4個乳酸分子中至多只有一個被氧化，而剩余的乳酸則重新合成為最初形成它的肌糖原，糖原就此被明確定義為乳酸的前體。Meyerholf和Hill的研究成果為他們贏得了1922年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，為之后氧債學說（O2debt hypotheis）的形成和乳酸循環(huán)（Cori circle）的發(fā)現奠定了基礎。應當注意的是，他們的研究是以離體的青蛙肌肉為對象，忽視了生理條件下肌肉代謝的差異及人和哺乳動物與兩棲動物在生理結構和機能上的差異，而人和哺乳動物的骨骼肌相較之下擁有更豐富的毛細血管床和更復雜的線粒體網狀結構，其機體的代謝率、心輸出量以及肌肉與肝臟的灌注率也更高。

1.3 乳酸與氧債學說

繼提出有氧恢復熱的理論之后，Hill和Lupton又于1923年正式提出氧債學說（O2debt hypothesis），認為運動后氧債的產生源于乳酸的氧化，并將氧債的快、慢時相分別對應于清除肌肉內和肌肉外乳酸的階段[7]。對氧債的計算為人體在運動時無氧供能的定量提供了一種方法，然而這種通過計算運動后的氧耗評價運動時的無氧代謝能力被證明是很困難的，因為涉及運動后攝氧基線的建立；此外將離體青蛙肌肉等同于人體作為實驗對象仍是Hill研究中的局限。

氧債學說于1933年得到了新的發(fā)展，Rodolfo Margaria[47]等在哈佛疲勞實驗室通過人跑步的實驗發(fā)現，運動后血乳酸立刻上升，而處于氧債快時相時血乳酸開始下降。Margaria將氧債快時相稱作非乳酸成分（alactacid），慢時相稱作乳酸成分，即氧債快時相與乳酸清除無關，而慢時相和乳酸清除有關。然而Ole Bang[48,49]在1934—1936年的研究得到了和Margaria不同的結果。他通過研究不同強度和持續(xù)時間的運動發(fā)現，運動一段時間后血乳酸達到峰值，即使此時氧耗已經回到運動前的水平。這表明Margaria的研究結果只是偶然產生的，而氧債學說在這之后又經歷了許多質疑和挑戰(zhàn)。如今氧債學說在生理學，特別是運動生理學中依然被普遍視為指導性準則。

2 乳酸和疲勞

長期以來，人們習慣性地認為缺氧引起乳酸堆積，乳酸堆積導致肌肉疲勞。這種認識的基礎正是形成于乳酸研究的經典時代，其形成的過程大致是：1808年，Berzelius發(fā)現肌肉中存在游離乳酸，并認為這些游離乳酸的濃度和肌肉活動的程度相關，這是認識形成的源頭；之后Fletcher、Hill、Meyerhof等研究人員鉆研氧耗和乳酸的關系，氧債學說在他們的一系列研究下形成；20世紀60～70年代初，Wasserman等以氧債學說為理論依據提出無氧閾的概念，即肌肉收縮或運動導致的乳酸生成量激增是由于缺氧引起氧化磷酸化被抑制，至此乳酸和缺氧成為一對雙生子；20世紀70～90年代，Sahlin等[8]和Bangsbo等[9]的研究指出乳酸堆積導致質子（H+）堆積進而降低了pH值，乳酸堆積引起肌肉酸化進而導致疲勞的認識成型。乳酸和疲勞的關系至今仍處于爭議中，最早反對缺氧引起乳酸論斷的是J?bsis和Stainsby[10]，他們使用表面熒光技術對狗股薄肌和腓腸肌中的氧化還原力（NAD/NADH）進行測試，發(fā)現肌肉收縮時NADH依然持續(xù)氧化成NAD+，電子呼吸鏈并未被抑制，由此認為乳酸并非缺氧的產物；1984年，Richard Connett[50]等發(fā)現收縮的狗骨骼肌中，氧分壓在乳酸產生過程中保持在臨界氧分壓之上，這說明運動時骨骼肌中的乳酸是在氧充足的情況下產生的；1998年，Richardson等[11]對人的四頭肌在靜息和運動時的乳酸平衡進行測試，并結合NMR技術檢測肌紅蛋白的飽和度，結果證明運動時雖然肌肉氧分壓明顯下降至533 Pa，但依然保持在線粒體臨界氧分壓（1～267 Pa）之上許多，這在2017年Bendahan等[12]的研究中也得到了印證?？梢钥隙ǖ氖牵\動時體內pH會下降，但導致pH下降的原因是復雜多樣的。Peter Stewart[13]認為pH是水受到PCO2、弱酸濃度[Atot]和強離子差的影響而解離所產生的特性，并通過一系列推導得出強離子差的公式：

從中可以發(fā)現，乳酸并非唯一導致質子濃度變化的因素。事實上，近15年有研究發(fā)現乳酸有堿化血液pH的作用[14-15]，還可以增強肌肉興奮性并緩解疲勞[16]。

乳酸研究的經典時代將生理學引向一個新領域并達到新的高度，形成一套成體系的理論，將氧運輸和糖代謝通過乳酸代謝有機地聯系起來，有氧代謝和無氧代謝供能理論的建立和完善得益于此，從而深遠地影響運動人體科學和運動訓練學的發(fā)展，但也使乳酸逐漸背上代謝終產廢物之名。然而科學發(fā)展總是在自我糾正的進程中，人們對乳酸的認識也向著更積極的方向發(fā)展，細胞間乳酸穿梭理論是改變人們對乳酸態(tài)度的轉折點。

3 乳酸研究的革命

3.1 細胞間乳酸穿梭

細胞間乳酸穿梭理論的形成大致經歷了3個階段。第一，20世紀70～80年代初，隨著同位素示蹤法在糖與乳酸代謝研究中的應用[17-22]，乳酸穿梭的概念在學界出現；同時，肌肉組織化學和肌肉生物化學特性的研究使人們對肌肉類型的劃分和代謝特征有了更清晰的認識[23-24]，進一步促進了這一概念的誕生。第二，Stanley等[25]利用同位素示蹤法，發(fā)現肌肉運動產生的大量乳酸明顯被攝取并轉化成CO2。第三，基于上述研究，Brooks等[26]發(fā)展了乳酸穿梭的假設，并于1985年系統地提出細胞間乳酸穿梭的理論。

細胞間乳酸穿梭理論試圖說明乳酸是機體有氧供能和糖異生的重要碳源，乳酸被產生它的細胞本身利用，或被輸運到毗鄰的細胞、組織和器官中利用。更為具體的理解如圖1所示：運動伊始，乳酸在快肌纖維中產生并累積，之后一部分乳酸進入組織間質被毗鄰慢肌纖維攝取并氧化，另一部分乳酸被心肌、肝臟和腎臟氧化或作為糖異生的底物。被慢肌纖維攝取的乳酸在氧化時受到兩方面因素的影響：第一，如圖2所示，脂肪作為能量來源，其氧化分解會抑制糖酵解，從而導致乳酸生成速率減慢；第二，線粒體的活性決定線粒體氧化底物的能力，從而影響丙酮酸和乳酸的清除。細胞間乳酸穿梭理論發(fā)表前后，Brooks及其所在團隊做了大量關于葡萄糖和乳酸流量（glouse and lactate flux）的實驗，驗證和推動這一理論的發(fā)展，不僅確認了運動及運動后的恢復期有氧氧化是乳酸清除的主要途徑（75%），強調了乳酸是有氧供能和糖異生的底物，還肇啟了乳酸新的生物學意義，即乳酸代謝調節(jié)了氧化還原力進而影響細胞間的信號溝通[25-36]。

圖1 細胞間乳酸穿梭[51]

運動伊始，乳酸在快肌纖維中產生并累積，之后一部分乳酸進入組織間質被毗鄰慢肌纖維攝取并氧化，另一部分乳酸通過血液循環(huán)被心肌、肝臟和腎臟氧化或作為糖異生的底物

圖2 Ⅱb型肌纖維與Ⅰ型肌纖維間乳酸穿梭

如今，細胞間乳酸穿梭理論中的大部分觀點已經得到學界的廣泛認可，該理論提示人們：第一，乳酸并不是代謝終產廢物，而是代謝中間物，是重要的能源底物；第二，無論靜息還是運動狀態(tài)下，機體從未停止過代謝乳酸的步伐，早先人們視乳酸為肌肉組織因缺氧而生的觀念也已作古。細胞間乳酸穿梭理論被長期應用于指導運動訓練與恢復，運動訓練后采用積極恢復方式促進乳酸的氧化代謝已成為常規(guī)。而乳酸在細胞信號溝通方面的意義也為“星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭”這一研究熱點進行了鋪路并得到了反哺。

Brooks在細胞間乳酸穿梭理論的基礎上，開始探索細胞內乳酸穿梭的奧秘。這一探索引來爭議的同時，提出了“乳酸究竟在哪里被氧化”的疑問。

3.2 細胞內乳酸穿梭

3.2.1 細胞內乳酸穿梭的發(fā)展

1946年，Cori夫婦[37]認為處理乳酸的主要途徑是通過肝臟和腎臟將乳酸作為糖異生的底物并轉化為重碳酸鹽。之后Mazzeo等[38]和Stanley等[25]經過研究發(fā)現，人和其它哺乳動物體內的乳酸大部分都被氧化為CO2，而重碳酸鹽的形成只是因為CO2經碳酸酐酶的催化與水產生反應的結果。因為發(fā)現肌肉收縮產生的乳酸被大量氧化，人們開始對骨骼肌、心肌以及其它組織和細胞生成的乳酸的氧化場所產生好奇。細胞溶質多被認為是乳酸氧化為丙酮酸的起步場所，然而至今獲得的實驗數據還不能很好地支持這個觀點。Henderson等[39]通過實驗發(fā)現，人在靜息狀態(tài)下動脈血乳酸和丙酮酸的比值為10～20，但當肌肉進行中等強度的運動收縮時，靜脈血中乳酸和丙酮酸的比值成倍上升，可以超過500。這說明即使丙酮酸有所升高，乳酸升高的程度也遠遠大于丙酮酸。由于紅細胞和肺組織中乳酸脫氫酶（LDH）的存在，乳酸和丙酮酸間可逆反應導致比值上升的過程雖然顯著，但也得到了一定的緩沖，使得這個劇烈上升過程在理論上變得遲鈍，但依然存在極高的比值。細胞溶質作為乳酸生成的直接場所卻沒能在第一時間將其氧化為丙酮酸，使得研究者將目光投向線粒體，細胞內乳酸穿梭理論由此發(fā)軔。

細胞內乳酸穿梭理論由Brooks于1998年提出[28]。Brooks認為細胞溶質內由糖酵解或糖原分解生成的乳酸可以直接進入到該細胞的線粒體中被氧化，而不需要在細胞溶質中氧化為丙酮酸后再進入線粒體。理論以LDH酶動力學的研究為基礎，認為線粒體內質網是丙酮酸井（pyruvate trap），可以使丙酮酸濃度極低，從而造成乳酸與丙酮酸間的氧化還原反應因乳酸的濃度優(yōu)勢向逆優(yōu)勢反應方向（乳酸氧化成丙酮酸）發(fā)展，產生的丙酮酸則繼續(xù)在丙酮酸脫氫酶（PDH）催化下維持低濃度[29]。如圖3所示，Brooks還提出線粒體膜上氧化復合體（mLOC）的模型來鞏固自己的理論。mLOC由單羧酸轉運蛋白1（MCT1）及其分子伴侶CD147、環(huán)氧化酶（COX）、乳酸脫氫酶（LDH）組成，能夠將乳酸氧化為丙酮酸并轉運至線粒體基質內。這一理論在學術界存在爭議，其爭論焦點在于線粒體上是否存在轉運乳酸進入線粒體基質的載體以及線粒體中是否存在LDH及其活性如何。

圖3 細胞內乳酸穿梭[29]

線粒體膜上氧化復合體（mLOC）：由單羧酸轉運蛋白1（MCT1）及其分子伴侶CD147、環(huán)氧化酶（COX）、乳酸脫氫酶（LDH）組成，能夠將乳酸氧化為丙酮酸并轉運至線粒體基質內。

3.2.2 細胞內乳酸穿梭理論的爭議

Hashimoto等[40]通過總結和歸納，得到了以下6點支持這一理論的證據：第一，通過電子顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡鏡檢均發(fā)現大鼠及人的骨骼肌、心肌、肝臟等組織細胞的線粒體中存在LDH；第二，顯微鏡鏡檢及蛋白質免疫印記實驗表明大鼠及人的骨骼肌、心肌等組織細胞的線粒體與MCT1共定位；第三，從大鼠與人的骨骼肌、心肌、肝臟和腎臟等組織細胞分離出的線粒體均包含LDH、MCT1及其分子伴侶CD147；第四，使用大鼠骨骼肌、肝臟細胞進行試驗得出的生理數據可知，與氧化丙酮酸相比，線粒體可以更快地氧化乳酸；第五，通過同位素示蹤和核磁共振（MRS）方法證明了人和哺乳動物的心肌和骨骼肌細胞的線粒體能夠氧化乳酸；第六，線粒體蛋白質組學研究結果支持這一假說。

Sahlin等[41]和Halestrap[42]提出了3點反對這一理論的證據。第一，實驗證明，經過精確的密度梯度離心排除了線粒體斷片存在MCT1和LDH的可能。第二，由線粒體斷片測得的LDH活性極低，僅有0.7%，這與線粒體中NADH/NAD+氧化還原對還原力更強的事實相符；而如果乳酸能夠在線粒體內被氧化成丙酮酸，則NADH/NAD+氧化還原對中氧化力應該占主導。所以在熱力學定理下，乳酸在線粒體內轉化成為丙酮酸的理論是不可行的。第三，細胞質膜和線粒體分別擁有不同的單羧酸轉運載體，后者為丙酮酸轉運體（MPC），是線粒體載體家族的一員，對乳酸的親和力極低。

雙方爭論的終點落在線粒體樣品的制備上，即線粒體內膜小囊泡的分離及如何排除線粒體內質網的干擾。線粒體在樣品制備過程中因外在污染（細胞質）而使實驗得出其擁有氧化乳酸的功能或樣品在制備過程中損失了這一功能成為了這一爭論中的疑點。

細胞內乳酸穿梭理論具有一定的顛覆性，如果承認這一理論，則需要重新思考如何在運動中及運動后消除乳酸，而考慮到快肌本身氧化乳酸的能力，也應重新審視傳統的以乳酸為運動訓練監(jiān)控和評價指標的體系，有氧運動和無氧運動的分類界限也將因此被模糊。筆者對細胞內乳酸穿梭理論持保守態(tài)度，原因有以下3點。第一，盡管Brooks的理論以核磁共振、高精度顯微鏡鏡檢等先進實驗手段的結果為佐證，卻還無法合理地解釋一個基本問題：丙酮酸井假設的合理性依賴一定濃度的丙酮酸，因為只有丙酮酸達到足夠的濃度，才能適用丙酮酸脫氫酶（PDH）的催化反應，并且能夠維持足夠的NADH來推動電子傳遞鏈的反應[43]。促使這一理論體系運轉所要求的極低丙酮酸濃度的界限仍需更進一步和更精準的實驗來驗證。第二，靜息狀態(tài)下細胞內丙酮酸本身濃度極低，遠低于乳酸，過高的丙酮酸對人體的危害大于乳酸堆積，生理規(guī)律本身可能會限制丙酮酸濃度的升高，運動前后乳酸和丙酮酸比值的劇烈上升似乎并不能成為否認乳酸在細胞溶質中氧化成丙酮酸的有力證據；第三，如圖4所示，Halestrap[42]在研究中提到，單羧酸轉運蛋白在將乳酸由胞外轉運至胞內的過程中，存在限速步驟，即單羧酸轉運蛋白在完成乳酸轉運的循環(huán)恢復構象時，需要更長的時間（k2階段）。根據細胞間乳酸穿梭理論，乳酸轉運至對其氧化能力更強的組織或細胞中時，時間可能會延擱，加上轉運時程，不會在短時間內充分地被氧化為丙酮酸。

圖4 單羧酸轉運蛋白動力學機制[42]

單羧酸轉運蛋白在將乳酸由胞外轉運至胞內的過程中，存在限速步驟，在完成乳酸轉運的循環(huán)恢復構象時，需要更長的時間（k2階段）,而從結合到分離乳酸根時的構象變化（k1階段）則更快。

研究者們對于乳酸氧化是否發(fā)生在線粒體的爭論還在繼續(xù)，對于乳酸本身及其代謝的認識也在加深。人們應該更加積極的看待乳酸，并重新審視其代謝終產廢物的身份，闡明乳酸氧化產所的問題也將更好地理解細胞間乳酸穿梭理論。

3.3 國內乳酸研究進展

由于對學術權威的迷信和思維慣性，國內學術界對于乳酸的認識和研究略顯滯后，舊有觀念依然普遍指導著體育科學的教學和研究工作。事實上，在1991年，國內已經有學者提出廢除氧債和無氧閾、建立運動后過量氧耗和個體乳酸閾的意見[44-45]，但影響甚微。近些年，有學者開始關注到乳酸直接參與調節(jié)細胞線粒體功能的現象[46]，這對體育科學科研工作者來說，是個良好的信號和示范。

4 結 語

乳酸的早期研究建立在生理學、化學、熱力學等傳統學科上，進行直接觀察的條件有限，且實驗對象從兩棲動物過渡到哺乳動物，造成實驗數據并不穩(wěn)定，因此形成了一些分歧。隨著同位素示蹤法和核磁技術等直接觀察手段的發(fā)展，研究者們獲得了更精確的數據，并意識到了兩棲動物和哺乳動物在生理機能上的差異，這些對修正前人的經典研究都是有利的，同時顛覆了乳酸是代謝廢物的身份。如今更進一步的研究探討乳酸的信號作用，并將其視為偽激素，這也為運動對機體的調控提供了新的思路。