不同强度的耐力训练后大鼠骨骼肌超微结构适应性变化的研究
作者：李开刚 陆绍中
单位：李开刚(国家体育总局体育科学研究所 北京 100061)；陆绍中(国家体育总局体育科学研究所 北京 100061)
关键词：耐力训练；骨骼肌；适应；形态计量学；线粒体；毛细血管
中国运动医学杂志000114 摘 要：为了探讨不同强度的耐力训练对有氧代谢外周机制不同的适应性 影响以及在耐力训练中是否存在最适宜于发展骨骼肌结构、功能的强度，设计了26m/min、3 0m/min、36m/min、42m/min的训练强度，对大鼠进行16周的耐力训练，并对骨骼肌肌细胞及 毛细血管的超微结构进行了显微图象计量分析。结果表明，在30 m/min 的强度训练后，线 粒体内膜和嵴发展最好，毛细血管的数目也增加最多，毛细血管腔的增大最明显，骨骼肌细 胞最大氧弥散距离缩短最显著，说明不同强度的耐力训练后大鼠骨骼肌的超微结构产生了不 同的适应性变化，并且中等强度训练对骨骼肌的发展最有效。
, http://www.100md.com
Study on Adaptive Changes of Skeletal Muscle Ultrastructure after
Endurance Training with Different Intensities in Rats
Li Kaigang，Lu Shaozhong
(ational Research Institute of Sports Science，Beijing，100061)
Abstract：The purpose of the investigation was to determine the adaptive changes of pe riphery mechanism of aerobic metabolism and to probe into the best training inte nsity for developing the structure and function of skeletal muscle.After endura nce training (including 26m/min,30m/min, 36m/min,42m/mi n) with different intensities for 16 weeks,the rats were sacrificed. Skeletal m uscle(the depths of quadrice ps femoris)were excised and collected tissue were then processed for electron mi croscopy.Morphometry was performed at image analysis system .Quantitative anal ysis of ultrastructure of the skeletal muscle and capillaries indicated that aft er endurance training with different intensities,the ultrastructure of low and mod erate intensity groups showed good developments in varying degrees and ,furtherm ore,the best development of mitochondria inner membrane and cristae ,the maximum improvement in number of capillaries, the most obviously enlarging of capillary cavity and the most remarkably shortening of maximum distance from capillary wa ll to the mitochondria appeared after training at 30m/min intensity.It is not s ignificantly effective for improving aerobic capacity after training at high in tensity(42m/min) .It is concluded that endurance training at suitably moderate intensity can improve adaptation of skeletal muscle most effectively.
, 百拇医药
Key words：endurance training, adaptation,skeletal muscle, morp hometry , mitochondria, capillary▲
人们对耐力训练后骨骼肌形态结构改变的研究较多[1，2]， 但对不同强度的耐力训练后大鼠骨骼肌超微结构适应性变化的综合研究较少。本实验设计了 不同强度的跑台耐力训练,对实验动物进行了16周的训练,对骨骼肌的有氧供能结构——线粒 体 、氧弥散结构——毛细血管等进行了超微结构的形态计量学研究,以期了解不同强度的耐力 训练 对骨骼肌结构功能不同的适应性影响,从而找出最适宜于有氧能力发展的训练方案。
1 材料与方法
1.1 实验动物及负荷安排
30只5周龄雄性Sprague-Dawley大鼠，由中国药品生物制品检定所实验动物房提供，体重15 0-180g，随机分为5组：安静对照组(Control),26m组(26m group),30m组(30m group),36m 组(36m group),42m组(42m group)，每组6只，每6只为一笼，分笼饲养，并随机确定一组为对照组，其余4组为实验组，于本所动物室饲养及训练，5组动物在实验中常规饲养，自由饮食 、进水，动物室内温度保持在20℃～25℃。对照组动物不进行运动训练，训练组分别在电动 跑台上进行不同强度耐力训练，全部训练时间为16周，每周6天，每天1次，星期天休息，跑台的倾斜角度为2%,具体的训练方案为：第1周，每组每天10分钟的适应性练习，速度为10m /min；第2周至第4周，每组自10m/min开始，每隔一天速度加2m/min；第五周，每组每天 以26m/min的速度训练25min；从第6周开始，26m组每天在5min内速度升至26m/min，再训练 30min，30m组每天在6min内速度升至30m/min，再训练25min，36m组每天在8min内速度升至3 6m/min，再训练19min，42m组每天在10min内速度升至42m/min，再训练15min，直至16周训 练结束。整个训练过程中不使用电刺激，每次实验后均检查动物是否受伤，如有，则进行及 时的治疗和休息调整。每只动物最后总的实验时间不少于90天。
, 百拇医药
1.2 电镜超微结构的图象分析及体视学处理
1.2.1 电镜标本的制备
16周训练结束后，分别在最后一次实验后72h用乙醚麻醉 ，迅速断头处死动物，取出股四头 肌，并将深层肌肌腹横切成小条形，放于滴有戊二醛固定液的载玻片上，尽快分切成1mm3 的小块，在4℃2.5%的戊二醛中固定60分钟以上，然后用0.1M二甲胂酸钠缓冲液充分漂洗 或保存，0.1%锇酸下固定120分钟，蒸馏水漂洗后，丙酮梯度脱水，618环氧树脂包埋,横 纵切各2块，半薄切片1μm厚，超薄切片500 A。在日本产Olympus-Vanox光学显微镜和JEM- 1200EX透射电子显微镜上进行计量拍照。
1.2.2 形态计量学参数及拍照
每种参数各实验组形态计量学拍照的照片数均为24-30张。具体的拍照原则为，毛细血管的 面数密度(N(cap)A)和肌纤维的面数密度(N(mf)A)拍片部位为骨骼肌深层横切横切半薄 切片随机部位，放大倍数为200倍；毛细血管腔各项参数，包括腔的体积密度(V(cap)v)、 腔的表面积密度(S(cap)v)及骨骼肌细胞最大氧弥散距离(R)拍片部位为骨骼肌深层横切 超薄切片随机部位，放大倍数为1500倍；线粒体的体积密度(V(mit)v)和肌原纤维的体积 密度(V(myof))拍片部位为骨骼肌深层纵切超薄切片细胞非核周及膜下随机部位，放大倍 数为5K；线粒体比表面(δ)拍片部位同上，放大倍数为10K；线粒体内膜和嵴各参数，包 括线粒体内膜和嵴的体积密度(V(cr+i)v)和线粒体内膜和嵴的表面积密度(S(cr+i)v)拍 片部位同上，放大倍数为40K。
, 百拇医药
1.2.3 照片处理及图象分析
每张照片按各参数测量的要求，准确选取所需部位，并用透明硫酸纸准确描下，然后输入MA GISCAN 2A图象分析仪系统，测定各项计量参数。各计量学参数的公式及意义见文献[3-5，10]。
1.2 数据的统计学处理
所有数据一律采用
±S表示，进行常规两样本t检验，显著性水平为P ≤0.05, 显著性差异的符号表示如下：
a、aa、aaa表示标号所在组与对照组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01；
b、bb、bbb表示标号所在组与26米组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01；
, 百拇医药
c、cc、ccc表示标号所在组与30米组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01；
d、dd、ddd表示标号所在组与36米组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01。
2 实验结果
2.1 线粒体和肌原纤维体积密度及其比值
如表1所示，除30米组的V(mit)v升高外，其他各组的V(mit)v和V(myof)v均有所降低，但升 高和降低都没有显著性差异。V(mit)v/V(myof)v在30米组和36米组都有所升高，但没有显著 性意义 。
表1 大鼠股四头肌深层线粒体和肌原纤维体积密度及比值
Tab.1 Volume density of mitochondria & myofi bril
, 百拇医药
and ratio of mitochondria- to-myofibric volume density of the depths of qu adriceps femoris in rats parameter
control
26m group
30m group
36m group
42m group
V(mit)v
0.107
0.101
0.118
, http://www.100md.com
0.104
0.103
±0.031
±0.032
±0.039
±0.034
±0.037
% of c
/
-5.6
10.3
-2.8
-3.7
, http://www.100md.com
V(myof)v
0.753
0.736
0.719
0.681
0.721
±0.089
±0.092
±0.064
±0.061
±0.062
% of c
, 百拇医药 /
-2.3
-4.5
-9.6
-4.2
V(mit)v
0.146
0.143
0.155
0.150
0.144
V(myof)v
±0.056
, http://www.100md.com
±0.056
±0.063
±0.061
±0.053
% of c
/
-2.1
6.2
2.7
-1.4
2.2 线粒体比表面和线粒体内膜与嵴的表面积密度和体积密度
如表2，线粒体的比表面在各训练组中除30米组外均比对照组有显著降低(P<0.01),并且36 米组和42米组也显著低于26米组30米组(P<0.01) 。线粒体内膜和嵴的体积密度V(mit)v各 训练组均有较明显的增加，但只有30、36、42米组有统计学意义(P<0.05),其中以30米组增 长率28.2%为最高。线粒体内膜和嵴的表面积密度S(mit)v也均有升高，但仅有30米组增加 19.2%有显著性意义(P<0.05)。
, 百拇医药
表2 大鼠股四头肌深层线粒体的比表面及内膜与嵴的体积和表面积密度
Tab.2 Mitochondria specific surface，inner membrane & cristae volu me density
and surface density of the depths of quadriceps femoris in rats parameter
control
26m group
30m group
36m group
42m group
, 百拇医药
δ
8.76
7.86
8.62
7.17
6.96
% of c
/
-10.3aa
-1.60
-18.2aa,bb,cc
-20.5aa,bb,cc
V(cr+i)v
, 百拇医药
0.234±0.05
0.269±0.064
0.324±0.06
0.28±0.039
0.289±0.1
% of c
/
14.9
38.5a
19.7a
23.5a
S(cr+i)v
, 百拇医药
42.2±13.2
45.4±9.7
50.3±12.1
47.4±16.4
46.2 ±15.2
% of c
/
7.6
19.2a
12.5
9.5
表3 大鼠股四头肌深层毛细血管和肌纤维面数密度及比值
, 百拇医药
Tab.3 Capillary and fibre numerical density on area and Capillary- to-fibre
ratio of the depths of quadriceps femoris in rats parameter
control
26m group
30m group
36m group
42m group
N(cap)A
336.68
, http://www.100md.com
437.9
484.48
375.56
358.68
±117.6
±90.48
±92.01
±103.6
±121.36
% of c
/
30.1a
43.9a
, 百拇医药
11.5c1
6.5
N(mf)A
185.21
182.64
195.58
169.44
181.18
±27.4
±37.83
±83.5
±39.49
±58.231
, 百拇医药
% of c
/
-1.4
5.6
-8.5
-2.2
N(cap)A
N(mf)A
1.82±0.52
2.34±0.48
2.40±0.75
2.19±0.54
, http://www.100md.com 1.90 ±0.48
% of c
/
28.6a
31.9a
20.3a
4.4c
2.3 毛细血管和肌纤维的面数密度及其比值
如表3所示不同强度的耐力训练后骨骼肌毛细血管的面数密度N(cap)A与对照组比较26米组、 30米组均显著升高(P<0.05),36米组和42米组也有升高但没有显著性差异。肌纤维的数 密度N(mf)A训练后没有明显的变化。二者的比值N(cap)A/N(mf)各训练组均升高,但42米组变 化最小,为4.4%(P>0.05),其他各训练组均显著升高，以30米组升高最显著，增长率为 20.88%(P<0.05)。
, 百拇医药
2.4 毛细血管腔的大小及骨骼肌细胞的最大氧弥散距离
如表4所示，反映骨骼肌毛细血管腔大小的2个指标S(cap)v、V(cap)v的值表现出相 似变化趋势。26米组、30米组、36米组的V(cap)v值都显著高于对照组(P<0.05),42米组却 略有降低，但无统计学意义,并且显著低于前三组(P<0.05)。25米组、30米组、36米组的S( cap)v值都显著高于对照组(P<0.05)，其中以30米组的值最高。42米组虽有所升高，但无显 著性意义 。骨骼肌细胞的最大氧弥散距离在16周不同强度的耐力训练后均减小，但只在25 、30、36米组有显著性意义，其中以30米组的值最低，42米组则无显著性(P>0.05),并且与 前三组相比，均显著降低。
表4 大鼠股四头肌深层毛细血管腔的面积、体积密度和表面积密度及肌细胞 最大氧弥散距离
Tab.4 Volume density，surface density，maximum of capillar y cavity and maximum distance of the depths cells of quadriceps from capillary wall to mitoc hondria in rats parameter
, 百拇医药
control
26m group
30m group
36m group
42m group
V(cap)v
24.2±9.3
31.4±9.6
35.1±14.6
32.5±13.2
26.5 ±11
% of c
, 百拇医药
/
29.8a
45.0a
34.3a
9.5a
S(cap)v
0.016±0.007
0.023±0.011
0.022±0.01
0.026±0.015
0.015±0.008
% of c
, 百拇医药
/
43.8a
37.5a
62.5a
-6.3b,c,dd
R
27.56±5.25
23.08±2.63
21.35±2.08
24.65±3.03
26.40 ±4.37
% of c
, 百拇医药
/
-16.3a
-22.5a
-10. 6 a
-4.2c
3 分析与讨论
骨骼肌是机体氧传送链的最后一个环节，因此，其氧利用能力及供能能力无疑对有氧能力的 高低有着很关键的影响，而其有氧能力的大小与骨骼肌细胞中线粒体的多少及线粒体的内部 结构有着重要的关系。
从本研究结果可以发现，各训练组的V(mit)v及V(mit)v/V(myof)与对照组的相比无显著性差 异，认为可能是因为骨骼肌在训练后肌细胞产生肥大，肌细胞内的组分随着细胞体积的增长 而成比例的增长[6]，说明骨骼肌细胞内参与能量产生和利用的组 成结构存在一个良好的平衡代偿反应。虽然各训练组的V(mit)v及V(mit)v/V(myof)与对照组 的相比无显著性差异，但30米组和36米组的V(mit)v/V(myof)比值有6.2%和2.7%的增长， 因此认为，30米组和36米组的线粒体总体积的发展赶上并超过了肌细胞的肥大。线粒体的比 表面δ各训练组中，30米组的值与对照组相比只有微小的降低，其他各组均显著降低，与以 上结果综合考虑，可以认为经过不同强度的耐力训练后，除30米组外，各训练组均出现 了线粒体个体体积的增大，而30米组的体积虽没有变化，但其与肌原纤维的比值(V(mit)v/ V(myof))是增加的，所以认为30米组线粒体的发展主要是通过数目的增加而得到的。线粒 体功能的是否增强还要看其内部结构即V(cr+i)v和S(cr+i)v的变化，因为只有有氧代谢酶存 在的基础——线粒体内膜和嵴的适应性的增加，才能说明耐力训练有效地发展了骨骼肌的有 氧代谢水平。V(cr+i)v和S(cr+i)v在不同强度的耐力训练后都出现了良好的增加趋势，但V( cr+i)只在在30、36、42米组有显著性变化，而S(cr+i)仅在30米组出现显著性变化，因此认 为骨骼肌线粒体的氧化代谢结构在30米/分强度的训练中得到最适宜的发展。这与Dudley[9]等的30米/分强度最有效地促进骨骼肌细胞呼吸链中细胞色素C浓 度的结果相一致，此强度和大鼠的无氧阈相近[8]。
, 百拇医药
肌肉内丰富的毛细血管为“浸浴”在组织液中的肌细胞吸取氧和营养物质创造了有利条件， 并有利于代谢产物的排除，因此，通过耐力训练能否使标志毛细血管功能的各种参数朝有利 方向发展，则决定着有氧能力的提高与否。本实验采取毛细血管的面数密度N(cap)A、毛细 血管腔的体积密度V(cap)v、和表面积密度S(cap)v以及骨骼肌细胞最大氧弥散距离R来讨论 不同强度的耐力训练对大鼠骨骼肌的影响。
实验结果表明，通过不同强度的耐力训练后，大鼠骨骼肌N(cap)A都有了不同程度的增加， 其中26米组和30米组分别增加了30.1%和43.9%，有显著性意义，而36和42米组仅增加11. 5%和6.5%，无显著性意义。N(cap)A/N(mf)A除42米组外均显著升高，以30米组最为明显。 此结果说明在不同强度的耐力训练后，毛细血管的绝对数量出现了适应性的增加，而且N(ca p)A/N(mf)A的增加说明，每根肌纤维所伴随的毛细血管的数量增加，这样必然有利于骨骼肌 细胞的血液及氧的供应，从而提高了骨骼肌的有氧代谢能力。
, http://www.100md.com
有关耐力训练后骨骼肌毛细血管腔大小的报道较少，仅Cabric等[1]用形态计量学的方法研究发现，经过跑台耐力训练后，狗骨骼肌毛细血管表面积密度显著 升高，而对大鼠骨骼肌毛细血管腔其它参数则未见报道。
本实验结果表明，大鼠骨骼肌毛细血管V(cap)v和S(cap)v在42米/分强度的训练后，前者有 略微的降低，后者有略微的升高，但都未见有显著性差异，其他各训练组均有显著的升高， 其中V(cap)v以36米组最显著，S(cap)v以30米组为最明显。R也出现与前二个指标相似的结 果，42米组变化最小，与对照组没有显著性差异，其他三组均显著低于对照组，以30米组降 低22.5%为最明显。通过以上的结果，可见，中等及中等偏上的强度能使骨骼肌毛细血管的 发展达到较好的效果，其中以30米/分和36/分的强度为最佳,而较大强度的40米组训练对骨 骼肌的发展无显著效果。
Atko[7]认为运动训练存在专门化的影响，每种运动练习决定着各 种不同的器官、不同类型的肌肉及不同的运动单位存在着不同的活动程度，不同的训练特点 决定着在各种活动细胞中，完成各种不同的功能性任务所需的代谢途径各异，同时也决定着 在各种水平上的代谢控制系统和身体功能的调节系统，因此，不同的系统性练习类型及特点 就会在不同的组织和器官中留下各异的适应特点。以上理论结合本实验所显示的不同强度 耐力训练对大鼠骨骼肌线粒体毛细血管发展的影响不一致的结果，表明促进骨骼肌有氧代谢 能力最有效的发展存在一个适宜的应激水平的阈值，中等强度的耐力训练将会更有效地促进 骨骼肌产能结构——线粒体、氧运输和弥散结构——毛细血管的发展，而大强度的训练则不 能达 到最佳的效果。因此，建议在训练实践中采用适宜的中等强度(如无氧阈强度)训练来发展 骨骼肌有氧代谢能力。
, http://www.100md.com
4 结论
在30米/分的强度训练后，线粒体内膜和嵴发展最好，毛细血管的数目增加最多，毛细血管 腔的增大最明显，骨骼肌细胞最大氧弥散距离缩短最显著，说明不同强度的耐力训练后大鼠 骨骼肌的超微结构产生了不同的适应性变化，并且中等强度训练对骨骼肌的发展最有效，而 大强度的训练对骨骼肌有氧能力发展的效果并不好。建议在训练实践中采用适宜的中等强度 (如无氧阈强度)训练来发展骨骼肌有氧代谢能力。■
基金项目：国家自然科学基金资助项目 课题号：39370282
作者简介：李开刚，男，29岁，运动生理学硕士，助理研究员
参考文献：
[1]Cabric M,et al. Morphometric analyses on the muscles of exercise trained and untrained dogs.The American J Anatomy 1983;166:359-368
, 百拇医药
[2]Hoppeler H,et al. Endurance training in humans: aerobic capacity and structure of skeletal muscle. J Appl Physiol 1985;54:355
[3]郑富盛编.细胞形态立体计量学.北京：北京医科大学中国协和医科大学联合出版社 1990
[4]常芸，等. 耐力训练对大鼠心肌超微结构及其形态计量学的研究.国家体委体育科学研究所学报 1990;3(1):58-65
[5]Weibel ER.Oxygen demand and the size of respiratory structures in mammals.In evolution of respiratory process Vol 13,edited By SC wood,et al 1979:P289
, 百拇医药
[6]Anversa P,et al. Morphometry of exercise-induced right ventricular hypertrophy in the rat. Circulation Research 1983;52(1):57-64
[7]Atko Viru. Adaptation of sports training.USA:CRC press,1995
[8]Shephard ER, et al.Oxygen uptake of rats at different work intensities. Pflugers Arch Ges Physiol 1976;362:219
[9]Dudley KD, et al.Influence of exercise intensity and duration on biochemical adaptations in skeletal muscle.J Appl Phsiol 1982;52:844
[10]Hoppeler H,et al.Design of the mammalian respiratory system.Respir Physiol 1981;44:129
收稿日期：1998-09-18, http://www.100md.com
单位：李开刚(国家体育总局体育科学研究所 北京 100061)；陆绍中(国家体育总局体育科学研究所 北京 100061)
关键词：耐力训练；骨骼肌；适应；形态计量学；线粒体；毛细血管
中国运动医学杂志000114 摘 要：为了探讨不同强度的耐力训练对有氧代谢外周机制不同的适应性 影响以及在耐力训练中是否存在最适宜于发展骨骼肌结构、功能的强度，设计了26m/min、3 0m/min、36m/min、42m/min的训练强度，对大鼠进行16周的耐力训练，并对骨骼肌肌细胞及 毛细血管的超微结构进行了显微图象计量分析。结果表明，在30 m/min 的强度训练后，线 粒体内膜和嵴发展最好，毛细血管的数目也增加最多，毛细血管腔的增大最明显，骨骼肌细 胞最大氧弥散距离缩短最显著，说明不同强度的耐力训练后大鼠骨骼肌的超微结构产生了不 同的适应性变化，并且中等强度训练对骨骼肌的发展最有效。
, http://www.100md.com
Study on Adaptive Changes of Skeletal Muscle Ultrastructure after
Endurance Training with Different Intensities in Rats
Li Kaigang，Lu Shaozhong
(ational Research Institute of Sports Science，Beijing，100061)
Abstract：The purpose of the investigation was to determine the adaptive changes of pe riphery mechanism of aerobic metabolism and to probe into the best training inte nsity for developing the structure and function of skeletal muscle.After endura nce training (including 26m/min,30m/min, 36m/min,42m/mi n) with different intensities for 16 weeks,the rats were sacrificed. Skeletal m uscle(the depths of quadrice ps femoris)were excised and collected tissue were then processed for electron mi croscopy.Morphometry was performed at image analysis system .Quantitative anal ysis of ultrastructure of the skeletal muscle and capillaries indicated that aft er endurance training with different intensities,the ultrastructure of low and mod erate intensity groups showed good developments in varying degrees and ,furtherm ore,the best development of mitochondria inner membrane and cristae ,the maximum improvement in number of capillaries, the most obviously enlarging of capillary cavity and the most remarkably shortening of maximum distance from capillary wa ll to the mitochondria appeared after training at 30m/min intensity.It is not s ignificantly effective for improving aerobic capacity after training at high in tensity(42m/min) .It is concluded that endurance training at suitably moderate intensity can improve adaptation of skeletal muscle most effectively.
, 百拇医药
Key words：endurance training, adaptation,skeletal muscle, morp hometry , mitochondria, capillary▲
人们对耐力训练后骨骼肌形态结构改变的研究较多[1，2]， 但对不同强度的耐力训练后大鼠骨骼肌超微结构适应性变化的综合研究较少。本实验设计了 不同强度的跑台耐力训练,对实验动物进行了16周的训练,对骨骼肌的有氧供能结构——线粒 体 、氧弥散结构——毛细血管等进行了超微结构的形态计量学研究,以期了解不同强度的耐力 训练 对骨骼肌结构功能不同的适应性影响,从而找出最适宜于有氧能力发展的训练方案。
1 材料与方法
1.1 实验动物及负荷安排
30只5周龄雄性Sprague-Dawley大鼠，由中国药品生物制品检定所实验动物房提供，体重15 0-180g，随机分为5组：安静对照组(Control),26m组(26m group),30m组(30m group),36m 组(36m group),42m组(42m group)，每组6只，每6只为一笼，分笼饲养，并随机确定一组为对照组，其余4组为实验组，于本所动物室饲养及训练，5组动物在实验中常规饲养，自由饮食 、进水，动物室内温度保持在20℃～25℃。对照组动物不进行运动训练，训练组分别在电动 跑台上进行不同强度耐力训练，全部训练时间为16周，每周6天，每天1次，星期天休息，跑台的倾斜角度为2%,具体的训练方案为：第1周，每组每天10分钟的适应性练习，速度为10m /min；第2周至第4周，每组自10m/min开始，每隔一天速度加2m/min；第五周，每组每天 以26m/min的速度训练25min；从第6周开始，26m组每天在5min内速度升至26m/min，再训练 30min，30m组每天在6min内速度升至30m/min，再训练25min，36m组每天在8min内速度升至3 6m/min，再训练19min，42m组每天在10min内速度升至42m/min，再训练15min，直至16周训 练结束。整个训练过程中不使用电刺激，每次实验后均检查动物是否受伤，如有，则进行及 时的治疗和休息调整。每只动物最后总的实验时间不少于90天。
, 百拇医药
1.2 电镜超微结构的图象分析及体视学处理
1.2.1 电镜标本的制备
16周训练结束后，分别在最后一次实验后72h用乙醚麻醉 ，迅速断头处死动物，取出股四头 肌，并将深层肌肌腹横切成小条形，放于滴有戊二醛固定液的载玻片上，尽快分切成1mm3 的小块，在4℃2.5%的戊二醛中固定60分钟以上，然后用0.1M二甲胂酸钠缓冲液充分漂洗 或保存，0.1%锇酸下固定120分钟，蒸馏水漂洗后，丙酮梯度脱水，618环氧树脂包埋,横 纵切各2块，半薄切片1μm厚，超薄切片500 A。在日本产Olympus-Vanox光学显微镜和JEM- 1200EX透射电子显微镜上进行计量拍照。
1.2.2 形态计量学参数及拍照
每种参数各实验组形态计量学拍照的照片数均为24-30张。具体的拍照原则为，毛细血管的 面数密度(N(cap)A)和肌纤维的面数密度(N(mf)A)拍片部位为骨骼肌深层横切横切半薄 切片随机部位，放大倍数为200倍；毛细血管腔各项参数，包括腔的体积密度(V(cap)v)、 腔的表面积密度(S(cap)v)及骨骼肌细胞最大氧弥散距离(R)拍片部位为骨骼肌深层横切 超薄切片随机部位，放大倍数为1500倍；线粒体的体积密度(V(mit)v)和肌原纤维的体积 密度(V(myof))拍片部位为骨骼肌深层纵切超薄切片细胞非核周及膜下随机部位，放大倍 数为5K；线粒体比表面(δ)拍片部位同上，放大倍数为10K；线粒体内膜和嵴各参数，包 括线粒体内膜和嵴的体积密度(V(cr+i)v)和线粒体内膜和嵴的表面积密度(S(cr+i)v)拍 片部位同上，放大倍数为40K。
, 百拇医药
1.2.3 照片处理及图象分析
每张照片按各参数测量的要求，准确选取所需部位，并用透明硫酸纸准确描下，然后输入MA GISCAN 2A图象分析仪系统，测定各项计量参数。各计量学参数的公式及意义见文献[3-5，10]。
1.2 数据的统计学处理
所有数据一律采用
±S表示，进行常规两样本t检验，显著性水平为P ≤0.05, 显著性差异的符号表示如下：a、aa、aaa表示标号所在组与对照组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01；
b、bb、bbb表示标号所在组与26米组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01；
, 百拇医药
c、cc、ccc表示标号所在组与30米组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01；
d、dd、ddd表示标号所在组与36米组相比显著性差异程度分别为P<0.05、P<0.01、P<0.0 01。
2 实验结果
2.1 线粒体和肌原纤维体积密度及其比值
如表1所示，除30米组的V(mit)v升高外，其他各组的V(mit)v和V(myof)v均有所降低，但升 高和降低都没有显著性差异。V(mit)v/V(myof)v在30米组和36米组都有所升高，但没有显著 性意义 。
表1 大鼠股四头肌深层线粒体和肌原纤维体积密度及比值
Tab.1 Volume density of mitochondria & myofi bril
, 百拇医药
and ratio of mitochondria- to-myofibric volume density of the depths of qu adriceps femoris in rats parameter
control
26m group
30m group
36m group
42m group
V(mit)v
0.107
0.101
0.118
, http://www.100md.com
0.104
0.103
±0.031
±0.032
±0.039
±0.034
±0.037
% of c
/
-5.6
10.3
-2.8
-3.7
, http://www.100md.com
V(myof)v
0.753
0.736
0.719
0.681
0.721
±0.089
±0.092
±0.064
±0.061
±0.062
% of c
, 百拇医药 /
-2.3
-4.5
-9.6
-4.2
V(mit)v
0.146
0.143
0.155
0.150
0.144
V(myof)v
±0.056
, http://www.100md.com
±0.056
±0.063
±0.061
±0.053
% of c
/
-2.1
6.2
2.7
-1.4
2.2 线粒体比表面和线粒体内膜与嵴的表面积密度和体积密度
如表2，线粒体的比表面在各训练组中除30米组外均比对照组有显著降低(P<0.01),并且36 米组和42米组也显著低于26米组30米组(P<0.01) 。线粒体内膜和嵴的体积密度V(mit)v各 训练组均有较明显的增加，但只有30、36、42米组有统计学意义(P<0.05),其中以30米组增 长率28.2%为最高。线粒体内膜和嵴的表面积密度S(mit)v也均有升高，但仅有30米组增加 19.2%有显著性意义(P<0.05)。
, 百拇医药
表2 大鼠股四头肌深层线粒体的比表面及内膜与嵴的体积和表面积密度
Tab.2 Mitochondria specific surface，inner membrane & cristae volu me density
and surface density of the depths of quadriceps femoris in rats parameter
control
26m group
30m group
36m group
42m group
, 百拇医药
δ
8.76
7.86
8.62
7.17
6.96
% of c
/
-10.3aa
-1.60
-18.2aa,bb,cc
-20.5aa,bb,cc
V(cr+i)v
, 百拇医药
0.234±0.05
0.269±0.064
0.324±0.06
0.28±0.039
0.289±0.1
% of c
/
14.9
38.5a
19.7a
23.5a
S(cr+i)v
, 百拇医药
42.2±13.2
45.4±9.7
50.3±12.1
47.4±16.4
46.2 ±15.2
% of c
/
7.6
19.2a
12.5
9.5
表3 大鼠股四头肌深层毛细血管和肌纤维面数密度及比值
, 百拇医药
Tab.3 Capillary and fibre numerical density on area and Capillary- to-fibre
ratio of the depths of quadriceps femoris in rats parameter
control
26m group
30m group
36m group
42m group
N(cap)A
336.68
, http://www.100md.com
437.9
484.48
375.56
358.68
±117.6
±90.48
±92.01
±103.6
±121.36
% of c
/
30.1a
43.9a
, 百拇医药
11.5c1
6.5
N(mf)A
185.21
182.64
195.58
169.44
181.18
±27.4
±37.83
±83.5
±39.49
±58.231
, 百拇医药
% of c
/
-1.4
5.6
-8.5
-2.2
N(cap)A
N(mf)A
1.82±0.52
2.34±0.48
2.40±0.75
2.19±0.54
, http://www.100md.com 1.90 ±0.48
% of c
/
28.6a
31.9a
20.3a
4.4c
2.3 毛细血管和肌纤维的面数密度及其比值
如表3所示不同强度的耐力训练后骨骼肌毛细血管的面数密度N(cap)A与对照组比较26米组、 30米组均显著升高(P<0.05),36米组和42米组也有升高但没有显著性差异。肌纤维的数 密度N(mf)A训练后没有明显的变化。二者的比值N(cap)A/N(mf)各训练组均升高,但42米组变 化最小,为4.4%(P>0.05),其他各训练组均显著升高，以30米组升高最显著，增长率为 20.88%(P<0.05)。
, 百拇医药
2.4 毛细血管腔的大小及骨骼肌细胞的最大氧弥散距离
如表4所示，反映骨骼肌毛细血管腔大小的2个指标S(cap)v、V(cap)v的值表现出相 似变化趋势。26米组、30米组、36米组的V(cap)v值都显著高于对照组(P<0.05),42米组却 略有降低，但无统计学意义,并且显著低于前三组(P<0.05)。25米组、30米组、36米组的S( cap)v值都显著高于对照组(P<0.05)，其中以30米组的值最高。42米组虽有所升高，但无显 著性意义 。骨骼肌细胞的最大氧弥散距离在16周不同强度的耐力训练后均减小，但只在25 、30、36米组有显著性意义，其中以30米组的值最低，42米组则无显著性(P>0.05),并且与 前三组相比，均显著降低。
表4 大鼠股四头肌深层毛细血管腔的面积、体积密度和表面积密度及肌细胞 最大氧弥散距离
Tab.4 Volume density，surface density，maximum of capillar y cavity and maximum distance of the depths cells of quadriceps from capillary wall to mitoc hondria in rats parameter
, 百拇医药
control
26m group
30m group
36m group
42m group
V(cap)v
24.2±9.3
31.4±9.6
35.1±14.6
32.5±13.2
26.5 ±11
% of c
, 百拇医药
/
29.8a
45.0a
34.3a
9.5a
S(cap)v
0.016±0.007
0.023±0.011
0.022±0.01
0.026±0.015
0.015±0.008
% of c
, 百拇医药
/
43.8a
37.5a
62.5a
-6.3b,c,dd
R
27.56±5.25
23.08±2.63
21.35±2.08
24.65±3.03
26.40 ±4.37
% of c
, 百拇医药
/
-16.3a
-22.5a
-10. 6 a
-4.2c
3 分析与讨论
骨骼肌是机体氧传送链的最后一个环节，因此，其氧利用能力及供能能力无疑对有氧能力的 高低有着很关键的影响，而其有氧能力的大小与骨骼肌细胞中线粒体的多少及线粒体的内部 结构有着重要的关系。
从本研究结果可以发现，各训练组的V(mit)v及V(mit)v/V(myof)与对照组的相比无显著性差 异，认为可能是因为骨骼肌在训练后肌细胞产生肥大，肌细胞内的组分随着细胞体积的增长 而成比例的增长[6]，说明骨骼肌细胞内参与能量产生和利用的组 成结构存在一个良好的平衡代偿反应。虽然各训练组的V(mit)v及V(mit)v/V(myof)与对照组 的相比无显著性差异，但30米组和36米组的V(mit)v/V(myof)比值有6.2%和2.7%的增长， 因此认为，30米组和36米组的线粒体总体积的发展赶上并超过了肌细胞的肥大。线粒体的比 表面δ各训练组中，30米组的值与对照组相比只有微小的降低，其他各组均显著降低，与以 上结果综合考虑，可以认为经过不同强度的耐力训练后，除30米组外，各训练组均出现 了线粒体个体体积的增大，而30米组的体积虽没有变化，但其与肌原纤维的比值(V(mit)v/ V(myof))是增加的，所以认为30米组线粒体的发展主要是通过数目的增加而得到的。线粒 体功能的是否增强还要看其内部结构即V(cr+i)v和S(cr+i)v的变化，因为只有有氧代谢酶存 在的基础——线粒体内膜和嵴的适应性的增加，才能说明耐力训练有效地发展了骨骼肌的有 氧代谢水平。V(cr+i)v和S(cr+i)v在不同强度的耐力训练后都出现了良好的增加趋势，但V( cr+i)只在在30、36、42米组有显著性变化，而S(cr+i)仅在30米组出现显著性变化，因此认 为骨骼肌线粒体的氧化代谢结构在30米/分强度的训练中得到最适宜的发展。这与Dudley[9]等的30米/分强度最有效地促进骨骼肌细胞呼吸链中细胞色素C浓 度的结果相一致，此强度和大鼠的无氧阈相近[8]。
, 百拇医药
肌肉内丰富的毛细血管为“浸浴”在组织液中的肌细胞吸取氧和营养物质创造了有利条件， 并有利于代谢产物的排除，因此，通过耐力训练能否使标志毛细血管功能的各种参数朝有利 方向发展，则决定着有氧能力的提高与否。本实验采取毛细血管的面数密度N(cap)A、毛细 血管腔的体积密度V(cap)v、和表面积密度S(cap)v以及骨骼肌细胞最大氧弥散距离R来讨论 不同强度的耐力训练对大鼠骨骼肌的影响。
实验结果表明，通过不同强度的耐力训练后，大鼠骨骼肌N(cap)A都有了不同程度的增加， 其中26米组和30米组分别增加了30.1%和43.9%，有显著性意义，而36和42米组仅增加11. 5%和6.5%，无显著性意义。N(cap)A/N(mf)A除42米组外均显著升高，以30米组最为明显。 此结果说明在不同强度的耐力训练后，毛细血管的绝对数量出现了适应性的增加，而且N(ca p)A/N(mf)A的增加说明，每根肌纤维所伴随的毛细血管的数量增加，这样必然有利于骨骼肌 细胞的血液及氧的供应，从而提高了骨骼肌的有氧代谢能力。
, http://www.100md.com
有关耐力训练后骨骼肌毛细血管腔大小的报道较少，仅Cabric等[1]用形态计量学的方法研究发现，经过跑台耐力训练后，狗骨骼肌毛细血管表面积密度显著 升高，而对大鼠骨骼肌毛细血管腔其它参数则未见报道。
本实验结果表明，大鼠骨骼肌毛细血管V(cap)v和S(cap)v在42米/分强度的训练后，前者有 略微的降低，后者有略微的升高，但都未见有显著性差异，其他各训练组均有显著的升高， 其中V(cap)v以36米组最显著，S(cap)v以30米组为最明显。R也出现与前二个指标相似的结 果，42米组变化最小，与对照组没有显著性差异，其他三组均显著低于对照组，以30米组降 低22.5%为最明显。通过以上的结果，可见，中等及中等偏上的强度能使骨骼肌毛细血管的 发展达到较好的效果，其中以30米/分和36/分的强度为最佳,而较大强度的40米组训练对骨 骼肌的发展无显著效果。
Atko[7]认为运动训练存在专门化的影响，每种运动练习决定着各 种不同的器官、不同类型的肌肉及不同的运动单位存在着不同的活动程度，不同的训练特点 决定着在各种活动细胞中，完成各种不同的功能性任务所需的代谢途径各异，同时也决定着 在各种水平上的代谢控制系统和身体功能的调节系统，因此，不同的系统性练习类型及特点 就会在不同的组织和器官中留下各异的适应特点。以上理论结合本实验所显示的不同强度 耐力训练对大鼠骨骼肌线粒体毛细血管发展的影响不一致的结果，表明促进骨骼肌有氧代谢 能力最有效的发展存在一个适宜的应激水平的阈值，中等强度的耐力训练将会更有效地促进 骨骼肌产能结构——线粒体、氧运输和弥散结构——毛细血管的发展，而大强度的训练则不 能达 到最佳的效果。因此，建议在训练实践中采用适宜的中等强度(如无氧阈强度)训练来发展 骨骼肌有氧代谢能力。
, http://www.100md.com
4 结论
在30米/分的强度训练后，线粒体内膜和嵴发展最好，毛细血管的数目增加最多，毛细血管 腔的增大最明显，骨骼肌细胞最大氧弥散距离缩短最显著，说明不同强度的耐力训练后大鼠 骨骼肌的超微结构产生了不同的适应性变化，并且中等强度训练对骨骼肌的发展最有效，而 大强度的训练对骨骼肌有氧能力发展的效果并不好。建议在训练实践中采用适宜的中等强度 (如无氧阈强度)训练来发展骨骼肌有氧代谢能力。■
基金项目：国家自然科学基金资助项目 课题号：39370282
作者简介：李开刚，男，29岁，运动生理学硕士，助理研究员
参考文献：
[1]Cabric M,et al. Morphometric analyses on the muscles of exercise trained and untrained dogs.The American J Anatomy 1983;166:359-368
, 百拇医药
[2]Hoppeler H,et al. Endurance training in humans: aerobic capacity and structure of skeletal muscle. J Appl Physiol 1985;54:355
[3]郑富盛编.细胞形态立体计量学.北京：北京医科大学中国协和医科大学联合出版社 1990
[4]常芸，等. 耐力训练对大鼠心肌超微结构及其形态计量学的研究.国家体委体育科学研究所学报 1990;3(1):58-65
[5]Weibel ER.Oxygen demand and the size of respiratory structures in mammals.In evolution of respiratory process Vol 13,edited By SC wood,et al 1979:P289
, 百拇医药
[6]Anversa P,et al. Morphometry of exercise-induced right ventricular hypertrophy in the rat. Circulation Research 1983;52(1):57-64
[7]Atko Viru. Adaptation of sports training.USA:CRC press,1995
[8]Shephard ER, et al.Oxygen uptake of rats at different work intensities. Pflugers Arch Ges Physiol 1976;362:219
[9]Dudley KD, et al.Influence of exercise intensity and duration on biochemical adaptations in skeletal muscle.J Appl Phsiol 1982;52:844
[10]Hoppeler H,et al.Design of the mammalian respiratory system.Respir Physiol 1981;44:129
收稿日期：1998-09-18, http://www.100md.com