天然β-丙氨酸提高运动能力及其机制的研究进展

孙景权，叶碧璇，周海涛，欧 歌，曹建民

(1北京体育大学运动人体科学学院，北京 100084;2 北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023)

β-丙氨酸是α-丙氨酸的同分异构体，同属于丙氨酸，在体内是尿嘧啶和5-氟尿嘧啶的代谢产物，此过程主要发生在肝脏内，特异的发生于肝实质细胞［1］。β-丙氨酸除了参与维生素泛酸和辅酶A 的组成外，在机体内的主要作用是合成肌肽(β-丙氨酰-L-组氨酸)。肌肽，在骨骼肌以较高的浓度存在(5～10 mmol/L)，其他有氧代谢较活跃的组织中(如脑组织)含量也较高［2］。研究证明，肌肽在机体内可以起到质子缓冲剂(PKa=6.83)［3］、钙调节剂［4］、抗氧化剂［5］、防止老化［6］、蛋白质糖基化阻断剂［7］、伤口愈合和蛋白质交联阻断剂［8］等功能，同时近几年又发现，肌肽可以改善糖代谢，提高肝糖原和肌糖原含量，显著降低血浆皮质酮水平［9］。

运动性疲劳一直是运动界研究的热点，其产生的机理包括酸中毒学说、自由基损伤学说、内环境稳定性失调学说、能源耗竭学说等［10］，鉴于肌肽所具有的多种功能，其作为抗运动性疲劳补剂的研究逐渐增多。另外，β-丙氨酸作为肌肽合成的原材料，同时正如肌酸和咖啡因那样，它是一种天然的、在肉类和鱼类中大量存在的物质，而且没有被世界反兴奋剂机构列为违禁药物的物质，因此β-丙氨酸和肌肽的功能受到运动生理学家和营养学家的广泛关注。

1 肌肽对不同时间和强度运动的影响

1.1 肌肉中肌肽含量对短时间(1～4min)运动的影响

大量的研究表明，肌肉中肌肽含量是影响动力性和等长收缩运动的运动能力的决定性因素之一。Suzuki等［11］研究发现，未经过训练的人其股外侧肌中肌肽含量与完成Wingate 测试最后30s 的最大输出功率成正相关。另外，Hill［12］发现，未经过训练的人群补充10w 的β-丙氨酸后，不仅仅股外侧肌中肌肽含量增加，而且以最大心率功率的110%强度进行循环测试时，其运动至疲劳的时间延长。

从目前的研究来看，补充β-丙氨酸增加身体机能的潜在作用可能发生于冲刺项目运动员，因为冲刺项目运动员比未训练或是耐力运动员有更高的肌肽含量［13］。关于冲刺项目运动员补充β-丙氨酸后运动能力是否增加的研究发现，400m 竞技短跑运动员每天补充4.8g 的β-丙氨酸，4w 时间后，用质子磁共振波普技术发现腓肠肌和比目鱼肌中肌肽含量显著增加，5 组、每组30 次膝关节最大随意伸展的等速测试中第4 组和第5 组的动态伸膝力矩显著性增加，但是45%最大随意收缩的等距耐力和400m 的成绩却没有变化［14］。可见肌肽含量提高能够增强短时间、大强度项目运动员的运动机能，同时增加最大收缩的重复组数，但是对于肌肉的力量似乎没有影响［15］，尽管等距耐力的影响是模棱两可的。

由于目前关于肌肽增进身体机能的机制和肌肽代谢的特性研究较少，所以目前认为肌肽能够增进以糖酵解供能为主项目的运动员身体机能的可能机制是肌肽起到一种质子缓冲剂的作用，保护骨骼肌免受酸中毒，因为大强度运动时肌肉收缩后会产生酸中毒［16］。这种理论可能是基于肌肽是肌肉内非碳酸氢盐型的质子缓冲剂，可以起到缓冲pH 的能力。因为肌肽的咪唑环的PKa (酸度系数)为6.83，具有较强的缓冲能力。Mannion 等［17］认为，肌肉中肌肽对pH 的缓冲能力表现为:在pH 值7.1～6.5 的范围内，可以缓冲2.4～10.1mmol H+/kg，大约占总缓冲能力的7%，而Tallon［18］认为肌肉中肌肽含量可以代表肌肉20%的缓冲能力。尽管肌肽缓冲H+的能力研究不相同，但是这些研究结果提示，肌肽对高强度运动肌肉中的pH 起到缓冲作用，但是可能其缓冲作用有限。

1.2 肌肉中肌肽含量对长时间运动(＞4min)的影响

肌肽含量对长时间运动项目的影响研究报道不一致。目前认为，肌肽主要是起到质子缓冲剂的作用，因为H+堆积过多会影响许多代谢过程，进而诱发肌肉疲劳。例如H+增多打断了磷酸肌酸的再合成，抑制糖酵解，影响Ca2+的重新吸收，影响肌肉收缩结构的功能［19］，所以一般认为肌肽对于肌肉的耐力影响不大［15］。

但是Baguet［20］发现，未经过训练的人补充一段时间的后，以50%最大摄氧量进行6min 功率自行车训练，其酸中毒现象出现了减少。Van Thienen 等［21］研究发现，补充β-丙氨酸后，中等训练程度的人在2h 的模拟自行车赛的最后冲刺阶段能力提高了。Baguet 另外的一个研究发现，赛艇运动员补充β-丙氨酸(5g/d，7w)后，比目鱼肌和腓肠肌中肌肽含量分别增加了45%和28%，而且β-丙氨酸补充组2 000m 赛艇测功仪成绩比安慰剂组快了4.3s，而且补充组之前比安慰剂组慢了0.3s，同时发现，骨骼肌肌肽含量和100、500、6 000m 的赛艇速度是显著相关的。

我们可以推断，基础状态下肌肽含量和赛艇成绩正相关，肌肽水平对于赛艇运动员是一个新的决定因素［22］。因为赛艇比赛可以被分为3 个主要的阶段:开始阶段(30～45s):磷酸原和糖酵解供能;平稳阶段(3～4.5min):有氧供能;最终冲刺阶段(45～60s):糖酵解供能。肌肽含量基础值和赛艇四个不同距离(100、500、2 000、6 000m)的速度的正相关表明，除了无氧阈、VO2max、肌肉组成、人体轮廓这些运动相关因素外，肌肽含量也是赛艇能力的决定因素［22］，究其原因可能是因为高肌肽含量有助于缓解酸中毒。正如Baguet 等以前的研究发现，补充丙氨酸的后，进行6min高强度的自行车测试后酸中毒程度减少了［20］。

然而，其它的机制也不能排除的，如肌肽含量增加增强了肌钙蛋白对Ca2+的敏感性［23］，同时肌肽的抗氧化或是血管舒张作用也可能起作用的［24］，这些都是可以增加长时间运动项目运动员身体机能的可能机制。有研究发现，补充β-丙氨酸后，进行长时间的耐力训练同样也发现了运动能力增强的现象。研究者通过8 个健康的男性和3 个女性补充β-丙氨酸1w，800mg×4/d，以60%最大摄氧量进行一个45min 的10%的下坡运行测试(DHR)后发现，肌肉损伤评价指标CK 增加的幅度小于安慰剂组，6h 后血浆白蛋白羰基(评价氧化应激)补充组小于安慰机组，DOMS 的痛觉程度补充组降低，总之补充β-丙氨酸可以降低延迟性肌肉酸痛(DOMS)、肌肉损伤，可能是通过增加了肌肽的含量的原因［25］。

由以上数据可知，肌肽水平的高低对于长时间的运动项目也是具有提高运动机能的效果，但是其机制可能是通过其他途径(抗氧化、肌钙蛋白对Ca2+的敏感性增加等)来实现的，这还有待于进一步的研究。

由以上的研究可知，目前补充β-丙氨酸是通过增加机体肌肽的含量来起作用，肌肽可以缓冲由高强度的运动诱发的H+增加，也可以通过其他的机制来影响运动能力。例如作为一种保护糖化作用的二肽、抗氧化剂或是增加收缩纤维的Ca2+敏感性。

研究表明，补充丙氨酸对于＜60s 的运动或是运动测试的运动能力是没有影响的;对于60～240s 的运动或是运动测试的运动能力是有显著促进作用的;而对于运动时间超过240s 的其运动益处不是很明显［26］。对于1～4min 的运动，无氧酵解供能占了20%～60%，补充β-丙氨酸在机体内主要是以缓冲H+缓解疲劳的，而对于＜60s 的运动，其疲劳的原因主要是糖酵解产生ATP 的能力下降，ADP 升高，所以β-丙氨酸对此运动时间没有影响。运动时间超过240s 时，机体内氢离子和肌肉酸中毒也可能是增高的，但是有氧代谢的增强将不会进一步加重肌肉的酸中毒症状。因此，β-丙氨酸和肌肽作用的其他的途径可能影响了4min 以上的运动［26］，例如补充β-丙氨酸减少了疲劳诱导的呼吸频率［27］，或是肌肽能提高血糖消除速率，增加糖原含量，改善糖代谢紊乱水平，具体表现为肌肽增加可显著提高小鼠血糖消除速率，提高肝糖原和肌糖原含量，显著降低血浆皮质酮水平，作用机制可能与肌肽降低体内糖皮质激素水平，增强胰岛素受体和糖皮质激素受体表达，从而调节糖代谢关键酶表达，提高葡萄糖转运能力有关［9］。因此，有关补充β-丙氨酸是否对＞4min 的运动产生影响以及产生影响的机制是什么，目前还不清楚，因此关于β-丙氨酸对＞4min 运动的影响的研究还需要进一步进行。

2 补充β-丙氨酸对机体内肌肽含量的影响

人体内肌肽合成的原材料是β-丙氨酸和组氨酸。Hill［12］研究发现，肌肉内的肌肽合成速率受到可利用的β-丙氨酸量的影响，而不是组氨酸，因为组氨酸相对肌肽合成酶Km 值来说，其浓度在肌肉中是较高的［28］，这提示外源性补充β-丙氨酸对于体内肌肽含量的提高起着重要的作用。

目前大部分的研究表明，外源性补充β-丙氨酸可以明显的增加人体肌肉中肌肽的含量。Harris［12］研究发现，给予未经过训练的人每天口服6g β-丙氨酸，4w 后股外侧肌中肌肽含量可以增加60%，补充10w 可增加80%。Derave 发现，400m 竞技运动员补充β-丙氨酸(4.8g/d，4w)后，比目鱼肌肌肽含量增加了47%、腓肠肌增加了37%［2］。由此可见，机体内由膳食中提供的用于合成肌肽的β-丙氨酸是不足的，不论是受过训练或是未受过训练的人通过外源性的补充β-丙氨酸(4.0～6.4g/d，4～10w)，其肌肉中的肌肽含量明显提高，其一般规律是每天补充4～6g β-丙氨酸就可以增加股外侧肌中肌肽水平，补充2w 可以增加20%～30%肌肽，4w 补充增加40%～60%，10w 补充增加80%［12］。由此可见，肌肉中合成肌肽的数量受限于可利用的β-丙氨酸的数量，而不是组氨酸［28］。那么对于肌肽，机体内是否存在“上限”，Derave 研究发现，即便是受试者肌肉中肌肽的基础值较高(＞12mmol/L)，但是经过(4.8g/d，4w)的补充β-丙氨酸后，肌肽含量还可以额外的增加4～5 mmol/L，同时再进行6w 的补充后，其肌肽含量还可以额外增加20%［2］。提示即使人体的肌肉肌肽含量基础值很高，补充后也可以增加，肌肉中肌肽含量是远远不够的。

肌肽是在肌肉中是一种非常稳定的复合物，这也确定了肌肉中肌肽的存在。Baguet［29］发现，停止补充β-丙氨酸后，由补充β-丙氨酸引起的肌肽增加量以每周2%～4% 的比例丢失，9w 后恢复到基础值 (附图)。如果增加的幅度达到原来的55%，这可能需要15w 才能恢复到基础值。相对肌酸的降解速度(每天降解2%)来说，肌肽是非常稳定的。其原因可能是肌肉中缺乏相关的水解酶，肌肽及有关的二肽能被至少两种类型的二肽酶水解，这种酶是金属蛋白酶中一员。第一种酶是血清肌肽酶(CN1)，它是一种分泌型酶，主要在人类血浆中高表达及有活性［30］。它作为一种水解酶，可以把肌肽分解掉，这就解释了肌肽被吸收后血浆中反而不存在的原因，以及口服肌肽3～4h 后肌肽或是相关二肽就会被快速水解的原因［31］。第二种酶是被称作组织肌肽酶或是非特异性细胞质二肽酶(CN2)，在人类的组织中广泛的分布，包括大脑。但是在人类和动物肌肉中却没有这种酶的活性［32］。Otani［33］也发现，小鼠的骨骼肌中很少表达或是没有CN2。

附图 5～6w 补充β-丙氨酸或是安慰剂前后比目鱼肌和腓肠肌中肌肽变化以及停止补充后3～9w 中肌肽的消退情况

3 运动训练对肌肽含量的影响

目前大部分研究显示，运动训练对肌肽含量的影响较小。Harris［34］研究表明，体育专业学生进行10w的力量训练，4 次/w，2 次上半身力量练习，2 次下半身力量练习，虽然肌肉的体积和肌力得到增强，但却不能增加肌肉中肌肽的含量;然而如果每天额外补充800mg β-丙氨酸，10w 力量训练后肌肽含量明显增加。Harris 的另一发现是进行5w 的间歇性高强度训练，3d/w 强度为140%～170%乳酸阈，肌肉中肌肽含量也没有出现改变，尽管肌肉的缓冲能力HIT1 和HIT3出现增加［35］。这些研究提示，不论是力量训练或是大强度的训练均不能增加肌肉中肌肽的含量。

4 结论

β-丙氨酸是肌肽合成的前体，补充β-丙氨酸(4～6g/d，4w 以上)可以明显增加体内肌肉中肌肽的含量，其在体内主要起作用的物质是肌肽，肌肉中肌肽含量的增加可以缓解竞技体育运动员的疲劳。但是β-丙氨酸对不同运动时间的项目影响作用不一样，是否对大于4min 的运动起到缓解疲劳、提高运动员机能的作用还没有定论。另一方面，肌肽本身主要有质子缓冲剂、抗氧化、增加收缩蛋白对Ca2+的敏感性和改善糖代谢等，其对运动能力的提高和抗疲劳作用的机制还不是很明确，而且机制研究方面的文献较少，有关机制研究的动物试验需要进一步分析。

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