天然β-丙氨酸提高運動能力及其機制的研究進展

孫景權(quán)，葉碧璇，周海濤，歐 歌，曹建民

(1北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院，北京 100084;2 北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023)

β-丙氨酸是α-丙氨酸的同分異構(gòu)體，同屬于丙氨酸，在體內(nèi)是尿嘧啶和5-氟尿嘧啶的代謝產(chǎn)物，此過程主要發(fā)生在肝臟內(nèi)，特異的發(fā)生于肝實質(zhì)細(xì)胞［1］。β-丙氨酸除了參與維生素泛酸和輔酶A 的組成外，在機體內(nèi)的主要作用是合成肌肽(β-丙氨酰-L-組氨酸)。肌肽，在骨骼肌以較高的濃度存在(5～10 mmol/L)，其他有氧代謝較活躍的組織中(如腦組織)含量也較高［2］。研究證明，肌肽在機體內(nèi)可以起到質(zhì)子緩沖劑(PKa=6.83)［3］、鈣調(diào)節(jié)劑［4］、抗氧化劑［5］、防止老化［6］、蛋白質(zhì)糖基化阻斷劑［7］、傷口愈合和蛋白質(zhì)交聯(lián)阻斷劑［8］等功能，同時近幾年又發(fā)現(xiàn)，肌肽可以改善糖代謝，提高肝糖原和肌糖原含量，顯著降低血漿皮質(zhì)酮水平［9］。

運動性疲勞一直是運動界研究的熱點，其產(chǎn)生的機理包括酸中毒學(xué)說、自由基損傷學(xué)說、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性失調(diào)學(xué)說、能源耗竭學(xué)說等［10］，鑒于肌肽所具有的多種功能，其作為抗運動性疲勞補劑的研究逐漸增多。另外，β-丙氨酸作為肌肽合成的原材料，同時正如肌酸和咖啡因那樣，它是一種天然的、在肉類和魚類中大量存在的物質(zhì)，而且沒有被世界反興奮劑機構(gòu)列為違禁藥物的物質(zhì)，因此β-丙氨酸和肌肽的功能受到運動生理學(xué)家和營養(yǎng)學(xué)家的廣泛關(guān)注。

1 肌肽對不同時間和強度運動的影響

1.1 肌肉中肌肽含量對短時間(1～4min)運動的影響

大量的研究表明，肌肉中肌肽含量是影響動力性和等長收縮運動的運動能力的決定性因素之一。Suzuki等［11］研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過訓(xùn)練的人其股外側(cè)肌中肌肽含量與完成Wingate 測試最后30s 的最大輸出功率成正相關(guān)。另外，Hill［12］發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過訓(xùn)練的人群補充10w 的β-丙氨酸后，不僅僅股外側(cè)肌中肌肽含量增加，而且以最大心率功率的110%強度進行循環(huán)測試時，其運動至疲勞的時間延長。

從目前的研究來看，補充β-丙氨酸增加身體機能的潛在作用可能發(fā)生于沖刺項目運動員，因為沖刺項目運動員比未訓(xùn)練或是耐力運動員有更高的肌肽含量［13］。關(guān)于沖刺項目運動員補充β-丙氨酸后運動能力是否增加的研究發(fā)現(xiàn)，400m 競技短跑運動員每天補充4.8g 的β-丙氨酸，4w 時間后，用質(zhì)子磁共振波普技術(shù)發(fā)現(xiàn)腓腸肌和比目魚肌中肌肽含量顯著增加，5 組、每組30 次膝關(guān)節(jié)最大隨意伸展的等速測試中第4 組和第5 組的動態(tài)伸膝力矩顯著性增加，但是45%最大隨意收縮的等距耐力和400m 的成績卻沒有變化［14］?？梢娂‰暮刻岣吣軌蛟鰪姸虝r間、大強度項目運動員的運動機能，同時增加最大收縮的重復(fù)組數(shù)，但是對于肌肉的力量似乎沒有影響［15］，盡管等距耐力的影響是模棱兩可的。

由于目前關(guān)于肌肽增進身體機能的機制和肌肽代謝的特性研究較少，所以目前認(rèn)為肌肽能夠增進以糖酵解供能為主項目的運動員身體機能的可能機制是肌肽起到一種質(zhì)子緩沖劑的作用，保護骨骼肌免受酸中毒，因為大強度運動時肌肉收縮后會產(chǎn)生酸中毒［16］。這種理論可能是基于肌肽是肌肉內(nèi)非碳酸氫鹽型的質(zhì)子緩沖劑，可以起到緩沖pH 的能力。因為肌肽的咪唑環(huán)的PKa (酸度系數(shù))為6.83，具有較強的緩沖能力。Mannion 等［17］認(rèn)為，肌肉中肌肽對pH 的緩沖能力表現(xiàn)為:在pH 值7.1～6.5 的范圍內(nèi)，可以緩沖2.4～10.1mmol H+/kg，大約占總緩沖能力的7%，而Tallon［18］認(rèn)為肌肉中肌肽含量可以代表肌肉20%的緩沖能力。盡管肌肽緩沖H+的能力研究不相同，但是這些研究結(jié)果提示，肌肽對高強度運動肌肉中的pH 起到緩沖作用，但是可能其緩沖作用有限。

1.2 肌肉中肌肽含量對長時間運動(＞4min)的影響

肌肽含量對長時間運動項目的影響研究報道不一致。目前認(rèn)為，肌肽主要是起到質(zhì)子緩沖劑的作用，因為H+堆積過多會影響許多代謝過程，進而誘發(fā)肌肉疲勞。例如H+增多打斷了磷酸肌酸的再合成，抑制糖酵解，影響Ca2+的重新吸收，影響肌肉收縮結(jié)構(gòu)的功能［19］，所以一般認(rèn)為肌肽對于肌肉的耐力影響不大［15］。

但是Baguet［20］發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過訓(xùn)練的人補充一段時間的后，以50%最大攝氧量進行6min 功率自行車訓(xùn)練，其酸中毒現(xiàn)象出現(xiàn)了減少。Van Thienen 等［21］研究發(fā)現(xiàn)，補充β-丙氨酸后，中等訓(xùn)練程度的人在2h 的模擬自行車賽的最后沖刺階段能力提高了。Baguet 另外的一個研究發(fā)現(xiàn)，賽艇運動員補充β-丙氨酸(5g/d，7w)后，比目魚肌和腓腸肌中肌肽含量分別增加了45%和28%，而且β-丙氨酸補充組2 000m 賽艇測功儀成績比安慰劑組快了4.3s，而且補充組之前比安慰劑組慢了0.3s，同時發(fā)現(xiàn)，骨骼肌肌肽含量和100、500、6 000m 的賽艇速度是顯著相關(guān)的。

我們可以推斷，基礎(chǔ)狀態(tài)下肌肽含量和賽艇成績正相關(guān)，肌肽水平對于賽艇運動員是一個新的決定因素［22］。因為賽艇比賽可以被分為3 個主要的階段:開始階段(30～45s):磷酸原和糖酵解供能;平穩(wěn)階段(3～4.5min):有氧供能;最終沖刺階段(45～60s):糖酵解供能。肌肽含量基礎(chǔ)值和賽艇四個不同距離(100、500、2 000、6 000m)的速度的正相關(guān)表明，除了無氧閾、VO2max、肌肉組成、人體輪廓這些運動相關(guān)因素外，肌肽含量也是賽艇能力的決定因素［22］，究其原因可能是因為高肌肽含量有助于緩解酸中毒。正如Baguet 等以前的研究發(fā)現(xiàn)，補充丙氨酸的后，進行6min高強度的自行車測試后酸中毒程度減少了［20］。

然而，其它的機制也不能排除的，如肌肽含量增加增強了肌鈣蛋白對Ca2+的敏感性［23］，同時肌肽的抗氧化或是血管舒張作用也可能起作用的［24］，這些都是可以增加長時間運動項目運動員身體機能的可能機制。有研究發(fā)現(xiàn)，補充β-丙氨酸后，進行長時間的耐力訓(xùn)練同樣也發(fā)現(xiàn)了運動能力增強的現(xiàn)象。研究者通過8 個健康的男性和3 個女性補充β-丙氨酸1w，800mg×4/d，以60%最大攝氧量進行一個45min 的10%的下坡運行測試(DHR)后發(fā)現(xiàn)，肌肉損傷評價指標(biāo)CK 增加的幅度小于安慰劑組，6h 后血漿白蛋白羰基(評價氧化應(yīng)激)補充組小于安慰機組，DOMS 的痛覺程度補充組降低，總之補充β-丙氨酸可以降低延遲性肌肉酸痛(DOMS)、肌肉損傷，可能是通過增加了肌肽的含量的原因［25］。

由以上數(shù)據(jù)可知，肌肽水平的高低對于長時間的運動項目也是具有提高運動機能的效果，但是其機制可能是通過其他途徑(抗氧化、肌鈣蛋白對Ca2+的敏感性增加等)來實現(xiàn)的，這還有待于進一步的研究。

由以上的研究可知，目前補充β-丙氨酸是通過增加機體肌肽的含量來起作用，肌肽可以緩沖由高強度的運動誘發(fā)的H+增加，也可以通過其他的機制來影響運動能力。例如作為一種保護糖化作用的二肽、抗氧化劑或是增加收縮纖維的Ca2+敏感性。

研究表明，補充丙氨酸對于＜60s 的運動或是運動測試的運動能力是沒有影響的;對于60～240s 的運動或是運動測試的運動能力是有顯著促進作用的;而對于運動時間超過240s 的其運動益處不是很明顯［26］。對于1～4min 的運動，無氧酵解供能占了20%～60%，補充β-丙氨酸在機體內(nèi)主要是以緩沖H+緩解疲勞的，而對于＜60s 的運動，其疲勞的原因主要是糖酵解產(chǎn)生ATP 的能力下降，ADP 升高，所以β-丙氨酸對此運動時間沒有影響。運動時間超過240s 時，機體內(nèi)氫離子和肌肉酸中毒也可能是增高的，但是有氧代謝的增強將不會進一步加重肌肉的酸中毒癥狀。因此，β-丙氨酸和肌肽作用的其他的途徑可能影響了4min 以上的運動［26］，例如補充β-丙氨酸減少了疲勞誘導(dǎo)的呼吸頻率［27］，或是肌肽能提高血糖消除速率，增加糖原含量，改善糖代謝紊亂水平，具體表現(xiàn)為肌肽增加可顯著提高小鼠血糖消除速率，提高肝糖原和肌糖原含量，顯著降低血漿皮質(zhì)酮水平，作用機制可能與肌肽降低體內(nèi)糖皮質(zhì)激素水平，增強胰島素受體和糖皮質(zhì)激素受體表達(dá)，從而調(diào)節(jié)糖代謝關(guān)鍵酶表達(dá)，提高葡萄糖轉(zhuǎn)運能力有關(guān)［9］。因此，有關(guān)補充β-丙氨酸是否對＞4min 的運動產(chǎn)生影響以及產(chǎn)生影響的機制是什么，目前還不清楚，因此關(guān)于β-丙氨酸對＞4min 運動的影響的研究還需要進一步進行。

2 補充β-丙氨酸對機體內(nèi)肌肽含量的影響

人體內(nèi)肌肽合成的原材料是β-丙氨酸和組氨酸。Hill［12］研究發(fā)現(xiàn)，肌肉內(nèi)的肌肽合成速率受到可利用的β-丙氨酸量的影響，而不是組氨酸，因為組氨酸相對肌肽合成酶Km 值來說，其濃度在肌肉中是較高的［28］，這提示外源性補充β-丙氨酸對于體內(nèi)肌肽含量的提高起著重要的作用。

目前大部分的研究表明，外源性補充β-丙氨酸可以明顯的增加人體肌肉中肌肽的含量。Harris［12］研究發(fā)現(xiàn)，給予未經(jīng)過訓(xùn)練的人每天口服6g β-丙氨酸，4w 后股外側(cè)肌中肌肽含量可以增加60%，補充10w 可增加80%。Derave 發(fā)現(xiàn)，400m 競技運動員補充β-丙氨酸(4.8g/d，4w)后，比目魚肌肌肽含量增加了47%、腓腸肌增加了37%［2］。由此可見，機體內(nèi)由膳食中提供的用于合成肌肽的β-丙氨酸是不足的，不論是受過訓(xùn)練或是未受過訓(xùn)練的人通過外源性的補充β-丙氨酸(4.0～6.4g/d，4～10w)，其肌肉中的肌肽含量明顯提高，其一般規(guī)律是每天補充4～6g β-丙氨酸就可以增加股外側(cè)肌中肌肽水平，補充2w 可以增加20%～30%肌肽，4w 補充增加40%～60%，10w 補充增加80%［12］。由此可見，肌肉中合成肌肽的數(shù)量受限于可利用的β-丙氨酸的數(shù)量，而不是組氨酸［28］。那么對于肌肽，機體內(nèi)是否存在“上限”，Derave 研究發(fā)現(xiàn)，即便是受試者肌肉中肌肽的基礎(chǔ)值較高(＞12mmol/L)，但是經(jīng)過(4.8g/d，4w)的補充β-丙氨酸后，肌肽含量還可以額外的增加4～5 mmol/L，同時再進行6w 的補充后，其肌肽含量還可以額外增加20%［2］。提示即使人體的肌肉肌肽含量基礎(chǔ)值很高，補充后也可以增加，肌肉中肌肽含量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

肌肽是在肌肉中是一種非常穩(wěn)定的復(fù)合物，這也確定了肌肉中肌肽的存在。Baguet［29］發(fā)現(xiàn)，停止補充β-丙氨酸后，由補充β-丙氨酸引起的肌肽增加量以每周2%～4% 的比例丟失，9w 后恢復(fù)到基礎(chǔ)值 (附圖)。如果增加的幅度達(dá)到原來的55%，這可能需要15w 才能恢復(fù)到基礎(chǔ)值。相對肌酸的降解速度(每天降解2%)來說，肌肽是非常穩(wěn)定的。其原因可能是肌肉中缺乏相關(guān)的水解酶，肌肽及有關(guān)的二肽能被至少兩種類型的二肽酶水解，這種酶是金屬蛋白酶中一員。第一種酶是血清肌肽酶(CN1)，它是一種分泌型酶，主要在人類血漿中高表達(dá)及有活性［30］。它作為一種水解酶，可以把肌肽分解掉，這就解釋了肌肽被吸收后血漿中反而不存在的原因，以及口服肌肽3～4h 后肌肽或是相關(guān)二肽就會被快速水解的原因［31］。第二種酶是被稱作組織肌肽酶或是非特異性細(xì)胞質(zhì)二肽酶(CN2)，在人類的組織中廣泛的分布，包括大腦。但是在人類和動物肌肉中卻沒有這種酶的活性［32］。Otani［33］也發(fā)現(xiàn)，小鼠的骨骼肌中很少表達(dá)或是沒有CN2。

附圖 5～6w 補充β-丙氨酸或是安慰劑前后比目魚肌和腓腸肌中肌肽變化以及停止補充后3～9w 中肌肽的消退情況

3 運動訓(xùn)練對肌肽含量的影響

目前大部分研究顯示，運動訓(xùn)練對肌肽含量的影響較小。Harris［34］研究表明，體育專業(yè)學(xué)生進行10w的力量訓(xùn)練，4 次/w，2 次上半身力量練習(xí)，2 次下半身力量練習(xí)，雖然肌肉的體積和肌力得到增強，但卻不能增加肌肉中肌肽的含量;然而如果每天額外補充800mg β-丙氨酸，10w 力量訓(xùn)練后肌肽含量明顯增加。Harris 的另一發(fā)現(xiàn)是進行5w 的間歇性高強度訓(xùn)練，3d/w 強度為140%～170%乳酸閾，肌肉中肌肽含量也沒有出現(xiàn)改變，盡管肌肉的緩沖能力HIT1 和HIT3出現(xiàn)增加［35］。這些研究提示，不論是力量訓(xùn)練或是大強度的訓(xùn)練均不能增加肌肉中肌肽的含量。

4 結(jié)論

β-丙氨酸是肌肽合成的前體，補充β-丙氨酸(4～6g/d，4w 以上)可以明顯增加體內(nèi)肌肉中肌肽的含量，其在體內(nèi)主要起作用的物質(zhì)是肌肽，肌肉中肌肽含量的增加可以緩解競技體育運動員的疲勞。但是β-丙氨酸對不同運動時間的項目影響作用不一樣，是否對大于4min 的運動起到緩解疲勞、提高運動員機能的作用還沒有定論。另一方面，肌肽本身主要有質(zhì)子緩沖劑、抗氧化、增加收縮蛋白對Ca2+的敏感性和改善糖代謝等，其對運動能力的提高和抗疲勞作用的機制還不是很明確，而且機制研究方面的文獻較少，有關(guān)機制研究的動物試驗需要進一步分析。

［1］Liu，M.-P.，et al.The discrete roles of hepatocytes and non-parenchymal cells in uridine catabolism as a component of uridine homeostasis ［J］.Am.J.Physiol，1998:G1018-G1023.

［2］Derave W，O ¨ zdemir MS，Harris RC，et al.β-Alanine supplementation aug-ments muscle carnosine content and attenuates fatigue during repeated isokinetic contraction bouts in trained sprinters ［J］.J Appl Physiol，2007，103:1736-1743.

［3］Davey CL.The significance of carnosine and anserine in striated skeletal muscle ［J］.Arch Biochem Biophys，1960，89:303-308.

［4］Dutka TL，Lamb GD.Effect of carnosine on excitation-contraction coupling in mechanically-skinned rat skeletal muscle［J］.J Muscle Res Cell Motil，2004，25:203-213.

［5］Boldyrev A.Carnosine and Oxidative Stress in Cells and Tissues ［D］.New York:Nova Science，2007.

［6］Gallant S，et al.Carnosine as a potential anti-senescence drug ［J］.Biochemistry (Mosc)，2000，65:866-868.

［7］Hipkiss AR，Michaelis J，Syrris P.Non-enzymatic glycosylation of the dipeptide L-carnosine，a potential anti-proteincross-linking agent ［J］.FEBS Lett，1995，371:81-85.

［8］Nagai K，et al.Action of carnosine and beta-alanine on wound healing ［J］.Surgery，1986，100:815-821.

［9］陽冬輝.拘束應(yīng)激對小鼠糖代謝的影響以及肌肽的改善作用［D］.廣東:暨南大學(xué)，2010:1-59.

［10］王瑞元.運動生理學(xué)［M］.北京:人民體育出版社，2002.

［11］Suzuki Y，Ito O，Mukai N，et al.High level of skeletal muscle carnosine contributes to the latter half of exercise perfor-mance during 30-s maximal cycle ergometer sprinting ［J］.Jpn J Physiol，2002，52:199-205.

［12］Hill CA，et al.Inflence of beta-alanine supplementation on skeletal muscle carnosine concentrations and high intensity cycling capacity ［J］.Amino Acids (Vienna)，2007，32:225-233.

［13］ParkhouseWS，et al.Buffering capacity of deproteinized human vastus lateralis muscle ［J］.J Appl Physiol，1985，58:14-17.

［14］Derave W，O et al.Alanine supplementation aug-ments muscle carnosine content and attenuates fatigue during repeated isokinetic contraction bouts in trained sprinters ［J］.J Appl Physiol，2007，103:1736-1743.

［15］Kendrick IP，et al.The effects of 10 wk of resistance training combined with beta-alanine supplementation on whole body strength，force production，muscular endurance and body composition ［J］.Amino Acids，2008，34:547-554.

［16］Boldyrev AA.Carnosine and Oxidative Stress in Cells and Tissues ［J］.New York:Nova Science，2007.

［17］Mannion A F，et al.Carnosine and anserine concentrations in the quadriceps femoris muscle of healthy humans ［J］.Eur J Appl Physiol Occup Physiol，1992，64(1):47-50.

［18］Tallon M J，et al.The carnosine content of vastus lateralis is elevated in resistance-t rained bodybuilders ［J］.J St rength Cond Res，2005，19(4):725-729.

［19］Spriet LL，Lindinger MI，McKelvie RS，et al.Muscle glycogenolysis and H+concentration during maximal intermittent cycling ［J］.J Appl Physiol，1989，66:8-13.

［20］Baguet A，et al.β-Alanine supplementation reduces acidosis but not oxygen uptake response during high-intensity cycling exercise ［J］.Eur J Appl Physiol，2010，108:495-503.

［21］Van Thienen R，et al.Beta-alanine improves sprint performance in endurance cycling ［J］.Med Sci Sports Exerc，2009，41:898-903.

［22］Baguet A，et al.Important role of muscle carnosine in rowing performance ［J］.J Appl Physiol，2010，109:1096-1101.

［23］Dutka TL，Lamb GD.Effect of carnosine on excitation-contraction coupling in mechanically-skinned rat skeletal muscle ［J］.J Muscle Res Cell Motil，2004，25:203-213.

［24］Ririe DG，et al.Vasodilatory actions of the dietary peptide carnosine ［J］.Nutrition，2000，16:168-172.

［25］Masaru Furukawa，et al.Attenuation of eccentric exerciseinduced delayed onset muscle soreness，muscle damage and oxidative stress by β-alanine and branched-chain amino acids ［J］.The FASEB Journal，2008，22:685.

［26］R.M.Hobson，et al.Effects of β-alanine supplementation on exercise performance:a meta-analysis ［J］.Amino Acids，2011，11:1007-1200.

［27］Stout JR，et al.Effects of b-alanine supplementa-tion on the onset of neuromuscular fatigue and ventilator threshold in women ［J］.Amino Acids，2007，32:381-386.

［28］Horinishi H，Grillo M，Margolis FL.Purification and characterization of carnosine synthetase from mouse olfactory bulbs ［J］.J Neurochem，1978，31:909-919.

［29］Baguet A，et al.Carnosine loading and washout in human skeletal muscles ［J］.J Appl Physiol，2009，106:837-842.

［30］Janssen B，et al.Carnosine as a protective factor in diabetic nephropathy:association with a leucine repeat of the carnosinase gene CNDP1 ［J］.Diabetes，2005，54:2320-2327.

［31］Gardner ML，et al.Intestinal absorp-tion of the intact peptide carnosine in man，and comparison with intestinal permeability to lactulose ［J］.J Physiol，1991，439:411-422.

［32］Harding J，Margolis FL.Denervation in the primary olfactory pathway of mice.III.Effect on enzymes of carnosine metabolism ［J］.Brain Res，1976，110:351-360.

［33］Otani H，et al.Identification and characterization of a mouse dipeptidase that hydrolyzes L-carnosine ［J］.J Biochem，2005，137:167-175.

［34］Harris，Roger C.，et al.The Effect of Whole Body PhysicalTraining on the Carnosine Content of V Lateralis ［J］.Federation of American Societies for Experimental Biology Journal，2007，21(6):A943.

［35］Harris，Roger C.et al.The Effect of Very High Interval Training on the Carnosine Content and Buffering Capacity of V Lateralis from humans ［J］.Federation of American Societies for Experimental Biology Journal，2007，21(6):A944.