支鏈氨基酸在體育運動領域中的研究進展及展望

溫金紅，趙志明

（湖南科技大學 體育學院，湖南 湘潭 411201）

支鏈氨基酸（Branched-chain amino acids，BCAA）是人體無法合成的必需氨基酸，是人類和牲畜的重要營養(yǎng)來源，包括亮氨酸（leucine，Leu）、異亮氨酸（Isoleucine，Ile）和纈氨酸（valine，Val），主要由食物蛋白提供［1-2］。 近年來，因BCAA在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成與代謝、食物攝入和衰老方面表現(xiàn)出的重要生理作用而被廣泛的應用在醫(yī)藥、食品、衛(wèi)生、體育等領域當中［3-5］。隨著體育運動的不斷發(fā)展，教練員與運動員已經(jīng)不局限于訓練本身，開始尋求具有潛在直接或間接身體機能增強作用的能原性輔助物，以改善對體育鍛煉的適應能力，BCAA就是其中重要的能原性輔助物［6］。 諸多研究［7-9］證實，BCAA在促進機體能量代謝、為運動提供能量、緩解運動性疲勞和加速運動損傷恢復等方面都具有積極的效應，但就現(xiàn)有研究來看，尚未有研究對BCAA與運動的關系進行系統(tǒng)的研究。鑒于此，本文通過中國知網(wǎng)（CNKI）、Web of Science、PubMed等數(shù)據(jù)庫，歸納總結BCAA與運動的相關研究，以期為BCAA與運動的相關研究提供系統(tǒng)、科學的理論參考。

1 BCAA概述

BCAA包括Leu、Ile和Val 3種必須氨基酸，是在人體內(nèi)無法合成而必須由食物蛋白提供的氨基酸，因其碳骨架上均有突出的支鏈而得名。Leu最早于1819年從奶酪中分離出來，并鑒定出一種化學結構為α-氨基異己酸的氨基酸類物質(zhì)；Val最早于1856年從胰臟的浸提液中分離出來；Ile最早于1904年從甜菜糖漿中分離出來，此后又從多種蛋白質(zhì)的胰酶水解物中制得，3種氨基酸先后被分離出來對氨基酸的相關研究與應用具有里程碑式的意義。研究［10-11］表明，BCAA是組織蛋白質(zhì)的重要組成部分，占骨骼肌必需氨基酸總量的35%，且具有緩解運動疲勞、增強運動能力、促進肌肉蛋白質(zhì)的合成并抑制其降解、加速運動損傷恢復等功能。因此，研究BCAA與運動的潛在聯(lián)系對于拓寬BCAA的應用領域及豐富運動營養(yǎng)補充方式都具有十分重要的意義。

2 BCAA與能量代謝

能量代謝包括能量吸收、存儲、釋放、轉(zhuǎn)移和利用，糖和蛋白質(zhì)是運動時能量的重要來源，諸多研究表明，BCAA通過參與糖代謝與蛋白質(zhì)代謝與運動產(chǎn)生密切的聯(lián)系。

2.1 BCAA與糖代謝

糖是骨骼肌的主要能量來源，是無氧與有氧代謝的細胞燃料［12］。 研究［13］發(fā)現(xiàn)，BCAA可以促進機體胰島素的分泌并提高胰島素敏感性，調(diào)控組織中葡萄糖轉(zhuǎn)運載體的表達，進而增強骨骼肌對葡萄糖的吸收和全身葡萄糖的氧化并促進糖異生。Shimomura等［14］研究了補充BCAA對大鼠的糖原代謝的影響，通過對大鼠喂食4周BCAA并進行運動訓練，發(fā)現(xiàn)BCAA飲食增加了大鼠血清BCAA濃度和肝臟支鏈α-酮酸脫氫酶復合物的活性，且大鼠在急性運動后的血糖濃度比普通大鼠高2～4倍，而急性運動后大鼠肝臟和腓腸肌中丙酮酸脫氫酶復合物的活性顯示出相反的趨勢，提示補充BCAA可誘導丙酮酸脫氫酶復合物活性降低，促進糖異生并節(jié)省肝臟和骨骼肌的糖原消耗。此外，Gualano等［15］對BCAA轉(zhuǎn)氨酶的激活與運動引起的肌肉糖原減少進行了研究，通過雙盲交叉設計，將7名志愿者隨機分配到BCAA組安慰劑組，進行為期3天的實驗，研究發(fā)現(xiàn)，與安慰劑組相比，補充BCAA降低了呼吸交換率（RER），促進血漿葡萄糖水平升高并增加了17.2%的疲勞抵抗力，提示補充BCAA可增加抗疲勞能力，并增強糖原耗盡的受試者在運動中的脂質(zhì)氧化，節(jié)省機體糖原消耗。以上研究結果提示，補充BCAA可以增加抗疲勞能力、促進糖異生并節(jié)省機體糖原消耗。

2.2 BCAA與蛋白質(zhì)代謝

蛋白質(zhì)是機體中含量最豐富的大分子物質(zhì)，幾乎所有的器官內(nèi)都含有蛋白質(zhì)，運動過程中，當體內(nèi)糖原儲備不足及脂肪供能受限時，蛋白質(zhì)將參與代謝為機體提供能量［16］，而BCAA是蛋白質(zhì)的基本組成單位，與蛋白質(zhì)的代謝有著密切的聯(lián)系，BCAA中的Leu作為合成谷氨酰胺的底物可促進肌肉增長并加速蛋白質(zhì)合成［17］。Anthony等［18］對補充Leu對運動后肌肉恢復能力的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)Leu刺激運動后的肌肉蛋白合成與血漿胰島素增加無關，提示口服Leu能刺激運動后骨骼肌蛋白質(zhì)合成。許志勤等［19］探討了運動過程中補充BCAA對大鼠蛋白質(zhì)代謝的影響，結果顯示，補充BCAA使大鼠蛋白質(zhì)合成率和更新率、整體氨基氮流率都有不同程度的增高，BCAA可通過調(diào)節(jié)運動對心肌、肝臟蛋白質(zhì)代謝的影響提高骨骼肌的氨基氮流率，提示補充BCAA可調(diào)節(jié)運動狀態(tài)下機體蛋白質(zhì)代謝，并提高運動狀態(tài)的骨骼肌氨基氮流率。此外，金宏等［20］對補充BCAA對大鼠運動能力和血清游離氨基酸代謝的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)補充BCAA可抑制血清中必需氨基酸、非必需氨基酸和總氨基酸水平，提高大鼠游泳存活率，提示補充BCAA可提高大鼠的運動能力，并減少因運動引起的蛋白質(zhì)分解。上述研究表明，補充BCAA可加速蛋白質(zhì)的合成代謝并抑制蛋白質(zhì)的分解代謝。

3 BCAA與運動供能

人體在運動過程中所需的能量分別由磷酸原系統(tǒng)、糖酵解系統(tǒng)和有氧氧化系統(tǒng)進行能源供給，運動供能是運動的重要組成部分，運動可通過多種途徑補充能量，如補充葡萄糖、運動飲料等，與機體內(nèi)常規(guī)供能燃料（碳水化合物、脂肪等）不同，BCAA是一種特殊參與分解供能的氨基酸，能在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)氨基和完全氧化，且氧化產(chǎn)生的ATP效率高于其它氨基酸，在休息或運動時維持系統(tǒng)能量平衡方面起著重要作用［21］。研究［22］發(fā)現(xiàn)，1mol的Leu、Ile和Val完全氧化可分別產(chǎn)生42mol、43mol、32mol的ATP，且效率高于其它氨基酸。值得注意的是，運動強度的高低會影響B(tài)CAA參與運動供能的水平。Gawedzka等［23］對運動強度與血漿BCAA變化關系進行研究發(fā)現(xiàn)，中低強度的運動（50%VO2max，12min）對血漿中的BCAA沒有明顯的影響；高強度的運動 （70%VO2max，10min）會導致BCAA明顯下降 （p＜0.05），且在進行高強度運動時，血漿BCAA的降低會誘導血漿乳酸濃度顯著增加，提示在增量運動中BCAA的顯著減少與運動引起的糖原利用的加速相一致，BCAA僅在高強度運動中參與功能。綜上所述，BCAA是運動供能的重要原料，且在高強度運動中表現(xiàn)出的供能水平更高。

4 BCAA與肌肉力量

研究［24-26］發(fā)現(xiàn)，BCAA除了參與能力代謝、為運動供能、減緩運動性疲勞和預防運動性損傷外，還具有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的作用。Jackman等［27］研究表明，攝入BCAA會增加運動后對肌纖維蛋白質(zhì)合成的刺激和磷酸化狀態(tài)雷帕霉素復合物-1（mTORC1）的信號傳導，提示攝入BCAA有益于機體的肌纖維蛋白質(zhì)合成。Ikeda等［28］研究了補充BCAA與運動療法相結合對改善老年全髖關節(jié)置換術（THA）后患者身體功能的影響，將31名接受THA的老年婦女分為BCAA組（n=18）和對照組（n=13），進行了為期1個月的運動干預，對受試者在運動干預后立即食用3.4gBCAA補充劑或1.2g淀粉，結果顯示，BCAA組對側的伸膝力量和上臂橫截面積有明顯的影響，且干預前后手術側膝關節(jié)伸展力量的也明顯較高，提示BCAA補充劑與體育鍛煉相結合，對患者改善肌肉力量具有積極效果。Uojima等［29］也做了類似的研究，研究評估了BCAA補充劑對肝硬化患者的肌肉力量和肌肉質(zhì)量的影響，結果顯示，患者手握力從治療前的（22.2±6.3kg）增加到了治療后的（23.9±6.4kg），提示補充BCAA改善了慢性肝病患者的低肌力，BCAA可以作為提高肌肉力量的有效補充劑。

5 BCAA與運動性疲勞

運動性疲勞是指機體不能維持正常的生理過程而難以進行正常的體育活動［30-31］。諸多研究表明，BCAA與運動性疲勞有著密切的聯(lián)系。AbuMoh'd等［32］探討了口服BCAA對增量運動方案中肌肉（肌酸激酶和肌紅蛋白）和中樞（血清素）疲勞的影響，發(fā)現(xiàn)在增量跑步機運動前1h口服20gBCAA增加了耗盡時間，且肌紅蛋白水平仍在正常范圍內(nèi)，提示口服BCAA有利于減少肌肉疲勞癥狀。此外，BCAA也常作為聯(lián)合補充劑來減輕運動員疲勞。Chen等［33］對聯(lián)合補充BCAA、精氨酸（Arg）和瓜氨酸對訓練有素的跆拳道運動員三次模擬比賽后中樞疲勞的影響進行研究，12名男性跆拳道運動員運動前口服0.17g/kgBCAA，0.05g/kg精氨酸和0.05g/kg瓜氨酸，運動后受試者血漿游離色氨酸/BCAA比率明顯降低、氮氧化物和氨氣（NH3）濃度增加，提示聯(lián)合補充方案可以緩解精英運動員運動引起的中樞疲勞。此外，Mikulski等［34］也做了類似的研究，對11名耐力訓練的男性（32.6±1.9歲）在60%VO2max的情況下進行了兩次（間隔1周）的亞極限擺線儀運動（90min），然后進行分級運動直至耗盡，隨機雙盲補充了總計16gBCAA和12g冬氨酸（OA）或調(diào)味水（安慰劑），在運動前、運動中和恢復20min后對選擇反應時間（MCRT）、感覺到的勞累、心率和攝氧量進行測量，結果發(fā)現(xiàn)BCAA聯(lián)合OA顯著降低了受試者游離色氨酸（fTRP）濃度，且MCRT更短，提示補充BCAA聯(lián)合OA是提高高強度運動中MCRT的一種有效方法，加速健康年輕男性在運動后恢復階段的氨的消除并減輕運動疲勞。與上述研究結果相似，Chang等［35］對15名男性和7名女性手球運動員在運動前同時攝入0.17g/kg的BCAA和0.04g/kg的Arg進行研究發(fā)現(xiàn)，BCAA聯(lián)合Arg的可通過緩解中樞疲勞來改善訓練有素的運動員在連續(xù)第二天模擬手球比賽中的間歇性短跑表現(xiàn)。值得注意的是，補充BCAA除了能緩解中樞疲勞以外，對外周疲勞也存在積極的效應。研究［36-38］發(fā)現(xiàn)，補充BCAA可通過節(jié)省運動時的能力消耗、減少乳酸生成并保護線粒體結構功能狀態(tài)對外周疲勞產(chǎn)生影響。綜上所述，補充BCAA對于運動性疲勞具有積極的效果，根據(jù)運動項目、運動強度等情況合理地服用BCAA對減輕運動性疲勞、提高運動表現(xiàn)具有重要意義。

6 BCAA與運動損傷恢復

運動損傷是指運動過程中發(fā)生的運動系統(tǒng)損傷，常見的康復措施有手術治療、藥物治療和運動康復治療。目前，越來越多的證據(jù)表明補充BCAA對運動損傷具有積極的作用。Kim等［39］對耐力運動后服用BCAA對疲勞物質(zhì)（5-羥色胺、氨和乳酸）、肌肉損傷物質(zhì)（CK和LDH）和能量代謝物質(zhì)（FFA和葡萄糖）的影響進行研究發(fā)現(xiàn)，補充BCAA后，肌內(nèi)酶（CK和LDH）血清濃度顯著下降，提示補充BCAA可以減少與耐力運動有關的肌肉損傷。VanDusseldorp等［40］研究調(diào)查了補充BCAA對離心運動恢復的影響，20名男性受試者在離心運動前后攝取了BCAA補充劑或安慰劑（PLCB），對肌酸激酶（CK）、垂直跳躍（VJ）、最大自愿等長收縮（MVIC）、跳蹲（JS）和感知酸痛進行評估，發(fā)現(xiàn)與PLCB組相比，BCAA組在第48h的CK濃度較低（p=0.02），且BCAA組在48h和72h的時間點上報告的酸痛感較少（p＜0.01），提示補充BCAA可以減輕肌肉損傷和運動后的肌肉酸痛。Lim［41］通過等速運動誘發(fā)延遲發(fā)作性肌肉酸痛（DOMS）并分析最大肌力和肌肉損傷指標，研究了BCAA補充劑對DOMS的影響。在服用BCAA后，分析了膝關節(jié)伸展峰值扭矩、屈曲峰值扭矩、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）、肌酸激酶（CK）和乳酸脫氫酶（LDH）濃度的變化，結果顯示，運動引起的DOMS導致峰值扭矩下降，CK和LDH的濃度按比例增加，服用BCAA可抑制伸展峰值扭矩的減少和CK及LDH濃度的升高，提示BCAA可以作為一種補充劑，以保持肌肉力量并防止在運動環(huán)境中可能誘發(fā)DOMS的劇烈運動中的肌肉損傷。Rahimi等［42］的綜述研究也證實了上述結果，綜述發(fā)現(xiàn)在各種形式的疲憊和破壞性運動后，服用BCAA比被動恢復效果更好，減少肌肉酸痛、改善肌肉功能和防止運動損傷恢復都有積極的效果。上述研究表明，服用BCAA對減緩肌肉酸痛和防止運動損傷都具有積極的效果，除運動過程中加強損傷防范意識外，適當?shù)难a充BCAA營養(yǎng)劑也是預防運動損傷的關鍵。

7 BCAA與運動性免疫

免疫是人體的一種生理功能，是抵御病原體入侵的主要防御系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)受損情況下機體患病率將大幅上升［43-44］。中等強度運動能夠改善機體的免疫系統(tǒng)功能，而過度運動則會降低血漿中的谷氨酰胺水平對機體免疫功能造成損傷并形成免疫抑制，出現(xiàn)免疫開窗期［45-46］。研究表明，BCAA可以扭轉(zhuǎn)過度運動導致的血漿谷氨酰胺濃度下降導致的免疫抑制。研究［47］發(fā)現(xiàn)，12名運動員補充BCAA后在實驗前后的血漿谷氨酰胺水平相同，而未補充BCAA的運動員在實驗后的血漿谷氨酰胺濃度下降了22.8%，提示補充BCAA可以逆轉(zhuǎn)在長時間激烈運動后血清谷氨酰胺濃度降低的情況，避免因過度運動造成的免疫抑制。Bassit等［48］評估了補充BCAA對運動后免疫反應的影響，對參加奧林匹克鐵人三項比賽或30km長跑之前和之后的運動員收集外周血并檢測，結果顯示，運動結束后未服用BCAA的運動員血漿谷氨酰胺濃度顯著下降，而服用BCAA的運動員血漿谷氨酰胺濃度無明顯變化且外周血單核細胞增殖反應增加，提示服用BCAA有益于避免運動造成的免疫抑制。Negro等［49］研究表明，補充BCAA可以恢復長距離激烈運動后外周血單核細胞對有絲分裂原的反應增殖，以及血漿谷氨酰胺濃度，并且改變與運動有關的細胞因子的產(chǎn)生模式，導致淋巴細胞免疫反應向Th1類型轉(zhuǎn)移。上述研究結果提示，BCAA作為運動中免疫調(diào)節(jié)的補充劑可以在一定程度上避免因過度運動造成的免疫抑制。

8 BCAA與運動表現(xiàn)

上述研究提示BCAA通過參與能力代謝、為運動供能、提高肌肉力量、減緩運動性疲勞、預防運動性損傷和避免過度運動造成的免疫抑制等多種途徑提高了運動者的運動效益，并間接提高運動者的運動表現(xiàn)，但相關研究針對的被試多為經(jīng)過系統(tǒng)訓練的運動員，BCAA對未經(jīng)系統(tǒng)訓練運動者運動表現(xiàn)的影響仍存在爭議，近年來已有相關學者對此展開了研究。Manaf等［50］讓18名未經(jīng)訓練的男性騎行者在一個電磁制動的自行車測力計上進行自行車計時測試，并要求在最短時間內(nèi)完成，運動前和運動過程中攝入BCAA或無熱量的安慰劑溶液，并記錄受試者的勞累程度、功率、步頻和心率，同時在運動后立即和運動后20min評估最大自主收縮、肌肉自主激活水平和電誘發(fā)的扭矩，結果顯示，補充BCAA減少了完成測試的時間（287.9±549.7s；p=0.04）和感知疲勞的評分（p≤0.01），同時增加了心率（p=0.02），提示補充BCAA有利于降低未經(jīng)訓練男性騎行者的感知疲勞并提高其運動表現(xiàn)。然而，有研究發(fā)現(xiàn)補充BCAA并不能提高未經(jīng)訓練男性的運動表現(xiàn)。Greer等［51］將9名未經(jīng)訓練的男性分為碳水化合物（CHO）飲料組、BCAA飲料組和安慰劑（PLAC）飲料組，進行騎行訓練（3次，90min/次，55%VO2max）后又進行了15min的計時賽，運動前和運動60min時3組受試者通過CHO飲料、BCAA飲料和PLAC飲料攝取了總共200kcal的熱量，并在穩(wěn)態(tài)運動期間的每15min進行一次感知疲勞的評分（RPE）和代謝測量，結果顯示，補充雖然對RPE存在積極效應，但并不能影響運動表現(xiàn)。綜上所述，雖然諸多研究證實了BCAA對提高運動表現(xiàn)的積極作用，但補充BCAA對未經(jīng)訓練運動者運動表現(xiàn)的影響仍存在爭議，其潛在機制尚不明確，需要更多的研究確認。

9 小結與展望

BCAA作為一種必需氨基酸，已經(jīng)在諸多研究中證實了其可通過參與能力代謝、為運動供能、提高肌肉力量、減緩運動性疲勞、預防運動性損傷和避免過度運動造成的免疫抑制等途徑提高運動效益，且隨著相關研究的不斷深入，BCAA在體育運動領域的應用也越來越廣，受到了教練員、運動員及其他相關人員的青睞。近年來，雖然國內(nèi)外在補充BCAA提高運動效益方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些亟需解決的問題，遂提出以下展望：1）補充BCAA提高運動效益受到了運動員性別、運動項目、運動強度和運動環(huán)境等多方面因素的影響，其中具體量-效關系尚不十分明確，仍需進一步闡明；2）目前，國內(nèi)外多將BCAA作為一種獨立的營養(yǎng)補劑進行相關研究，未來研究可進一步將BCAA作為聯(lián)合成分，探索效益更高的組合營養(yǎng)補劑；3）補充BCAA雖然在諸多研究中證實了其積極的效應，但針對提高未經(jīng)訓練受試者運動表現(xiàn)的相關研究仍存在一定的爭議，未來研究應擴大樣本量，對不同項目未經(jīng)訓練受試者進行綜合研究，闡明其中的潛在機制。因此，BCAA對運動效益提高的深入挖掘有望成為未來運動領域的重要研究方向，讓更多人因此受益。