化学与生活

健身必备的增肌和力量补剂——肌酸(creatine)

作者:Sunny华

引言

随着人们生活水平的不断提高,“健康生活”的观念已经逐渐深入人心,想要达成此目标则需要健康的生活方式,例如合理膳食、充足睡眠和规律运动等。通常合理膳食足以满足身体所需的多种营养物质,但有时剧烈运动后单纯依靠食物并不能完全满足身体所需,特别是健身人士和专业运动员需要摄入一定量的运动补剂来平衡运动消耗。运动补剂在生活中非常普遍且种类繁多,例如蛋白粉(Protein)、肌酸(Creatine)、支链氨基酸(BCAA)和共轭亚油酸(CLA)等,其中肌酸备受广大健身人士青睐,因为它可以快速增加肌肉力量和加速疲劳消除,及时补充肌酸则可以有效地提高肌力、速度和耐力。

图1 种类繁多的运动补剂(图片来源于网络)

什么是肌酸?

肌酸是天然存在于脊椎动物体内的一种含氮的有机酸,又称作N-甲基胍基乙酸,1832年由法国科学家Michel Eugène Chevreul在骨骼肌中首次发现,它在溶液中通常以多种异构体形式存在(图2)。尽管具有氨基酸的结构,但它并不用来合成蛋白质,其真正作用是促进和维持肌肉生长以及帮助合成三磷酸腺苷(ATP);此外,它还能有效延迟肌肉疲劳。然而,正常状态下人体每天仅能产生约1克肌酸并且绝大部分肌酸都储存在骨骼肌组织中,仅有极少量(约5%) 储存在血液、大脑及其他组织中参与能量代谢[1]。正因如此,自源性肌酸对于经常需要高强度运动的个体来说显然是不够的,补充外源性肌酸就显得至关重要。

图2 肌酸和某种两性离子异构体

肌酸/磷酸肌酸循环

前文已经提到,肌酸重要的作用之一就是增加肌肉力量,加速疲劳恢复并且能够辅助为肌肉和细胞提供能量。众所周知,细胞内能量的储存和传递离不开三磷酸腺苷(ATP),而肌酸发挥上述作用正是通过“肌酸/磷酸肌酸循环”过程中ATP的消耗和合成实现的(图3)。具体来说,静息状态下ATP足量时,肌酸在肌酸激酶(Creatine Kinase)作用下进行磷酸化生成磷酸肌酸(phosphocreatine)并储存在细胞内,该过程需要消耗ATP;当细胞需要ATP时,磷酸肌酸又成为合成ATP的原料,它在肌酸激酶作用下给出磷酸基团使得ADP转化为ATP,从而为细胞供能。因此,补充外源性肌酸有助于在运动间歇增加磷酸肌酸的储存进而有助于运动过程中合成和释放更多的ATP[2]

图3 肌酸/磷酸肌酸循环示意图

肌酸的生物及化学合成

人体中的肌酸主要在肝脏中进行合成,起始原料是L-精氨酸和甘氨酸(图4,a)。首先,甘氨酸在甘氨酸脒基转移酶(arginine:glycine amidinotransferase,AGAT)作用下从L-精氨酸中得到脒基基团生成胍基乙酸,与此同时精氨酸则被降解为L-鸟氨酸,这一步也是速率决定步骤。随后,胍基乙酸在胍基乙酸N-甲基转移酶(guanidinoacetate N-methyltransferase,GAMT)作用下从S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine,SAM)中获得甲基片段生成肌酸,SAM自身则转变成S-腺苷-L-高半胱氨酸(S-adenosyl-L-homocysteine,SAH)[3]。相比之下,肌酸的化学合成更加简单直观,只需要氰胺和肌氨酸发生亲核取代反应即可制得(图4,b)[4]

图4 肌酸的生物及化学合成路线

膳食中的肌酸

虽然肌酸具有多种重要生理功能,但人体自身合成的内源性肌酸却十分有限,因此人体贮存的肌酸有相当一部分来自于食物。由于蔬菜中不含有肌酸,因此研究表明素食主义者肌肉中的肌酸含量比非素食主义者更低。食物中的肌酸主要来源于鲜肉和鲜鱼,例如牛肉、羊肉、鸡肉、三文鱼、金枪鱼和罗非鱼等都富含肌酸,经常食用这些食物能够很大程度上不依靠肌酸补剂来获得充足的肌酸。需要注意的是,上述食物在烹饪过程中应当控制合适的温度和烹饪时间,否则肌酸会分子内脱水形成肌酸酐(肌酐)最终被肾脏代谢而无法发挥作用[5]

图5 富含肌酸的食物

肌酸补剂的合理使用

根据前文所述,通过人体自身合成和食物摄取两种方式无法满足肌酸需求时则需要借助肌酸补剂进行外源性补充。肌酸补剂在日常生活中最常见的用途就是作为健身人士的训练补充,此外,职业或半职业运动员也会服用定量的肌酸来帮助肌肉的生长和提高肌肉的质量。需要指出的是,肌酸并不是兴奋剂类物质,虽然它能够提高运动员的运动能力,但仍属于合法的营养补剂,并不违反国际兴奋剂规则[6]。尽管肌酸对于人体至关重要,但也应当合理使用肌酸补剂使其发挥最大功效的同时不对身体造成损害。虽然目前尚无可靠的证据显示额外服用肌酸会产生强烈的副作用,但长期使用却有可能增加肾脏和肝脏的代谢负担;此外,大鼠动物实验表明大剂量补充肌酸会引起腹泻[7]

结束语

肌酸是保障人体获得充足的能量、增强肌肉力量和改善运动性能的天然营养物质,它在人体肌肉中有广泛的分布。当天然肌酸不能满足需求时,借助肌酸补剂有助于获得充足的能量供应及肌肉力量,从而不断改善和提高运动性能。除此之外,肌酸还被认为是一种治疗肌肉性、神经性或神经肌肉性疾病的可行办法,因此补充外源性肌酸用于临床治疗是未来肌酸补剂制品发展的重要趋势,让我们拭目以待未来肌酸能否被开发出新的用途。

参考文献

  • [1] Cooper, R.; Naclerio, F.; Allgrove, J.; Jimenez, A. Creatine supplementation with specific view to exercise/sports performance: an update. J. Int. Soc. Sports Nutr. 2012, 9, 33. doi: 10.1186/1550-2783-9-33
  • [2] Wallimann, T.; Wyss, M.; Brdiczka, D.; Nicolay, K.; Eppenberger, H. M. Intracellular compartmentation, structure and function of creatine kinase isoenzymes in tissues with high and fluctuating energy demands: the ‘phosphocreatine circuit’ for cellular energy homeostasis. Biochem. J. 1992, 281, 21–40. doi: 10.1042/bj2810021
  • [3] Joncquel-Chevalier Curt, M.; Voicu, P. M.; Fontaine, M.; Dessein, A. F.; Porchet, N.; Mention-Mulliez, K.; Dobbelaere, D.; Soto-Ares, G.; Cheillan, D.; Vamecq, J. Creatine biosynthesis and transport in health and disease. Biochimie 2015, 119, 146–165. doi: 10.1016/j.biochi.2015.10.022
  • [4] Smith, A. L.; Tan, P. Creatine Synthesis: An Undergraduate Organic Chemistry Laboratory Experiment. J. Chem. Educ. 2006, 83, 1654–1657. doi: 10.1021/ed083p1654
  • [5] Brosnan, M. E.; Brosnan, J. T. The role of dietary creatine. Amino Acids, 201648, 1785–1791.
  • doi: 10.1007/s00726-016-2188-1
  • [6] 网页资料:https://www.creapure.com/cn/shi-yong-fang-fa/creapure-ti-gao-yun-dong-cheng-ji
  • [7] 袁克星, 刘玉倩, 闻剑飞. 肌酸补充对运动能力影响的研究进展. 中国康复医学杂志2008, 23, 863–864.

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