β-丙氨酸補充對運動能力的影響

鄭劍恒，張秋萍，吳霞紅，褚羽丹

所謂的“運動機能促進劑”種類繁多，但只有少數獲得了科學研究的支持，β-丙氨酸便是其中之一[1]。β-丙氨酸是一種主要由肝臟產生或來源于食物的非蛋白質氨基酸，在體內可與組氨酸一起由肌肽合成酶催化生成肌肽[2,3]。肌肽結構中含有咪唑基團，其酸堿性系數值（pKa=6.83）更加接近生理范圍，更易在高強度運動中被迅速啟動，發揮以下作用：（1）調節酸堿，防止肌肉酸化；（2）釋放調節因子，促進能量代謝；（3）促進肌漿網鈣離子釋放；（4）增強免疫力及抗氧化能力[4,5]。近年來，針對β-丙氨酸功能的研究逐漸增加，受到了國內外運動學者和營養學者的廣泛關注。

1 β-丙氨酸的體內代謝過程

β-丙氨酸進入體內后半衰期一般為25 min，經30～40 min后在血漿中以原型達到濃度峰值，攝入3 h后恢復到基礎濃度[2]。相比組氨酸，β-丙氨酸的肌肽合成酶Km值（米氏常數）更低，作為體內肌肽的限速關鍵前體，其濃度直接限制體內肌肽的合成速率。大量研究表明，口服補充外源性β-丙氨酸可以顯著增加人體內的肌肽濃度，從而起到改善運動機能的作用[6]。 目前文獻認為，通過每日 4～10 g，連續 4～10 周的β-丙氨酸補充后，機體內的肌肽含量可增加40%～80%。肌肽在人體骨骼肌細胞內一般含量為5～8 mmol/L，然而即使在基線肌肽含量水平較高的人群中（＞12 mmol/L），合理補充外源性的 β-丙氨酸仍可以提高肌肉內的肌肽含量，即β-丙氨酸的補充不存在“封頂效應”[7]。

血漿中的肌肽主要由肌肽酶進行降解，而骨骼肌中由于不存在該酶，肌肽則相對比較穩定[8]。Baguet等發現，肌肽在肌細胞內合成后的分解較為緩慢，停止補充β-丙氨酸后，由外源補充引起的肌肽增加量一般以每周2%～4%的速率遞減，9周后恢復到基礎值[9]。如果增加值超過原有肌肽水平的55%，則恢復過程可達15周左右。

目前影響β-丙氨酸攝取、代謝、儲存的機制研究較少，Stegen等研究發現，進餐同時服用β-丙氨酸可使比目魚肌中肌肽含量提高到64%，而兩餐之間補充則僅能夠提高肌肽含量至41%，表明進餐同時補充β-丙氨酸可促進肌肉內肌肽的合成，提示胰島素可能在肌肽合成的關鍵環節發揮了作用[10]。Mannion等比較了不同性別人群體內的肌肽含量，發現男性外側肌中肌肽含量比女性高約20%～25%，該現象與男女無氧能力的差異有一致性，同時，骨骼肌中的肌肽含量存在隨年齡衰老而降低的趨勢[11]。因此，有研究者推測不同性別、年齡之間的肌肽含量不同可能是由于雄激素在肌肽合成過程中發揮了一定的作用，并通過一系列動物實驗予以印證，然而類似的人體實驗數據尚未見報道[12,13]。

2 β-丙氨酸補充對不同類型運動的影響

2.1 β-丙氨酸對短時間高強度運動的影響

研究表明，無論受試者為職業運動員，或為未經過系統訓練的普通人群，均可通過合理補充β-丙氨酸后提高短時間高強度運動的能力，且未經訓練的受試者可能效果更為明顯[14]。Hill等首次進行了β-丙氨酸補充對于運動能力影響的研究，發現未經訓練的受試者補充β-丙氨酸4周及10周后，肌肉內肌肽濃度分別增加了58.8%和80.1%，以最大心率功率的110%強度進行自行車騎行測試時，最大輸出功率分別增加了13%和16%，同時，受試者運動至疲勞的時間有所延長[15]。其后越來越多的研究設計了不同的運動方案以評價補充β-丙氨酸對不同類型運動能力的影響。Hobson等針對15項研究進行了薈萃分析后發現，補充β-丙氨酸對持續時間為60～240 s的運動能力提高效果明顯，而針對運動時間少于60 s的運動項目，發現補充β-丙氨酸后受試者運動能力并無顯著影響[16]。Saunders等在擴大了研究項目數量的基礎上，納入40項研究進行了系統性分析，認為β-丙氨酸對持續時間在30 s至10 min的運動均可能有促進作用[17]。目前文獻報道中認為，盡管β-丙氨酸對運動能力的改善效果似乎較為微弱 （約0.2%～3%），然而其對于競爭激烈、分秒必爭的高水平運動比賽中的運動員成績提升仍有一定的意義[18]。

肌肽增進身體機能的主要機制為緩沖骨骼肌內產生的酸性物質，緩解骨骼肌的酸中毒現象。Harris等認為肌肉中肌肽對pH的緩沖能力大約占總緩沖能力的10%左右，通過β-丙氨酸的補充，可使其緩沖肌肉內pH的能力增加至15%左右[2]。在時長為30 s至10 min的高強度運動過程中，以無氧酵解供能的方式占比例較大，通過補充β-丙氨酸可增加機體對無氧酵解過程中H+堆積的緩沖能力，從而緩解運動疲勞，提高無氧閾并改善肌肉力量；而導致短期沖刺時運動疲勞的主要原因為機體通過糖酵解途徑產生ATP的能力下降，ADP升高，此時酸性物質堆積并非主要影響因素，因此β-丙氨酸的補充對低于30 s的運動或此類型的運動能力測試結果并無明顯影響。

2.2 β-丙氨酸對耐力型運動能力的影響

目前，補充β-丙氨酸對有氧耐力運動的有效性仍不確定，尤其是對于持續時間在10 min以上的運動，肌肽含量對各項目的影響報道結論不一。Bellinger等針對自行車運動員進行試驗表明，在周期為 28 d的 β-丙氨酸補充后 （每日 6.4 g），10 km自行車運動員的運動表現相比安慰劑組無顯著性差異[19]。而Chung等對于游泳運動員進行10周β-丙氨酸的補充后（前4周負荷劑量為每日4.8 g，后6周維持劑量為每日3.2 g），評價各組運動表現也得到了類似的結論[20]。這可能是由于隨著運動時間增加，機體代謝轉向有氧代謝的途徑增強，肌肉的酸中毒程度并不會進一步加重。然而也有觀點認為，β-丙氨酸的補充可能益于高強度運動后的耐力性運動，Van Thienen R.等研究顯示，自行車運動員在補充β-丙氨酸8周后可提高30 s沖刺后的110 min的自行車計時成績[21]。

2.3 β-丙氨酸對運動機能的影響

補充β-丙氨酸對身體運動相關機能的影響一直存有研究爭議，如有學者認為β-丙氨酸對肌肉力量或最大攝氧量無顯著影響，但另有研究表明通過β-丙氨酸的補充可以提高無氧閾并明顯緩解運動疲勞。一項針對運動員的研究發現，經過補充β-丙氨酸4周后，受試者與安慰劑組相比，下蹲力量的改善無顯著性差異[22]；然而有針對足球訓練營運動員的研究發現，雖然補充β-丙氨酸組與安慰劑組相比，60 s的Wingate無氧功測試無明顯提高，但補充后運動員明顯能夠耐受更高的訓練負荷量[23]，推測對于β-丙氨酸增進機能的作用效果可能還來源于肌肽含量增加了Ⅰ型和Ⅱ型肌纖維中的收縮蛋白對于Ca2+的敏感性，以及減少活性氧積累對糖代謝的改善等作用，但具體影響機制仍需進一步探索。不同的研究設計和受試人群可能導致了研究之間的結果存在一定的差異，盡管如此，β-丙氨酸的補充對運動機能的影響效果，大多數學者是有正面評價的[14]。

3 β-丙氨酸補充對其他生理指標的影響

近年來研究發現，肌肽可作為有效的神經保護劑，緩解機體神經肌肉疲勞。神經肌肉疲勞是由于工作肌隨時間的增加而電活動增加所致，肌肽則能夠通過影響金屬鋅離子和銅離子對氨基酸受體和突觸的作用，間接調節神經元的興奮性，從而調節自主神經系統相關的生理機能[24]。Woessner等以自行車測力計測量30名男性補充β-丙氨酸28 d后的心跳穩定閾值強度 （The Physical Working Capacity at Heart Rate Threshold，PWCHRT），以考察其對神經肌肉疲勞的影響[25]。研究發現β-丙氨酸補充組的PWCHRT值增加了24.2 W，而安慰劑組則增加僅11.2 W，說明β-丙氨酸補充對神經肌肉疲勞的延緩作用具有顯著性意義。另一項研究中，Hoffman等以18名軍人作為受試對象，以每日6 g共30 d的方案進行β-丙氨酸補充，采用核磁共振測定了補充前后受試者肌肉內和腦內的肌肽含量，結果發現肌肉中的肌肽含量有明顯提高，與其他文獻報道一致，而腦內肌肽含量并無顯著改變[26]。然而值得關注的是，補充組的軍人在運動測試過程中回答問題的正確率較對照組顯著增加，研究者推測β-丙氨酸補充可提高神經認知能力，然而實驗結果中補充組受試者腦內的肌肽含量變化較小，一方面可能由于核磁共振的靈敏度不足，而一方面則可能為肌肽進入腦內后迅速由肌肽酶分解成了β-丙氨酸及組氨酸，對于β-丙氨酸對神經系統的影響和機制仍有待進一步的研究[27]。

肌肽含量的增加可通過降低氧化應激反應，延緩運動疲勞的研究也受到了學者們的廣泛關注[28]。肌肽的側鏈上含有組氨酸殘基，其可作為H+的受體發揮清除自由基、過氧化氫以及單線態氧的作用，另有實驗證明肌肽的抗氧化特性還與咪唑環和肽鍵有關[29,30]（見圖1）。然而，目前針對β-丙氨酸補充后考察氧化應激指標的實驗證據仍較少，且多顯示無顯著性差異。Smith等在周期為28 d，每天補充4.8 g緩釋β-丙氨酸后，發現女性受訓受試者在40 min訓練后的抗氧化指標變化與安慰劑組相比并無顯著性差異[31]，其另一項針對男性受試者的研究也得到了類似的結論[32]。盡管如此，他們在研究過程中發現補充β-丙氨酸后機體的脂質過氧化水平明顯降低，這說明僅僅考察經典血液抗氧化指標評價補充效果可能過于片面。

圖1 肌肽分子結構中各基團示意圖Figure 1 Schematic Diagram of Each Perssad in Carnosine Molecular Structure

此外，有研究者認為，補充β-丙氨酸對運動機能的促進作用還可能來源于肌肽對糖代謝的影響。Tsio等研究證實，增加肌肽可降低血糖濃度，改善應激壓力下的糖代謝紊亂，改善糖耐量和肝糖原、肌糖原下降的現象[33]。Lee等在實驗中也證實了這一點，連續4周向糖尿病小鼠提供含L-肌肽的飲用水后，發現其血清胰島素水平上升，血清胰高血糖素和葡萄糖水平下降[34]。有推測認為肌肽對于糖代謝的作用機制可能與肌肽降低了機體內的糖皮質激素水平，上調了胰島素受體和糖皮質激素受體表達，從而起到調節糖代謝關鍵酶的表達，提高葡萄糖的轉運能力有關。

4 β-丙氨酸補充方法和不良反應

4.1 β-丙氨酸的補充方法

目前針對β-丙氨酸補充的研究方案均采取長時間持續補充的方式，以維持肌細胞中的肌肽濃度在較高水平。Hill等研究認為，β-丙氨酸補充的一般規律是每天補充4～6 g，2周后可使股外側肌中肌肽水平增加20%～30%，4周后增加 40%～60%，10周則能夠使增量達到80%[15]。另有幾項實驗方案發現，以每日補充β-丙氨酸2～4 g的低劑量方案，8周左右可使肌肉內肌肽增加不高于50%[35]，而以每日4.8～6.4 g高劑量補充β-丙氨酸，肌肉內的肌肽含量則可分別提高60%和80%[36]。Hoffman等人對多項研究中β-丙氨酸總補充量與受試者肌肉中測得的肌肽總增加量進行了綜合分析（見圖2）[7]。補充β-丙氨酸對于肌肽合成效果的個體差異較大，因此Hoffman等研究認為補充β-丙氨酸劑量的使用應考慮個體體重，建議每日補充攝入50～80 mg/kg[23]。然而Stautemas等通過給予兩組受試者β-丙氨酸分別為劑量固定和根據體重計算劑量的方案后發現，根據體重計算補充劑量組的受試者血液中藥-時曲線下總面積（Area Under Curve，AUC）變異程度并不低于劑量固定組[23]。Stellingwerff等研究認為，在一定時間內，體內肌肽的增加量與β-丙氨酸的總消耗時間呈劑量反映關系，而不依賴于肌肉類型或每日補充量[38]。因此，對于β-丙氨酸的補充效果，還需考慮具體影響因素，應在使用中進一步觀察。

圖2 β-丙氨酸總補充量與肌肉中肌肽總增加量的關系Figure 2 Relationship Between Total Amount of β-Alanine Supplementation and Total Increase of Carnosine Amount in Muscle

近期國際奧委會對于高水平運動員膳食補充的共識聲明中也對β-丙氨酸的使用方案進行了官方推薦，認為運動員對β-丙氨酸的日均攝入量上限應不高于65 mg/kg，根據β-丙氨酸的代謝動力學曲線，合適的劑量應以每3～4 h攝入0.8～1.6 g為宜，而補充時間則建議在10～12周左右[39]。另外，對于不同運動專項的補充方案仍需更多的研究證據予以支撐。

通過膳食也可補充β-丙氨酸以提高身體內肌肽的含量。研究發現，雜食者體內肌肽含量明顯高于素食者。對于素食者來說，通過肝臟中的尿嘧啶降解是體內β-丙氨酸的唯一來源，體外實驗表明，人體內尿嘧啶降解的速率較慢，且生物利用度十分有限，β-丙氨酸的產生遠不足以合成濃度水平較高的肌肽。Harris等研究認為，通過攝入200 g左右的雞胸肉可補充相當于0.8 g劑量的β-丙氨酸，若需達到推薦劑量（1.6～6.4 g），則運動員需每日攝入 400～1 600 g雞胸肉[2]。目前，相較膳食攝入，直接補充β-丙氨酸制劑更加直接有效。

4.2 β-丙氨酸補充的不良反應

高劑量單次補充β-丙氨酸可能導致皮膚刺痛、面紅耳赤等短暫而輕微的副作用，該反應對人體無害，約1 h左右即可消失[40]。為了避免這種副作用，文獻中推薦單次服用β-丙氨酸純品應不超過0.8 g，另有報道稱β-丙氨酸與含組氨酸較高的食物（如雞湯等）同時攝入可能對該副作用有一定的緩解作用。高劑量單次補充β-丙氨酸純品時也會導致人體內pH值發生迅速變化，尿液中β-丙氨酸排泄率增高，使得補充效果不理想[38]。

近年來，研究及實際應用中多使用β-丙氨酸的緩釋劑型，該劑型可基本消除皮膚刺痛副作用的發生[41]。研究發現緩釋劑型與普通劑型相比，服用后兩者在血液中β-丙氨酸含量的AUC并無顯著性差異，但緩釋劑型服用后血液內最高濃度則降低為普通劑型的33%～54%，而服用3 h后緩釋劑型在血液內的β-丙氨酸濃度仍可維持在普通劑型同時期的3～5倍[42]。文獻報道血液中 β-丙氨酸的濃度高于75～85 μmol/L時可發生皮膚刺痛副作用，普通制劑在服用后15 min左右血液濃度即攀升至82 μmol/L，而緩釋劑型在服用后1 h內一直維持在60～75 μmol/L左右，這也直觀解釋了β-丙氨酸緩釋劑型消除不良反應發生的原因[42]。同時，緩釋制劑增加了其在體循環內的滯留時間，并可降低尿排泄量，從而提高了β-丙氨酸的利用度，增加了體內肌肽的合成率。

另外，研究已證實β-丙氨酸與牛磺酸在細胞攝取時具有相同的轉運載體，因此，血漿中β-丙氨酸濃度升高可能對牛磺酸的攝取產生競爭抑制作用[43]。Kim等研究表明，由于牛磺酸具有細胞內滲透調節作用，可造成肌細胞中的牛磺酸與肌肽濃度呈中等程度的負相關[44]，因此，肌肽濃度的升高容易引起牛磺酸濃度降低[45,46]。牛磺酸是機體內一種典型的抗氧化氨基酸，有研究發現，在飲水中加入3%的β-丙氨酸后，肝臟、心臟、腦組織等均表現出了不同程度的牛磺酸水平下降。然而，研究認為，盡管β-丙氨酸的補充造成了機體的牛磺酸水平在一定程度上的下降，但細胞實驗中并未發現脂質過氧化或氧化應激水平上升的現象[47]，并建議在β-丙氨酸的補充過程中可對牛磺酸水平進行檢測。目前β-丙氨酸尚無長期服用的不良反應報道。

5 小結

β-丙氨酸作為一種運動營養補劑，合理補充后可明顯增加肌肉中的肌肽含量，從而促進運動機能。β-丙氨酸針對不同類型的運動作用效果不同，除了緩沖運動誘發的H+增加外，其對運動機能的改善還可能通過神經調節、抗氧化、影響糖代謝以及增加骨骼肌對Ca2+的敏感性等機制發揮作用。β-丙氨酸的補充方法以及其對運動機能的影響評價尚具不確定性，有待進一步研究。全面地認識β-丙氨酸作為運動營養補劑的作用將在運動領域具有重要的意義。