57-00-1 / 肌酸是什么，有什么樣的作用

【概述】

肌酸(Cr)又名N-甲基胍基乙酸,肌肉素,肌氨基酸,是一種天然的在肉類和魚類食品中大量存在的物質,同時肌酸也是天然地存在于我們機體的營養素。它可以由精氨酸、甘氨酸和蛋氨酸為前體在肝臟、腎臟和胰臟內源性合成。所以不能直接將肌酸歸屬于藥物。95%的肌酸都存在于骨骼肌中,另外5%存在于其他部分,含量最高的是心臟、腦和睪丸,精液里充滿了肌酸[1]。

肌酸的主要作用是使骨骼肌、心肌、平滑肌、眼、腦、神經系統都通過它來增加能源。因為這些器官都要工作和協調活動,增加細胞內的肌酸水平,可以增進其運動中的能力。肌酸的生化效應主要是把線粒體中的能量以磷酸肌酸的形式送到肌原纖維處,以迅速補充ATP的含量,滿足運動的需要。這就構成了肌酸-磷酸肌酸能量傳遞系統。肌酸應用在體育運動中已經有相當長時間。肌酸的補充能縮短運動員肌肉恢復的時間,提高運動員短時高強度訓練的運動成績(如舉重、自行車、短跑、短距離游泳等)。對于需要提高肌肉爆發力,或需要增加肌肉體積的運動員,服用肌酸也可以有良好的效果。

【分布】

在人體內,內源性肌酸主要在肝臟合成,但是肝臟儲存量很少。服用的外源性肌酸要通過胃腸吸收,可能類似氨基酸吸收途徑,由轉運體轉運進入血液循環系統。內源性和外源性的肌酸都通過血液循環,肌酸被運輸到它儲存和利用的部位。在機體中,骨骼肌、心臟、精子、視網膜的感光細胞中肌酸和磷酸肌酸含量最多,其他器官、組織含量很少。在這些區域里,肌酸經過代謝,分解為肌酸酐,最后通過尿液排除體外。以下是肌酸在機體內的流程圖:

圖1為肌酸在機體內的流程圖

【分解與排出】

在肌肉里,肌酸和磷酸肌酸經脫水或脫磷酸生成肌酸酐(Crn)。肌酸的分解是一個自發的非酶促反應過程,這取決于機體pH值和溫度。在38°C和pH值為7.0～7.2的環境下,每天1.0%～1.3%純肌酸溶液分解成Crn。當溫度較高和pH值較低的時候,肌酸分解成Crn的量就越多。因此,這里提示劇烈運動時體溫升高和pH值下降會引起肌酸的分解,不利于ATP的再合成。Crn作為肌酸的僅有的底物,其量很少。它不是CrT的底物,不需要特異性的轉運,并且是非離子物質,因此可以直接從組織中滲透進血液,經腎臟隨尿液排出。由于大部分肌酸存在于骨骼肌,通常用的尿Crn系數來估算肌肉的質量和磷酸肌酸的儲量。 一些研究認為肌酸分解成Crn的反應是可逆的,而一些實驗則表明這個反應是不可逆過程。大多數學者認為,在哺乳動物,特別在人類,Crn利用價值不高,它會隨著尿液排出體外。但是有些研究提出相反意見,有用兔子做實驗,發現Crn可以逆合成肌酸、精氨酸、胍基丁酸或胍基丙酸鹽。

【作用】

1.作為能源物質的作用 ATP是肌肉收縮的快速能源物質,但肌細胞中ATP的貯存量有限,肌細胞中ATP含量下降是肌體產生疲勞感的原因之一。推遲疲勞發生的方法之一是不斷補充ATP,提供機體對能量的需求,提供肌體快速補充ATP的方式是體內貯存的磷酸肌酸轉變為ATP。因此,磷酸肌酸在骨骼肌能量代謝中起能量貯存庫的作用。當ATP水平下降時,磷酸肌酸可迅速轉變為ATP,轉變的方式是在肌酸激酶催化下,從磷酸肌酸脫掉一個磷酸根與ADP合成ATP,同時釋放出肌酸,肌肉中的這種能量轉換反應式如下:

CP+ADP→ATP+Cr

這種能量轉換由骨骼肌的狀況決定,在短時間、大強度運動的情況下,骨骼肌的ATP含量下降很快,磷酸肌酸即在肌酸激酶催化下迅速轉變為ATP,肌肉中磷酸肌酸濃度幾乎可以下降到零。因此認為磷酸肌酸在短時間、大強度運動的能量供應中起著非常重要的作用,提高肌肉中的CP含量會提高機體持續大強度運動的能力。 在運動后恢復階段,機體運動所消耗的磷酸肌酸可在肌酸激酶催化下,應用線粒體氧化磷酸化提供的能量(ATP)進行磷酸肌酸轉變為ATP的逆反應,合成磷酸肌酸貯存能量,反應式如下:

Cr+ATP→CP+ADP ADP+Pi

線粒體代謝能量→ATP 2.在肌肉酸堿平衡中的作用 在短時間大強度的劇烈運動過程中,無氧代謝的糖酵解會產生丙酮酸,丙酮酸可轉變為乳酸,同時產生ATP提供機體運動能量。丙酮酸轉變為乳酸的速率要高于有氧代謝的速率。在短時間大強度的劇烈運動中,糖酵解過程對于快速提供能量補充有重要意義,但同時也會導致乳酸的積累,使肌肉內的pH值下降,導致疲勞。在肌細胞內的緩沖物質不能抵抗pH值的變化時,肌肉內的磷酸肌酸就在肌酸激酶的催化下,分解磷酸肌酸產生ATP和肌酸,同時中和pH。可見肌肉中磷酸肌酸含量有利于提高肌細胞的酸堿緩沖能力,延緩pH的下降。磷酸肌酸的分解反應式如下:

圖2為磷酸肌酸的分解反應式

【制備方法】

1.尿素和硫酸二甲酯反應生成O-甲基異脲硫酸鹽,O-甲基異脲硫酸鹽再和肌氨酸鈉反應生成肌酸。

（1）O-甲基異脲硫酸鹽的合成 在裝有攪拌器、溫度計、滴液漏斗及冷凝器的500mL四口燒瓶中加3.3mol尿素及6mL50%H2SO4,加熱至40℃,攪拌下3h內滴加3mol硫酸二甲酯,加料期間,溫度控制在70℃以內,加料完畢后,在70℃左右攪拌2h,冷卻后得到561.8g的O-甲基異脲硫酸鹽,該物質為無色可流動油狀物。

（2）肌酸的合成 在裝有攪拌器、溫度計、滴液漏斗及冷凝器的500mL四口燒瓶中加61.7g的36%肌氨酸鈉水溶液,用30%的HCl調pH至11.0左右,然后在20℃下2h內滴加50.0g的O-甲基異脲硫酸鹽,滴加過程中用25%的NaOH溶液調節pH保持在11.0左右,滴加完畢后,在40℃下繼續攪拌2h,然后在0～5℃下將此混合物冷卻2h,濾出形成的無色結晶。用2×15mL冰水洗滌濾餅,得到一水肌酸粗品。

（3）精制 將粗品放到燒杯中,加入粗品量的7～8倍水,加熱至全部溶解,將液體在室溫下緩慢冷卻,結晶,濾出晶體,在50℃以下烘干即可得到一水肌酸成品,含量經高效液相色譜儀分析為99.02%。

圖3為化合物肌酸的合成反應式

2.肌氨酸鈉— S-甲基異硫脲法,其中肌氨酸鈉由羥基乙腈甲氨基化法獲得,工藝較簡單,成本較低,肌氨酸鈉收率近96%。

（1）S-甲基-異硫脲硫酸鹽的合成 硫脲與硫酸二甲酯反應生成S-甲基-異硫脲硫酸鹽 CH4N2S+(CH3)2SO4→NH2-C(SCH3)-NH?1/2H2SO4

（2）肌氨酸鈉的合成 將羥基乙腈與甲胺在低溫(10～15℃)下縮合得甲胺基乙腈,再經NaOH溶液水解得肌氨酸鈉。合成甲氨基乙腈∶羥基乙腈/甲胺摩爾比=1∶1.05,羥基乙腈緩緩加入甲胺中,加完后再保溫反應1h即可;合成肌氨酸鈉∶用30%NaOH溶液在90～100℃下水解甲胺基乙腈,NaOH過量20%,水解至NH3排凈為止。 HOCH2CN+CH3NH2→CH3NHCH2CN+H2O CH2NHCH2CN+NaOH→CH3NHCH2COONa+NH3

（3）肌酸的合成將肌氨酸鈉溶液逐漸加入到S-甲基-異硫脲水溶液中,反應溫度控制在30～50℃反應3～5h,結晶過濾得到一水肌酸。 CH3NHCH2COONa+NH2-C(SCH3)-NH?1/2H2SO4→C4H9N3O2?H2O+CH3SH↑+1/2Na2SO4

【主要參考資料】

[1]金宏.肌酸提高運動能力的作用[J].氨基酸和生物資源,2001(04):32-36.

[2]楊則宜.肌酸的補充與運動能力(綜述)[J].體育科學,2000(01):76-78+93.

[3]朱蔚莉,李可基.肌酸補充與骨骼肌糖代謝[J].體育科學,2006(01):71-73.

[4]練藝影,曹建民,鄧艷香,石鴻儒.肌酸代謝動力學研究進展[J].北京體育大學學報,2006(12):1672-1674.

[5]姚方,徐天有,許文松.肌酸合成新工藝[J].化學反應工程與工藝,2003(02):150-154.

[6]曾振芳,孫曉紅,劉源發,陳邦,謝斌,白燕.肌酸的合成[J].西北大學學報(自然科學版),2009,39(05):793-795.