牛磺酸的生物学作用及其与人体运动的关系

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摘要

  0引言
  
  牛磺酸是一种含硫的氨基酸,化学名称为β氨基乙磺酸,与其他氨基酸一样具有酸、碱两性电解质作用,易溶于水,化学性质比较稳定。早在1827年,牛磺酸就已被人们发现,并成功从牛胆汁中分离获得,自此国内外对牛磺酸进行了深入的研究,发现它具有广泛的生物学效应,在人体运动中发挥着极其重要的作用[1].本文在介绍牛磺酸生物学作用的基础上,进一步从理论角度来探讨牛磺酸和人体运动的关系,为体育运动中运动员机体抗氧化能力提供一定的依据。

  1牛磺酸在人体内的分布及代谢

  牛磺酸作为一种条件性必需氨基酸在人体内分布非常广泛,几乎存在于各个组织的细胞质中,特别是大脑、心脏、神经、肌肉等组织[2].一个体重为60kg的正常成年人体内的牛磺酸含量可达60g左右,约占人体体重的0.1%,这些牛磺酸全部以游离形式存在,是体内含量最高的游离氨基酸。

  人体获取牛磺酸的途径主要有内源性和外源性两种方式[3],外源性主要是从食物中摄取,其中海洋中的鱼类、贝类中的牛磺酸含量非常丰富,适当摄取此类海生动物可以获取丰富的牛磺酸;内源性牛磺酸的获得是通过人体的自身合成,由半胱氨酸、甲硫氨酸等含硫的氨基酸经过一系列的酶促反应转化得到,人体内牛磺酸的含量是相对稳定的,肾脏组织根据每日人体摄入的牛磺酸含量对其进行合理的调节,维持体内物质的平衡。

  2牛磺酸的生物学效应

  2.1抗氧化作用

  人体在运动时会产生大量的自由基,自由基极不稳定,容易夺取周围分子中的电子,破坏细胞内的生化物质,迫使细胞结构发生变化,不能维持正常的生理功能,继而造成人体免疫力下降,致癌物质增多。人体补充牛磺酸,能减少体内自由基的生成,增加超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶的活性,对已生成的自由基进行还原,防止人体衰老。田庆伟等[4]在小鼠的膳食中添加含有1% ~5%的牛磺酸,对其持续喂养8周,发现超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶的活性均有所增加,他们认为牛磺酸具有明显的抗氧化能力。在脂质代谢中,细胞内丰富的不饱和脂肪酸在自由基的诱导下极易生成丙二醛,促使膜系统中的蛋白和酶发生交联反应,生成Schiff氏碱,从而造成膜系统结构改变、功能受损。牛磺酸能减少脂质过氧化,降低血浆中胆固醇和低密度脂蛋白含量,提高高密度脂蛋白水平,防止动脉粥样硬化,冠心病等心血管疾病的发生。王永辉等[5]研究表明,体内严重缺乏牛磺酸的小鼠,其高血脂症和动脉粥样硬化病理将相应加重,每日给予服用一定量的牛磺酸之后,小鼠血中的总胆固醇和甘油三酯含量将会降低,说明内源性牛磺酸不足易导致血脂异常升高和动脉粥样硬化性病变,牛磺酸对实验性高脂血症有良好的降脂作用。

  张伟等[6]对患有亚硒酸钠性白内障的大鼠每天注射2%的牛磺酸溶液,14天后发现其体内丙二醛含量明显下降,得出牛磺酸对羟自由基、超氧阴离子自由基具有明显的清除作用,对亚硒酸钠性白内障晶状体中的脂质过氧化反应具有明显的抑制作用。

  2.2 调节钙离子浓度

  钙离子是维持人体各项生理活动不可缺少的离子,它能维持细胞膜两侧的生物电位,保护肌肉-神经功能的正常传导。大量实验研究表明[7~9],牛磺酸能调节细胞内钙离子的浓度,当细胞内缺乏钙离子时,牛磺酸能加速胞外钙离子内流;当细胞内钙离子过量时,牛磺酸能抑制胞外钙离子内流,或者增加钙与某些生化物质的亲和力以达到控制游离钙离子浓度,从而维持细胞的正常生理功能。安文林等[10]考察牛磺酸对新生大鼠脑神经细胞内钙离子的影响,结果发现,牛磺酸对细胞内钙离子有双向调节作用,即牛磺酸能使神经细胞内钙离子浓度轻度升高,又能使处于高钙状态的细胞内钙离子浓度下降,避免细胞内钙离子超载,保护神经细胞免受损伤,增强动物学习记忆等方面的功能。同时牛磺酸还能参与肌肉正常的舒张和伸缩功能。张振汉等[11]采用离体平滑肌实验技术,考察牛磺酸对小肠平滑肌运动的影响,发现在低钙条件下,牛磺酸通过钙离子通道对小肠平滑肌的收缩运动具有正调节作用;在高钙条件下,牛磺酸则对平滑肌收缩进行负调节。这与安文林等[10]的研究结果基本一致,以上实验证明了牛磺酸通过对机体组织钙离子进行双向调节,来维持细胞正常生理功能,是一种良好的细胞保护剂。

  2.3 保护膜稳定和维持体内渗透压平衡

  生物膜广泛存在于机体内的各种组织和细胞中,主要由磷脂双分子层和膜蛋白构成,组成磷脂双分子层的主要成分为低熔点的不饱和脂肪酸,在正常的生理状态下,这些不饱和脂肪酸是运动的,从而保证生物膜具有流动性,使胞内外物质能正常交换,能量正常传递。牛磺酸作为一种细胞保护剂能避免细胞膜上不饱和脂肪酸与外来物质发生酯化、氧化等反应,维持细胞膜的正常功能。早在1992年,Huxtable[12]发现牛磺酸和元素锌能以复合物的形式插入到视网膜的细胞膜中来维持膜的稳定性,随后Militante等[13]Nusetti等[14]也证实了牛磺酸与金鱼视网膜细胞的增殖、分化和成熟具有密切的联系,实验发现,当牛磺酸达到100μmol·L-1时,膜细胞的增殖分化均达到最大。

  牛磺酸可以调节细胞的渗透压,对于海洋动物而言,其调节作用尤为显着。牛磺酸可以改变细胞的容积,进而维持全身体液的平衡。研究发现[15]在下丘脑视上核中牛磺酸含量很高,它可以通过控制室上核和室旁核神经元的兴奋性来维持细胞的渗透压。张晓丹[16]和薛承斌等[17]都曾报道牛磺酸能调节大鼠和小鼠的骨骼肌、大脑和血小板的渗透压,可能与细胞膜的跨膜转运密切相关。对于患有白内障的病人,其眼内晶状体中山梨酸含量很高,从而导致晶状体内渗透压偏高,眼睛失明,长期补充一定量的牛磺酸可以缓解眼睛内的渗透压,帮助白内障患者恢复健康[18].

  2.4 影响糖代谢
  
  牛磺酸能调节机体内的糖代谢,降低血糖,促进肌细胞对葡萄糖的利用,增加糖原异生,防止人体中枢神经系统过于疲劳,提高运动能力,牛磺酸降低血糖的机制并不是与胰岛素受体直接结合,而是通过与受体上的蛋白质相互作用来完成的[19].毛东伟等[20]认为补充牛磺酸可以改善胚胎组织Pax3及Cx43基因的mRNA及其蛋白的过度表达,对体内的高血糖进行拮抗,控制糖尿病患者病情恶化。

  2.5 调节氨基酸代谢

  氨基酸是人体新陈代谢中不可或缺的物质,牛磺酸作为一种营养补充剂能提高并稳定人体内供能氨基酸(BCAA,主要为支链氨基酸)的浓度,据推算,人体每消耗1mol的BCAA即可产生42mol左右的ATP;BCAA含量增高,可以与体内芳香族氨基酸发生竞争性抑制,干扰中枢神经系统中多巴胺及肾上腺素神经传导功能,使中枢系统保持兴奋状态,延缓大脑疲劳。吴燕波等[21]发现对力竭的大鼠补充牛磺酸后发现,其体内支链氨基酸含量明显增高,大鼠的运动能力得到了显着提高。

  3牛磺酸与运动能力

  一百多年以来,科学家一直致力于从各个角度来研究人体运动性疲劳产生的原因,目前比较一致的看法是人体在运动过程中会不断产生自由基,如超氧阴离子、羧基自由基、一氧化氮自由基等,同时随着运动的进行,能量的直接来源ATP会不断消耗,血糖、蛋白质、脂类物质浓度逐渐下降,能量代谢出现紊乱,钙离子稳态被破坏,人体疲劳感逐渐增加,运动能力大大降低。牛磺酸对提高运动能力具有显着的作用,Decombaz等[22]报道了运动员在马拉松比赛或100km赛跑等耐力运动中,肌肉会释放大量的牛磺酸来维持血浆中牛磺酸的不足,保证人体正常的生理运动。如果体内缺乏牛磺酸,其运动能力将会受到严重的影响。

  Ito等[23]通过敲除牛磺酸转运体基因,使模拟小鼠骨骼肌中几乎不存在牛磺酸,与野生小鼠进行相同负荷运动,结果发现,牛磺酸转运体基因敲除后的小鼠的运动能力比野生小鼠低80%.李健康等[24]通过研究牛磺酸对运动中骨骼肌功能的影响也证实了其具有一定的抗疲劳和抗运动性损伤作用。

  在运动员训练过程中,牛磺酸作为一种外源性营养补充剂,能显着提高红细胞谷胱甘肽过氧化物酶的活性,避免脂质过氧化,保护心肌线粒体功能和防止心肌受损。侯香玉等[25]发现,运动力竭后的大鼠体内超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶含量均降低,心肌线粒体结构遭到破坏,补充一定量的牛磺酸后,其体内超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶含量逐渐升高,运动能力得到显着加强,而对力竭后的大鼠补充与牛磺酸结构相似的丙氨酸,其运动能力未能得到明显改善,说明体内牛磺酸是维持运动能力所必需的,外源性的摄取牛磺酸可以使运动能力得到进一步的加强。

  补充牛磺酸除了增加超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶含量之外,也能显着提高体内乳酸脱氢酶的含量。研究表明[26],人体经过长时间高强度的运动训练之后,体内会积累大量的乳酸,促使肌肉产生强烈的酸痛感。乳酸脱氢酶可以将乳酸进行分解,间接达到清除乳酸的目的,缓解人体长时间运动后身体出现的不适。刘华荣等[27]等对小鼠给予不同剂量的牛磺酸,通过检测小鼠负重游泳后的存活时间以及体内血乳酸的含量,发现牛磺酸能增加体内肝糖原,降低血乳酸含量,从而缓解了小鼠体力疲劳。黄广良等[28]也报道了针对游泳运动员的自身特点,在训练中进行牛磺酸复合功能性饮料的补充,提高运动员的有氧耐力水平和运动水平,冬训期间未出现过一例过度疲劳现象。以上研究表明,牛磺酸的抗氧化作用是其抗运动性疲劳的主要机制之一。另有研究表明[29~30],在运动过程中补充牛磺酸可使血浆中的支链氨基酸(BCAA)浓度逐渐增高;与运动组相比,体内缬氨酸和亮氨酸含量分别提高15%和25%;芳香族氨基酸(AAA)的浓度无明显变化;AAA/BCAA比值降低;保持中枢神经系统的兴奋性,从而延缓了运动型疲劳的出现。

  4结语

  牛磺酸具有广泛的生物学功能:减少自由基的生成,调节渗透压,维持体液平衡,对抗脂质过氧化,保护细胞膜免受损伤,双向调节钙离子的跨膜转运,参与糖代谢,降低血糖浓度等。这些作用无疑是对运动机体有利的,而且人体合成牛磺酸的能力非常有限,剧烈运动会使体内的牛磺酸过分消耗,实时补充含有牛磺酸的功能性饮料十分必要。因此牛磺酸备受教练和运动员的青睐,但是目前对于运动员在训练时应该摄入牛磺酸的剂量以及摄入的方式尚不清楚,有待进一步探讨与研究。


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