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【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(zhì),同時肌酸也是天然地存在于我們機體的營養(yǎng)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(nèi)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(jīng)系統(tǒng)都通過它來增加能源。因為這些器官都要工作和協(xié)調(diào)活動,增加細胞內(nèi)的肌酸水平,可以增進其運動中的能力。肌酸的生化效應(yīng)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(gòu)成了肌酸-磷酸肌酸能量傳遞系統(tǒng)。肌酸應(yīng)用在體育運動中已經(jīng)有相當(dāng)長時間。肌酸的補充能縮短運動員肌肉恢復(fù)的時間,提高運動員短時高強度訓(xùn)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(fā)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(nèi),內(nèi)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(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運進入血液循環(huán)系統(tǒng)。內(nèi)源性和外源性的肌酸都通過血液循環(huán),肌酸被運輸?shù)剿鼉Υ婧屠玫牟课弧Ｔ跈C體中,骨骼肌、心臟、精子、視網(wǎng)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(qū)域里,肌酸經(jīng)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(nèi)的流程圖:
圖1為肌酸在機體內(nèi)的流程圖
【分解與排出】
在肌肉里,肌酸和磷酸肌酸經(jīng)脫水或脫磷酸生成肌酸酐(Crn)。肌酸的分解是一個自發(fā)的非酶促反應(yīng)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(huán)境下,每天1.0%～1.3%純肌酸溶液分解成Crn。當(dāng)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(zhuǎn)運,并且是非離子物質(zhì),因此可以直接從組織中滲透進血液,經(jīng)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(shù)來估算肌肉的質(zhì)量和磷酸肌酸的儲量。 一些研究認(rèn)為肌酸分解成Crn的反應(yīng)是可逆的,而一些實驗則表明這個反應(yīng)是不可逆過程。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)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(fā)現(xiàn)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(zhì)的作用 ATP是肌肉收縮的快速能源物質(zhì),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(chǎn)生疲勞感的原因之一。推遲疲勞發(fā)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(nèi)貯存的磷酸肌酸轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP。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(dāng)ATP水平下降時,磷酸肌酸可迅速轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換反應(yīng)式如下:
CP+ADP→ATP+Cr
這種能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)锳TP,肌肉中磷酸肌酸濃度幾乎可以下降到零。因此認(rèn)為磷酸肌酸在短時間、大強度運動的能量供應(yīng)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(xù)大強度運動的能力。 在運動后恢復(fù)階段,機體運動所消耗的磷酸肌酸可在肌酸激酶催化下,應(yīng)用線粒體氧化磷酸化提供的能量(ATP)進行磷酸肌酸轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP的逆反應(yīng),合成磷酸肌酸貯存能量,反應(yīng)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(chǎn)生丙酮酸,丙酮酸可轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?同時產(chǎn)生ATP提供機體運動能量。丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗岬乃俾室哂谟醒醮x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(dǎo)致乳酸的積累,使肌肉內(nèi)的pH值下降,導(dǎo)致疲勞。在肌細胞內(nèi)的緩沖物質(zhì)不能抵抗pH值的變化時,肌肉內(nèi)的磷酸肌酸就在肌酸激酶的催化下,分解磷酸肌酸產(chǎn)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(yīng)式如下:
圖2為磷酸肌酸的分解反應(yīng)式
【制備方法】
1.尿素和硫酸二甲酯反應(yīng)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(yīng)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(nèi)滴加3mol硫酸二甲酯,加料期間,溫度控制在70℃以內(nèi),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(zhì)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(diào)pH至11.0左右,然后在20℃下2h內(nèi)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(diào)節(jié)pH保持在11.0左右,滴加完畢后,在40℃下繼續(xù)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(jié)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(jié)晶,濾出晶體,在50℃以下烘干即可得到一水肌酸成品,含量經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(jīng)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(yīng)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(yīng)溫度控制在30～50℃反應(yīng)3～5h,結(jié)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(xué),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(xué),2006(01):71-73.
[4]練藝影,曹建民,鄧艷香,石鴻儒.肌酸代謝動力學(xué)研究進展[J].北京體育大學(xué)學(xué)報,2006(12):1672-1674.
[5]姚方,徐天有,許文松.肌酸合成新工藝[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2003(02):150-154.
[6]曾振芳,孫曉紅,劉源發(fā),陳邦,謝斌,白燕.肌酸的合成[J].西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,39(05):793-795.