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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,是一种天然的在肉类和鱼类食品中大量存在的物质,同时肌酸也是天然地存在于我们机体的营养素。它可以由精氨酸、甘氨酸和蛋氨酸为前体在肝脏、肾脏和胰脏内源性合成。所以不能直接将肌酸归属于药物。95%的肌酸都存在于骨骼肌中,另外5%存在于其他部分,含量最高的是心脏、脑和睾丸,精液里充满了肌酸[1]。
肌酸的主要作用是使骨骼肌、心肌、平滑肌、眼、脑、神经系统都通过它来增加能源。因为这些器官都要工作和协调活动,增加细胞内的肌酸水平,可以增进其运动中的能力。肌酸的生化效应主要是把线粒体中的能量以磷酸肌酸的形式送到肌原纤维处,以迅速补充ATP的含量,满足运动的需要。这就构成了肌酸-磷酸肌酸能量传递系统。肌酸应用在体育运动中已经有相当长时间。肌酸的补充能缩短运动员肌肉恢复的时间,提高运动员短时高强度训练的运动成绩(如举重、自行车、短跑、短距离游泳等)。对于需要提高肌肉爆发力,或需要增加肌肉体积的运动员,服用肌酸也可以有良好的效果。
【分布】
在人体内,内源性肌酸主要在肝脏合成,但是肝脏储存量很少。服用的外源性肌酸要通过胃肠吸收,可能类似氨基酸吸收途径,由转运体转运进入血液循环系统。内源性和外源性的肌酸都通过血液循环,肌酸被运输到它储存和利用的部位。在机体中,骨骼肌、心脏、精子、视网膜的感光细胞中肌酸和磷酸肌酸含量最多,其他器官、组织含量很少。在这些区域里,肌酸经过代谢,分解为肌酸酐,最后通过尿液排除体外。以下是肌酸在机体内的流程图:
图1为肌酸在机体内的流程图
【分解与排出】
在肌肉里,肌酸和磷酸肌酸经脱水或脱磷酸生成肌酸酐(Crn)。肌酸的分解是一个自发的非酶促反应过程,这取决于机体pH值和温度。在38°C和pH值为7.0～7.2的环境下,每天1.0%～1.3%纯肌酸溶液分解成Crn。当温度较高和pH值较低的时候,肌酸分解成Crn的量就越多。因此,这里提示剧烈运动时体温升高和pH值下降会引起肌酸的分解,不利于ATP的再合成。Crn作为肌酸的仅有的底物,其量很少。它不是CrT的底物,不需要特异性的转运,并且是非离子物质,因此可以直接从组织中渗透进血液,经肾脏随尿液排出。由于大部分肌酸存在于骨骼肌,通常用的尿Crn系数来估算肌肉的质量和磷酸肌酸的储量。 一些研究认为肌酸分解成Crn的反应是可逆的,而一些实验则表明这个反应是不可逆过程。大多数学者认为,在哺乳动物,特别在人类,Crn利用价值不高,它会随着尿液排出体外。但是有些研究提出相反意见,有用兔子做实验,发现Crn可以逆合成肌酸、精氨酸、胍基丁酸或胍基丙酸盐。
【作用】
1.作为能源物质的作用 ATP是肌肉收缩的快速能源物质,但肌细胞中ATP的贮存量有限,肌细胞中ATP含量下降是肌体产生疲劳感的原因之一。推迟疲劳发生的方法之一是不断补充ATP,提供机体对能量的需求,提供肌体快速补充ATP的方式是体内贮存的磷酸肌酸转变为ATP。因此,磷酸肌酸在骨骼肌能量代谢中起能量贮存库的作用。当ATP水平下降时,磷酸肌酸可迅速转变为ATP,转变的方式是在肌酸激酶催化下,从磷酸肌酸脱掉一个磷酸根与ADP合成ATP,同时释放出肌酸,肌肉中的这种能量转换反应式如下:
CP+ADP→ATP+Cr
这种能量转换由骨骼肌的状况决定,在短时间、大强度运动的情况下,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转变为ATP,肌肉中磷酸肌酸浓度几乎可以下降到零。因此认为磷酸肌酸在短时间、大强度运动的能量供应中起着非常重要的作用,提高肌肉中的CP含量会提高机体持续大强度运动的能力。 在运动后恢复阶段,机体运动所消耗的磷酸肌酸可在肌酸激酶催化下,应用线粒体氧化磷酸化提供的能量(ATP)进行磷酸肌酸转变为ATP的逆反应,合成磷酸肌酸贮存能量,反应式如下:
Cr+ATP→CP+ADP ADP+Pi
线粒体代谢能量→ATP 2.在肌肉酸碱平衡中的作用 在短时间大强度的剧烈运动过程中,无氧代谢的糖酵解会产生丙酮酸,丙酮酸可转变为乳酸,同时产生ATP提供机体运动能量。丙酮酸转变为乳酸的速率要高于有氧代谢的速率。在短时间大强度的剧烈运动中,糖酵解过程对于快速提供能量补充有重要意义,但同时也会导致乳酸的积累,使肌肉内的pH值下降,导致疲劳。在肌细胞内的缓冲物质不能抵抗pH值的变化时,肌肉内的磷酸肌酸就在肌酸激酶的催化下,分解磷酸肌酸产生ATP和肌酸,同时中和pH。可见肌肉中磷酸肌酸含量有利于提高肌细胞的酸碱缓冲能力,延缓pH的下降。磷酸肌酸的分解反应式如下:
图2为磷酸肌酸的分解反应式
【制备方法】
1.尿素和硫酸二甲酯反应生成O-甲基异脲硫酸盐,O-甲基异脲硫酸盐再和肌氨酸钠反应生成肌酸。
（1）O-甲基异脲硫酸盐的合成 在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗及冷凝器的500mL四口烧瓶中加3.3mol尿素及6mL50%H2SO4,加热至40℃,搅拌下3h内滴加3mol硫酸二甲酯,加料期间,温度控制在70℃以内,加料完毕后,在70℃左右搅拌2h,冷却后得到561.8g的O-甲基异脲硫酸盐,该物质为无色可流动油状物。
（2）肌酸的合成 在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗及冷凝器的500mL四口烧瓶中加61.7g的36%肌氨酸钠水溶液,用30%的HCl调pH至11.0左右,然后在20℃下2h内滴加50.0g的O-甲基异脲硫酸盐,滴加过程中用25%的NaOH溶液调节pH保持在11.0左右,滴加完毕后,在40℃下继续搅拌2h,然后在0～5℃下将此混合物冷却2h,滤出形成的无色结晶。用2×15mL冰水洗涤滤饼,得到一水肌酸粗品。
（3）精制 将粗品放到烧杯中,加入粗品量的7～8倍水,加热至全部溶解,将液体在室温下缓慢冷却,结晶,滤出晶体,在50℃以下烘干即可得到一水肌酸成品,含量经高效液相色谱仪分析为99.02%。
图3为化合物肌酸的合成反应式
2.肌氨酸钠— S-甲基异硫脲法,其中肌氨酸钠由羟基乙腈甲氨基化法获得,工艺较简单,成本较低,肌氨酸钠收率近96%。
（1）S-甲基-异硫脲硫酸盐的合成 硫脲与硫酸二甲酯反应生成S-甲基-异硫脲硫酸盐 CH4N2S+(CH3)2SO4→NH2-C(SCH3)-NH?1/2H2SO4
（2）肌氨酸钠的合成 将羟基乙腈与甲胺在低温(10～15℃)下缩合得甲胺基乙腈,再经NaOH溶液水解得肌氨酸钠。合成甲氨基乙腈∶羟基乙腈/甲胺摩尔比=1∶1.05,羟基乙腈缓缓加入甲胺中,加完后再保温反应1h即可;合成肌氨酸钠∶用30%NaOH溶液在90～100℃下水解甲胺基乙腈,NaOH过量20%,水解至NH3排净为止。 HOCH2CN+CH3NH2→CH3NHCH2CN+H2O CH2NHCH2CN+NaOH→CH3NHCH2COONa+NH3
（3）肌酸的合成将肌氨酸钠溶液逐渐加入到S-甲基-异硫脲水溶液中,反应温度控制在30～50℃反应3～5h,结晶过滤得到一水肌酸。 CH3NHCH2COONa+NH2-C(SCH3)-NH?1/2H2SO4→C4H9N3O2?H2O+CH3SH↑+1/2Na2SO4
【主要参考资料】
[1]金宏.肌酸提高运动能力的作用[J].氨基酸和生物资源,2001(04):32-36.
[2]杨则宜.肌酸的补充与运动能力(综述)[J].体育科学,2000(01):76-78+93.
[3]朱蔚莉,李可基.肌酸补充与骨骼肌糖代谢[J].体育科学,2006(01):71-73.
[4]练艺影,曹建民,邓艳香,石鸿儒.肌酸代谢动力学研究进展[J].北京体育大学学报,2006(12):1672-1674.
[5]姚方,徐天有,许文松.肌酸合成新工艺[J].化学反应工程与工艺,2003(02):150-154.
[6]曾振芳,孙晓红,刘源发,陈邦,谢斌,白燕.肌酸的合成[J].西北大学学报(自然科学版),2009,39(05):793-795.