锌营养与运动能力

吴庆悦, 杨 玲, 林文弢

(1.广州体育学院,广东 广州 510500; 2.韶关学院,广东 韶关 512000; 3.珠海科技学院,广东 珠海 519041)

锌对维持人体的正常生理机能至关重要。锌作为几百种不同酶的催化成分和组成成分,其生物学功能相当广泛,涵盖生物的各个方面,包括生长、免疫防御、认知功能和骨骼健康等,因此锌离子在生物体中起重要作用。锌参与机体的物质代谢和能量代谢,具有很强的抗氧化能力和增强人体免疫力的作用,与运动员的身体机能和最佳运动能力的发挥关系密切。

1 锌元素含量与特点

人体所必需的微量元素有14种,包括铁、锌、铜、锰、钴、钼、铬、镍、碘等。锌作为仅次于铁元素、居第2位的微量金属元素,在机体内主要以锌离子的形式存在,普通成年人体内锌含量很少,仅约2.0～3.0 g,是人体铁含量的1/2、铜含量的2.5倍、锰含量的12倍[1]。锌在人体内分布不均匀,主要分布于皮肤、肌肉、骨骼、男性生殖器等部位和器官,其中,骨骼肌、骨骼、前列腺和胰腺中含量较为丰富,而在心脏、大脑和血浆中含量较低,血浆中锌含量仅为0.1%,主要由白蛋白和α2巨球蛋白结合。此外,血液中也含有锌元素,红细胞中含80%～85%,白细胞含3%～5%。

锌具有独特的化学特性,锌的抗氧化作用和锌调节氧化还原信号的能力对运动员身体发育、运动机能及免疫系统均发挥重要作用。同时,锌可作为第二信使参与氧化还原信号。锌作为多种酶活性的中心物质参与体内多种调节代谢,在70%左右的酶中,锌都具有催化功能,同时也具有结构作用,作为底物或作为酶活性的调节因子[2]。在机体发育过程中,锌会导致氧化应激,从而影响人体的细胞分化、组织修复及生长发育,对体质健康和运动能力产生负面影响。

2 锌的生物学功能

锌参与人体多种生理过程,包括酶的催化,核酸和蛋白质的合成、转录调控,葡萄糖代谢和激素的产生、储存和分泌[3],细胞增殖、存活、分化、功能和应激反应的调控,以及参与氧化还原稳态的调节等,影响机体的正常生长发育与能量代谢。

2.1 锌既可作为结构成分存在于蛋白质,也可存在于某些酶的催化部位

锌与机体蛋白质的关系十分密切。锌是构成含锌酶蛋白的重要组成成分,是特定蛋白质结构的一部分,它允许蛋白质之间的选择性相互作用,以及蛋白质和其他大分子如DNA和RNA之间的相互作用。锌被证明可以调节不同蛋白质的活性,如蛋白酪氨酸磷酸酶等。在运动过程中,蛋白质沉积被诱导,锌在一些相关途径中起重要作用。 超氧化物歧化酶(SOD)在抗氧化活性中起关键作用,运动本身可诱导SOD活性显著增加,提供其催化功能,使自由基氧(超氧化物)解离为氧或过氧化氢[4]。

2.2 锌对氧化还原稳态的调节

锌是一种氧化还原活性不高的金属,但巯基的氧化还原性质使锌从金属硫蛋白(MT)释放,基本上可以从任何含有半胱氨酸锌簇的蛋白质释放,赋予锌氧化还原活性[5]。锌的抗氧化作用机制与二价铁离子争夺膜结合位点,脂质氧化程度与二价铁离子结合到膜上的量呈正比,而这与体内锌含量密切相关。锌会优先与脂质体中的负电荷结合,防止二价铁离子引发的脂质氧化[6]。锌可以降低脂质过氧化作用,改善黏膜上皮的营养代谢和抵抗力,保护细胞膜,使人体免受活性氧自由基的危害。研究[7]表明,体内严重缺锌或边缘缺锌都会增加大鼠外周血细胞的氧化应激,损害DNA的完整性,增加DNA的损伤概率。缺锌导致DNA修复功能受损,补锌可降低DNA的损伤概率。运动会引起氧化应激反应,对运动员的健康和运动表现产生不良后果,锌通过对氧化还原稳态的调节来提高运动表现。

2.3 锌影响免疫细胞的分化和免疫机能

锌被证明能够调节先天免疫功能和适应性免疫功能。锌以多种方式改变免疫反应,从骨髓源性细胞和炎症信号到淋巴细胞分化和抗体产生。在血清中,游离锌很少,它主要与白蛋白、A2-巨球蛋白(A2M)和转铁蛋白等结合。白蛋白与锌的亲和力相对较低,与A2M的亲和力中等,与转铁蛋白的亲和力较高。锌稳态对机体有重要作用,一方面缺锌会导致先天性和适应性免疫系统在内的免疫功能严重受损,另一方面过量的锌对免疫系统造成的损害与缺锌相当。这说明锌稳态对抵御病毒入侵、保护机体免受自身免疫疾病侵扰至关重要。

锌影响免疫机能主要是由缺锌引起的。自身免疫性疾病患者血清中的锌含量显著低于正常人,如1型糖尿病(T1D)、类风湿性关节炎(RA)、多发性硬化(MS)、斑秃(AA)、系统性红斑狼疮(SLE)、寻常型天疱疮(PV)、自身免疫性肝炎(AH)、乳糜泻(CD)、桥本甲状腺炎(HT)、干燥综合征(SS)、幼年特发性关节炎(JIA)等都与锌含量状况相关。锌稳态对免疫系统的多个方面都至关重要,包括造血、细胞成熟和细胞分化、细胞周期进程及免疫细胞的正常功能。轻度缺锌的老年受试者炎症细胞因子和氧化应激增加,适当补充锌可降低其血浆氧化应激标志物水平,减少c-反应蛋白(CRP)和IL-6等炎性细胞因子的体外产生[8]。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶对细菌清除非常重要,锌稳态遭到破坏后会抑制NADPH氧化酶,从而阻碍细菌和微生物的清除。

2.4 促进人体创伤愈合

锌在结缔组织发育中具有重要作用,参与DNA 和胶原纤维组织的合成代谢,所以伤口愈合必须有锌的参与。血小板和锌在开放性伤口愈合的炎症阶段起重要作用,锌可获得血小板胞浆并诱导血小板聚集。锌加速组织愈合的机制主要是促进含锌酶及蛋白质的合成,加速细胞的分裂和生长繁殖,增强了能量代谢、组织呼吸过程和细胞膜的稳定性。缺锌后DNA和RNA合成量下降,创伤处颗粒组织中的胶原减少,肉芽组织易被破坏,使创伤、溃疡等难以愈合[1]。锌对血小板的作用是通过蛋白激酶C(PKC)介导的血小板蛋白酪氨酸磷酸化来实现的。锌在调节伤口愈合过程的各个阶段起重要作用,包括膜修复、氧化应激、凝血、炎症和免疫防御、组织再上皮化、血管生成等。伤口愈合与炎症和免疫反应高度相关,运动过程中发生的一些开放性和闭合性伤口,如擦伤、扭伤等可通过补充锌元素来加快伤口愈合,减少炎症的发生。

2.5 锌与骨骼肌

锌存在于人体的各个部位,但在骨骼肌系统中的表达更为显著。在骨骼肌中,锌通过影响肌肉细胞的活化、增殖和分化而影响肌肉生成与再生。运动被证明可以调节血清和尿中的锌水平,并可直接影响细胞中的锌转运。运动引起的氧化应激可能为运动员的轻度缺锌提供了基础,并可能对健康和运动表现产生严重后果。

锌元素还可促进脑发育,维持人的认知功能。一些神经递质的分泌需要锌,如神经元突触小泡分泌谷氨酸等。锌在脑中含量丰富,是大脑发育过程中不可或缺的营养物质,与脑功能及行为密切相关。缺锌与老年痴呆及帕金森综合征等神经退行性疾病的发生有关,其具有维持正常认知功能的作用。此外,锌在维持性激素水平、促进男性第二性征的出现等方面作用显著,有助于精子的形成,维护精原上皮的健康。锌的生物作用并非单一存在,其各种生物作用往往叠加在一起相互作用于一个或多个方面。

3 锌对运动能力的影响

机体95%以上的ATP通过氧化磷酸化的途径生成,氧化磷酸化反应发生在线粒体膜上,如果线粒体膜无法保持其完整性,就不能正常发挥作用,使ATP下降,能量供应减少,从而限制运动能力。锌元素是细胞膜、线粒体膜及其他许多膜性结构的重要组成成分。锌在细胞膜上的含量高于其他组织,对细胞膜结构的稳定及功能的发挥起重要作用。合理适量增加体内锌营养,可以保护细胞膜的完整性,使机体含锌酶(如Zn-SOD等)增加,消除自由基造成的细胞膜损伤,加快ATP生成速率,提高运动员的运动能力。

含锌的碳酸酐酶、乳酸脱氢酶及胰岛素都是与能量代谢有关的酶和激素,它们与运动能力关系密切。运动训练会产生大量对人体有害的自由基,锌可以通过不同的途径对自由基进行清除,提高运动能力。锌还通过干扰铁的单电子氧化还原来阻止羟自由基的产生。研究认为,金属硫蛋白(MT)是一种有效的自由基清除剂,锌与MT的诱导合成有关。在剧烈运动中MT的合成受到锌含量的影响,营养性锌缺乏可引起MT含量下降,补锌则可以明显回升。锌通过影响雄性激素水平而影响运动能力,进行运动训练和力竭性运动时,缺锌会引起机体酮含量明显下降,导致运动能力降低。给缺锌运动员补锌,能增强其肌肉代谢,提高其肌肉力量。

运动对锌代谢的影响在很大程度上取决于运动量和机体对运动的适应能力。当运动量在机体可适应的范围时,血清锌水平不变甚至升高。当运动量过大或长期高强度训练使机体处于超负荷状态时,血清锌下降,尿锌排出量增加,使机体锌元素流失加大。剧烈持续性的耐力运动一开始引起血浆和血清含量升高,可能与骨骼肌蛋白分解、锌从肌肉转移到细胞外液有关。运动后短时期内血浆锌含量下降,可能是由于尿排出的锌增加和锌从血浆转移到肝脏。

4 锌缺乏的致因与危害

人体没有储存锌的组织,不能像脂肪一样积累储存在人体中,也没有一种类似于铁蛋白的蛋白质,这种蛋白质可以储存铁,在机体有需求时及时释放。缺锌现象普遍存在,尤其是在锌摄入量过少和需求量大的人群中,如孕妇、儿童、素食者、运动员等。此外,长时间运动会使体内锌流失加快,主要是由于排汗、排尿增多所致。

锌缺乏会造成许多严重后果:引起淋巴源性细胞和髓样源性细胞死亡,影响NT细胞的活性,使核苷磷氧基酶活性降低导致T细胞功能减退、巨噬细胞趋化功能减弱,最终导致机体对细菌、病毒和真菌等的易感性增强;引起男性的第二性征及女性生殖器发育迟缓,影响生殖功能。资料表明,锌能防止由组织脂肪酸成分改变引起的膜损伤,维持生物膜的完整性,可抑制脂质过氧化物和组织胺的释放,稳定生物膜和溶酶体膜,降低膜的通透性,保护心肌,减少癌变的可能性。

锌在骨骼肌中的含量较大,机体锌元素处于缺乏状态会影响骨骼肌成分,从而导致肌力与肌耐力受损。大强度运动会导致体内产生大量自由基,脂质过氧化程度增强,锌缺乏则无法对体内的自由基进行良好的清除,大大降低运动员的运动能力。同时,锌缺乏会导致各种锌酶活性下降,DNA和RNA合成减少,影响机体的正常生长发育和雄性激素水平,降低运动能力。锌缺乏会引起高密度脂蛋白中胆固醇下降,使游离低密度脂蛋白增多,血脂沉积,导致血管形状改变,使最大摄氧量下降。运动员由于日常运动强度大,体内锌代谢加快,在正常膳食营养的基础上需适量补锌,以保持最佳竞技状态。但锌元素的补充要适量,锌过量对机体也有不利影响。

5 锌营养的补充

运动员要进行长期训练来提高运动成绩,因此,运动员的代谢水平高于普通人,营养元素的流失与需求量比常人大。为保持运动员的身体健康和竞技状态,应进行科学合理的微量元素补充。营养不良是缺锌的一个常见原因。锌在人体中的含量(质量分数)低于50 mg/kg体重且无法长期储存,所以,日常饮食中需持续摄入含锌元素的食物。锌营养的补充与膳食中锌的含量、吸收与转运有关,虽然膳食锌水平差异很大,但真核细胞需要维持细胞内锌稳态,以确保其正常功能。运动员体内锌含量与膳食存在密切关系,同时也与运动强度有关。

中国营养学会推荐的每日膳食中,正常成年人(18～44岁)每日补锌量为11～15 mg,一般运动员补锌剂量为正常人的1～2倍。锌的补充要合理,大剂量补锌对机体会产生不利影响,每日补充高于50 mg的锌会抑制机体铜元素的吸收。运动员每天膳食中锌的需求量应依实际情况确定。因此,运动员日常膳食中微量元素要因人而异,根据不同运动项目、不同年龄、不同训练计划等合理安排。尤其是女运动员生理期锌大量流失,须根据其生理周期进行膳食调节。

6 小 结

微量元素锌参与人体多种酶和激素的构成与激活,这些酶和激素均与能量代谢、运动能力密切相关。锌元素直接参与机体许多代谢过程,特别是营养物质代谢、氧气及二氧化碳运输、能量代谢等。在细胞增殖分裂过程中,锌参与核酸及蛋白质合成代谢,促进抗体的生成和伤口的愈合,提高运动员的抗感染能力,维持正常的免疫功能。锌元素对某些激素的代谢、生长发育及运动员运动能力的保持和提升至关重要。缺锌对运动员体质健康和运动能力产生消极影响。日常训练中,可根据运动员的实际情况合理补锌,为其运动能力提升奠定坚实的物质基础。