鋅營養與運動能力

吳慶悅, 楊 玲, 林文弢

(1.廣州體育學院,廣東 廣州 510500; 2.韶關學院,廣東 韶關 512000; 3.珠海科技學院,廣東 珠海 519041)

鋅對維持人體的正常生理機能至關重要。鋅作為幾百種不同酶的催化成分和組成成分,其生物學功能相當廣泛,涵蓋生物的各個方面,包括生長、免疫防御、認知功能和骨骼健康等,因此鋅離子在生物體中起重要作用。鋅參與機體的物質代謝和能量代謝,具有很強的抗氧化能力和增強人體免疫力的作用,與運動員的身體機能和最佳運動能力的發揮關系密切。

1 鋅元素含量與特點

人體所必需的微量元素有14種,包括鐵、鋅、銅、錳、鈷、鉬、鉻、鎳、碘等。鋅作為僅次于鐵元素、居第2位的微量金屬元素,在機體內主要以鋅離子的形式存在,普通成年人體內鋅含量很少,僅約2.0～3.0 g,是人體鐵含量的1/2、銅含量的2.5倍、錳含量的12倍[1]。鋅在人體內分布不均勻,主要分布于皮膚、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較為豐富,而在心臟、大腦和血漿中含量較低,血漿中鋅含量僅為0.1%,主要由白蛋白和α2巨球蛋白結合。此外,血液中也含有鋅元素,紅細胞中含80%～85%,白細胞含3%～5%。

鋅具有獨特的化學特性,鋅的抗氧化作用和鋅調節氧化還原信號的能力對運動員身體發育、運動機能及免疫系統均發揮重要作用。同時,鋅可作為第二信使參與氧化還原信號。鋅作為多種酶活性的中心物質參與體內多種調節代謝,在70%左右的酶中,鋅都具有催化功能,同時也具有結構作用,作為底物或作為酶活性的調節因子[2]。在機體發育過程中,鋅會導致氧化應激,從而影響人體的細胞分化、組織修復及生長發育,對體質健康和運動能力產生負面影響。

2 鋅的生物學功能

鋅參與人體多種生理過程,包括酶的催化,核酸和蛋白質的合成、轉錄調控,葡萄糖代謝和激素的產生、儲存和分泌[3],細胞增殖、存活、分化、功能和應激反應的調控,以及參與氧化還原穩態的調節等,影響機體的正常生長發育與能量代謝。

2.1 鋅既可作為結構成分存在于蛋白質,也可存在于某些酶的催化部位

鋅與機體蛋白質的關系十分密切。鋅是構成含鋅酶蛋白的重要組成成分,是特定蛋白質結構的一部分,它允許蛋白質之間的選擇性相互作用,以及蛋白質和其他大分子如DNA和RNA之間的相互作用。鋅被證明可以調節不同蛋白質的活性,如蛋白酪氨酸磷酸酶等。在運動過程中,蛋白質沉積被誘導,鋅在一些相關途徑中起重要作用。 超氧化物歧化酶(SOD)在抗氧化活性中起關鍵作用,運動本身可誘導SOD活性顯著增加,提供其催化功能,使自由基氧(超氧化物)解離為氧或過氧化氫[4]。

2.2 鋅對氧化還原穩態的調節

鋅是一種氧化還原活性不高的金屬,但巰基的氧化還原性質使鋅從金屬硫蛋白(MT)釋放,基本上可以從任何含有半胱氨酸鋅簇的蛋白質釋放,賦予鋅氧化還原活性[5]。鋅的抗氧化作用機制與二價鐵離子爭奪膜結合位點,脂質氧化程度與二價鐵離子結合到膜上的量呈正比,而這與體內鋅含量密切相關。鋅會優先與脂質體中的負電荷結合,防止二價鐵離子引發的脂質氧化[6]。鋅可以降低脂質過氧化作用,改善黏膜上皮的營養代謝和抵抗力,保護細胞膜,使人體免受活性氧自由基的危害。研究[7]表明,體內嚴重缺鋅或邊緣缺鋅都會增加大鼠外周血細胞的氧化應激,損害DNA的完整性,增加DNA的損傷概率。缺鋅導致DNA修復功能受損,補鋅可降低DNA的損傷概率。運動會引起氧化應激反應,對運動員的健康和運動表現產生不良后果,鋅通過對氧化還原穩態的調節來提高運動表現。

2.3 鋅影響免疫細胞的分化和免疫機能

鋅被證明能夠調節先天免疫功能和適應性免疫功能。鋅以多種方式改變免疫反應,從骨髓源性細胞和炎癥信號到淋巴細胞分化和抗體產生。在血清中,游離鋅很少,它主要與白蛋白、A2-巨球蛋白(A2M)和轉鐵蛋白等結合。白蛋白與鋅的親和力相對較低,與A2M的親和力中等,與轉鐵蛋白的親和力較高。鋅穩態對機體有重要作用,一方面缺鋅會導致先天性和適應性免疫系統在內的免疫功能嚴重受損,另一方面過量的鋅對免疫系統造成的損害與缺鋅相當。這說明鋅穩態對抵御病毒入侵、保護機體免受自身免疫疾病侵擾至關重要。

鋅影響免疫機能主要是由缺鋅引起的。自身免疫性疾病患者血清中的鋅含量顯著低于正常人,如1型糖尿病(T1D)、類風濕性關節炎(RA)、多發性硬化(MS)、斑禿(AA)、系統性紅斑狼瘡(SLE)、尋常型天皰瘡(PV)、自身免疫性肝炎(AH)、乳糜瀉(CD)、橋本甲狀腺炎(HT)、干燥綜合征(SS)、幼年特發性關節炎(JIA)等都與鋅含量狀況相關。鋅穩態對免疫系統的多個方面都至關重要,包括造血、細胞成熟和細胞分化、細胞周期進程及免疫細胞的正常功能。輕度缺鋅的老年受試者炎癥細胞因子和氧化應激增加,適當補充鋅可降低其血漿氧化應激標志物水平,減少c-反應蛋白(CRP)和IL-6等炎性細胞因子的體外產生[8]。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶對細菌清除非常重要,鋅穩態遭到破壞后會抑制NADPH氧化酶,從而阻礙細菌和微生物的清除。

2.4 促進人體創傷愈合

鋅在結締組織發育中具有重要作用,參與DNA 和膠原纖維組織的合成代謝,所以傷口愈合必須有鋅的參與。血小板和鋅在開放性傷口愈合的炎癥階段起重要作用,鋅可獲得血小板胞漿并誘導血小板聚集。鋅加速組織愈合的機制主要是促進含鋅酶及蛋白質的合成,加速細胞的分裂和生長繁殖,增強了能量代謝、組織呼吸過程和細胞膜的穩定性。缺鋅后DNA和RNA合成量下降,創傷處顆粒組織中的膠原減少,肉芽組織易被破壞,使創傷、潰瘍等難以愈合[1]。鋅對血小板的作用是通過蛋白激酶C(PKC)介導的血小板蛋白酪氨酸磷酸化來實現的。鋅在調節傷口愈合過程的各個階段起重要作用,包括膜修復、氧化應激、凝血、炎癥和免疫防御、組織再上皮化、血管生成等。傷口愈合與炎癥和免疫反應高度相關,運動過程中發生的一些開放性和閉合性傷口,如擦傷、扭傷等可通過補充鋅元素來加快傷口愈合,減少炎癥的發生。

2.5 鋅與骨骼肌

鋅存在于人體的各個部位,但在骨骼肌系統中的表達更為顯著。在骨骼肌中,鋅通過影響肌肉細胞的活化、增殖和分化而影響肌肉生成與再生。運動被證明可以調節血清和尿中的鋅水平,并可直接影響細胞中的鋅轉運。運動引起的氧化應激可能為運動員的輕度缺鋅提供了基礎,并可能對健康和運動表現產生嚴重后果。

鋅元素還可促進腦發育,維持人的認知功能。一些神經遞質的分泌需要鋅,如神經元突觸小泡分泌谷氨酸等。鋅在腦中含量豐富,是大腦發育過程中不可或缺的營養物質,與腦功能及行為密切相關。缺鋅與老年癡呆及帕金森綜合征等神經退行性疾病的發生有關,其具有維持正常認知功能的作用。此外,鋅在維持性激素水平、促進男性第二性征的出現等方面作用顯著,有助于精子的形成,維護精原上皮的健康。鋅的生物作用并非單一存在,其各種生物作用往往疊加在一起相互作用于一個或多個方面。

3 鋅對運動能力的影響

機體95%以上的ATP通過氧化磷酸化的途徑生成,氧化磷酸化反應發生在線粒體膜上,如果線粒體膜無法保持其完整性,就不能正常發揮作用,使ATP下降,能量供應減少,從而限制運動能力。鋅元素是細胞膜、線粒體膜及其他許多膜性結構的重要組成成分。鋅在細胞膜上的含量高于其他組織,對細胞膜結構的穩定及功能的發揮起重要作用。合理適量增加體內鋅營養,可以保護細胞膜的完整性,使機體含鋅酶(如Zn-SOD等)增加,消除自由基造成的細胞膜損傷,加快ATP生成速率,提高運動員的運動能力。

含鋅的碳酸酐酶、乳酸脫氫酶及胰島素都是與能量代謝有關的酶和激素,它們與運動能力關系密切。運動訓練會產生大量對人體有害的自由基,鋅可以通過不同的途徑對自由基進行清除,提高運動能力。鋅還通過干擾鐵的單電子氧化還原來阻止羥自由基的產生。研究認為,金屬硫蛋白(MT)是一種有效的自由基清除劑,鋅與MT的誘導合成有關。在劇烈運動中MT的合成受到鋅含量的影響,營養性鋅缺乏可引起MT含量下降,補鋅則可以明顯回升。鋅通過影響雄性激素水平而影響運動能力,進行運動訓練和力竭性運動時,缺鋅會引起機體酮含量明顯下降,導致運動能力降低。給缺鋅運動員補鋅,能增強其肌肉代謝,提高其肌肉力量。

運動對鋅代謝的影響在很大程度上取決于運動量和機體對運動的適應能力。當運動量在機體可適應的范圍時,血清鋅水平不變甚至升高。當運動量過大或長期高強度訓練使機體處于超負荷狀態時,血清鋅下降,尿鋅排出量增加,使機體鋅元素流失加大。劇烈持續性的耐力運動一開始引起血漿和血清含量升高,可能與骨骼肌蛋白分解、鋅從肌肉轉移到細胞外液有關。運動后短時期內血漿鋅含量下降,可能是由于尿排出的鋅增加和鋅從血漿轉移到肝臟。

4 鋅缺乏的致因與危害

人體沒有儲存鋅的組織,不能像脂肪一樣積累儲存在人體中,也沒有一種類似于鐵蛋白的蛋白質,這種蛋白質可以儲存鐵,在機體有需求時及時釋放。缺鋅現象普遍存在,尤其是在鋅攝入量過少和需求量大的人群中,如孕婦、兒童、素食者、運動員等。此外,長時間運動會使體內鋅流失加快,主要是由于排汗、排尿增多所致。

鋅缺乏會造成許多嚴重后果:引起淋巴源性細胞和髓樣源性細胞死亡,影響NT細胞的活性,使核苷磷氧基酶活性降低導致T細胞功能減退、巨噬細胞趨化功能減弱,最終導致機體對細菌、病毒和真菌等的易感性增強;引起男性的第二性征及女性生殖器發育遲緩,影響生殖功能。資料表明,鋅能防止由組織脂肪酸成分改變引起的膜損傷,維持生物膜的完整性,可抑制脂質過氧化物和組織胺的釋放,穩定生物膜和溶酶體膜,降低膜的通透性,保護心肌,減少癌變的可能性。

鋅在骨骼肌中的含量較大,機體鋅元素處于缺乏狀態會影響骨骼肌成分,從而導致肌力與肌耐力受損。大強度運動會導致體內產生大量自由基,脂質過氧化程度增強,鋅缺乏則無法對體內的自由基進行良好的清除,大大降低運動員的運動能力。同時,鋅缺乏會導致各種鋅酶活性下降,DNA和RNA合成減少,影響機體的正常生長發育和雄性激素水平,降低運動能力。鋅缺乏會引起高密度脂蛋白中膽固醇下降,使游離低密度脂蛋白增多,血脂沉積,導致血管形狀改變,使最大攝氧量下降。運動員由于日常運動強度大,體內鋅代謝加快,在正常膳食營養的基礎上需適量補鋅,以保持最佳競技狀態。但鋅元素的補充要適量,鋅過量對機體也有不利影響。

5 鋅營養的補充

運動員要進行長期訓練來提高運動成績,因此,運動員的代謝水平高于普通人,營養元素的流失與需求量比常人大。為保持運動員的身體健康和競技狀態,應進行科學合理的微量元素補充。營養不良是缺鋅的一個常見原因。鋅在人體中的含量(質量分數)低于50 mg/kg體重且無法長期儲存,所以,日常飲食中需持續攝入含鋅元素的食物。鋅營養的補充與膳食中鋅的含量、吸收與轉運有關,雖然膳食鋅水平差異很大,但真核細胞需要維持細胞內鋅穩態,以確保其正常功能。運動員體內鋅含量與膳食存在密切關系,同時也與運動強度有關。

中國營養學會推薦的每日膳食中,正常成年人(18～44歲)每日補鋅量為11～15 mg,一般運動員補鋅劑量為正常人的1～2倍。鋅的補充要合理,大劑量補鋅對機體會產生不利影響,每日補充高于50 mg的鋅會抑制機體銅元素的吸收。運動員每天膳食中鋅的需求量應依實際情況確定。因此,運動員日常膳食中微量元素要因人而異,根據不同運動項目、不同年齡、不同訓練計劃等合理安排。尤其是女運動員生理期鋅大量流失,須根據其生理周期進行膳食調節。

6 小 結

微量元素鋅參與人體多種酶和激素的構成與激活,這些酶和激素均與能量代謝、運動能力密切相關。鋅元素直接參與機體許多代謝過程,特別是營養物質代謝、氧氣及二氧化碳運輸、能量代謝等。在細胞增殖分裂過程中,鋅參與核酸及蛋白質合成代謝,促進抗體的生成和傷口的愈合,提高運動員的抗感染能力,維持正常的免疫功能。鋅元素對某些激素的代謝、生長發育及運動員運動能力的保持和提升至關重要。缺鋅對運動員體質健康和運動能力產生消極影響。日常訓練中,可根據運動員的實際情況合理補鋅,為其運動能力提升奠定堅實的物質基礎。