運動生理週訊(第132期)
肌酸與運動表現(Octocber.05, 2002)
鄭景峰
壹、前言
自從1992年巴塞隆納奧運會上，奪得100公尺短跑金牌的英國名將Linford Christie，以及110高欄的Colin Jackson提出肌酸增補對他們的運動成績確實有幫助之後，旋即造成肌酸增補的世界風潮。而目前肌酸的使用，並未被國際奧林匹克委員會(IOC, International Olympic Committee)列為禁藥之列，也因此激起了教練與運科人員對於肌酸增補的注意力。
為了瞭解肌酸增補的確實效果，本文即針對肌酸在體內代謝系統中所扮演的角色、肌酸增補對運動表現的影響、肌酸增補法及其影響因素等層面加以闡述，以期對肌酸增補的利弊做一全盤性的認識，並提供未來研究者與教練在實施肌酸增補法時，能有適當的生理學上與營養學上的背景知識。
貳、肌酸與能量系統
肌酸是一種天然的化合物，由精胺酸(arginine)、苷胺酸(glycine)與甲硫胺酸(methionine)在肝臟、腎臟與胰臟內所合成，再藉由血液的循環運送至骨骼肌，以肌酸或者磷酸肌酸(PCr, phosphocreatine)的型式儲存，提供身體所需。魚、肉、蛋及其他動物性製品中皆含有肌酸，而蔬菜中亦有極少的含量。每人每日所消耗的肌酸量，約為體內總肌酸量的1.6%，因此，一個70公斤的正常人每日需消耗2克的肌酸，藉由均衡的飲食即可獲得足夠的補充(張蘋蘋，民88)。運動員在高強度的激烈運動下，則需要藉由體內肌酸的不斷合成產生能量以維持所需，而體內肌酸合成量有限，一般的飲食可能仍無法滿足所需，因此，可透過肌酸的增補提供身體所需，維持運動表現。
體內肌酸濃度最高的部位在骨骼肌，約佔體內總肌酸的95%，其中包含了40%的游離肌酸(free creatine)與60%的磷酸肌酸。另外，在心臟、精子、視網膜與腦中也含有少部分(5%)。體內骨骼肌的肌酸含量約為90~160 mM/kg d.m.，平均值為125 mM/kg d.m.(McArdle等人，2001)。肌酸與PCr的濃度也和骨骼肌的醣解能力有關，快縮肌纖維(Type Iia與Type Iib)內的PCr濃度較慢縮肌纖維(Type I)高(張蘋蘋)。快縮肌纖維內的PCr儲存量是ATP的4~6倍(McArdle等人)。
在運動過程中，ATP是能量的基本來源，運動強度越強，消耗越大。在最大運動時，肌肉中ATP的總量只足夠應付肌肉持續2~3秒的運動，因此，需藉由ATP不斷的再合成以維持所需能量。雖然ATP再合成的主要來源，源自於脂肪與肝醣的分解，然而，此時的ATP再合成作用需要較長的時間，因此，在高強度短時間的運動時，比如5~8秒的衝刺跑，由脂肪與肝醣轉換成ATP的速度，將不足以應付此時的能量需求。在高強度短時間的運動中，例如100公尺衝刺跑、25公尺游泳或舉重，其能量的補充來自於肌肉內的高能磷酸鍵(high-energy phosphates)或磷酸根(phosphagens)、ATP以及磷酸肌酸。
圖一中顯示了ATP與PCr使用磷酸鍵能量的情形。ATP與PCr具有相同的特質；(1)它們均透過磷酸鍵的斷裂而釋放出能量，PCr是透過肌酸(creatine)與磷酸(phosphate)分子之間鍵結的斷裂；(2)ATP與PCr釋放能量的反應，均具有可逆性，亦即磷酸與肌酸也可以再鍵結而形成PCr；而ADP與Pi的鍵結，可再合成ATP。因為PCr在水解時產生的能量較高於ATP的水解能量(McArdle等人)，而這些能量將可提供作ADP轉換成ATP的磷酸化反應(phosphorylation)。PCr的水解反應，必須藉由肌酸激酶(CK, creatine kinase)的催化，肌酸激酶有4~6%位在粒線體外膜(outer mitochondrial membrane)內，3~5%位於肌節(sarcomere)中，而有90%位於細胞液(cytosol)內(McArdle等人)。
當肌肉活動時，會造成肌肉內ADP的瞬間增加，這會使得肌酸激酶開始驅動PCr的水解作用，進而產生ATP；此時的反應，並不需要氧氣的介入，而它可提供的最大能量範圍，大約是在10秒內的激烈身體活動。因此，PCr提供了一個高能磷酸鍵的儲藏室。由於肌酸激酶具有較高的活性，因此，ADP磷酸化反應的速度會高於肌肉肝醣所進行的無氧能量轉換(糖解作用，glycolysis)。如果最大努力運動所持續的時間超過10秒時，ATP繼續再合成的反應，便需透過大分子營養物(比如葡萄糖、脂肪等)的分解以獲得能量的供給。
圖一 ATP與PCr使用磷酸鍵能量的情形
綜合上述可知，PCr在體內的儲存量是有一定限量的，因此，倘若能夠盡可能地增加骨骼肌內的PCr儲存量時，將可能有下列功能(McArdle等人)：(1)在短時間高強度運動中，促進ATP的快速轉換以維持身體作功能力；(2)延遲PCr的耗盡；(3)降低醣解作用的仰賴性，進而減少乳酸(lactate)的生成；(4)在反覆性短時間高強度運動中，透過ATP與PCr迅速地再合成，而促進肌肉的放鬆與恢復；快速的恢復將有助於連續的高強度訓練。
參、肌酸與運動表現
Harris(1992)以17名受試者，採隨機分派雙盲實驗設計，研究不同的服用次數(4*5g/d vs. 6*5g/d)與運動訓練(1h/d單腳踏車運動)，對肌酸補充(CrH2O, creatine monohydrate)效果的影響。研究結果顯示，每天4或6次的肌酸補充，皆可顯著提昇肌酸含量；每天6次組，其儲存量增加率較快(+32%)；運動訓練組其肌酸總儲量較無運動組為高。
Balsom(1993a)以16名男性，隨機分派為安慰劑組與肌酸組，採雙盲實驗設計，連續6日分別服用6克的膠囊，進行十次各6杪的高強度腳踏車運動(140 rev/min)以導致衰竭，研究肌酸補充對動態高強度間歇運動的影響。研究結果顯示，肌酸組其肌肉肌酸含量顯著增加，而有效延遲反覆性高強度運動時疲勞的發生；研究者認為這可能是因為運動初期較高的PCr濃度，與增加恢復期PCr再合成的速率所致，而較低的乳酸與亞黃鹼(hypoxanthine)的堆積也可能是原因之一。
Greenhaff (1993)以12名受試者，採雙盲實驗設計，隨機分派為肌酸組(5 g Cr + l g葡萄糖)與安慰劑組(6 g葡萄糖)，每天4次連續服用5天，隨後進行5回合，每回合30次的最大自主等速收縮(180 0/s)測試，研究口服肌酸，對反覆性最大自主收縮肌力的影響。研究結果顯示，肌酸組其肌肉肌酸含量較高，且於測試過程中，最大肌力顯著提高、肌力遞減率較小。由於肌酸組在運動時的血清中堆積較少的氨(ammonia)，研究者認為可能是由於PCr增加，使ATP再合成更有效率，而延遲或減緩疲勞的發生。
Harris (1993)以10名男性大學中距離跑運動員，隨機分派為肌酸組與控制組，連續6日每天攝取6次各10 g，成分分別為5 g CrH2O + 5 g葡萄糖(肌酸組)與10g葡萄糖(控制組)，研究6日口服肌酸補充對最大跑步運動的影響。受試者以其最佳運動成績90~95%的跑速，於不同天各進行4次300公尺跑與4次1000公尺跑測試；每次300公尺跑皆間隔4分鐘的休息期，每次1000公尺跑皆間隔3分鐘的休息期。研究結果顯示，肌酸組於6日增補之後，最後一次300公尺跑步時間的減少程度明顯高於安慰劑組(-0.7s vs. -0.3s)；最佳1000公尺跑成績，肌酸組也顯著較安慰劑組為快(-5.5s vs. -1.6s)。
Balsom等人(1993b)，以每天20克，持續6天的肌酸增補後，於腳踏車測功器上實施(1)5次6秒鐘反覆衝刺測驗，每次測驗間休息30秒；(2)10秒鐘衝刺測驗；在測驗之後，立即以活體肌肉穿刺法(muscle biopsy)採樣，結果發現增補後體內肌酸濃度明顯增加(129~152 mM/kg dry wt)，反覆衝刺後肌肉中乳酸濃度較低(26 vs. 44 mM/kg dry wt)，10秒衝刺後工作輸出量增加。Casey等人(1996)，於每日20克，持續5天的肌酸增補後，實施2次30秒的踏車測驗，發現總工作量提高4%，且減少ATP的下降達31%。Earnest等人(1995)，以每日服用20克，持續28天的肌酸後進行(1)3次30秒的Wingate測驗，中間休息5分鐘；(2)仰臥推舉1RM測試；(3)仰臥推舉70%1RM的反覆次數測驗；結果顯示發現三項測驗表現皆因肌酸的增補而顯著提高。
Izquierdo等人(2002)讓受試者(雙盲設計，肌酸組9人，安慰劑組10人)在增補肌酸(20 g/天×5天)之後，檢驗肌酸增補對肌肉爆發力、肌耐力與衝刺表現的影響；研究結果發現肌酸的增補，顯著地增加了受試者的體重(79.4到80.0公斤)、仰臥推舉至疲勞的次數(+21%)與平均輸出功率(+17%)、蹲舉至疲勞的次數(+33%)與平均輸出功率(+20%)、蹲舉1RM的肌力(+11%)以及5公尺衝刺跑的平均時間(-3%)；但肌酸的增補對於仰臥推舉1RM的肌力並無顯著促進，且對於6次重複15公尺衝刺的耐力表現亦無增進效果。
McArdle等人(2001)的書中更進一步地整理了補充肌酸之後，對於體內與運動表現的影響機制。肌酸的增補有助於肌肉內肌酸與PCr儲存量的提升，因而一方面提高了運動前體內PCr的含量，另一方面則由於肌纖維內肌酸含量的增加，提高了細胞的滲透性而讓細胞容量擴大。運動前體內PCr含量的提高，將有助於降低身體對於醣解作用功能的依賴，減少乳酸的生成，延緩pH值的下降，進而延遲疲勞的發生；再者，肌肉內肌酸與PCr含量的增加，有助於PCr再合成速率的提升，因此，對於反覆性高強度短時間運動訓練將有所助益；除此之外，細胞容量的擴大，是由於細胞水合狀態(hydration status)的增加，蛋白質合成也因此而隨之增加，進而使得去脂體重(fat-free mass)增加，提高訓練的強度以及短時間的運動表現。
雖然如此，也有一些研究報告並不支持口服肌酸有助於運動表現的論點(見表一)。因此，對於口服肌酸的明確效果，仍有待進一步大樣本的實驗研究，以釐清口服肌酸的影響層面。除此之外，Greenhaff等人(1994)以8名受試者經20g/day×5天的肌酸增補後，發現其中有5位受試者的體內肌酸濃度明顯提升(＋19~35 mM/kg d.m.)，但是其它3位受試者卻只增加8~9 mM/kg d.m.；因此，Greenhaff等人提出肌酸的服用可能有「反應者與不反應者」之差異。Greenhaff將參與此研究的所有受試者，作體內原有肌酸濃度的分析發現，反應者的平均肌酸濃度低於120 mM/kg d.m.，不反應者的平均肌酸濃度高於130 mM/kg d.m.。這似乎顯示，當原先體內肌酸濃度較低時(例如素食者)，肌酸的增補可能會有較顯著的效果。因此，未來針對肌酸增補的研究，似乎有必要將反應者與不反應者加以分類，以釐清肌酸增補的確實果效。
表一 口服肌酸對運動表現的影響
| 作者 | 服用劑量 | 受試者 | 運動測試內容 | 結果 |
| Mujika(1996) | 20g × 5天 | 20人 | 25, 50, 100m游泳 | 成績表現沒有進步 |
| Terrillion(1997) | 20g × 5天 | 12人 | 2×700m跑步(間隔休息2分鐘) | 成績表現沒有進步 |
| Burke(1996) | 20g × 5天 | 32人 | 25, 50, 100m游泳 | 成績表現沒有進步 |
| Thompson(1996) | 2g/天× 6週 | 10人 | 100, 400m游泳 | 成績表現沒有進步 |
※節錄自Demant., T.W., & Rhodes., E.C. (1999). Effects of creatine supplementation on exercise performance. Sports Medicine, 28 (1), 49-60.
肆、肌酸增補法
肌酸的增補，一般並不會以磷酸肌酸的型式販售，而是以加上磷酸鹽成為含一分子水的肌酸(CrH2O, creatine monohydrate)型式販售。市面上所販售的肌酸型式，亦有粉末、錠劑、膠囊與液態狀等等之分。一般使用肌酸增補法(creatine loading)的原則為每天20~30 g，並連續服用5~7天(McArdle等人)。
圖二 A. 當連續補充肌酸6天後，停止肌酸之補充時，體內肌酸濃度之變化情形；B. 當連續補充肌酸6天之後，採用低劑量肌酸之補充方式時，體內肌酸濃度之變化情形
Hultman等人(1996)的研究顯示了肌酸增補的維持效果。研究者將受試者分成兩組，一組為每天攝取20g(約為每公斤體重攝取0.3 g)，共連續6天，然後停止補充；另一組除了與前一組相同連續攝取肌酸6天之外，在第7天則開始每天攝取2g(約為每公斤體重攝取0.03 g)連續28天。研究者在實驗開始後的第7、21與35天進行肌肉穿刺法以分析肌肉內肌酸的濃度。此研究結果發現，在連續6天攝取肌酸之後，肌肉內肌酸濃度增加大約20%；當停止補充肌酸時，體內肌酸含量便開始下滑，然而在持續低劑量補充時，體內肌酸濃度將可維持至少28天以上(見圖二)。因此，McArdle等人則認為肌酸增補的快速方法是，連續增補6天，每天4次，每次5克(共20克)的CrH2O，便足以讓體內肌酸含量達飽和狀態；隨後，倘若將服用劑量降低至每天2克，便能持續維持高濃度的肌酸濃度。而Williams(1998)的書中則提到，另一個肌酸增補法的緩慢方式，亦即每天攝取3克，持續1個月之後，便能讓體內肌酸含量達到飽和。
伍、影響肌酸增補的因素
影響肌酸增補的因素除了第參節所述的反應者與不反應者(Greenhaff等人)之外，醣類的攝取與咖啡因的使用均會影響肌酸的增補效果。Green等人(1996)將受試者分成兩組，一組為肌酸組(每次5g，每天4次，連續5天)，另一組為肌酸＋醣類組，亦即除了每次5 g的肌酸，每天4次，連續5天之外，在每次攝取肌酸後的30分鐘，另外攝取93g的高GI醣類(每天4次)。研究結果發現，肌酸組在服用肌酸之後，顯著地增加肌肉PCr含量(+7.2%)、游離肌酸(+13.5%)與總肌酸量(+20.7%)；而肌酸＋醣類組則顯著地增加肌肉PCr含量(+14.7%)、游離肌酸(+18.1%)與總肌酸量(+33.0%)。因此，研究者認為醣類的使用，將有助於肌酸的儲存，而McArdle等人則認為這種現象與胰島素的分泌有關，亦即醣類的攝取，刺激了體內胰島素的分泌，因而使得肌肉內可獲得較多的醣類與肌酸。
Nelson等人(2001)讓12位受試者在運動至衰竭後，實施肝醣超補法(攝食比率，CHO: fat: protein，80: 10: 10)3天之後，立即增補5天的肌酸(一天4次，每次5g)，然後再進行運動至衰竭後的肝醣超補法3天，並利用肌肉穿刺法分析肌肉內的肝醣與肌酸之含量(穿刺時間為第1、4、11與14天)，以研究肝醣超補法是否會受到肌酸增補影響。研究結果顯示在第一次肝醣超補法後，肌肝醣含量增加4%(164 mM/kg d.m.)，而肌酸含量無變化；在肌酸增補之後，左腳肌酸含量上升41.1 mM/kg d.m.，右腳則上升36.6 mM/kg d.m.，而肌肝醣含量則無變化；然而，在第二次實施肝醣超補法之後，肌肝醣含量則增加了53%(241 mM/kg d.m.)。該研究者們因而認為肌酸的增補，將可以擴大隨後的肝醣超補效果，他們也指出這種現象可能與肌酸增補刺激了細胞容量的擴大有關。由上述文獻可知，肌酸與醣類的配合使用，將能擴大彼此的增補效果。
在咖啡因對肌酸增補效果的影響方面，Vandenberghe等人(1996)將受試者分成三組，一組為安慰劑組，一組為肌酸組(每天攝取0.5 g/kg體重，連續6天)，另一組為肌酸＋咖啡因組(每天攝取0.5 g/kg體重的肌酸以及5 mg/kg體重的咖啡因，連續6天)。研究結果發現，肌酸組與肌酸＋咖啡因組肌肉內的PCr含量分別增加了4%與6%，而安慰劑組則無顯著變化。因此，咖啡因的伴隨使用，似乎對於肌酸的增補有負面的影響，該研究者則建議在實施肌酸增補法時，運動員應該避免咖啡因的使用。
陸、結語
肌酸增補的效果，主要作用於體內ATP-PCr系統，額外的肌酸補充，有助於提高體內游離肌酸與磷酸肌酸的儲存量，增進體內短時間高強度的能量來源，進而提升短時間的運動表現。影響肌酸增補的因素，則包括體內原先的肌酸含量(亦即所謂的反應者與不反應者)、是否伴隨醣類的補充以及咖啡因的使用與否等，這些因素將影響著同量肌酸增補後，體內保存量的多寡。
雖然肌酸增補的效果似乎相當顯著，那麼，肌酸的額外增補是否會造成人體的副作用呢？截至目前為止，研究報告並不足以提供明確的答案，比如Willams的書中提到，肌酸的增補可能會因為體內含水量的增加影響電解質的平衡，而導致肌肉的痙攣；而McArdle等人則認為長時間(4年)肌酸的增補，對人體並無大礙。然而，較明確的是，肌酸的額外補充，會增加細胞的滲透性，因而使得細胞容量增加，導致體重的上升，而體重的上升，對某些運動項目來說，便可能是一負面的干擾，例如耐力性運動項目，體重的增加使得身體在訓練或比賽時，必須承受較大的身體負重，而增加氧消耗量，因此，在服用肌酸時，必須考量運動項目的特殊性以及肌酸增補所造成的體重增加問題。
參考文獻
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