Ein Spiegel der aktuellen Aminosäureforschung

BCAAs und Sport

Könnt Ihr Euch noch an Euer erstes BCAA-Supplement erinnern? Große Tabletten oder Kapseln, schön widerlich und sauer im Geschmack, stets eingenommen vor und nach harten Trainingseinheiten, die der Selbstkasteiung am Eisen den letzten olfaktorischen Schliff verpassten. Vergessen ist der Wunsch, das halb verdaute Pre-Workout-Gesöff wieder in die Obhut des Shakers zu geben. Jetzt heißt es, ein letztes Mal die Zähne zusammen zu beißen und die Mega BCAA XXL-Plode Tabletten hinunter zu würgen.

Doch wofür eigentlich der ganze Aufwand? Wofür nimmt man denn nun am besten vor und nach dem Workout dieses Supplement mit den heiligen vier Buchstaben zu sich? In dieser Reihe will ich Euch die physiologischen Basics der verzweigtkettigen Aminosäuren näher bringen, und weshalb sie für den Leistungs- und insbesondere für den Kraftsportler von besonderer Bedeutung sind. Vor allem in diesem ersten Artikel werden wir etwas tiefer in die Materie der menschlichen Physiologie eintauchen, ich bitte daher an dieser Stelle schon mal um etwas Geduld und Durchhaltevermögen.

Das 1x1 des BCAA-Stoffwechsels

BCAAs – Leucin, Isoleucin und Valin – werden im Gegensatz zu den meisten anderen Aminosäuren nicht im zentralen Stoffwechselorgan, der Leber, verwertet, sondern vornehmlich in der Muskulatur abgebaut. Sie unterliegen also nicht dem sogenannten First Pass-Effekt (grob übersetzt "zuerst in die Leber, dann ins Blut"), sondern wandern nahezu verlustfrei zu den Zielorganen.

Dies hat zwei Gründe: Zum einen sind BCAAs ein essentieller Bestandteil unserer täglichen Ernährung und können vom Körper nicht selbst hergestellt werden. Würden sie bereits in der Leber abgebaut, stünden sie dem Körper nicht mehr für Syntheseprozesse zur Verfügung. Des Weiteren besitzen BCAAs eine ganze Reihe interessanter Eigenschaften, die insbesondere für die Adaptation an physische Belastungen eine wichtige Rolle spielen (dazu später mehr). Abb. 3.2 stellt eine grobe Übersicht der Organe dar, die mit ihrem jeweiligen Anteil an der Verstoffwechselung der BCAAs beteiligt sind.

BCAA und Sport – ein Spiegel der aktuellen Aminosäureforschung
Quelle: Brosnan JT, Brosnan ME. Branched-Chain Amino Acids: Enzyme and Substrate Regulation. J Nutr 136(1):207-211, 2006


Der Abbau erfolgt durch zwei Enzyme: BCAT und BCKD. Die Einzelheiten des enzymatischen Umbaus will ich Euch ersparen, allerdings solltet Ihr Euch behalten, dass der Abbau durch ein Überangebot der Aminosäuren bzw. deren Abbauprodukte (vor allem durch Alpha-Ketoisocaproat, einem Abbauprodukt von Leucin) stimuliert wird.

Liegt ein Überangebot an BCAAs vor, führt dies zu einer kurzfristigen Steigerung der frei verfügbaren BCAAs im Blutserum und in den Zellen und anschließend zu einem erhöhten Abbau durch die beiden Enzyme[1]. Es bleibt also immer ein gewisses Level der frei verfügbaren Aminosäuren im Körper vorhanden, ohne dass es zu starken Konzentrationsausschlägen nach oben und nach unten kommt.

Der Vorrat der eben genannten Enzyme ist dabei gewaltig: Sie liegen größtenteils in inaktiver Form vor und werden bei Bedarf aktiviert, um die Konzentrationen der verzweigtkettigen Aminosäuren notfalls zu minimieren. BCAAs wirken in großen Mengen nämlich neurotoxisch, was sich eindrucksvoll an Krankheiten wie MSUD (Ahornsirupkrankheit) zeigen lässt, bei dem ein Defekt bei der Ausbildung von BCAT und BCKD vorliegt[4].

Wer sich jetzt denkt, wozu er dann noch die Extraportion Fleisch oder Supps braucht, da ja sowieso der Körper für eine halbwegs automatische Regulierung der intrazellulären BCAA-Konzentrationen sorgt, liegt bis hierhin eigentlich richtig. Kleinere Schwankungen der BCAA-Konzentrationen in den Zellen nach oben hin werden allerdings toleriert, um von den Wirkungen dieser Aminosäuren profitieren zu können[5]. Holt Eure Dose also lieber nochmal aus dem Müll raus, gleich wird es etwas interessanter.

Bei der Einnahme von BCAAs ist grundsätzlich darauf zu achten, dass es nicht zu Imbalancen kommt. Ihr solltet diese Aminosäuren immer im Rahmen eines gewissen Verhältnisses zueinander aufnehmen. Eine erhöhte Aufnahme von Leucin beispielsweise führt zu einer massiv gesteigerten Aktivierung von BCKD. Die Folge ist ein ebenfalls gesteigerter Abbau von Valin und Isoleucin. Führt Ihr diese beiden Aminosäuren nicht in ausreichender Menge zu, werden Sie sprichwörtlich verprasst und stehen nicht mehr für die Proteinsynthese zur Verfügung[4].

Stürzt Euch also nicht mit weit geöffnetem Maul auf jedes Leucin-Supplement, sondern wählt die Zufuhrmengen mit Bedacht. Aus diesem Umstand heraus entstand auch unter anderem das inzwischen sehr häufig verwendete 2:1:1-Verhältnis zwischen Leucin, Isoleucin und Valin in den entsprechenden Supplementen. Die WHO empfiehlt auf Grundlage jüngster Studien eine tägliche Zufuhr von etwa 40 mg / kg KG für Leucin, 20 mg / kg KG für Isoleucin und etwa 20-27 mg / kg / KG für Valin[2].

BCAAs als Trigger der Muskelproteinsynthese

Muckis wachsen nicht alleine vom Training, so viel wusste auch schon Arnold, als er sagte, dass er Scheiße essen würde, wenn er davon Muskeln kriegen könnte. Training alleine führt zwar zu einer Anhebung der Muskelproteinsynthese, allerdings auch zu einem gesteigerten Muskelkatabolismus[6, 7]. You need dat protein, and you need dat nau! Erst die Zufuhr von Aminosäuren sorgt letztlich für eine positive Proteinbilanz. Wie Ihr der Abb. 4.4 entnehmen könnt, sind hierbei lediglich essentielle Aminosäuren ausschlaggebend.

BCAA und Sport – ein Spiegel der aktuellen Aminosäureforschung
Quelle: Wolfe RR. Skeletal Muscle Protein Metabolism and Resistance Exercise. J Nutr 136:525–528, 2006


BCAAs nehmen unter diesen Aminosäuren eine Schlüsselrolle ein. Obwohl die genauen Mechanismen noch nicht endgültig geklärt sind, ist insbesondere unter den verzweigtkettigen Aminosäuren Leucin der Big Boss, wenn es um die anabole Keule geht. Inzwischen wurden zwei Wege identifiziert, wie Leucin die Proteinsynthese im Muskel stimuliert (die nächsten Zeilen werden etwas knackig, aber ich werde es – so gut es geht – knapp zusammenfassen).

Wenn Ihr im Bio-Unterricht gut aufgepasst habt, wisst Ihr, dass die Proteinsynthese immer an den Ribosomen im Zellinnern stattfindet. Hierfür muss der Kontakt zwischen mRNA und dem Ribosom hergestellt werden. Dieser Schritt erfolgt über die Herstellung eines Initiationsfaktors namens eIF4F, der aus verschiedenen Untereinheiten besteht (sonst wäre es ja auch zu einfach). Eine dieser Untereinheiten mit dem unoriginellen Namen eIF4E ist dabei im Ausgangszustand fest verankert mit einem Bindungsprotein, das die Bildung des Initiationsfaktors verhindert. Leucin aktiviert nun ein Enzym namens mTOR, das unter anderem dieses Bindungsprotein deaktiviert! eIF4E sucht sich nun die anderen beiden Untereinheiten zusammen (quasi das Triumvirat der dicken Muskeln), und gemeinsam wird nun der Stimulus zum Proteinaufbau vermittelt.

Darüber hinaus werden über mTOR noch weitere Wachstumssignale weiter gegeben. So wird ferner die Bildung von S6P1 stimuliert – ein Eiweiß, das die anabolen Kapazitäten in der Muskelzelle optimiert.

Die Bildung des Initiationsfaktors ist nicht nur von der Verfügbarkeit von eIF4E abhängig, sondern auch vom Aktivierungsstatus von eIF4G – eines der anderen Untereinheiten. Erst dessen Aktivierung sorgt für die Bindung von eIF4E an eIF4G und damit unmittelbar zur Bildung des Initiationsfaktors. Diese Aktivierung wird durch Leucin selbst vermittelt, also vollkommen unabhängig von mTOR[8].

Wir verstehen nun also, dass Leucin einer der großen Schlüssel zu Muskelwachstum ist. Doch wie sieht es mit den anderen beiden verzweigtkettigen Aminosäuren Isoleucin und Valin aus? Die Datenlage ist bei diesen beiden Aminosäuren noch etwas löchrig, allerdings ist offenbar davon auszugehen, dass Isoleucin einen ähnlichen Effekt auf mTOR und die Deaktivierung des Bindungsproteins für eIF4E hat wie Leucin, wenngleich in stark abgeschwächter Form.

In Vitro-Versuche an Ratten haben gezeigt, dass die Wirkung von Isoleucin dabei nicht ausreicht, um den muskulären Proteinaufbau signifikant zu steigern. Valin zeigt diesbezüglich überhaupt keinen Effekt[9]. Doch warum sind diese beiden Aminosäuren dann so wichtig? Ganz einfach: wegen einer Wirkungsweise, die wir bis heute noch nicht vollständig verstehen. So wurde inzwischen gezeigt, dass eine kombinierte Gabe aller BCAAs einen wesentlich größeren Synthesestimulus auslöst als eine isolierte Gabe von Leucin (wohl gemerkt: obwohl Isoleucin und Valin die Proteinsynthese kaum bis gar nicht stimulieren)[10].

Vermutlich ist hier ein synergistischer Effekt verantwortlich, dessen Mechanismus noch nicht geklärt ist. Ein solcher Effekt ist allerdings nicht nur zwischen den verzweigtkettigen Aminosäuren, sondern zwischen mehreren Aminosäuren zu beobachten. So zeigte ein Versuch von Fox et al. (1998), dass die Verwendung aller mehrerer Aminosäuren insgesamt einen größeren Effekt auf die Deaktivierung des berüchtigten Bindungsproteins für eIF4E hat als Leucin alleine. Dieser Versuch wurde zwar an Fettzellen durchgeführt, allerdings unterscheiden sich die biochemischen Vorgänge in diesem Modell nicht zu denen, die wir in unseren Muskelzellen vorfinden.
    ____________________________________________________________________
    Konkret bedeutet dies: Ein BCAA-Supplement ist bei der Stimulation der Muskelproteinsynthese effektiver als ein reines Leucin-Supplement, obwohl Leucin als einzige Aminosäure diesen Stimulus auslöst. Darüber hinaus ist in diesem Rahmen ein vollständiges Protein oder ein Supplement aus einer großen Bandbreite an Aminosäuren vermutlich Leucin und einem BCAA-Supplement aufgrund der zahlreichen Synergismen überlegen. Dies bleibt allerdings rein spekulativ. Gezielte Untersuchungen sind hierfür künftig notwendig, um in dieser Angelegenheit Klarheit zu schaffen.
    ____________________________________________________________________
Bedeutet dies automatisch, dass BCAA-Supplemente jetzt in die Tonne gehören und wir ab sofort nur noch unser geheiligtes Whey Protein schlucken sollten? Das kommt immer ganz auf die Situation an. Ein gutes Whey Protein ist bereits eine hervorragende Quelle für verzweigtkettige Aminosäuren, und ausgehend vom aktuellen Wissensstand dürfte die Proteinsynthese im Muskel durch das vollständige Protein vermutlich höher ausfallen als bei einer isolierten Gabe der Aminosäuren.

BCAA-Kapseln- oder Pülverchen könnten jedoch sinnvoll bei einer strengen veganen Ernährungsform sein. Auch extrem kalorienarme Restriktionsdiäten bei sehr übergewichtigen Personen lassen sich im Hinblick auf eine Effektmaximierung eines gleichzeitig durchgeführten Trainings durch Supplemente aufwerten (BCAA-Supplemente haben quasi ein sehr hohes anaboles Potential bei minimalem Kaloriengehalt). Dasselbe Prinzip greift auch bei älteren Personen, die dem altersbedingten Muskelverlust offenbar durch eine besonders hohe Zufuhr dieser Aminosäuren entgegenwirken können (das wird aber nochmal das Thema eines separaten Artikels werden).

BCAA und Sport – ein Spiegel der aktuellen Aminosäureforschung


_____________________________________________________


Jetzt, wo wir die grundlegenden Mechanismen geklärt haben, stehen im Prinzip drei Fragen im Raum:
  1. Wie viel Gramm Leucin benötigt man für eine optimierte Muskelproteinsynthese?
  2. Lässt sich der Stimulus durch höhere Gaben von Leucin bzw. Protein steigern?
  3. Wie lange hält der Stimulus an, und wann wird die nächste Portion fällig?
Gehen wir die Fragen einfach mal der Reihe nach durch:

1. Die optimale Menge für eine Stimulation der Proteinsynthese liegt bei etwa 3-4 g Leucin für männliche Sportler, allerdings nur in Verbindung mit einem vollständigen Protein[11]. Da wir hier die beschriebenen Synergismen berücksichtigen müssen, dürfte die optimale Menge bei einer isolierten Gabe von Leucin vermutlich etwas oberhalb von 3-4 g liegen. Bezogen auf ein Whey Protein liegt hier die optimale Menge bei etwa 40 g.

2. Prinzipiell ist eine positive Dosis-Wirkungsbeziehung zwischen Leucin bzw. essentiellen Aminosäuren und der Stimulation der Muskelproteinsynthese zu beobachten, allerdings verläuft diese nicht linear. Ab einem gewissen Punkt flacht die Steigung dieser Beziehung ab und nähert sich einem Maximalwert, der bisher allerdings noch nicht eindeutig bestimmt wurde[12]. Ganz klar: bis in die Unendlichkeit lässt sich die Proteinsynthese nicht steigern[13]. Die bereits geschilderte Menge von 3-4 g stellt die Menge dar, ab der kein eindeutig messbarer Zuwachs der Proteinsynthese mehr zu verzeichnen ist.

Dies ist allerdings eher als ein Richtwert zu verstehen. Individuelle Unterschiede sind hier definitiv zu berücksichtigen. Darüber hinaus scheint Sport per se dazu zu führen, dass der Körper automatisch mehr Leucin für einen Wachstumsstimulus im Muskel nutzen kann. So führt Sport zu einer Überexpression von Aminosäuretransportern in der Zellmembran der Muskulatur[14]. Ergo kann wiederum mehr Leucin aufgenommen werden, um die Muskelsynthese positiv zu beeinflussen. Euer Trainingsstatus bestimmt folglich den Rahmen, in dem ihr Leucin für die Stimulation der Muskelproteinsynthese nutzen könnt (rennt also auf der nächsten FiBo bitte nicht zum Heath und sagt ihm, dass die 100 g Eiweiß, die er pro Mahlzeit verschlingt, nutzlos sind, weil ich das gesagt hätte).

3. Wie lange der Stimulus exakt anhält, ist noch nicht hinreichend geklärt. So zeigten Anthony et al.[15], dass bei einer isolierten Gabe von Leucin eine erhöhte Muskelproteinsynthese für etwa 2 Stunden anhält. Eine Untersuchung von Norton et al.[16] hat jedoch zu Tage gebracht, dass die angeregte Muskelproteinsynthese für mindestens 3 Stunden aufrechterhalten wird, wenn Leucin in Verbindung mit einer kompletten Mahlzeit eingenommen wird.

Da der Versuch allerdings auch nicht länger als 3 Stunden gedauert hat, lässt sich prinzipiell nicht ausschließen, dass der Stimulus länger bestehen bleibt. Interessant ist, dass sich der Stimulus nicht konstant aufrechterhalten lässt, selbst wenn die extrazellulären und intrazellulären Leucin-Konzentrationen erhöht bleiben. Offenbar nimmt die Syntheserate unaufhaltsam ab, bis sie einen bestimmten Wert unterschreitet, ehe sie wieder durch Leucin angehoben werden kann.

Konkret heißt das: Esst ihr um 12 Uhr mittags eure Portion Hähnchenbrust, wird das im Protein enthaltene Leucin eure Muskelproteinsynthese anheben. Jetzt bringt es allerdings nichts, bereits eine oder zwei Stunden später wieder eine Portion zu verdrücken, in der Hoffnung, dass durch den Nachschub an Leucin die Synthese oben bleibt. Sie fällt ab, ob ihr jetzt wieder Leucin nachliefert oder nicht. Erst nach mindestens drei Stunden lohnt es sich, die nächste Portion Leucin aufzunehmen – entweder in Form eines Supplements, eines Proteinshakes oder einer vollständigen Mahlzeit.

Ich möchte euch jedoch an dieser Stelle daran erinnern, dass nichts in Stein geschrieben steht. Ich kenne einige Athleten, die in sehr viel größeren Abständen ihr Protein zu sich nehmen oder nur 2-3 x am Tag essen und trotzdem beeindruckende Muskeln aufgebaut haben.

Das war’s soweit vorerst zum Thema BCAA und Eiweißsynthese. Im #nächsten Teil erläutere ich die Rolle der verzweigtkettigen Aminosäuren bei der Hemmung des Muskelabbaus – sowohl während als auch unabhängig von körperlicher Belastung.

BCAA und Sport – ein Spiegel der aktuellen Aminosäureforschung


Quellen:

  1. Brosnan JT, Brosnan ME. Branched-Chain Amino Acids: Enzyme and Substrate Regulation. J Nutr 136(1):207-211, 2006
  2. World Health Organization, FAO/WHO/UNU Expert Consultation. Energy and protein requirements. WHO technical report series 935:138-140, 2007
  3. Suryawan A, Hawes JW, Harris RA, Shimomura Y, Jenkins AE, Hutson SM. A molecular model of human branched-chain amino acid metabolism. Am J Clin Nutr 68(1):72-81, 1998
  4. Harris RA, Joshi M, Jeoung NH, Obayashi M. Overview of the molecular and biochemical basis of branched-chain amino acid catabolism. J Nutr 135(6):1527-1530, 2005
  5. Bohé J, Low A, Wolfe RR, Rennie MJ. Human muscle protein synthesis is modulated by extracellular, not intramuscular amino acid availability: a dose-response study. J Physiol 552:315-324, 2003
  6. Biolo G, Maggi SP, Williams BD, Tipton KD, Wolfe RR. Increased rates of muscle protein-turnover and amino-acidtransport after resistance exercise in humans. Am J Physiol-Endocrinol Metab 31:514–520, 1995
  7. Rennie MH, Tipton KD. Protein and amino acid metabolism during and after exercise and the effects of nutrition. Annu Rev Nutr 20:457-483, 2000
  8. Norton EA, Layman DK. Leucine Regulates Translation Initiation of Protein Synthesis in Skeletal Muscle after Exercise. J Nutr 136:533–S537, 2006
  9. Anthony JC, Yoshizawa F, Anthony TG, Vary TC, Jefferson LS, Kimball SR. Leucine stimulates translation initiation in skeletal muscle of postabsorptive rats via a rapamycin-sensitive pathway. J Nutr 130:2413–2419, 2000
  10. La Bounty P, Campbell B, Oetken A, Willoughby D. The effects of oral BCAAs and leucine supplementation combined with an acute lower-body resistance exercise on mTOR and 4E-BP1 activation in humans: preliminary findings. J
    Int Soc Sports Nutr 5(1):21, 2005
  11. Tipton K, Ferrando A, Phillips S, Doyle D, Wolfe RR. Postexercise net protein synthesis in human muscle from orally administered amino acids. Am J
    Physiol 276:628–634, 1999
  12. Bohé J, Low A, Wolfe RR, Rennie MJ. Human muscle protein synthesis is modulated by extracellular, not intramuscular amino acid availability: a dose-response study. J Physiol 552:315-324, 2003
  13. Glynn EL, Fry CS, Drummond MJ, Timmerman KL, Dhanani S, Volpi E, Rasmussen BB. Excess Leucin intake enhances muscle anabolic signaling but not net protein anabolism in young men and women. J Nutr 40(11):1970-1976, 2010
  14. Walker DK, Dickinson JM, Timmerman KL, Drummond MJ, Reidy PT, Fry CS, Gundermann DM, Rasmussen BB. Exercise, Amino Acids and Aging in the Control of Human Muscle Protein Synthesis. Med Sci Sports Exerc 43(12):2249–2258, 2011
  15. Anthony JC, Lang CH, Crozier SJ, Anthony TG, MacLean DA, Kimball SR, Jefferson LS. Contribution of insulin to the translational control of protein synthesis in skeletal muscle by leucin. AJP-Endo 282(5):1092-1101, 2002
  16. Norton LE, Layman DK, Bunpo P, Anthony TG, Brana DV, Garlick PJ. The leucine content of a complete meal directs peak activation but not duration of skeletal muscle protein synthesis and mammalian target of rapamycin signaling in rats. J Nutr 139(6):1103-1109
_____________________________________________________

Bilder: SimonQ錫濛譙 | Matthias Busse

Nach oben