Chemie
Aminosäuren im Allgemeinen
Aminosäuren sind in erster Linie Bausteine der Eiweißbiosynthese. Da die Aminosäuren im Stoffwechsel vielfältig verändert werden können, stellen sie eine wichtige Stufe für die Synthese anderer körpereigener Stoffe dar.
Die meisten Aminosäuren sind gut wasserlöslich. Von den über hundert aus Organismen isolierten Aminosäuren kommen nur zwanzig regelmäßig als Eiweißbestandteile vor. Der menschliche Organismus ist in der Lage zwölf der zur Eiweißsynthese ständig benötigten Aminosäuren selbst herzustellen (nicht-essentielle Aminosäuren). Die restlichen acht müssen über die Nahrung zugeführt werden (essentielle Aminosäuren).
BCAA
Drei der acht essentiellen Aminosäuren bezeichnet man auf Grund des verzweigten Musters der seitlichen Ketten, die an das Kohlenstoffgerüst der Aminosäuren angebunden sind, als verzweigtkettige Aminosäuren (BCAA von engl. branched chain amino acids). Diese drei verzweigtkettigen Aminosäuren sind Isoleucin, Leucin und Valin. Auf Grund ihrer Struktur ohne funktionelle Gruppen erhält der Kohlenwasserstoffteil des Aminosäuremoleküls hydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaften. Somit sind BCAA im Gegensatz zu den meisten anderen Aminosäuren relativ schlecht wasserlöslich und begrenzen somit auch die Wasserlöslichkeit vieler Aminosäuregemische.
BCAA erfüllen im Körper ähnliche Funktionen und werden zum Aufbau fast aller Proteine benötigt. Ungefähr 35% der Muskulatur bestehen aus BCAA. Während die meisten Aminosäuren in der Leber verstoffwechselt werden, werden die BCAA direkt im Muskel verstoffwechselt. Sie sind maßgeblich am Energie- und Stickstofftransport zwischen Muskulatur und Leber beteiligt, wobei sie reversibel zu den entsprechenden Ketosäuren umgewandelt werden. Der größte Teil der BCAA wird jedoch im Energiestoffwechsel verbraucht.
Wirkungen
Kreislauf der BCAA
Im Körper werden BCAA hauptsächlich von der Skelettmuskulatur freigesetzt. Die Kohlenstoffgerüste werden als Brennstoff genutzt und die Nitrogenrückstände bilden die Aminosäure Alanin. Alanin wird in die Leber transportiert und dort in Glukose umgewandelt (Glukoneogenese). Anschließend wird die Glukose wieder zurück in die Skelettmuskeln transportiert. Bei diesem Vorgang wird die Blutglukose-Homöostase beibehalten (Homöostase = ist die für die Existenz von Organismen notwendige Konstanz von Stoffwechselbedingungen). Den Vorgang bezeichnet man als Glukose-Alanin Zyklus.
Senkung des Ammoniakspiegels
Ammoniak ist ein Nebenprodukt des Abbaus von Aminosäuren. Hohe Ammoniakwerte sind ein Zeichen dafür, dass viel Protein für die Energiegewinnung abgebaut wurde. Da Ammoniak als Zellgift wirkt, ist dies negativ für den Körper. In einer Studie (Human Performance Laboratory at Old Dominion University, Norfolk Virginia) mit Schwimmern wurde nach 4 Wochen festgestellt, dass die mit BCAA behandelten Testpersonen einen um 37 % niedrigeren Ammoniakspiegel hatten, als die Kontrollgruppe.
Man konnte also beobachten, dass nach dem Training eine geringerer Proteinabbau stattfindet,wenn die Schwimmer eine BCAA-Ergänzung erhalten.
Funktionen der einzelnen BCAA:
Leucin
Leucin stimuliert die Proteinsynthese im Muskel, ist essentiell an den Wachstumsvorgängen im Körper beteiligt und unterstützt Heilungsprozesse von Knochen, Haut und Muskelgewebe. Über das Stoffwechselprodukt Ketoleucin (KlC) kann es auch antikatabol wirken. KlC vermindert unter anderem die Ausschüttung von Cortisol (einem Stresshormon, das kontraproduktiv für den Muskelaufbau ist), beschleunigt somit die Regeneration und gewährt eine maximale anabole Wirkung. Darüber hinaus stimuliert Leucin Insulin, und unter dem Einfluss von Insulin wird Leucin wiederum schneller von den Zellen aufgenommen.
Leucin sorgt so neben seiner eigenen Einschleusung auch für die einiger anderer Aminosäuren. Dabei kommt es trotz erhöhter Insulinkonzentrationen im Blut nicht zu einem wesentlichen Absinken der Glukosekonzentration, sodass physische und psychische Leistungsfähigkeiten nicht beeinträchtigt sind.
Isoleucin
Isoleucin ist für die Entwicklung von Hämoglobin zuständig und stabilisiert und reguliert Blutzucker- und Energiespiegel.
Valin
Valin hat stimulierende Wirkungen auf den Körper und ist zuständig für gesundes Wachstum. Es wird im Körper zu Energie verstoffwechselt, wobei Glukose erhalten bleibt.
Vorkommen
Verzweigtkettige Aminosäuren werden überwiegend aus komplexen Eiweißen wie Casein, Molke- oder Milch- und Fleischprotein gewonnen. Als Nahrungsergänzung werden verzweigtkettige Aminosäuren in Kapsel und Pulverform angeboten und zwecks Aufwertung vielen Proteinpulvern beigesetzt. Es gibt auch Getränkepulver mit BCAA, hier ist allerdings der Gehalt an BCAA aufgrund deren unangenehmen Geschmack begrenzt. Hoch dosierte Drinks enthalten maximal 8 g BCAA in 500 ml.
Wirkung bei Sportlern
Bei körperlicher Belastung entsteht im Körper ein Energiemangel, der zu einem vermehrten Abbau von Leucin und somit zu einem Fehlbestand an verzweigtkettigen Aminosäuren führt. Schon leichte sportliche Tätigkeit führt zu einem stark vermehrten Anstieg von Leucin im Muskel. Anhand des Konzentrationsabfalls der freien Aminosäuren in Plasma und Zellen lässt sich bei einem Marathonläufer jedoch nur ein Leucinverlust von 235 mg errechnen, was die Vermutung aufkommen lässt, dass der Großteil des abgebauten Leucins durch Einschmelzen von körpereigenem Eiweiß ausgeglichen wird. Der Körper scheint also Fehlbestände durch den Abbau von körpereigenem Eiweiß zu ersetzen. Sportler sollten innerhalb von 70 Minuten nach dem Training leichtverdauliches Milcheiweiß oder Aminosäuregemische, die verzweigtkettige Aminosäuren enthalten, zu sich nehmen.
Bei langanhaltenden Ausdauerbelastungen sollten BCAA schon während der Belastung zugeführt werden, um den Verlust wertvoller Funktionsproteine zu verhinden.
Kraftsportler sollten direkt nach der Belastung BCAA zu sich nehmen, um den Abbau von körpereigenem Eiweiß zu verhindern. Ausdauersportler sollten bereits während der Belastung BCAA zuführen, um einen Verlust an wertvollen Funktionsproteinen gar nicht erst entstehen zu lassen.
Muskelaufbau
Das bekannte Problem
Bei längerem, hochintensivem Training sinken die BCAA-Werte im Blut, da der Körper bei Belastung BCAA verbrennt. An diesem Punkt greift der Körper auf Muskelgewebe zurück, um Aminosäuren für die Energiegewinnung zu erlangen.
Durch diesen Stoffwechselvorgang werden Muskeln abgebaut, da die Proteine verbrannt werden.
Die Folge ist, dass die Muskulatur kleiner und schwächer wird - genau das Gegenteil dessen, wofür Du trainiert hast.
Dieser Prozess verstärkt sich insbesondere bei Bodybuildern in der Definitionsphase. Eine stark kalorienreduzierte Ernährung und gleichzeitiges Training verstärken den katabolen (muskelabbauenden) Zustand. Die Proteinsynthese wird durch das Training negativ beeinflusst. Leichtes Ausdauertraining jedoch bringt diesen negativen Effekt nicht mit sich.
Um die Situation zu entschärfen, muss man einige Regeln bei der Ernährung beachten. Eine wasser- und kohlenhydratarme Ernährung, wie sie viele Bodybuilder zu sich nehmen, führt früher oder später unweigerlich zum Muskelabbau, insbesondere wenn der Körperfettanteil sowieso schon sehr gering ist. Dem Körper müssen also alternative Energiequellen zugeführt werden, damit er zur Energiegewinnung nicht auf die Muskulatur zurückgreifen muss. BCAA - insbesondere Leucin - eignen sich sehr gut, da sie direkt in der Muskulatur umgewandelt werden.
BCAA und Muskelaufbau:
Schwedische Forscher (Bericht der Weider Research Group, Muscle & Fitness) untersuchten den Einfluss von BCAA auf Ausdauersportler. Verglichen wurden eine Gruppe von Marathonläufern und eine Gruppe von Geländeläufern, die einen 18-km-Lauf absolvierten. Beide Gruppen erhielten eine tägliche Gabe von 10 g BCAA, eine Vergleichsgruppe erhielt ein Placebo. Es stellte sich heraus, dass während des Training die Tyrosin- und Phenylalaninwerte im Blutplasma bei der Placebogruppe anstiegen. da diese beiden Stoffe jedoch nicht vor der Skelettmuskulatur aufgenommen werden, ist dies ein Indikator dafür, dass das Protein in der Skelettmuskelatur aufgespalten worden ist.
Bei den Gruppen, die eine BCAA-Ergänzung erhielten, wurde dieser Anstieg nicht festgestellt, ein solcher Proteinabbau in der Skelettmuskulatur fand hier also nicht statt.
Gewichtsverlust bei einer kohlenhydratarmen Ernährung ist zum großen Teil auf Wasserverlust zurückzufuhren. In einer Studie (Department of Biochemistry der Oxford University, England) wurde der Einfluss von BCAA auf die Plasmawerte und die Glykogenkonzentration bei längerem Radfahren untersucht. Die Testpersonen fuhren mit 70 % der maximalen Sauerstoffaufnähme 60 Minuten Rad und anschließend 20 Minuten bei voller Leistung. Unmittelbar vor dem Training und alle 15 Minuten während des Trainings wurden 90 mg BCAAs je kg Körpergewicht verabreicht.
Das Ergebnis war nicht nur ein deutlicher Anstieg der BCAA-Konzentration in Blut und Muskulatur sondern auch ein deutlich größerer Anstieg der Alaninwerte. Die Glykogenkonzentration sank deutlich weniger als bei Personen der Placebogruppe (10 % anstelle von 35 %). Daraus kann man schließen, dass Alanin in der Leber zu Glukose umgewandelt worden ist, zu den arbeitenden Muskeln transportiert wurde und dort als Brennstoff zur Verfügung stand.
Eine BCAA-Ergänzung verhilft Bodybuildern in Vorwettkampfzeiten dem Teufelskreis aus fettarmer Ernährung, vermehrtem Training und dem daraus resultierenden katabolen Zustand zu entkommen. Nur so kann er gleichzeitig Fett abzubauen und Muskeln aufbauen.
BCAA und Ausdauer
Anstrengendes Ausdauertraining führt zu einer Abnahme im BCAA-Pool. Gleichzeitig führt Ausdauerbelastung zu Kataboblismus im Muskel, um diese mit einem konstanten BCAA-Vorrat zu versorgen. Bei einem Ausdauerwettkampf können 10 bis 15 % des Energiebedarfs von BCAA gedeckt werden.
Eine weitere Wirkung haben BCAA durch ihre Fähigkeit, gemeinsam mit Tryptophan im Transport über die Blut-Hirn-Schranke zu wetteifern. Tryptophan ist Vorstufe von Serotonin, das im Gehirn als „Schlafsignal“ wirkt. Ein niedriger Spiegel an anderen, neutralen Aminosäuren ermöglicht größeren Mengen Tryptophan, in das Gehirn einzudringen, wodurch eine größere Menge Serotonin produziert wird. Eine Abnahme an Plasma-BCAA während einer Ausdauerbelastung verringert das Verhältnis von BCAA zu Tryptophan. Somit können größere Mengen Tryptophan ins Gehirn eindringen und es wird mehr Serotonin produziert.
Eine BCAA-Ergänzung vor und insbesondere auch während einer Ausdauerbelastung kann diese Verschiebung des Verhältnisses verhindern und somit die vermehrte Produktion von Serotonin unterdrücken. Dies führt zu weniger Ermüdung und verbesserter Ausdauer.
Können BCAA das Training erleichtern?
Schwedische Wissenschaftler führten eine Studie durch (Bericht der Weider Research Group, Muscle & Fitness), wobei Testpersonen die wahrgenommene Anstrengung beurteilen mussten. Die Personen mussten mit 70 % ihrer maximalen Kraft Rad fahren und erhielten entweder BCAA oder ein Placebo. Alle 10 Minuten mussten sie wahrgenommene Anstrengung und Ermüdüng beurteilen. Es stellte sich heraus, dass die mit BCAA versorgten Personen eine um 7 % verminderte wahrgenommene Anstrengung hatten und gleichzeitig eine um 15 % geringere Ermüdung.
Es wurden jedoch keine Unterschiede in der Trainingsleistung festgestellt. Es muss dem zu Folge noch in einer weiteren Untersuchung überprüft werden, ob Leistungszuwächse mit der geringer wahrgenommenen Anstrengung in Verbindung gebracht werden können. Doch es erscheint sinnvoll, dass höhere Leistungen erbracht werden können, wenn das Training leichter fällt.
Wirkungen von BCAA auf den Gehirnstoffwechsel
BCAA haben einen Einfluss aus die Psyche. Sie werden, ähnlich wie die Aminosäuren Phenylalamin, Tyrosin und Tryptophan vorbei an der Blut-Hirn Schranke ins Gehirn eingeschleust. Dieser Mechanismus kann jedoch durch ein geändertes Konzentrationsverhältnis dieser sechs Aminosäuren untereinander, z.B. durch eine vermehrte Verstoffwechselung der BCAA, gestört werden.
Die Folge ist ein vermehrtes Einströmen von Tryptophan und Phenylalanin, wodurch Serotonin und Tryptamin vermehrt synthetisiert werden können. Dies führt zu Ermüdung bis hin zur Bewusstlosigkeit (Coma Heptikum).
Eine Supplementierung durch BCAA kann diesen Zustand lindern und das Gleichgewicht der Aminosäuren zueinander wieder herstellen.
Die Ergänzungen von BCAA im Plasma erhält das Verhältnis zwischen BCAA und Tryptophan, wodurch weniger Serotonin gebildet wird und die Ausdauer des Sportlers verbessert wird.
Wirkungen auf den Fettabbau
Als Brennstoffe sind BCAA wichtig für die Kohlenhydratentleerung bei Athleten. Französische Wissenschaftler untersuchten wie der Fettabbau in einer kalorienbeschränkten Studie gesteigert werden kann (Bericht der Weider Research Group, Muscle & Fitness). 25 Ringer wurden in 4 Gruppen aufgeteilt. Alle vier Gruppen erhielten eine kalorienbeschränkte Ernährung mit 28 kcal je kg Körpergewicht. Die erste Gruppe erhielt eine ausgeglichene Ernährung, die zweite Gruppe ernährte sich proteinarm, die dritte ernährte sich proteinreich und die vierte Gruppe erhielt eine zusätzliche BCAA-Ergänzung.
Es wurde festgestellt, dass die Abnahme an Körperfett bei den Personen, die die BCAA-Ergänzung erhielten am größten war.
Wirkung bei Krankheiten
Trauma oder Operationen können im Körper einen erhöhten Bedarf an Aminosäuren entstehen lassen. In solchen Situationen, können BCAA einen Muskelabbau verhindern.
Auch bei Folgeerscheinungen von Alkoholismus sind BCAA wirkungsvoll eingesetzt worden. So sind sie hilfreich bei der Behandlung von Leberkoma, einer Leberschädigung in Folge von Alkoholismus, und konnten in manchen Fällen sogar einen Rückgang bewirken. Weiterhin können sie durch ihren Einfluss auf die Neurotransmitter des Gehirns helfen, einige ungünstige Wirkungen von chronischen Lebenserkrankungen zu verhindern.
Neuere Studien haben gezeigt, dass die drei Aminosäuren hilfreich in der Behandlung von ALS, auch bekannt als Lou-Gehring Krankheit sind. Hierbei handelt es sich um eine vielfach tödliche Krankheit mit starkem Muskelabbau, für die bisher noch keine andere effektive Behandlungsmethode gefunden worden ist. Während einer Pilotstudie (Studie des Department of Biochemistry der Oxford University in Oxford, England Studie) wurden neun ALS-Patienten mit BCAA behandelt. Acht von ihnen erlangten innerhalb der Dauer der Pilotstudie von einem Jahr ihre Muskelkraft wieder und waren weiterhin in der Lage zu Laufen. Fünf von neun Personen in der Kontrollgruppe verloren innerhalb der Versuchsdauer die Fähigkeit zu Laufen.
Diese Erkenntnisse können auch auf Sportler übertragen werden, um Muskelabbau in verletzungsbedingten Trainingspausen zu verhindern.
Bedarf
Mangel und Überangebot an BCAA
Durch Energiemangel eingetretene Verluste an freien verzweigtkettigen Aminosäuren müssen möglichst rasch wieder ersetzt werden, damit der Organismus nicht durch weitere Energiebereitstellung auf BCAA aus den körpereigenen Proteinen zurückgreifen muss.
Bei einem Überangebot an verzweigtkettigen Aminosäuren kommt es auch ohne Energiemangel zum Abbau, wobei Glukose bzw. Glycogen entsteht, im Extremfall sogar Fettsäuren (Lipogenese).
Außerdem fallen bei der Verbrennung (Verstoffwechselung) von 1 g BCAAs etwa 0,5 g Harnstoff an, die den Organismus (insbesondere der Nieren) zusätzlich belasten.
Grundbedarf an BCAA
Der Grundbedarf an essentiellen Aminosäuren, unter der Voraussetzung, dass die nicht-essentiellen Aminosäuren in ausreichender Menge vorhanden sind und gleichzeitig keine körperliche Aktivität stattfindet, wurde bereits 1949 von ROSE ermittelt. Demzufolge beträgt der mittlere Basisbedarf pro Tag:
Leucin 1,1 g
Isoleucin 0,7 g
und Valin 0,8 g
Bedarf bei Sportlern
Um jedoch belastungsbedingte Eiweißkatabolie (wie z.B. nach Ausdauerleistungen) auszugleichen oder anabole (muskelaufbauende) Zustände herzustellen, sind erheblich höhere Mengen notwendig. So werden je nach Körpergewicht und Trainingsbelastung bis zu 8 Mal mehr als der Basisbedarf an Aminosäuren benötigt.
Einsatz von BCAA als Sportsupplement
Als optimaler Zeitpunkt zur Einnahme von freien BCAA als Sportsupplement hat sich eine 1/2 bis 3/4 Stunde vor einem Muskelaufbautraining bewährt.
BCAA sollten immer in einem optimalen Verhältnis zueinander eingenommen werden.
Das Verhältnis ist:
Leucin: Isoleucin: Valin=> 1,1 : 0,7 : 0,8
Das Optimale Verhältnis:
Leucin (1,1) : Isoleucin (0,7) : Valin (0,8)
Eine optimale Dosis liegt bei 5 bis 20 g BCAA pro Tag, wobei 1-2 g je 10 kg Körpergewicht eingenommen werden sollten. Um den Verlust von Substanz durch Abbauvorgänge zu verhindern, sollte eine Einzeldosis 10 g jedoch nicht überschritten werden. Die Tagesdosis sollte maximal 50 g BCAA betragen.
Zusammenfassung:
Sportler haben einen erhöhten Bedarf an BCAA. Für Ausdauersportler ist es wichtig, rechtzeitig eine Ergänzungsmittel zu sich zu nehmen, um zu verhindern, dass körpereigenes Protein abgebaut wird und um Energiemangelzustände auszugleichen. Bodybuilder müssen insbesondere in der Definitionsphase darauf achten, genügend BCAA zuzuführen, um nicht in einen katabolen Zustand zu verfallen. Bei einem BCAA-Mangel besteht die Gefahr, dass Muskelmasse abgebaut wird.
Funktionen der BCAA im menschlichen Körper:
- - Bausteine fast aller Proteine
- - Alternative Energieträger, insbesondere für Muskelzellen
- - Förderung der Muskelproteinsynthese, insbesondere für Muskelzellen
- - Stimulation der Insulinausschüttung, insbesondere durch Leucin ohne Senkung der Blutglukosekonzentration
- - Normalisierung der Tryptophankonzentration im Gehirn und damit der Serotoninkonzentration
- - Hemmung des Proteinabbaus durch das Leucin-Abbauprodukt Ketoleucin (Erhalt von Muskelsubstanz auch unter typisch katabolen Bedingungen)
(Quelle: Friedrich Reuss, Bedeutung der verzweigtkettigen Aminosäuren in der Ernährung und Sportmedizin)
Quellen:
Muscular Development, Ausgabe November 1996 Seiten 184-204: BCAA Benefits depend on Route of Administration;
Muscle & Fitness Seiten 31-33 von Dr. Bob Lefavi: Optimierung des Trainings;
Muscle & Fitness, Ausgabe Oktober 1994 Seiten 82-85: Branched-chain Amino Acid research;
How BCAAs support peak Performance; Muscle & Fitness Seiten 107-110, von der Weider Research Group;
Muscle & Fitness Seite 142 Bodybuilding Wissenschaft (von der Weider Research Group);
Flex Seiten 89-91 Jerry Brainum High-Tech Ernährung, Nahrungspräparate der Zukunft;
Friedrich Reuss, Dipl- ehem., Aminosäuren, Die Bedeutung der verzweigtkettigen Aminosäuren in der Ernährung und Sportmedizin;
Volker Kitin, Das Body Konzept NGV1997;
Internet: www.adf.au; www.bodybuildingworld.com; www.paulun.com.
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