Energie aus Aminosäuren - Wundermittel Protein?

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1 Jeder von uns kennt die Versprechen der Eiweißshakes: Mehr Proteine machen dich schlank, jung und wunderschön. Aber was haben Proteine an sich, das diese Versprechen rechtfertigt? Dies ist der vierte Teil meiner Grundlagenreihe über die Energiegewinnung. Und was genau sind eigentlich Proteine? Proteine bestehen aus mehreren mit unterschiedlichen Bindungen verknüpften Aminosäuren. Um als Protein durchzugehen müssen es mindestens 100 Aminosäuren sein. Obwohl nur Pflanzen Aminosäuren aufbauen können, kennen die meisten vor allem tierische Proteinquellen. Das liegt daran, dass jedes Lebewesen seine ganz eigene Proteinstruktur hat. Die Zusammensetzung der Proteine von Tieren ist uns Menschen einfach ähnlicher und deshalb oft effizienter zum Muskelaufbau. Lese hier, wie du auch ohne tierisches Protein gut zurechtkommen kannst. Aber was sind Aminosäuren? Aminosäuren bestehen aus zwei funktionellen Gruppen: der Carboxylgruppe, auch Kohlenstoffanteil genannt, und der Aminogruppe. Die Aminogruppe besteht aus einem Stickstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Sie verbindet sich mit der Carboxylgruppe, die aus einem Wasserstoffatom und einem Rest besteht. Dieser Rest ist bei jeder Aminosäure unterschiedlich. Insgesamt gibt es etwa 20 proteinogene und 250 nicht-proteinogene Aminosäuren. Wie der Name schon sagt, bestehen Proteine nur aus den proteinogenen Aminosäuren. Hier soll es deshalb auch nur um diese gehen. Verdauung Wenn du über deine Ernährung Proteine zu dir nimmst, dann werden die Proteine bereits im Magen von Proteasen aufgespalten. Egal ob die Aminosäuren wieder zu Proteinen zusammengesetzt oder aufgebrochen werden sollen, zunächst müssen die Enzyme sie voneinander trennen. Das liegt an den unterschiedlichen Zusammensetzungen der Proteine, die sich immer von dem unterscheiden werden, was dein Körper braucht. Wann werden die Aminosäuren zur Energiegewinnung benutzt? Ob Aminosäuren zur Energiegewinnung genutzt werden oder nicht, hängt wie in der freien Marktwirtschaft von Angebot und Nachfrage ab. Haben wir gerade eine proteinreiche Mahlzeit hinter uns, werden die Nahrungsproteine vermehrt auch verstoffwechselt. Anders sieht es aus, wenn du Sport treibst und dann Protein zu dir nimmst. Dann wird der Körper das Protein lieber in Muskelprotein umbauen und weniger in Energie umsetzen. Isst du nach dem Sport aber keine Kohlenhydrate, um deinen Körper schnell wieder mit Energie zu 1/7

2 versorgen und die Glykogenspeicher aufzufüllen, dann wird es mit dem Muskelaufbau nichts. Denn dann zwingst du deinen Körper, die Aminosäuren in Energie und Glykogen umzuwandeln. Nur wenn du wirklich Hunger hast und dich über lange Zeit zu wenig bewegst, werden die Aminosäuren in größeren Mengen aus dem Muskelgewebe gezogen, aufgespalten und zur Energiegewinnung genutzt. Verstoffwechslung aus Aminosäuren Werden die Aminosäuren zur Energiegewinnung benutzt, werden zunächst die beiden funktionellen Gruppen voneinander getrennt. Das geschieht in der Leber. Durch die Abspaltung der Aminogruppe entsteht immer Ammoniak. Abspaltung der Aminogruppe Der Abbau der Aminogruppe kann auf drei unterschiedliche Arten ablaufen. Welche Aminosäure wie abgebaut wird, ist von dem Verbindungstyp zwischen den beiden funktionellen Gruppen abhängig. Aber bei jedem Reaktionstyp wird Ammoniak abgespalten. 1) Transaminierung Bei der Transaminierung wird die Aminogruppe auf eine Ketosäure übertragen. Dies geschieht mit Hilfe der Aminotransferase. Zusätzlich wird das Pyridoxalphophats gebraucht, das aus Vitamin B 6 entsteht. Dies geschieht beispielsweise bei der Aufspaltung von Aspartat. Die Aspartat-Aminotransferase (ASAT) überträgt die Aminogruppe auf Ketoglutarat. Es entstehen dadurch Oxalacetat und Glutamat. Auch die Aminogruppe von Alanin wird mittels der Alanin-Aminotransferase (ALAT) an Ketoglutarat gebunden. So entstehen Pyruvat und Glutamat. Das entstehende Glutamat kann dann oxidativ desaminiert werden. Das schauen wir uns gleich an. Die Transaminierung dient nicht nur der Aufspaltung von Aminosäuren, sondern auch der Herstellung von nicht-essentiellen Aminosäuren. 2) Desaminierung Die Desaminierung unterscheidet sich in eine oxidative und eine eliminierende Desaminierung. Die oxidative Desaminierung ist eine indirekte Abspaltung der Aminogruppe. Sie wird zunächst dehydriert und anschließend hydrolysiert. Als Coenzym wird NAD + benötigt, das den frei werdenden Wasserstoff aufnimmt. Da bei der Transaminierung zumeist Glutamat entsteht, ist die Desaminierung desselben auch die häufigste. In den Mitochondrien der Leber wird das Glutamat durch die Glutamatdehydrogenase (GLDH) aufgespalten. 2/7

3 GTP und ATP hemmen diesen Reaktionsschritt. Sie bezeugen, dass bereits genug Energie vorhanden ist. GDP und ADP treiben ihn schneller voran, da sie auf einen Energiebedarf hindeuten. Die eliminierende Desaminierung verläuft dagegen direkt und aktiv. Nur Serin und Threonin können direkt desaminiert werden. Hierbei wird die Aminogruppe durch Dehydratation eliminiert. 3) Decarboxylierung Der dritte Reaktionstyp geschieht über die Abspaltung der Carboxylgruppe der Aminosäure. Dadurch entsteht das biogene Amin der Aminosäure. Dieses übernimmt entweder Funktionen im Körper, wie beispielsweise GABA oder Histamin. Oder sie wird durch Aminooxidasen weiter abgebaut. Das in allen Schritten anfallende Ammoniak ist sehr giftig und muss deshalb über den Harnstoffzyklus abgebaut werden. Harnstoffzyklus Exkurs Harnstoffzyklus Das Ammoniak wird in der Leber direkt zu Harnstoff umgewandelt, um die toxische Wirkung aufzuheben. Dies geschiet in fünf Schritten. Sie finden zunächst ebenfalls in den Mitochondrien und später im Zytosol statt. Für jedes Molekül Ammoniak müssen vier ATP verbraucht werden. Allerdings entsteht Fumarat, das in den Citratzyklus eingeschleust werden kann. 3/7

4 Die Harnsäure wird später zum größten Teil über die Niere ausgeschieden. Abbau der Carboxylgruppe Bei dem Abbau des Kohlenstoffanteils wird es entscheidend, ob die Amminosäure glukogen oder ketogen ist. Beim Abbau der ersteren entstehen Produkte, die für die Glukogenese verwendet werden können. Die Abbauprodukte können je nach Aminosäure Pyruvat, α-ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat oder Oxalacetat sein. Die Abbauprodukte der ketogenen Aminosäuren -Acetyl-CoA und Acetoacetat- können nicht wieder zu Glukose umgewandelt werden. Sie dienen deshalb zur Synthese von Ketokörpern. Klassifikation Aminosäure Abbauprodukt Arganin, Glutamat, Glutamin, Histidin, Prolin α-ketoglutarat Alanin, Cystein, Glycin, Serin, Threonin, Tryptophan Pyruvat Glukogen Isoleucin, Methionin, Valin, Threonin Succinyl-CoA Phenylalanin, Tyrosin, Aspartat Fumarat Aspartat, Asparagin Oxalacetat Ketogen Leucin, Lysin Acetyl-CoA Leucin Acetoacetat Glukogen & Ketogen Isoleucin, Phenylalanin, Thyrosin, Tryptophan Acetyl-CoA & Acetoacetat Abbau zu Pyruvat Abbau zu Pyruvat Alanin, Serin, Threonin, Cystein, Glysin und Tryptophan können zu Pyruvat umgewandelt werden. Alanin ist hierbei die wichtigste Aminosäure, da ihr Abbau besonders einfach und effizient über die Alanin-Amino-Transferase (ALAT) geschieht. Im Hungerzustand wird vor allem Alanin aus den Muskeln gezogen und zur Energiegewinnung genutzt. 4/7

5 Abbau zu Oxalacetat Abbau zu Oxalacetat Asparagin kann dagegen zu Aspartat desaminiert werden. Aspartat wird durch die Aspartat-Transaminase in Oxalacetat umgewandelt. Oxalacetat kann anschließend in den Citratzyklus eingeschleust und zu Energie umgewandelt werden. Abbau zu α-ketoglutarat Abbau zu α- Ketoglutarat Glutamin, Prolin, Arginin und Histidin werden zunächst zu Glutamatumgewandelt. Glutamat kann dann zu α-ketoglutarat transaminiert werden. Auch α-ketoglutarat wird im Citratzyklus weiterverwendet. Abbau zu Succinyl-CoA Abbau zu Succinyl-CoA Isoleucin, Methionin und Valin werden durch Verbrauch eines ATP zu Methylmalonyl-CoA umgewandelt. Dieses wird dann weiter zu Succinyl-CoA verareitet. Für diesen letzten Schritt wird jedoch Vitamin B 12 benötigt. Succinyl-CoA wird ebenfalls im Citratzyklus eingeschleust. Abbau zu Acetoacetat 5/7

6 Isoleucin, Phenylalanin, Thyrosin, Tryptophan und Leucin werden zu dem Ketokörper Acetoacetat umgewandelt. Dieses kann zu Acetyl-CoA umgewandelt und in den Citratzyklus eingeführt werden. Abbau zu Acetyl-CoA Die gleichen Aminosäuren können aber wie auch Lysin direkt zu Acetyl-CoA umgewandelt werden. Acetyl-CoA kann in den Zellen direkt in den Citratzyklus einfließen. Acetoacetat kann dagegen auch in andere Zellen transportiert und dort zur Energiegewinnung genutzt werden. Hierzu muss die Zelle allerding die richtigen Enzyme haben. Mögliche Probleme Du siehst, die Energiegewinnung aus Aminosäuren ist recht kompliziert und stellt den Körper vor das Problem, Ammoniak abbauen zu müssen. Außerdem kann beim Abbau von Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Thyrosin und Tryptophan ein Ketokörper entstehen, was auf Dauer ebenfalls negative Auswirkungen auf den Körper haben kann. Ein bisschen Protein schadet jedoch nicht. Eine gewisse Menge ist sogar notwendig. Meine Empfehlung Es ist nichts verkehrt daran, dass dein Körper manchmal auf Aminosäuren zur Energiegewinnung zurückgreift. Wie bei den meisten Dingen macht erst die Menge das Gift. Wenn du also zwischenzeitig mal Hunger hast, dann mach dir nicht direkt Sorgen, dass du zu viel Ammoniak produzieren könntest. Wenn du deine Muskeln allerdings vor dem Alanin-Abbau bewahren möchtest, kannst du ihn auf zwei Wegen schützen. Zunächst greift dein Körper nur dann auf die Muskeln zurück, wenn er denkt, dass er sie eh nicht braucht. Wenn du also Sport machst und deine Muskeln beanspruchst, werden diese auch nicht abgebaut. Dann greift der Körper erst mal auf die Fettdepots zurück. Wenn du aus irgendeinem Grund gerade nicht ausreichend Fette und Kohlenhydrate zu dir nehmen möchtest, dann kannst du durch Proteinshakes verhindern, dass die Aminosäuren aus den Muskeln abgebaut werden. Hierfür solltest du dann aber besser gezielt Alanin zu dir nehmen. Dafür gibt es besondere Aminosäuren-Getränke. Obwohl du durch eine erhöhte Proteinzufuhr bei gleichzeitiger Verringerung von Fett und Kohlenhydraten natürlich schneller abnehmen kannst, ist dies jedoch wirklich nicht der gesündeste Weg zum Ziel. Wenn überhaupt ist eine solche Ernährung nur kurzzeitig machbar. Grundsätzlich gehen Experten davon aus, dass man eine Zufuhr von 2 Gramm Protein pro Kilogramm Körpergewicht auf keinen Fall überschreiten sollte. Du hast die vorherigen Artikel verpasst? Lese die vorherigen Artikel über Fett, Kohlenhydrate und Glukose einfach nach. 6/7

7 Quellen und weiterführende Literatur Löffler, G. et al.: Biochemie & Pathobiochemie de Marées, H.: Sportphysiologie Kirchner H. & Mühlhäußer J.: Basics Biochemie Rehner G. & Daniel H.: Biochemie der Ernährung Haller D. et al.: Biofunktionalität der Lebensmittelinhaltsstoffe Ebermann R. & Elmadfa I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung /7