Wie Du die anabole Kraft des Zellvolumens nutzen kannst

Intensives Training aktiviert die Proteinsynthese – aber nur dann, wenn die richtigen Nährstoffe vorhanden sind, um diese zu unterstützen.

Wenn Du Dich mit diesem Thema schon einmal etwas auseinandergesetzt hast, dann wirst Du wahrscheinlich mit dem Konzept des „anabolen Zeitfenster“ und der wichtigen Bedeutung der Ernährung rund um das Training vertraut sein.

Was während der Stunden nach dem Training auf zellularer Ebene geschieht, entscheidet über Deine langfristigen Zuwächse. Nutze dieses „anabole Zeitfenster“ zu Deinem Vorteil und Du wirst wachsen wie nie zuvor. Wenn Du dieses Zeitfenster kontinuierlich verpasst, dann... na ja, viel Glück.

Die richtigen Makronährstoffe zu den richtigen Zeiten zu Dir zu nehmen ist einer der Schlüssel zum Erfolg, aber diese Makronährstoffe sind nur ein Teil des großen Ganzen. Ein wichtiger, aber trotzdem häufig übersehener Aspekt der Muskelproteinsynthese ist das Zellvolumen. Ein gesteigertes Zellvolumen ist nicht einfach nur kosmetischer Natur, da es Deine Muskeln größer und praller erscheinen lässt – es ist gleichzeitig auch einer der wichtigsten treibenden Kräfte für den Aminosäuretransport und arbeitet im Hintergrund, um die Synthese von Protein zu aktivieren und einen Proteinabbau zu verhindern.

 

Zellvolumen: Das fehlende Bindeglied

Ein voller/voluminisierter Muskel ist ein anaboler Muskel. Auch wenn wir seit über 20 Jahren wissen, dass ein Anschwellen der Zellen in bestimmten Körpergeweben den Proteinabbau hemmt und die Proteinsynthese anregt (1-3), waren die Mechanismen, die das Zellvolumen mit der Muskelproteinsynthese verbinden, ein Mysterium.

Heute wissen wir, dass die Proteinsynthese durch das Enzym mTOR kontrolliert wird, welches durch mechanische Belastungen, Wachstumsfaktoren und die Aminosäure Leucin aktiviert wird.

Während alle diese drei Faktoren für den Trainingsstimulus wichtig sind, ist die mTOR Signalisierung vom Zellvolumen abhängig (4). Dies ist in der Skelettmuskulatur besonders wichtig, da hier eine Zellvoluminisierung die Glykogensynthese und die Proteinsynthese aktiviert und einen Proteinabbau hemmt (5, 6).

Der wissenschaftliche Durchbruch, der zur Entdeckung der Verbindung zwischen Zellvolumen und Proteinsynthese führte, wurde im Jahr 2005 erreicht, als eine Gruppe von Wissenschaftlern entdeckte, dass es mehr als einfach nur Leucin bedarf, um mTOR zu aktivieren – es wird zusätzlich auch Glutamin benötigt (7).

Dies war eine Überraschung. Auch wenn Glutamin als eine bedingt essentielle Aminosäure angesehen wird, die den Proteinabbau bei schweren Traumata und bei Stress hemmt, wurde diese Aminosäure zuvor nie mit einer mTOR Aktivierung in Verbindung gebracht.

Glutamin ist sowohl für die Leucin Aufnahme, als auch das Zellvolumen notwendig – beides Faktoren, die für eine Aktivierung der Proteinsynthese benötigt werden. Die Autoren der Studie konnten außerdem zeigen, dass eine zellulare Entleerung der Glutaminreserven nicht nur in einem reduzierten Zellvolumen resultierte, sondern auch die Fähigkeit von Leucin reduzierte, die Proteinsynthese zu aktivieren (7).

Dies war eine bahnbrechende Entdeckung, da sie eine direkte Verbindung zwischen Glutamin, Zellvoluminisierung und Proteinsynthese lieferte. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Glutamin für die Aktivierung der Proteinsynthese durch Leucin notwendig ist.

 

Kernaussagen dieser Studie:

• Glutamin wird von Leucin benötigt, um Zugang zur Zelle zu erhalten und die Proteinsynthese zu aktivieren.
• Eine von Glutamin induzierte Zellvoluminisierung ist notwendig, um mTOR und die Proteinsynthese zu aktivieren.

Auch wenn diese Studie nahelegte, dass Glutamin in sehr wichtiges Teil des Puzzles ist, welches das Zellvolumen und die Proteinsynthese miteinander verbindet, konnte der exakte Mechanismus erst im Jahr 2009 identifiziert werden, als Nicklin et al. entdeckten, dass der Glutaminexport mit dem Leucinimport und der mTOR Aktivierung gekoppelt ist (8).

Um Leucin in die Zelle zu transportieren, wird eine initiale Phase des „Glutaminladens“ benötigt. Dies zieht außerdem Wasser in die Zelle und erhöht so dass Zellvolumen. Nach der „Glutaminladephase“ wird Glutamin im Austausch gegen einen Import von Leucin in die Zelle, aus der Zelle transportiert.

Nicklin et al. entdeckten außerdem, dass die zellularen Glutaminspiegel der limitierende Faktor für die Aktivierung der Proteinsynthese durch Leucin sind. Wenn Zellen gleichzeitig mit Glutamin und einer Mischung aus EAAs, welche Leucin enthält, behandelt wurden, kam die Aktivierung der Proteinsynthese erst nach einer Verzögerung von 60 Minuten zustande. Wenn dieselben Zellen zuvor mit Glutamin „aufgeladen“ wurden, wurde die Proteinsynthese innerhalb von 1 bis 2 Minuten nach einer Zufuhr von Leucin aktiviert.

Dieses Resultat war wichtig, da es die Zeitverzögerung der Aktivierung der Proteinsynthese durch Leucin in diesem Experimentalmodell erklärte.

 

Kernaussagen dieser Studie:

• Glutamin ist der Faktor, der die Rate der Aktivierung der Proteinsynthese durch Leucin limitiert.
• Eine Zelle muss zuvor mit Glutamin aufgeladen werden, um Leucin zu importieren.

Diese Resultate gaben letztendlich Aufschluss über die zellulare Maschinerie, die den Aminosäuretransport reguliert und wie diese mit der Kontrolle der Proteinsynthese gekoppelt ist.

Diese Arbeiten müssen jedoch mit einem gewissen Grad der Vorsicht interpretiert werden. Ein wichtiger Vorbehalt ist, dass diese Studien in vitro (d.h. mit Zellkulturen) durchgeführt wurden, bei denen eine Regulierung der Proteinsynthese viel einfacher ist. Muskelzellen sind dazu in der Lage, Glutamin bei Bedarf aus anderen Aminosäuren herzustellen und eine Entleerung der Glutaminreserven in Zellkulturen ist für physiologischere Situationen in vivo nicht repräsentativ.

Hohe Raten der Proteinsynthese können weder mit noch ohne Glutamin Supplementation im Muskelgewebe nicht unendlich lange aufrecht erhalten werden. Glutamin kann jedoch verwendet werden, um die Proteinsynthese durch eine Optimierung der Zellvoluminisierung während der Phase nach dem Training strategisch zu unterstützen.

 

Tertiärer aktiver Transport (TAT): Wie Leucin in die Zelle gelangt

Zellen sind sehr beschäftigt und es gibt viele membrangebundene Ionenkanäle und Transportproteine, die den “Verkehr” in die Zelle und aus der Zelle heraus regulieren. Es gibt zwei Klassen von Aminosäuretransportern, die an dieser Stelle wichtig sind: Die „System L“ und die „System A“ Aminosäuretransporter sind am engsten mit der mTOR Signalisierung und der Proteinsynthese verbunden (8-10).

Die Aktivität von System L und System A Transportern ist miteinander gekoppelt, was es Leucin und den anderen BCAAs ermöglicht, in die Zelle aufgenommen zu werden (11). System L Transporter sind für den Zustrom von Leucin und der anderen BCAAs im Austausch gegen einen Strom von Glutamin aus der Zelle verantwortlich.

System A Transporter arbeiten jedoch über einen anderen Mechanismus, bei dem Glutamin an eine Natriumaufnahme gekoppelt ist (12, 13). Diese Koppelung von Natriumaufnahme und System L / System A Aminosäuretransportern wird als tertiärer aktiver Transport (kurz TAT) bezeichnet. Es ist dieser TAT, der Leucin letztendlich in die Zelle transportiert, was zu einer Aktivierung von mTOR und der Proteinsynthese führt (11).

Du kannst in der Abbildung unten sehen, wie der TAT funktioniert:

Als erstes verwendet eine membrangebundene Pumpe, die als Natrium-Kalium ATPase Pumpe (Na+/K+ ATPase, in der Abbildung oben rot dargestellt) bezeichnet wird, Energie aus ATP, um Natrium gegen den Konzentrationsgradienten aus der Zelle herauszutransportieren.

Die gesteigerte Natriumkonzentration außerhalb der Zelle ist mit dem Import von Glutamin durch den System A Transporter (in der Abbildung oben gelb dargestellt) in die Zelle gekoppelt. Der Glutamin und Natrium Einstrom in die Zelle zieht zusätzlich Wasser in die Zelle, was in einem Anschwellen der Zelle resultiert. Dies versetzt die Zelle in einen anabolen Zustand und bereitet die Proteinsynthesemaschinerie auf eine Aktivierung vor.

Wenn die Glutaminkonzentration innerhalb der Zelle hoch genug ist, werden die System L Transporter (in der Abbildung oben blau dargestellt) aktiviert, welche Glutamin im Austausch gegen eine Aufnahme von Leucin aus der Zelle heraustransportieren. Der Einstrom von Leucin in die Zelle ist der Auslöser der Proteinsynthese.

Auch wenn dieser Artikel bisher eine tolle Lektion in Biochemie war, ist die Entdeckung von TAT nicht nur für Zellbiologen wichtig. Nachdem wir jetzt wissen, wie das Zellvolumen an den Aminosäuretransport und die Proteinsynthese gekoppelt ist, können wir einige ernährungstechnische Strategien entwickeln, um diesen Prozess dann zu maximieren, wenn es am wichtigsten ist – während der kritischen Phase nach dem Training.

 

Strategie #1: Maximiere Deine Hydration

Die Proteinsynthese ist stark von der Zellhydration abhängig – auch wenn Du nur minimal dehydriert bist, dann ist Deine Fähigkeit, Dich von intensivem Training zu regenerieren, stark kompromittiert. Genug Wasser zu Dir zu nehmen sollte in diesem Zusammenhang eine Selbstverständlichkeit sein, aber Wasser alleine ist nicht genug.

Auch Elektrolyte wie Natrium, Kalium, Chlorid und Phosphat agieren als Osmolyte, da sie Wasser in die Zelle ziehen. Nach einer intensiven Trainingseinheit benötigen wir Wasser, Aminosäuren und Elektrolyte, um den Zellvoluminisierungsprozess, der die Proteinsynthese antreibt, zu maximieren.

Natrium, Magnesium, Kalzium, Kalium, Phosphat und Chlorid (um nur einige zu nennen) sind an dieser Stelle alle wichtig. Bis zu einem gewissen Level solltest Du vor Natrium vor oder nach dem Training nicht zurückschrecken (es sei denn, dies geschieht auf Anraten Deines Arztes). Wenn es Dir an Natrium mangelt, wird Dein Pump durch das Training nichtexistent sein und Natrium wird außerdem für die Glutaminaufnahme benötigt.

Um jegliche Raterei zu eliminieren kannst Du auf Elektrolytgetränke zurückgreifen, die das ideale Verhältnis von Elektrolyten enthalten, um Zellvolumen und Proteinsynthese zu unterstützen.

 

Strategie #2: Glutaminladen

Eine Glutaminaufnahme in die Zelle bewirkt eine Zellvoluminisierung und bereitet die Muskelzelle auf die Proteinsynthese vor. Wie bereits erwähnt wurde, ist ein voller/voluminisierter Muskel ein anaboler Muskel. Zusätzlich dazu, dass eine Zellvoluminisierung den Aminosäuretransport antreibt, erhöht sie auch die Glykogensynthese und hemmt einen Proteinabbau (4-6).

Die Proteinsynthese wird durch eine Entleerung der Glutaminreserven unterdrückt, was für hart trainierende Sportler enorme Auswirkungen hat. Nach einer intensiven Trainingseinheit setzt eine Entzündungsreaktion ein, welche es Immunzellen erlaubt, in beschädigtes Muskelgewebe zu gelangen und mit dem Reparatur-/Wiederaufbauprozess zu beginnen (14).

Glutamin wird von den Immunzellen so schnell aufgenommen, dass es als „Energieträger des Immunsystems“ angesehen wird (15). Es überrascht deshalb nicht, dass intensives Training ein starkes Absinken der Plasma Glutaminspiegel zur Folge hat (16-18).

Aus diesem Grund steigt der Glutaminbedarf während der Phase nach dem Training rapide an, da während dieser Zeit die Immunreaktion mit den Muskelzellen, die Glutamin benötigen, um die Aminosäureaufnahme und die Proteinsynthese vorzubereiten, um das verfügbare Glutamin konkurriert.

Ein vorzeitiges Aufladen der Zellen könnte außerdem potentiell die zeitliche Verzögerung der Leucin Aktivierung der Proteinsynthese reduzieren. Wenn Du es bisher noch nicht tust, solltest Du deshalb dringend darüber nachdenken 10 bis 15 Gramm Glutamin oder Glutaminpeptide direkt nach dem Training zu Dir zu nehmen.

Da BCAAs bevorzugte Substrate für die Muskelglutaminsynthese sind und da gezeigt werden konnte, dass diese die Glutaminproduktion steigern (19-21), sind BCAAs und Leucin während der Phase vor dem Training nützlich, um dabei zu helfen, die körpereigene Glutaminproduktion zu maximieren.

 

Strategie #3: Bereite den Pump vor

Kürzlich wurde entdeckt, dass der Konsum von EAAs die Expression der System A und System L Aminosäuretransporter erhöht (9). Wichtig ist hierbei, dass dies auf post-transkripionalem Level geschieht - also auf dem Level der Proteinsynthese, wenn existierende mRNAs in Proteine umgesetzt werden.

Im Vergleiche zur „de novo“ Proteinexpression – bei der es 16 Stunden oder länger dauern kann, um neue mRNAs zu synthetisieren, zu verarbeiten und zu transportieren – kann die post-transkriptionale Aktivierung der Proteinsynthese innerhalb von Minuten bis Stunden ablaufen, was es den Zellen erlaubt, die Spiegel bestimmter Proteine bei Bedarf schnell zu erhöhen.

Plötzlich haben wir einen noch größeren Anreiz, einen soliden Post-Workout Ernährungsplan in die Tat umzusetzen – eine EAA Zufuhr während der Phase vor und während dem Training zahlt sich nach dem Training durch eine Erhöhung der Expression von Aminosäuretransportern, eine Vorbereitung der Zellen auf eine maximale Aminosäureaufnahme und die Aktivierung der Proteinsynthese mehr als aus.

Neben isolierten EAAs sind schnell absorbierbare Protein Isolate und Hydrate während der Phase vor und während dem Training ideal.

 

Strategie #4: Die Insulin Verbindung

Insulin ist das anabolste Hormon unseres Körpers. Zusammen mit einer direkten Aktivierung der Proteinsynthese erhöht Insulin auch die Translokation der System A Aminosäuretransporter zur Zellmembran (22).

Dies bedeutet, dass Insulin bewirkt, dass mehr System A Transporter an der Zellmembran verfügbar und bereit sind, mehr Glutamin in die Zelle zu transportieren. Mehr Glutamin führt zu mehr Zellvolumen, was mehr Leucin in die Zelle schleust und letztendlich zu einer höheren Proteinsyntheserate führt.

Während EAAs die Expression von Aminosäuretransportern erhöhen, ist es das Insulin Signal, welches es diesen Aminosäuretransportern erlaubt, an die Oberfläche der Zelle zu gelangen, wo sie dann bereit stehen, um neue Aminosäuren in die Zelle zu transportieren.

Dies ist ein weiterer Grund dafür, dass Kohlenhydrate vor und während dem Training eine gute Idee sind, wenn Du Dich nicht gerade in einem extremen Fettabbaumodus befindest: Insulin erhöht die Kapazität des zellularen Aminosäuretransports.

 

Strategie #5: Insulin potenzierende Aminosäuren

Kohlenhydrate erhöhen die Insulinspiegel, aber auch bestimmte Aminosäuren können verwendet werden, um die Insulinausschüttung zu erhöhen. Glutamin ist ein wirkungsvoller Aktivator von Inkretin Hormonen, welche die Insulin produzierenden Zellen in der Bauchspeicheldrüse empfindlicher gegenüber Glukose machen (23). Auch Glycin verstärkt die Insulinausschüttung über einen anderen Mechanismus.

Auch wenn Kohlenhydrate nach dem Training bereits für sich alleine die Insulinspiegel erhöhen werden, kannst Du Deine Bauchspeicheldrüse durch eine Kombination dieser Insulin potenzierenden Aminosäuren mit Kohlenhydraten dazu bringen, noch mehr Insulin auszuschütten. Während es gut ist, die Insulinspiegel während der meisten Zeit im niedrigeren Bereich zu halten, werden erhöhte Insulinspiegel während der Phase rund um das Training den Aminosäuretransport, das Zellvolumen und die Proteinsynthese maximieren, während sie gleichzeitig einen Proteinabbau unterdrücken.

 

Strategie #6: Puffere die Laktatproduktion mit Hilfe von Beta-Alanin

Der Typ von intensivem anaerobem Training, der notwendig ist, um eine Menge Qualitätsmuskeln aufzubauen, führt zu einer beachtlichen Laktatproduktion, welche den pH Wert in den Muskeln senkt. Dies führt nicht nur zu einer früheren Muskelerschöpfung und Schwäche – auch bestimmte Aminosäuretransporter inklusive der System A Transporter werden durch einen niedrigen pH Wert in ihrer Aktivität gehemmt (13).

Wenn der pH Wert innerhalb der Muskulatur niedrig ist, wird die Aminosäureaufnahme reduziert, was die mTOR Aktivierung der Proteinsynthese hemmt (24). Es konnte außerdem gezeigt werden, dass eine Hemmung der System A Aminosäuretransporter durch einen niedrigen pH Wert den Proteinabbau steigert (25).

An dieser Stelle kommt Beta-Alanin ins Spiel. Erhöhte Muskelkarnosinspiegel agieren als natürlicher Säurepuffer und erhöhen die anaerobe Reizschwelle durch eine Hemmung der trainingsinduzierten Abnahme des pH Werts in der Muskulatur.

Doch Beta-Alanin besitzt noch eine weitere wichtige Funktion: es hilft dabei, die Proteinsynthese aufrecht zu erhalten und diese nach einem intensiven Training schneller zum laufen zu bringen, indem es eine Verminderung des Aminosäuretransports verhindert.

Um die Muskelkarnosinspiegel zu erhöhen, solltest Du täglich 3 Gramm Beta-Alanin zu Dir nehmen.

 

Zusammenfassung

Während intensiver Trainingseinheiten wird die Proteinsynthese reduziert und ein Proteinabbau aktiviert. Dies ist für hart trainierende Kraftsportler unvermeidlich. Der Grad, zu dem wir die katabolen Auswirkungen eines harten Trainings minimieren können und je schneller wir nach dem Training wieder zu einem anabolen Modus übergehen können, entscheiden letztendlich darüber, wie effizient wir uns regenerieren – und wie effizient wir wachsen werden.

Das richtige Timing der Makronährstoffe ist wichtig, stellt jedoch nur ein Mittel zum Zweck dar. Das Zellvolumen ist für den Aminosäuretransport und die Proteinsynthese die treibende Kraft. Wenn wir verstehen, wie der Aminosäuretransport funktioniert und wie er durch das Zellvolumen reguliert wird, dann können wir schneller mehr Leucin in unsere durch das Training beschädigten Muskelzellen transportieren, hierdurch das anabole Feuer zünden und letztendlich bessere Zuwächse erzielen.

Die oben beschriebenen Strategien sind effizient, praktisch und basieren auf den neusten wissenschaftlichen Untersuchungen. Verwende sie, um Deine Trainingsfortschritte auf die nächste Stufe zu heben.

 

Von Bill Willis, PhD 

Quelle: https://www.t-nation.com/supplements/how-to-harness-the-anabolic-power-of-cell-volume

 

Referenzen:

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2. Haussinger D, Hallbrucker C, vom DS, Lang F, Gerok W. Cell swelling inhibits proteolysis in perfused rat liver. Biochem J 1990;272:239-42.
3. Stoll B, Gerok W, Lang F, Haussinger D. Liver cell volume and protein synthesis. Biochem J 1992;287 ( Pt 1):217-22.
4. Schliess F, Richter L, vom DS, Haussinger D. Cell hydration and mTOR-dependent signalling. Acta Physiol (Oxf) 2006;187:223-9.
5. Low SY, Rennie MJ, Taylor PM. Involvement of integrins and the cytoskeleton in modulation of skeletal muscle glycogen synthesis by changes in cell volume. FEBS Lett 1997;417:101-3.
6. Low SY, Rennie MJ, Taylor PM. Signaling elements involved in amino acid transport responses to altered muscle cell volume. FASEB J 1997;11:1111-7.
7. Fumarola C, La MS, Guidotti GG. Amino acid signaling through the mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway: Role of glutamine and of cell shrinkage. J Cell Physiol 2005;204:155-65.
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10. Heublein S, Kazi S, Ogmundsdottir MH, Attwood EV, Kala S, Boyd CA, et al. Proton-assisted amino-acid transporters are conserved regulators of proliferation and amino-acid-dependent mTORC1 activation. Oncogene 2010;29:4068-79.
11. Baird FE, Bett KJ, MacLean C, Tee AR, Hundal HS, Taylor PM. Tertiary active transport of amino acids reconstituted by coexpression of System A and L transporters in Xenopus oocytes. Am J Physiol Endocrinol Metab 2009;297:E822-E829.
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