Leucin nimmt eine besondere Funktion im Proteinstoffwechsel ein. Die essentielle Aminosäure ist vorwiegend am Aufbau neuer Gewebe beteiligt und ist sehr effektiv für eine verstärkte Proteinbiosynthese in Muskulatur und Leber [17, 36]. Im Muskelgewebe hemmt Leucin den Proteinabbau und fördert den Erhalt sowie Aufbau von Muskeleiweiß [1, 41]. Zudem unterstützt die verzweigtkettige Aminosäure Heilungsprozesse [1].

Leucin spielt eine wesentliche Rolle bei:

• Kraft- und Ausdauersport
• STH-Sekretion
• Stress
• Erkrankungen und Diät

Leucin als Energielieferant im Kraft- und Ausdauersport
Leucin gelangt nach der Absorption über die Pfortader in die Hepatozyten (Leberzellen). Dort findet der Aminosäurenabbau statt. Von Leucin wird Ammoniak (NH₃) abgespalten, wodurch eine alpha-Ketosäure entsteht. Alpha-Ketosäuren können direkt zur Energiegewinnung genutzt werden. Zudem dienen sie als Vorstufe für die Synthese von Acetyl-Coenzym A [15, 16].

Acetyl-CoA ist wesentliches Ausgangsprodukt der Lipogenese – Bildung von Fettsäuren. Da Leucin eine ketogene Aminosäure darstellt, kann Acetyl-CoA als Produkt des Fettsäureabbaus auch zur Synthese von Ketonkörpern (Ketogenese) herangezogen werden. Sowohl Fettsäuren als auch die Ketonkörper Acetacetat und Betahydroxybutyrat stellen wichtige Energielieferanten des Körpers dar – vor allem bei körperlicher Belastung [1, 15, 16].

Ketonkörper werden insbesondere in Zeiten reduzierter Kohlenhydratzufuhr, zum Beispiel bei Fastenkuren oder in der Wettkampfvorbereitung in den Mitochondrien der Leber gebildet und dienen dem zentralen Nervensystem als Energiequelle. Das Gehirn kann im Hungerstoffwechsel bis zu 80 % der Energie aus Ketonkörpern beziehen. Die Deckung des Energiebedarfs aus Ketonkörpern während einer Nahrungskarenz dient der Einsparung von Glucose. So reduziert Leucin sowohl den Abbau von Glucose in Muskeln und Gehirn als auch den Katabolismus von Muskelprotein für die Gluconeogenese (Glucoseneubildung) [1].
Im Gegensatz dazu werden Isoleucin und Valin in Zeiten eines Kohlenhydratmangels hauptsächlich zur Gluconeogenese in Leber und Muskulatur verwendet.

Die Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und das Nierenmark können hingegen keine Ketonkörper zur Energiegewinnung nutzen und sind völlig auf Glucose angewiesen.

Beim Abbau von Glucose und Fettsäuren in der Muskulatur wird Adenosintriphosphat (ATP) gebildet, der wichtigste Energieträger der Zelle. Werden dessen Phosphatbindungen hydrolytisch durch Enzyme gespalten, entsteht das ADP beziehungsweise das AMP. Die dabei freiwerdende Energie ermöglicht chemische, osmotische oder mechanische Arbeit, wie beispielsweise Muskelkontraktionen. Nach der Verarbeitung in der Leber sind fast 70 % aller ins Blut gelangenden Aminosäuren BCAAs. Sie werden rasch von der Muskulatur aufgenommen [1]. In den ersten drei Stunden nach einer proteinreichen Mahlzeit machen Leucin, Isoleucin und Valin etwa 50-90 % der gesamten Aminosäurezufuhr der Muskeln aus [19]. Muskelgewebe besteht zu 20 % aus Proteinen. Die BCAAs sind Bestandteil dieser Muskelproteine, wozu im Einzelnen die kontraktilen Proteine Aktin, Myosin, Troponin und Tropomyosin, die Enzyme des Energiestoffwechsels, das Gerüsteiweiß alpha-Aktinin und das Myoglobin gehören [41]. Letzteres kann wie das Hämoglobin des Blutes Sauerstoff aufnehmen, transportieren und wieder abgeben. So ermöglicht Myoglobin dem langsam kontrahierenden Skelettmuskel eine aerobe Energiegewinnung [41].

Körperliche Anstrengung führt zur Oxidation von Aminosäuren. Bei diesem Vorgang werden Proteine zur Energiegewinnung verbrannt. Die entstehenden Stoffwechselprodukte haben unter anderem einen bedeutsamen Einfluss auf Wachstumsprozesse. Wird Leucin im Muskelgewebe oxidiert, so kommt es zur Bildung von Ketoisocaproat (KIC), das vermutlich den Proteinaufbau und damit das Muskelwachstum stimuliert [50]. Bei der Oxidation von KIC entsteht beta-Hydroxy-Methyl-Butyrat (HMB), welches den Abbau von Muskelprotein verhindert und damit zur Aufrechterhaltung der Muskelmasse beitragen kann [39, 41].

Die BCAAs fördern die Ausschüttung von Insulin aus den Beta-Zellen des Pankreas (Bauchspeicheldrüse), wobei Leucin die stärkste insulinstimulierende Wirkung aufweist [52]. Daneben steigern auch die Aminosäuren Arginin und Phenylalanin die Insulinfreisetzung. Hohe Insulinkonzentrationen im Blut beschleunigen die Aminosäureaufnahme in die Myozyten (Muskelzellen).

Ein erhöhter Transport von Aminosäuren in die Myozyten führt zu folgenden Prozessen [1, 25]

• verstärkter Proteinaufbau in der Muskulatur
• rascher Abfall der Konzentration des Stresshormons Cortisol, das den Muskelabbau fördert und die Aminosäuren-Aufnahme in die Muskelzellen hemmt
• bessere Einlagerung von Glykogen in die Myozyten, Aufrechterhaltung von Muskelgykogen

Schließlich resultiert aus einer Aufnahme von Lebensmitteln, die reich an Leucin, Isoleucin und Valin sind, ein optimaler Muskelaufbau und eine maximal beschleunigte Regeneration [1, 41].

Für den Ab- und Umbau der BCAAs sind Biotin, Vitamin B5 (Pantothensäure) und Vitamin B6 (Pyridoxin) unerlässlich. Nur infolge einer ausreichenden Versorgung mit diesen Vitaminen können die verzweigtkettigen Aminosäuren optimal verstoffwechselt und genutzt werden [1]. Ein Defizit an Vitamin B6 kann zu einem Leucin-Mangel führen [1].

Mehrere Studien zeigen, dass sowohl Ausdauersport als auch Krafttraining eine vermehrte Proteinzufuhr erfordern [29, 49]. Um eine positive Stickstoffbilanz aufrecht zu erhalten – entsprechend einem Gewebeneuaufbau –, liegt der tägliche Proteinbedarf bei Ausdauersportlern zwischen 1,2 und 1,4 g pro kg Körpergewicht und bei Kraftsportlern bei 1,7-1,8 g pro kg Körpergewicht [30].

Während des Ausdauersports werden insbesondere Leucin, Isoleucin und Valin zur Energiegewinnung herangezogen. Die Energiebereitstellung aus diesen Aminosäuren steigt, wenn sich die Glykogenspeicher in Leber und Muskulatur mit fortschreitender körperlicher Aktivität zunehmend entleeren [31]. Der Ursache dafür liegt darin, dass der Organismus bei sportlicher Belastung zunächst auf Glucose zur Energiegewinnung zurückgreift. Steht nicht mehr ausreichend Glucose zur Verfügung, werden Proteine aus Leber und Muskulatur abgebaut. Schließlich sollten Ausdauersportler sowohl ausreichend Kohlenhydrate als auch Proteine mit der Nahrung zu sich nehmen, um einem Proteinabbau vorzubeugen.

Auch Kraftsportler sollten auf eine hohe Zufuhr verzweigtkettiger Aminosäuren achten, insbesondere vor dem Training. So greift der Organismus während der körperlichen Anstrengung nicht auf eigene BCAAs aus der Muskulatur zurück und der Proteinkatabolismus wird verhindert. Auch nach dem Training ist die Versorgung mit BCAAs empfehlenswert. Leucin hebt nach Beendigung des Trainings schnell den Insulinspiegel an, stoppt den durch die vorangegangene Belastung verursachten Proteinabbau und leitet einen erneuten Muskelaufbau ein [41, 52]. Darüber hinaus haben BCAAs einen gesteigerten Fettabbau zur Folge [38].

Um Leucin optimal in Hinsicht des Muskelaufbaus nutzen zu können, sollte auf die Zufuhr von hochwertigem Protein mit einem hohen Gehalt an Leucin geachtet werden. Ein Protein ist dann hochwertig, wenn es einerseits essentielle und nichtessentielle Aminosäuren in einem ausgewogenen Verhältnis enthält. Andererseits spielt der Anteil des absorbierten Nahrungsproteins eine Rolle, der im Körper zur Deckung des individuellen Bedarfs für definierte physiologische Funktionen retiniert wird [2, 8, 41, 47].

Empfehlenswert ist auch die gemeinsame Aufnahme der verzweigtkettigen Aminosäuren im Verhältnis Leucin:Isoleucin:Valin = 1-2:1:1 in Verbindung mit anderem Protein [1]. Durch die isolierte Zufuhr von Isoleucin oder Leucin oder Valin kann die Proteinbiosynthese für den Muskelaufbau zeitweilig gestört werden [1].

Eine alleinige Zufuhr der BCAAs ist vor allem vor einem Ausdauertraining aufgrund der Oxidation unter Belastung und des Harnstoffanfalls kritisch zu betrachten [42]. Beim Abbau von 1 Gramm BCAAs entsteht etwa 0,5 Gramm Harnstoff. Zu hohe Harnstoffkonzentrationen belasten den Organismus. Deshalb ist im Zusammenhang mit der BCAAs-Zufuhr eine erhöhte Flüssigkeitszufuhr entscheidend. Mit Hilfe von viel Flüssigkeit kann der Harnstoff schnell über die Nieren eliminiert werden. Bei Ausdauerbelastungen ist schließlich eine erhöhte Aufnahme von Isoleucin, Leucin oder Valin abzuwägen [1].

Zu Leistungsverbesserungen für den Ausdauersportler kommt es nur, wenn die BCAAs beim Höhentraining [45] oder beim Training in großer Hitze [37] eingesetzt werden.

Infolge einer hohen Proteinzufuhr oder körperlicher Belastung fallen infolge eines Proteinabbaus hohe Mengen an Stickstoff in Form von Ammoniak (NH₃) an. Dieser wirkt in höheren Konzentrationen neurotoxisch und kann beispielsweise eine hepatische Enzephalopathie zur Folge haben [2, 8, 47]. Bei dieser Erkrankung handelt es sich um eine potentiell reversible Funktionsstörung des Gehirns, die durch eine unzureichende Entgiftungsfunktion der Leber entsteht. Vor allem können Leucin und Isoleucin durch vermehrte Proteinbiosynthese (Neubildung von Proteinen) und verminderten Proteinabbau den Gehalt an freiem toxischen Ammoniak in der Muskulatur verringern – ein bedeutender Vorteil für den Sportler. In der Leber halten Arginin und Ornithin die Ammoniak-Konzentration auf einem niedrigen Niveau [1].

Wissenschaftliche Studien haben ergeben, dass die Gabe von 10-20 Gramm BCAAs unter Belastung eine mentale Ermüdung hinauszögern kann [5, 6 12]. Es gibt jedoch noch keine Hinweise darauf, dass die verzweigtkettigen Aminosäuren zu einer Leistungssteigerung führen [10, 34, 51]. Ebensowenig konnte eine verbesserte Anpassung an das Training nachgewiesen werden [13, 54].

Effektivität oraler Leucin-Zufuhr für vermehrte STH-Sekretion

Somatotropes Hormon (STH) steht für Somatotropin, ein in der Adenohypophyse – Hypophysenvorderlappen – gebildetes Wachstumshormon. Es wird schubweise ausgeschüttet und innerhalb kurzer Zeit in der Leber abgebaut. Im Anschluss werden Somatomedine (Wachstumsfaktoren) synthetisiert. STH beziehungsweise Somatomedine sind für ein normales Längenwachstum unerlässlich. Vor allem in der Pubertät ist dessen Produktion sehr ausgeprägt. STH wirkt auf fast alle Gewebe des Körpers, insbesondere auf Knochen, Muskeln und Leber. Ist die genetisch festgelegte Körpergröße erreicht, regelt Somatotropin hauptsächlich das Verhältnis von Muskelmasse zu Fett.

Das Wachstumshormon wird insbesondere in den ersten Stunden des Tiefschlafs und in den Morgenstunden kurz vor dem Erwachen – diurnaler Rhythmus – ausgeschüttet. Zudem kommt es infolge energieverbrauchender Prozesse zu einer gesteigerten STH-Produktion, wie beispielsweise bei Verletzungen, emotionalem Stress, beim Fasten und Körpertraining [1]. Die Gründe dafür sind unter anderem niedrige Blutzuckerspiegel beim Fasten beziehungsweise hohe Laktat-Werte bei intensivem Training, die die STH-Sekretion anregen [1, 9, 11, 28, 48].

Eine erhöhte Konzentration von Somatotropin im Blut bewirkt nun eine verminderte Aufnahme von Glucose in die Zellen, wodurch der Blutzuckerspiegel ansteigt. In der Folge wird vermehrt Insulin aus dem Pankreas (Bauchspeicheldrüse) ausgeschüttet. Somatotropin und Insulin wirken zusammen. Beide Hormone steigern bei erhöhtem körperlichen Energiebedarf die Transportrate von Aminosäuren in die Zellen von Muskulatur und Leber und fördern damit die Proteinbiosynthese beziehungsweise den Aufbau von neuem Gewebe [1]. Des Weiteren führen Somatotropin und Insulin zur Mobilisierung von freien Fettsäuren aus den körpereigenen Fettdepots, die zur Energiegewinnung genutzt werden. Damit wird der Fettabbau verstärkt [1].

Um eine normale STH-Produktion aufrechtzuerhalten oder sogar zu steigern, ist eine ausreichende Versorgung mit den Vitaminen des B-Komplexes, vor allem mit Vitamin B6 (Pyridoxin) von Bedeutung. Ein Defizit an Vitamin B6 vermindert die STH-Ausschüttung um bis zu 50 %. Zudem beeinflusst ein Pyridoxin-Mangel die Insulin-Synthese negativ. Auch die Mineralstoffe Calcium, Magnesium und Kalium sowie das Spurenelement Zink spielen im STH-Regelkreis eine bedeutsame Rolle. Studien zur Folge konnte bei Personen, die an einem Zinkmangel leiden, eine signifikant niedrige Sekretion von Wachstumshormonen und eine gestörte Bildung von Keimdrüsenhormonen festgestellt werden [1, 46].

Mehrere wissenschaftliche Studien zeigen, dass durch eine Supplementierung mit Leucin, Isoleucin und Valin der durch körperliche Belastung induzierte Anstieg der STH-Ausschüttung leicht erhöht werden konnte. Somit begünstigen die BCAAs über eine gesteigerte Sekretion von Somatotropin einen anabolen beziehungsweise antikatabolen Eiweißstoffwechsel. Der Prozess des Aufbaus von Muskeleiweiß wird beschleunigt und die Fettverbrennung stimuliert – sowohl für sportliche als auch diätbewusste Personen ein willkommener Effekt [1, 9, 11, 28, 48].

Solch eine Wirkung konnte auch durch eine Untersuchung gestützt werden, in der eine tägliche Zufuhr von 14 g verzweigtkettigen Aminosäuren in einem Zeitraum von 30 Tagen zu einer Erhöhung der fettfreien Körpermasse führte [41].

Leucin bei Situationen mit stressbedingter Belastung

Bei erhöhtem körperlichen und physischen Stress, beispielsweise bei Verletzungen, Krankheit und Operation, baut der Körper verstärkt Proteine ab. Eine erhöhte Zufuhr von leucinreichen Lebensmittels kann dem entgegenwirken. Der Proteinkatabolismus wird gestoppt, indem Leucin den Insulinspiegel rasch anhebt, die Aminosäureaufnahme in die Zellen fördert und den Proteinaufbau stimuliert [1, 44]. Der Proteinanabolismus ist bedeutend für die Neubildung von Körpergewebe beziehungsweise zur Abheilung der Wunden und um die Widerstandskraft gegenüber Infektionen zu erhöhen.

Schließlich hilft Leucin, den Stoffwechsel und die Abwehrkräfte zu regulieren. Auf diese Weise können bei erhöhtem körperlichen Stress wichtige Muskelfunktionen unterstützt werden.

Leucin bei Krankheiten und Diäten

Akut Erkrankte oder Genesende haben einen erhöhten Bedarf an essentiellen Aminosäuren. Aufgrund einer häufig unzureichenden Zufuhr von hochwertigem Protein und einer eingeschränkten Nahrungsaufnahme ist eine verstärkte Aufnahme von insbesondere Leucin, Isoleucin und Valin zu empfehlen. BCAAs können die Rekonvaleszenz – Genesung – beschleunigen [1].

Spezifische Vorteile von Leucin ergeben sich bei folgenden Erkrankungen:

• Fibromyalgie [41]
• Leberzirrhose [24, 26, 40, 41]
• Hepatische Enzephalopathie [3, 12, 14, 27, 41]
• Coma hepaticum [1]
• Schizophrenie [44]
• Phenylketonurie (PKU) [4]
• Dystones Syndrom [43]

Fibromyalgie
Fibromyalgie ist eine chronische Schmerzerkrankung mit Symptomen des Gelenk- beziehungsweise Bewegungsapparates. Patienten, insbesondere Frauen zwischen 25 und 45 klagen über diffuse Schmerzen des Muskel- und Skelettsystems vor allem bei Belastung, Steifheit, leichte Erschöpfbarkeit, Konzentrationsstörungen, einen nicht-erholsamen Schlaf und eine erheblich verringerte geistige und körperliche Leistungsfähigkeit [22, 35, 53]. Ein typisches Merkmal für die Fibromyalgie sind spezielle druckdolente Stellen am Körper.

Mehrere Hinweise sprechen dafür, dass unter anderem ein Mangel an BCAAs für die Entstehung der Fibromyalgie eine Rolle spielt. Da die BCAAs für den Protein- und Energiestoffwechsel des Muskels unentbehrlich sind, führen zu geringe BCAAs-Konzentrationen zu einem muskulären Energiedefizit, das der Auslöser der Fibromyalgie sein könnte. Außerdem lassen sich bei Betroffenen deutlich verminderte Serumspiegel an Leucin, Isoleucin und Valin erkennen [22, 35, 53].

Dementsprechend können die verzweigtkettigen Aminosäuren der Pathogenese der Fibromyalgie entgegenwirken sowie die Behandlung dieser Erkrankung günstig beeinflussen [22, 35, 53].

Leberzirrhose, hepatische Enzephalopathie und Coma hepaticum
Leberzirrhose ist das Endstadium chronischer Lebererkrankungen und entwickelt sich über einen Zeitraum von Jahren bis Jahrzehnten. Patienten weisen infolge eines fortschreitenden Gewebeunterganges eine gestörte Struktur des Lebergewebes mit knotigen Veränderungen und einer übermäßigen Bildung von Bindegewebe – Fibrosierung – auf. Schließlich kommt es zu Durchblutungsstörungen, die dazu führen, dass das Blut der Pfortader – Vena portae – aus den unpaaren Bauchorganen nicht ordnungsgemäß der Leber zugeführt werden kann. Das Blut staut sich so an der Leberpforte an (portale Hypertension).

Patienten mit Leberzirrhose bauen endogene Proteine, insbesondere Muskelmasse, schneller ab als Gesunde. Trotz des höheren Bedarfs dürfen sie nicht zu viel Eiweiß mit der Nahrung zu sich nehmen, da dessen zirrhotische Leber den durch den Proteinabbau entstehenden toxisch wirkenden Ammoniak (NH₃) über den Harnstoffzyklus nur eingeschränkt entgiften kann. Bei zu hohen NH₃-Konzentrationen besteht die Gefahr einer hepatischen Enzephalopathie, eine durch eine unzureichende Entgiftungsfunktion der Leber entstehende subklinische Funktionsstörung des Gehirns [26, 41].

Eine hepatische Enzephalopathie ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet [3, 14, 27, 41]:

• psychische und neurologische Veränderungen
• Abnahme der praktischen Intelligenz und Konzentrationsfähigkeit
• verstärkte Müdigkeit
• verringerte Fahrtauglichkeit
• Beeinträchtigung bei manuellen Berufen

Vermutet wird, dass 70 % der Patienten mit Leberzirrhose unter einer latenten hepatischen Enzephalopathie leiden, die Vorstufe der manifesten hepatischen Enzephalopathie [3, 14, 27, 41].

Beim Coma hepaticum handelt es sich um die schwerste Form der hepatischen Enzephalopathie (Stadium 4). Aus der Nervenschädigung im zentralen Nervensystem resultiert unter anderem Bewusstlosigkeit ohne Reaktion auf Schmerzreize (Koma), Erlöschung der Muskeleigenreflexe und Muskelsteife mit Beuge- und Streckhaltung.

Patienten mit und ohne hepatische Enzephalopathie weisen in der Regel reduzierte Plasma-Konzentrationen an verzweigtkettigen Aminosäuren und erhöhte Plasma-Spiegel an den aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin auf. Zudem zeigt die Konzentration an freiem Tryptophan einen leichten Anstieg [41]. Die Ursache für diese Aminosäuren-Disbalance könnte neben dem beschleunigten Eiweißabbau auch das hormonelle Ungleichgewicht zwischen Insulin und Glukagon sein, das bei Patienten mit Leberzirrhose häufig auftritt [3, 41].

Insulin wird aufgrund der Unterfunktion der Leber in überschüssigen Mengen produziert. Das führt zu einer deutlich erhöhten Insulinkonzentration im Serum, die für einen verstärkten Transport von Aminosäuren, darunter auch Leucin, in die Muskulatur sorgt. Im Blut ist die Leucinkonzentration demzufolge erniedrigt. Da die BCAAs und die essentielle Aminosäure Tryptophan im Blut dasselbe Transportsystem, das heißt die gleichen Carrierproteine verwenden, kann Tryptophan aufgrund des geringen Serum-Leucinspiegels viele freie Carrier besetzen und in Richtung Blut-Hirn-Schranke transportiert werden.

L-Tryptophan konkurriert mit 5 anderen Aminosäuren an der Blut-Hirn-Schranke um das Eindringen in die Nährflüssigkeit des Gehirns – und zwar mit den BCAAs und aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin. Aufgrund des Tryptophanüberschusses im Gehirn wird neben Tyrosin und den BCAAs auch Phenylalanin verdrängt, die Vorstufe der Katecholamine, wie zum Beispiel die Stresshormone Adrenalin und Noradrenalin. Schließlich kann Tryptophan die Blut-Hirn-Schranke ungehindert überwinden. Wegen der Phenylalanin-Verdrängung bleibt die Sympathikus-Aktivierung im Gehirn aus, wodurch die Katecholaminsynthese im Nebennierenmark eingeschränkt wird.

Im Zentralnervensystem wird Tryptophan in Serotonin umgebaut, das als Gewebshormon beziehungsweise inhibitorischer (hemmender) Neurotransmitter im zentralen Nervensystem, Darmnervensystem, Herzkreislaufsystem und im Blut fungiert. Die erhöhten Tryptophanspiegel ziehen schließlich eine gesteigerte Serotoninproduktion nach sich. Bei Leberfunktionsstörungen können übermäßige Mengen an Serotonin nicht abgebaut werden, was wiederum zu starker Ermüdung bis hin zur Bewusstlosigkeit – Coma hepaticum – führt [1].

Andere Autoren hingegen sehen neben der erhöhten Serotoninausschüttung noch einen weiteren Grund für die Entwicklung der hepatischen Enzephalopathie beziehungsweise des Coma hepaticums [Bernadini, Gerok, Egberts, Kuntz, Reglin].
Aufgrund der geringen Serumkonzentration der BCAAs bei Leberzirrhose-Patienten können die aromatischen Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan ohne große Konkurrenz die Blut-Hirn-Schranke überwinden und ins Zentralnervensystem gelangen. Dort werden Phenylalanin und Tyrosin anstatt zu Katecholaminen zu "falschen" Neurotransmittern, wie Phenyläthanolamin und Octopamin umgebaut. Diese stellen im Gegensatz zu den Katecholaminen keine Sympathomimetika dar, das heißt, sie können an den sympathischen Alpha- und Beta-Rezeptoren des Herzkreislaufsystems keine oder nur eine sehr geringfügig anregende Wirkung entfalten. Tryptophan wird im Zentralnervensystem verstärkt zur Serotonin-Synthese herangezogen.
Schließlich werden beide Faktoren, sowohl die Bildung falscher Neurotransmitter als auch die gesteigerte Serotonin-Produktion für das Auftreten der hepatischen Enzephalopathie beziehungsweise des Coma hepaticums verantwortlich gemacht [3, 12, 14, 27, 41].

Eine verstärkte Zufuhr von Leucin verhindert über den Mechanismus der Verdrängung von Tryptophan, Phenylalanin und Tyrosin an der Blut-Hirn-Schranke und der Hemmung der Aufnahme dieser Aminosäuren in das Zentralnervensystem eine gesteigerte Bildung von Serotonin sowie falschen Neurotransmittern. Auf diese Weise wirkt Leucin einem Auftreten des Coma hepaticums entgegen [1, 41].

Des Weiteren trägt Leucin dazu bei, den Ammoniakgehalt im Körper auf einem geringen Niveau zu halten. Dies ist ein bedeutsamer Vorteil für Patienten mit Leberzirrhose, denn diese sind nicht in der Lage, NH₃ ausreichend zu entgiften. Ammoniak sammelt sich an und fördert in hohen Konzentrationen die Entwicklung der hepatischen Enzephalopathie. Indem Leucin im muskulären Gewebe die Proteinbiosynthese anregt und den Eiweißabbau hemmt, wird mehr Ammoniak eingebaut und weniger Ammoniak freigesetzt. Zudem kann Leucin sowohl in der Muskulatur als auch im Gehirn zu Glutamat umgewandelt werden, einer wichtigen Aminosäure im Stickstoff (N)-Stoffwechsel, die unter Bildung von Glutamin überschüssigen Ammoniak bindet und somit vorläufig entgiftet. Zur endgültigen Entgiftung wird NH₃ in den Hepatozyten (Leberzellen) in Harnstoff umgebaut, der als untoxische Substanz über die Nieren eliminiert wird. Die BCAAs stimulieren den Harnstoffzyklus und fördern damit die NH₃-Ausscheidung [3, 12, 14, 26, 27, 41].

Die Wirksamkeit von Leucin, Isoleucin und Valin in Hinblick auf die hepatische Enzephalopathie konnte in einer randomisierten, placebokontrollierten Doppelblindstudie bestätigt werden. Über einen Zeitraum von 3 Monaten sollten 64 Patienten täglich 0,24 g/kg Körpergewicht verzweigtkettige Aminosäuren aufnehmen. Das Resultat war eine signifikante Verbesserung der chronischen hepatischen Enzephalopathie im Vergleich zu Placebo [3, 12, 14, 27, 41].

In einer placebokontrollierten Doppelblind-Cross-over-Studie bekamen Patienten im Stadium der latenten hepatischen Enzephalopathie täglich 1 g Protein/kg Körpergewicht und 0,25 g verzweigtkettige Aminosäuren/kg Körpergewicht. Bereits nach einer 7-tägigen Behandlungsdauer wurde neben einer verminderten Ammoniak-Konzentration eine eindeutige Verbesserung psychomotorischer Funktionen, der Aufmerksamkeit und der praktischen Intelligenz festgestellt [26].

Des Weiteren wurde in einer randomisierten Doppelblindstudie über einen Zeitraum von einem Jahr die Effektivität der BCAAs bei Patienten mit fortgeschrittener Leberzirrhose überprüft. Das Ergebnis war ein geringeres Mortalitäts- und Morbiditäts-Risiko. Zudem konnte die Anorexia nervosa und Lebensqualität der Patienten positiv beeinflusst werden. Die durchschnittliche Zahl der Krankenhausaufenthalte war erniedrigt und die Leberfunktion stabil oder sogar verbessert [3, 12, 14, 27, 41].

Es gibt jedoch auch Untersuchungen, die keinen wesentlichen Zusammenhang zwischen BCAAs und Lebererkrankungen nachweisen konnten [41]. Dennoch empfiehlt sich bei Patienten mit Leberfunktionsstörungen die Supplementierung mit Leucin, Isoleucin und Valin aufgrund ihrer günstigen Wirkung auf den Proteinstoffwechsel, insbesondere bei Patienten mit beeinträchtigter Proteintoleranz.

Übersicht über wichtige Wirkungen von verzweigtkettigen Aminosäuren auf den Proteinstoffwechsel [41]:

• Verbesserung der Stickstoffbilanz
• Erhöhung der Eiweißverträglichkeit
• Normalisierung des Aminosäuren-Musters
• Verbesserung der zerebralen Durchblutung
• Förderung der Ammoniak-Entgiftung
• Verbesserung der Transaminasen-Werte und der Koffein-Clearance
• positive Beeinflussung des mentalen Status

Schizophrenie
Indem die BCAAs den Tyrosinspiegel im Blut und damit auch im zentralen Nervensystem reduzieren, kann Leucin in der orthomolekularen Psychiatrie eingesetzt werden, zum Beispiel bei Schizophrenie. Tyrosin ist der Vorläufer von Dopamin, ein Neurotransmitter im Zentralnervensystem aus der Gruppe der Catecholamine. Eine übermäßig hohe Dopaminkonzentration in bestimmten Hirnarealen führt zu einer zentralnervösen Übererregbarkeit und wird mit den Symptomen der Schizophrenie in Verbindung gebracht, wie Ich-Störungen, Denkstörungen, Wahnbildung, motorische Unruhe, sozialer Rückzug, emotionale Verarmung und Willensschwäche [44].

Phenylketonurie
Mit Leucin, Isoleucin und Valin lassen sich auch spezifische Vorteile bei der Behandlung der Phenylketonurie (PKU) erzielen. PKU ist eine angeborene Stoffwechselstörung, bei der das Phenylalanin-Hydroxylase-System defekt ist. Aufgrund der eingeschränkten Aktivität des Enzyms Phenylalanin-Hydroxylase, die Tetrahydrobiopterin (BH4) als Coenzym besitzt, kann die Aminosäure Phenylalanin nicht abgebaut werden. Als Krankheitsursache wurden sowohl Mutationen des Phenylalanin-Hydroxylase-Gens als auch genetische Defekte des Biopterinstoffwechsels identifiziert. Bei Betroffenen lässt sich die Erkrankung in Form erhöhter Serum-Phenylalaninspiegel erkennen. Infolge der Anreicherung von Phenylalanin im Organismus, steigen die Konzentrationen dieser Aminosäure im Liquor und verschiedenen Geweben. An der Blut-Hirn-Schranke verdrängt Phenylalanin andere Aminosäuren, wodurch die Aufnahme von Leucin, Isoleucin, Valin, Tryptophan und Tyrosin in das zentrale Nervensystem sinkt, während die von Phenylalanin steigt. Infolge der Aminosäuren-Imbalance im Gehirn wird die Bildung der Katecholamine – Adrenalin, Noradrenalin und Dopamin –, der Neurotransmitter Serotonin und DOPA sowie des Pigments Melanin, das beim Menschen die Färbung der Haut, Haare oder Augen bewirkt, auf ein Minimum reduziert. Aufgrund des Melanin-Mangels weisen Patienten eine auffällig helle Haut und helle Haare auf [7, 20, 23, 32, 33].

Werden Säuglinge mit Phenylketonurie nicht rechtzeitig behandelt, zieht die überdurchschnittlich hohe Phenylalanin-Konzentration im Zentralnervensystem neurologisch-psychiatrische Störungen mit sich. Diese führen zur Nervenschädigung und in der Folge zu schweren geistigen Entwicklungsstörungen. Bei Betroffenen wurden Intelligenzdefekte, Störungen der Sprachentwicklung sowie Verhaltensanomalien mit Hyperaktivität und Destruktivität beobachtet. Etwa 33 % der Patienten leiden zudem unter Epilepsie – spontan auftretende Krampfanfälle [7, 20, 32, 33].

Solche schweren zerebralen Störungen können bei Patienten, die sich bereits phenylalaninarm ernähren, durch eine erhöhte BCAAs- Zufuhr deutlich gelindert oder sogar vermieden werden. Ein hoher Serum-Leucinspiegel vermindert die Bindung von Phenylalanin an Transportproteine im Blut und dessen Konzentration an der Blut-Hirn-Schranke, wodurch die Phenylalanin-Aufnahme in das Gehirn reduziert wird. So kann mit Hilfe der BCAAs eine abnorm hohe Phenylalaninkonzentration sowohl im Blut als auch im Gehirn normalisiert werden [4].

Dystones Syndrom
Des Weiteren ergeben sich mit Hilfe der verzweigtkettigen Aminosäuren Vorteile für Personen mit sogenanntem dystonen Syndrom (Dyskinesia tarda). Diese Erkrankung ist unter anderem durch unwillkürliche Bewegungen der Gesichtsmuskulatur, zum Beispiel krampfartiges Herausstrecken der Zunge, durch Schlundkrämpfe, krampfartige Reklination des Kopfes und Überstreckung von Rumpf und Extremitäten, Schiefhals sowie torsionsartige Bewegungsabläufe im Hals- und Schultergürtelbereich bei erhaltenem Bewusstsein gekennzeichnet [43].

Diäten
Diätbewusste Personen, die häufig eine unzureichende Versorgung mit Protein aufweisen oder vorwiegend Lebensmittel mit geringem Leucin-Gehalt verzehren, haben einen gesteigerten Bedarf an BCAAs. Die Aufnahme von Leucin, Isoleucin und Valin sollte schließlich erhöht sein, damit der Körper langfristig nicht auf eigene Proteinreserven, wie zum Beispiel aus Leber und Muskulatur, zurückgreift. Bei zu geringer Proteinzufuhr wird körpereigenes Eiweiß in Glucose umgebaut und vom Gehirn und anderen stoffwechselaktiven Organen als Energieträger genutzt. Proteinverlust in der Muskulatur führt zur Abnahme des energieverbrauchenden Muskelgewebes. Je mehr eine diätbewusste Person an Muskelmasse verliert, desto stärker sinkt der Grundumsatz beziehungsweise Energieverbrauch und der Körper verbrennt immer weniger Kalorien. Schließlich sollte eine Diät das Ziel haben, Muskelgewebe zu erhalten beziehungsweise durch sportliche Aktivität noch zu steigern. Zugleich sollte der Anteil an Körperfett verringert werden. BCAAs helfen während einer Diät einem Proteinabbau und damit einem Absinken des Grundumsatzes vorzubeugen sowie den Fettabbau zu erhöhen. Die Immunabwehr bleibt weitgehend erhalten [1, 55].

Eine neue Untersuchung an der Arizona State Universität deutet darauf hin, dass eine Ernährung mit hohem Anteil an verzweigtkettigen Aminosäuren den Grundumsatz um täglich 90 Kilokalorien erhöhen kann [21]. Hochgerechnet auf ein Jahr würde das ohne Kalorienreduktion oder Sport einen Gewichtsverlust von etwa 5 kg bedeuten.

Weiterhin werden die verzweigtkettigen Aminosäuren in bedarfsgerechter Menge zur Aufrechterhaltung eines normalen Plasmaalbuminspiegels benötigt. Albumin ist eines der wichtigsten Bluteiweiße und besteht aus etwa 584 Aminosäuren, darunter die BCAAs. Geringe Konzentrationen an Leucin, Isoleucin und Valin gehen mit einem Abfall des Plasmaalbuminspiegels einher, wodurch der kolloidosmotische Druck des Blutes sinkt. In der Folge kann es zu Ödemen (Wassereinlagerungen im Gewebe) und zu einer eingeschränkten Diurese (Harnausscheidung über die Nieren) kommen. Demnach können diätbewusste Personen mit einer ausreichenden Zufuhr an BCAAs über die Nahrung selbst dazu beitragen, einer Ödembildung (Wassereinlagerungen im Gewebe) vorzubeugen und somit ihren Wasserhaushalt aufrechtzuerhalten [41].

Leucin als Ausgangsbaustein für die Synthese nichtessentieller Aminosäuren

Reaktionen, durch die Aminosäuren neu gebildet werden, heißen Transaminierungen. Hierbei wird die Aminogruppe (NH2) einer Aminosäure, wie Leucin, Alanin oder Asparaginsäure, auf eine alpha-Ketosäure, meist alpha-Ketoglutarat übertragen. Alpha-Ketoglutarat ist damit das Akzeptormolekül. Die Produkte einer Transamienierungsreaktion sind eine alpha-Ketosäure, wie Pyruvat oder Oxalacetat, und die nichtessentielle Aminosäure Glutaminsäure beziehungsweise Glutamat [2, 8, 16, 47].

Damit Transaminierungen stattfinden können, werden spezielle Enzyme benötigt – die sogenannten Transaminasen. Zu den beiden wichtigsten Transaminasen gehören die Alanin-Aminotransferase (ALAT), auch als Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT) bekannt, und die Aspartat-Aminotransferase (ASAT), die auch als Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT) bezeichnet wird. Erstere katalysiert den Umbau von Alanin und alpha-Ketoglutarat zu Pyruvat und Glutamat. Die ASAT wandelt Aspartat und alpha-Ketoglutarat zu Oxalacetat und Glutamat um [16].

Coenzym aller Transaminasen ist das Vitamin B6-Derivat Pyridoxalphosphat (PLP). PLP ist locker an den Enzymen gebunden und unerlässlich für eine optimale Aktivität der Transaminasen.

Transaminierungsreaktionen sind in Leber und anderen Organen lokalisiert. Die Übertragung des alpha-Aminostickstoffs von Leucin auf eine alpha-Ketosäure mittels Transaminasen unter Bildung von Glutamat findet in der Muskulatur statt.

Glutamat gilt als "Drehscheibe" des Stoffwechsels des Aminostickstoffs. Ihm kommt beim Auf-, Um- und Abbau von Aminosäuren eine Schlüsselstellung zu [25]. Glutamat ist das Ausgangssubstrat für die Synthese von Prolin, Ornithin und Glutamin. Letztere ist eine wesentliche Aminosäure für den Stickstofftransport im Blut, die Proteinbiosynthese sowie für die Ausscheidung von Protonen in der Niere in Form des NH4. Glutamat der wichtigste erregende Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Er bindet an spezifische Glutamat-Rezeptoren und kann so Ionenkanäle steuern. Insbesondere steigert Glutamat die Durchlässigkeit für Calcium-Ionen, eine wichtige Voraussetzung für Muskelkontraktionen. Unter Abspaltung der Carboxylgruppe – Decarboxylierung – wird Glutamat zur Gamma-Aminobuttersäure (GABA) umgewandelt. GABA gehört zu den biogenen Aminen und ist der wichtigste hemmende Neurotransmitter in der grauen Substanz des zentralen Nervensystems. Er hemmt Neuronen im Kleinhirn [2, 8, 16, 47].

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