Das Human Master Amino Pattern 

Ein Meilenstein der Ernährungsphysiolgie

Autor: Biologie- und Immunologie-Experte Dr. Matthias Schröder

Zusammenfassung:

Bei zu hoher Proteinzufuhr spalten unser Körper und die Bakterien unseres Darms die überschüssigen Aminosäuren und erzeugen Abbauprodukte, die in hohen Konzentrationen toxisch sind und schwerwiegende Folgekrankheiten auslösen können. Die Berechnung dazu, welche Proteine/Aminosäuren von unserem Körper gut verwertet werden können, hat sich in den letzten 40 Jahren immer wieder den aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen angepasst. Die von Prof. Dr. Lucá-Moretti entwickelte und wissenschaftlich belegte Zusammensetzung des Master Amino Pattern ermöglicht eine 99%ige biologische Verwertbarkeit der zugeführten Aminosäuren. Die Kalkulationen dazu beruhen zwar auf der mittlerweile überholten Berechnungsmethode der Net Nitrogen Utilisation, aber die aktuelleren Berechnungsmethoden stellen die Zusammensetzung des MAP bisher nicht in Frage. Möglicherweise führen die aktuellen Forschungen in dem Gebiet allerdings in den nächsten Jahren dazu, dass sich MAP in weiteren klinischen Studien noch weiter optimierten lässt, da auch die neuesten Erkenntnisse zum Mikrobiom und dessen Einfluss auf den Protein/Aminosäure Haushalt mit einbezogen werden können.

Bis dahin bleibt die momentane MAP Formel (Human Amino Pattern), die beste Grundlage für ein Aminosäuren-Nahrungsergänzungsmittel wie SMART PROTEIN, um Proteinzufuhr über die Nahrung zu ergänzen oder zu ersetzen. 

1. Unsere Ernährung und die Proteinbiosynthese

Unser Körper benötigt täglich Energie, um die grundlegenden Körperfunktionen aufrecht zu erhalten. Diese Energie wird durch Kohlenhydrate und Fette geliefert, die in der Glycolyse, bzw. der β-Oxidation der Fettsäuren gespalten und im Zitronensäurezyklus und der Atmungskette zu Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt werden (1), dem universellen Energieträger unseres Körpers. Zusätzlich dienen Zucker als Grundgerüst für viele andere Makromoleküle und bilden zusammen mit Fettsäuren die Zellmembran unserer Zellen (1). Nehmen wir über die Nahrung zu viel Fett oder Kohlenhydrate zu uns, wird Fett gebildet und gelagert, für Tage an denen die Zufuhr nicht ausreicht, um den täglichen Energiebedarf zu decken. Für all diese biochemischen Prozesse, also die Spaltung oder Synthese von z.B. Fetten und Kohlenhydraten, werden Enzyme benötigt, die regelmäßig in der Proteinbiosynthese hergestellt werden müssen, genau wie alle anderen Proteine, die für andere Zwecke in unserem Körper benötigt werden (1).

Die hierfür nötigen Aminosäuren müssen entweder essentiell über die Nahrung zugeführt werden oder können selbst synthetisiert werden. In jedem Fall dienen diese Aminosäuren als Bausteine, um körpereigene Proteine herzustellen. Im Gegensatz zu Fetten und Zuckern können diese Aminosäuren nicht auf Dauer gelagert werden und unterliegen entsprechend einem ständigen Auf- und Abbau (1). Nach der Proteolyse der Nahrungsproteine im Dünndarm und der Aufnahme der freigesetzten Aminosäuren, gelangen diese über den Blutkreislauf zu unseren Körperzellen. Werden weniger Aminosäuren benötigt, als geliefert, dann müssen die überschüssigen Aminosäuren im katabolen Metabolismus zu Zucker und Stickstoffverbindungen gespalten werden (1). Während die Zucker zusätzliche Energie liefern, müssen die freiwerdenden Stickstoffverbindungen wie Ammoniak, biogene Amine, Indol- und Phenol-Derivate aufwendig entsorgt werden, denn zu hohe Konzentrationen dieser Abfallprodukte könnten sonst toxische Nebenwirkungen auslösen (1, 2). Sollten aber zu wenige Aminosäuren bereitstehen, dann wird dadurch die Proteinbiosynthese verlangsamt und Prozesse, bei denen viel Protein benötigt wird, wie z.B. bei der Wundheilung oder dem Muskelaufbau, laufen wesentlich langsamer ab.

Im Idealfall deckt die über die Nahrung zugeführte Proteinmenge exakt den Aminosäurebedarf unseres Körpers, sodass weder die Proteinbiosynthese eingeschränkt wird, noch überschüssige Energie oder Stickstoffabbauprodukte entstehen.

2. Net Nitrogen Utilisation und andere Methoden der Ernährungslehre

Ein solcher Idealfall lässt sich rein rechnerisch einfach ermitteln und wird als Netto-Stickstoff-Verwertung (engl. NNU/NPU= Net Nitrogen/Protein Utilisation) bezeichnet. Die Stickstoffbilanz errechnet sich hierbei aus der Differenz von aufgenommener Stickstoffmenge und ausgeschiedener Stickstoffmenge, wobei die Ausscheidung über den Urin (freie Aminosäuren und Harnstoff), den Stuhl (freie Aminosäuren und unverdautes Protein) und Schweiß (freie Aminosäuren und Harnstoff) unterschieden werden kann. Der NNU-Wert ist eine Maßeinheit dafür, wie viel Stickstoff des zugeführten Proteins im Körper verbleibt (3). Bei Einführung dieser Berechnung wurde angenommen, dass dies gleichbedeutend damit ist, dass die Aminosäuren auch in der Proteinbiosynthese genutzt werden. Als sogenannte biologische Verfügbarkeit (BV) wird dies häufig in den Nahrungswissenschaften als Referenzwert eingesetzt, um von Nahrungsmitteln mit hohem oder niedrigem Nährwert zu sprechen. Eine wesentlich exaktere, aktuellere Art, die biologische Verwertbarkeit zu ermitteln, basiert auf dem sogenannten „Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score“ (PDCAAS) (4, 5). Dieser wurde bereits in den 90er Jahren eingeführt und berücksichtigt im Gegensatz zur NNU/NPU und der BV auch, wie viele für uns Menschen essentielle Aminosäuren im Protein enthalten sind und wie viel von einem bestimmten Protein auch tatsächlich im Darm verdaut werden kann, denn insbesondere das Alter eines Menschen hat große Auswirkungen darauf, wie effizient Proteine abgebaut und Aminosäuren aufgenommen werden können. Eine Anpassung des PDCAAS an unterschiedliche Altersstufen ergibt somit Sinn.

Durch die stetigen wissenschaftlichen Fortschritte im Bereich der Mikrobiomforschung der letzten 10 Jahre wird aber auch dieses PDCAAS Bewertungssystem bereits wieder hinterfragt. Einige Wissenschaftler wollen es dadurch erweitern, dass die tatsächliche Verdaulichkeit der Aminosäuren im Dünndarm mit einbezogen wird, denn für den PDCAAS wurde betrachtet, welche Aminosäuren im Stuhl noch unverdaut zu finden sind und berücksichtigen nicht, dass im Dickdarm auch die Bakterien des Mikrobioms eine entscheidende Rolle spielen und dies von Mensch zu Mensch stark unterschiedlich sein kann. Deshalb wird der Begriff des „Digestible Indispensable Amino Acid Score“ (DIAAS) diskutiert (6-8). Hauptproblem bei der Bestimmung dieses DIAAS: Ohne künstlichen Darmzugang lässt sich dies beim Menschen nicht ermitteln. Entsprechend erfolgen aktuelle Studien vor allem an Schweinen, deren Verdauung der unseren sehr stark ähnelt (9, 10). Ob sich dieser Aufwand sowohl finanziell als auch ethisch rechtfertigen lässt, sei einmal dahingestellt. Insbesondere, weil die Übertragbarkeit der Befunde vom Schwein auf den Menschen nicht unbedingt gewährleistet sein muss und die Unterschiede der ersten Ergebnisse solcher Messungen nur minimal sind (siehe Abb.1). 

Abb. 1: Vergleich des DIAAS und PDCAAS für verschiedene Proteine, gemessen im Dünndarm (DIAAS), bzw. im Kot (PDCAAS) von Schweinen. Abbildung aus (7).

WPI= whey protein isolate, WPC= whey protein concentrate, MPC= milk protein concentrate, SMP= skimmed milk powder, PPC= pea protein, AAA=aromatic amino acids, SAA= sulfur amino acids.

3. Potentielle Folgen eines unausgeglichenen Energie-/Proteinhaushalts

Warum bemühen sich Wissenschaftler weltweit aber überhaupt darum, die optimale Menge an Energie und Proteinzufuhr zu ermitteln? Die naheliegenden Gründe hierfür sind selbstverständlich eine ausgewogene Ernährung, um Adipositas und dadurch diversen kardiovaskulären (z.B. Herzinfarkt) oder metabolischen (z.B. Diabetes) Erkrankungen vorzubeugen.

Abb. 2: Übersicht über die Folgen unausgewogener Ernährung. Kohlenhydrate, Fette und Proteine erhöhen die Energiezufuhr, was zu Adipositas führt und als Folge diverse weitere Signalwege aktiviert, die Entzündungen, Diabetes, kardiovaskuläre Erkrankungen und Krebs auslösen können. Abbildung aus (11).

Zusätzlich geht es aber auch um die Steigerung der körperlichen Leistungsfähigkeit, die insbesondere auf die Zufuhr von ausreichend Protein/Aminosäuren angewiesen ist. Da eine Proteinzufuhr über die Nahrung in der Regel nicht möglich ist, ohne gleichzeitig auch Kohlenhydrate und/oder Fette mit aufzunehmen, wurden Nahrungsergänzungsmittel entwickelt, die Unmengen an Protein oder Aminosäuren liefern. Produkte mit Whey-Protein liefern sehr viel Protein, mehr als unser Körper in der Lage ist zu verdauen, und erfüllen auch ihren Zweck, da sie nachweislich den Muskelaufbau und die Leistungsfähigkeit des Körpers verbessern. Leider wird bei diesen Nahrungsergänzungsmitteln nicht beachtet, was bereits Paracelsus im 16. Jahrhundert wusste: „Alle Dinge sind Gift, und nichts ist ohne Gift; allein die Dosis machts, daß ein Ding kein Gift sei“. Im konkreten Fall ist die hohe Menge an Protein in unserem Organismus zwar nicht direkt giftig, aber da der körpereigene Prozess der Proteinbiosynthese mit der zugeführten Menge an Aminosäuren überlastet ist, entstehen viele Abbauprodukte der Aminosäuren, die sich auf Dauer akkumulieren und lokal toxische Reaktionen auslösen können (2, 12, 13). Hinzu kommt, dass der proteinhaltige Nahrungsbrei im Dünndarm nicht zu 100% verdaut werden kann und die Bakterien unseres Darms sehr gut versorgt werden. Abgesehen von den durch die Bakterien ebenfalls produzierten Abbauprodukte der Aminosäuren, hat das Mikrobiom weitreichende weitere Effekte auf unseren Körper, die in einem anderen Artikel näher betrachtet werden.

Konkrete Folgen dieser übermäßigen Proteinzufuhr können leichte Beschwerden wie Blähungen, Bauchkrämpfe und Durchfälle sein, aber auch schwerwiegende Folgekrankheiten wie Reizdarmsyndrom (14) und chronisch-entzündliche Erkrankungen wie Colitis ulcerosa oder Morbus Crohn, bis hin zu einer höheren Wahrscheinlichkeit an Darmkrebs zu erkranken (15).

Aus medizinischer Sicht ist es somit durchaus sinnvoll einen ausgeglichenen Proteinhaushalt zu gewährleisten, auch wenn der Hauptfokus üblicher Diäten vor allem auf dem Aspekt adäquater Energiezufuhr liegt, um abzunehmen, bzw. sein Gewicht zu halten.

4. Das Human Master Amino Pattern

Wer sich etwas näher mit dem Thema Aminosäuren beschäftigt, wird früher oder später auf einen Namen stoßen: Prof. Dr. Maurizio Lucá-Moretti. Dieser italienische Wissenschaftler hat sich einen Großteil seines Lebens damit beschäftigt, die für Menschen optimale Zufuhr an Aminosäuren zu ermitteln. Bereits im Jahre 1990 beantragte Prof. Dr. Lucá-Moretti ein Patent, das mehrere verschiedene Rezepturen von Aminosäuren beinhaltet, basierend auf seinen bis dahin vorhandenen wissenschaftlichen Erkenntnissen (16). In den Jahren darauf führte er klinische Studien durch, um seine Idee einer „Master Amino Acid Pattern“ (MAP) zu belegen. Im Jahre 1998 veröffentlichte er seine Ergebnisse mit 66 Probanden (17). Diese wurden drei Gruppen zugewiesen und vor dem Start der Studie zuerst für 30 Tage auf eine gleiche Diät gesetzt, um die Ergebnisse nicht zu verfälschen. Dann erhielt Gruppe A Aminosäuren-Nahrungsergänzungsmittel auf Basis des MAP und Gruppe B Aminosäuren-Nahrungsergänzungsmittel auf Basis der Zusammensetzung von Hühnereiweiß, das bis dato den höchsten Wert für biologische Verwertbarkeit besaß. Gruppe C erhielt eine Protein-Diät auf Basis von Hühnereiweiß. Zusätzlich erhielten alle Probanden eine einheitliche, proteinfreie, kalorienreiche Nahrungsergänzung, um eine normale ausgewogene Ernährung zu simulieren. Nach vier Wochen wurde bei allen Probanden die NNU ermittelt und auf dieser Grundlage berechnet, wie hoch die Effizienz lag, mit der die aufgenommenen Aminosäuren in körpereigene Proteine umgewandelt wurden. Danach erhielten die Probanden eine der anderen beiden Diäten und nach weiteren vier Wochen die letzte der drei, sodass nach drei Monaten jeder Proband alle Diäten durchlaufen hatte. Es zeigte sich, dass bei allen 66 Probanden im Durchschnitt 99% der bei der MAP-Diät aufgenommenen Aminosäuren für den Aufbau von körpereigenem Protein genutzt wurden, während nur 72% beim Aminosäuren-Mix aus Eiweiß und 68% bei der Zufuhr von Eiweißproteinen genutzt wurden.

Die für diese Studie verwendete Mischung der acht essentiellen Aminosäuren (siehe Tabelle 1) wird auch noch heute in den Produkten auf MAP-Basis verwendet.

L-Isoleucin

1,483 g

L-Leucin

1,964 g

L-Lysin

1,429 g

L-Valin

1,657 g

L-Methionin

0,699 g

L-Phenylalanin

1,289 g

L-Threonin

1,111 g

L-Tryptophan

0,368 g

Gesamt

10,000 g

Tabelle 1: Aminosäuren des Master Amino Acid Pattern. Tabelle aus (17)

Im Jahr 2003 folgten Veröffentlichungen weiterer Studien, bei der Nahrungsergänzungsmittel auf Basis von MAP eingesetzt wurden, um verschiedenen physiologischen Situationen gerecht zu werden. Eine Studie untersuchte den Vorteil des MAP bei Diäten, die zum Ziel hatten, Gewicht zu verlieren (18). Die 114 Probanden erhielten neben der eigentlichen Low-Fat Diät auf Basis von Früchten, Gemüse und Fisch/Hühnerfleisch eine Tablette mit 10 g Aminosäuren auf Basis von MAP (siehe Tabelle 1), um auf diese Weise zu verhindern, dass überschüssige Aminosäuren über den katabolen Mechanismus in Zucker degradiert werden. Zudem wurde dadurch der Bedarf an Aminosäuren gedeckt, auch ohne zur gleichen Zeit weitere Energie durch Fett und Kohlenhydrate zuzuführen, z.B. durch ein fettiges Steak. Dies führte tatsächlich dazu, dass die Probanden pro Woche durchschnittlich 1,4 kg Gewicht verloren, während sie zur gleichen Zeit keine der für Diäten üblichen Symptome wie Hunger und körperliche Schwäche angaben (18). Eine weitere Studie belegte den Vorteil von MAP bei Athleten unter starken Trainingsbedingungen (19). Die Hälfte der 20 Probanden erhielten 10 g MAP/Tag an leichten Trainingstagen und 20 g MAP/Tag an harten Trainingstagen, die andere Hälfte erhielt kein MAP-Produkt, nutzten aber andere, nicht näher in der Studie beschriebene Nahrungsergänzungsmittel. Diverse physiologische Parameter wurden vor, während und am Ende der 28-tägigen Testphase analysiert und die Schlussfolgerung daraus ergab sich für die mit MAP-Produkten behandelten Athleten:

  1. Muskelmasse, -stärke, und Ausdauer waren ausgeprägter
  2. Der Körperfettanteil war reduziert
  3. Erhöhte grundlegende Metabolismusrate
  4. Verstärkter Aufbau der schwächeren Muskelpartien im Vergleich zu den bereits existierenden Muskeln
  5. Erhöhter Abbau von Laktat in Muskulatur und Blut

Zusammengefasst sorgte die Zufuhr von MAP-Produkten also zu einem generell verbesserten Trainingseffekt bei Athleten (19), was auch bei einer weiteren Studie an einer Person bestätigt wurde, die sprichwörtlich für 24 Tage durch die Wüste ging und deren physiologischen Parameter wesentlich besser waren als üblicherweise erwartet (20).

All diese Studien und Entdeckungen wurden von Prof. Dr. Lucá-Moretti vorangetrieben, sodass man natürlich im ersten Moment stutzig werden und die Daten kritisch hinterfragen sollte. Tatsächlich findet sich keine unabhängige Studie Dritter, die die MAP-Formulierung genutzt haben, um die Ergebnisse zu bestätigen. Allerdings ist das Wissen darum, dass essentielle Aminosäuren (EAA) fundamental wichtig für den Ablauf der Proteinbiosynthese sind, eine allgemein akzeptierte Tatsache. Eine weitere Koryphäe auf dem Gebiet der Aminosäuren-Forschung ist Dr. Robert Wolfe. Dieser konnte z.B. widerlegen, dass Produkte auf Basis der essentiellen „branched-chain amino acids“ (BCAA) Leucin, Valin und Isoleucin ausreichen, um einen Muskelaufbau zu verstärken (21). Insbesondere deshalb, weil die anderen fünf essentiellen Aminosäuren fehlen, die noch im MAP enthalten sind. In weiteren aktuellen Publikation von 2016 und 2019 diskutiert Dr. Wolfe den grundlegenden Bedarf an Protein/Aminosäuren und kommt ebenfalls zu dem Schluss, dass die acht essentiellen Aminosäuren die wichtigste Messgröße für eine optimale Proteinsynthese darstellt (8, 22). In einem von ihm verfassten Buch fasst er seine Befunde übersichtlich zusammen, mit Fokus auf die in der MAP-Formulierung enthaltenen essentiellen Aminosäuren (23). Allerdings zweifelt auch Dr. Wolfe heutzutage daran, dass die alten Messmethoden wie NNU, BV und auch die aktuelle PDCAAS Methode eine perfekte Bestimmung der Aminosäuren-Zusammensetzung ermöglichen.

Das Fazit lautet also: Das Human Master Amino Acid Pattern ist möglicherweise noch nicht die perfekte Rezeptur, aber uns fehlt aktuell noch das Wissen, um die letzten Anpassungen in der Zusammensetzung zu optimieren. Bis es soweit ist, ist die MAP-Formulierung aber allen anderen aktuell auf dem Markt erhältlichen Produkten auf Basis von Whey Protein, Eiweiß oder BCAA überlegen und liefert die Menge an Aminosäuren die unser Körper benötigt.    

Wer sich also auf Basis der aktuellen Forschung optimal mit allen notwendigen Aminosäuren versorgen möchte, kann guten Gewissens das SMART PROTEIN von everydays verwenden.

Literaturverzeichnis:

1. F. Horn, Biochemie des Menschen: Das Lehrbuch für das Medizinstudium.  (Thieme, 2018), vol. 7.

2. K. Windey, V. De Preter, K. Verbeke, Relevance of protein fermentation to gut health. Mol Nutr Food Res 56, 184-196 (2012).

3. G. Iapichino, M. Solca, D. Radrizzani, M. Zucchetti, G. Damia, Net protein utilization during total parenteral nutrition of injured critically ill patients: an original approach. JPEN J Parenter Enteral Nutr 5, 317-321 (1981).

4. G. Schaafsma, The protein digestibility-corrected amino acid score. J Nutr 130, 1865S-1867S (2000).

5. G. Schaafsma, The Protein Digestibility-Corrected Amino Acid Score (PDCAAS)–a concept for describing protein quality in foods and food ingredients: a critical review. J AOAC Int 88, 988-994 (2005).

6. S. Huang, L. M. Wang, T. Sivendiran, B. M. Bohrer, Review: Amino acid concentration of high protein food products and an overview of the current methods used to determine protein quality. Crit Rev Food Sci Nutr 58, 2673-2678 (2018).

7. J. K. Mathai, Y. Liu, H. H. Stein, Values for digestible indispensable amino acid scores (DIAAS) for some dairy and plant proteins may better describe protein quality than values calculated using the concept for protein digestibility-corrected amino acid scores (PDCAAS). Br J Nutr 117, 490-499 (2017).

8. P. J. Moughan, R. R. Wolfe, Determination of Dietary Amino Acid Digestibility in Humans. J Nutr 149, 2101-2109 (2019).

9. Y. R. Bindari, H. N. Laerke, J. V. Norgaard, Standardized ileal digestibility and digestible indispensable amino acid score of porcine and bovine hydrolyzates in pigs. J Sci Food Agric 98, 2131-2137 (2018).

10. S. M. Hodgkinson, C. A. Montoya, P. T. Scholten, S. M. Rutherfurd, P. J. Moughan, Cooking Conditions Affect the True Ileal Digestible Amino Acid Content and Digestible Indispensable Amino Acid Score (DIAAS) of Bovine Meat as Determined in Pigs. J Nutr 148, 1564-1569 (2018).

11. B. L. Tan, M. E. Norhaizan, W. P. Liew, Nutrients and Oxidative Stress: Friend or Foe? Oxid Med Cell Longev 2018, 9719584 (2018).

12. J. R. Caso, J. C. Leza, L. Menchen, The effects of physical and psychological stress on the gastro-intestinal tract: lessons from animal models. Curr Mol Med 8, 299-312 (2008).

13. I. Delimaris, Adverse Effects Associated with Protein Intake above the Recommended Dietary Allowance for Adults. ISRN Nutr 2013, 126929 (2013).

14. C. McKenzie, J. Tan, L. Macia, C. R. Mackay, The nutrition-gut microbiome-physiology axis and allergic diseases. Immunol Rev 278, 277-295 (2017).

15. V. Gopalakrishnan, B. A. Helmink, C. N. Spencer, A. Reuben, J. A. Wargo, The Influence of the Gut Microbiome on Cancer, Immunity, and Cancer Immunotherapy. Cancer Cell 33, 570-580 (2018).

16. M. Lucá-Moretti, U. P. Department, Ed. (USA, 1990), vol. 5,132,113.

17. M. Luca-Moretti, [Comparative study of the administration of anabolic amino acids. Confirms the discovery of the Master Amino Acid Pattern]. An R Acad Nac Med (Madr) 115, 397-413; discussion 413-396 (1998).

18. M. Luca-Moretti et al., Master Amino acid Pattern as substitute for dietary proteins during a weight-loss diet to achieve the body’s nitrogen balance equilibrium with essentially no calories. Adv Ther 20, 282-291 (2003).

19. M. Luca-Moretti et al., Comparative results between two groups of track-and-field athletes with or without the use of Master Amino acid Pattern as protein substitute. Adv Ther 20, 195-202 (2003).

20. M. Luca-Moretti et al., Results of taking Master Amino acid Pattern as a sole and total substitute of dietary proteins in an athlete during a desert crossing. Adv Ther 20, 203-210 (2003).

21. R. R. Wolfe, Branched-chain amino acids and muscle protein synthesis in humans: myth or reality? J Int Soc Sports Nutr 14, 30 (2017).

22. P. B. Pencharz, R. Elango, R. R. Wolfe, Recent developments in understanding protein needs – How much and what kind should we eat? Appl Physiol Nutr Metab 41, 577-580 (2016).

23. R. R. Wolfe, A Guide to Amino Acid and Protein Nutrition: Essential Amino Acid Solutions for Everyone (The EAASE Program).  (Robert R. Wolfe, 2017).