Proteine (Eiweiße) – Stoffwechsel, Regulation und Turnover

Proteine unterliegen im menschlichen Organismus einem kontinuierlichen Auf- und Abbau, dem sogenannten Proteinturnover (Eiweißumsatz). Dieser dynamische Prozess ist essenziell für den Erhalt struktureller Integrität (Stabilität von Geweben), die Anpassung an wechselnde metabolische Anforderungen (Stoffwechselanforderungen) sowie für Wachstum, Regeneration und Immunfunktion. Da es für Proteine keine spezifische Speicherform gibt, wird die Verfügbarkeit von Aminosäuren (Eiweißbausteinen) ausschließlich durch laufende Synthese- (Aufbau-), Abbau- und Recyclingprozesse (Wiederverwertung) reguliert [1].

Grundlagen des Proteinumsatzes

Der tägliche Ganzkörper-Proteinumsatz (gesamter Eiweißumsatz des Körpers) beträgt beim gesunden Erwachsenen etwa 250-350 g und übersteigt damit die übliche tägliche Proteinzufuhr deutlich. Der überwiegende Anteil der benötigten Aminosäuren stammt aus dem intrakorporalen Recycling (Wiederverwertung im Körper) körpereigener Proteine, insbesondere aus Skelettmuskel, Darmepithel und Plasmaproteinen (Eiweißen im Blutplasma). Dieses Recycling ist Voraussetzung für die Aufrechterhaltung des Stickstoffgleichgewichts (ausgeglichenes Eiweißgleichgewicht) unter physiologischen Bedingungen (Normalbedingungen) [1,5].

Die Netto-Proteinbilanz (Eiweißgesamtbilanz) ergibt sich aus der Differenz zwischen Proteinsynthese (Eiweißaufbau) und Proteinabbau (Eiweißabbau). Ein positiver Saldo kennzeichnet anabole Zustände (aufbauende Stoffwechsellagen) wie Wachstum, Muskelaufbau oder Rekonvaleszenz, während katabole Zustände (abbauende Stoffwechsellagen) mit einem Nettoverlust an Körperprotein einhergehen.

Leber als zentrales Regulationsorgan

Die Leber nimmt eine Schlüsselrolle im Proteinstoffwechsel (Eiweißstoffwechsel) ein. Nach der intestinalen Resorption (Aufnahme im Darm) gelangen Aminosäuren zunächst über die Pfortader (Lebervene) in das hepatische System (Lebersystem). Dort erfolgt eine priorisierte Nutzung für die Synthese lebenswichtiger Proteine wie Albumin (wichtigstes Bluteiweiß), Gerinnungsfaktoren (Blutgerinnungseiweiße) und Akut-Phase-Proteine (Entzündungseiweiße). Gleichzeitig reguliert die Leber den systemischen Aminosäurepool (Gesamtbestand an Aminosäuren im Körper) und entscheidet über Oxidation (Verwertung zur Energiegewinnung), Umwandlung oder Weitergabe an periphere Gewebe (Körpergewebe außerhalb der Leber) [2].

Überschüssige Aminosäuren werden deaminiert (Abspaltung der Stickstoffgruppe); der freigesetzte Stickstoff wird im Harnstoffzyklus (Entgiftungsweg der Leber) entgiftet und renal (über die Niere) ausgeschieden. Die Kohlenstoffskelette fließen abhängig von der Stoffwechsellage in die Gluconeogenese (Neubildung von Zucker) oder Lipogenese (Fettneubildung) ein.

Regulation von Proteinsynthese und -abbau

Die Regulation des Proteinturnovers (Eiweißumsatzes) erfolgt über ein komplexes Zusammenspiel hormoneller, ernährungsabhängiger und intrazellulärer Signalmechanismen (Signalsysteme innerhalb der Zelle). Insulin (Blutzuckerhormon) wirkt primär antikatabol (abbauhemmend) durch Hemmung der Proteolyse (Eiweißabbau), während Aminosäuren – insbesondere Leucin (essenzielle verzweigtkettige Aminosäure) – als zentrale Stimulatoren der Proteinsynthese (Eiweißaufbau) fungieren. Der mTORC1-Signalweg (zentraler zellulärer Signalweg für Wachstum) stellt dabei einen wesentlichen molekularen Integrationspunkt dar [3, 5].

Ferner beeinflussen Aminosäuren weitere metabolische Signalwege (stoffwechselsteuernde Signalwege), darunter AMPK-abhängige Mechanismen (energiesensitive Signalwege), Insulinsensitivität (Empfindlichkeit gegenüber Insulin) sowie trainingsabhängige Anpassungen des Muskelstoffwechsels. Aktuelle Übersichtsarbeiten zeigen, dass Art der Aminosäuren, Dosierung, Trainingsform und Belastungsdauer entscheidend für die anabole Wirksamkeit (aufbauende Wirkung) sowie mögliche unerwünschte Effekte hochdosierter Aminosäuren sind [4].

Proteinturnover in katabolen Zuständen

Katabole Situationen (abbauende Stoffwechsellagen) wie Fasten, Immobilisation, systemische Entzündung (den ganzen Körper betreffende Entzündung), schwere Erkrankungen oder Traumata (schwere Verletzungen) sind durch eine gesteigerte Proteolyse (vermehrten Eiweißabbau) gekennzeichnet. In diesen Zuständen wird vermehrt Muskelprotein mobilisiert, um Aminosäuren für Gluconeogenese (Zuckerneubildung), Akut-Phase-Reaktionen (Entzündungsantworten) und Immunantwort (Abwehrreaktion) bereitzustellen [2].

Ohne adäquate ernährungsmedizinische Intervention (gezielte Ernährungstherapie) führt dies zu einem Verlust an Muskelmasse, Kraft und metabolischer Stabilität (Stabilität des Stoffwechsels). Eine gezielte Proteinzufuhr kann den Netto-Proteinverlust reduzieren, ersetzt jedoch nicht vollständig die katabole Aktivierung zentraler Stressachsen.

Messung des Proteinturnovers

Die Quantifizierung von Proteinsynthese- und Abbauraten erfolgt in der Forschung überwiegend mittels stabiler Isotopenmethoden (Markierung mit stabilen Atomen). Moderne Verfahren wie die Verwendung von deuteriertem Wasser (schwerem Wasser) ermöglichen die Erfassung langfristiger Syntheseraten unter Alltagsbedingungen und liefern differenzierte Einblicke in den Ganzkörper- und Muskelproteinstoffwechsel (Eiweißstoffwechsel des Körpers und der Muskulatur) [3].

Diese Methoden haben gezeigt, dass neben der absoluten Proteinmenge insbesondere die Verteilung der Proteinzufuhr über den Tag sowie die Kombination mit körperlicher Aktivität (Bewegung) entscheidend für die Netto-Proteinbilanz (Eiweißgesamtbilanz) sind [5].

Ernährungsmedizinische und klinische Konsequenzen

Der Proteinstatus (Eiweißzustand) ist das Ergebnis eines dynamischen Gleichgewichts aus Synthese (Aufbau), Abbau und Recycling (Wiederverwertung).
Leber und Skelettmuskel sind zentrale Organe der Proteinregulation.
Aminosäuren (Eiweißbausteine) wirken nicht nur als Substrate (Baustoffe), sondern auch als metabolische Signalmoleküle (stoffwechselsteuernde Botenstoffe).
In katabolen Situationen (abbauenden Stoffwechsellagen) ist eine angepasste Proteinzufuhr essenziell, aber allein nicht ausreichend.

Für die ernährungsmedizinische Praxis bedeutet dies, dass Proteinbedarf und Proteinqualität stets im Kontext von Stoffwechsellage (metabolischem Zustand), hormoneller Regulation (Hormonsteuerung) und Belastung zu beurteilen sind. Eine rein mengenbezogene Betrachtung der Proteinzufuhr greift ohne Berücksichtigung von Regulation und Turnover (Eiweißumsatz) zu kurz.

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Literatur

Trommelen J et al.: Quantification and interpretation of postprandial whole-body protein turnover and amino acid kinetics in humans. Front Nutr. 2024;11:1391750. https://doi.org/10.3389/fnut.2024.1391750
Deutz NEP: Compartmental analysis: a new approach to estimate protein breakdown and meal response in health and critical illness. Front Nutr. 2024;11:1388969. https://doi.org/10.3389/fnut.2024.1388969
Holwerda AM, Atherton PJ, Wilkinson DJ, Phillips SM, van Loon LJC: Assessing muscle protein synthesis rates in vivo in humans: the deuterated water method. J Nutr. 2024. https://doi.org/10.1016/j.tjnut.2024.09.012
Li G, Li Z, Liu J et al.: Amino acids regulating skeletal muscle metabolism: mechanisms of action, physical training dosage recommendations and adverse effects. Nutr Metab (Lond). 2024;21:41. https://doi.org/10.1186/s12986-024-00820-0
Layman DK et al.: Impacts of protein quantity and distribution on body composition and muscle protein metabolism. Front Nutr. 2024;11:1388986. https://doi.org/10.3389/fnut.2024.1388986