„Sportmimetika“: Leistungsfähig ohne Sport

Mein heutiger Artikel befasst sich mit der Frage nach der Wissenschaft hinter sogenannten Sportmimetika. Ich möchte das „Mimen der Effekte des Sports“ erklären anhand einer L-Carnitin-Supplementation.

Was sind Sportmimetika?

Bei Sportmimetika (engl. exercise mimetics) handelt es sich in erster Linie um Interventionen, die gesundheitliche, aber auch leistungsbezogene Aspekte des Sports mimen, also nachahmen können.

Dies bedeutet also, dass das, was wir als „sportlichen Fortschritt“ verstehen – sei es bezogen auf Laufzeiten oder bezogen auf eine verbesserte Herzkreislauffunktion – ohne das tatsächliche Ausüben einer sportlichen Tätigkeit erreicht wird.

Das weitflächige Anwenden von Sportmimetika könnte die Sport- und Gesundheitswelt grundlegend revolutionieren.

Wenn wir an exercise mimetics (EM) denken, fällt uns direkt das Wort Betrug oder Schummelei ein, womöglich sogar Doping. Der klare Unterschied zum Doping besteht allerdings darin, dass EM keinen supraphysiologischen (= übernatürlich) Zustand herbeiführen können, wie das beim Doping zu erwarten ist.

Wenngleich es für diejenigen unangenehm zu sein scheint, die täglich stundenlang trainieren (wollen!), kann es auch genau für diese Zielgruppe eine Erleichterung darstellen: Körpereigene Ressourcen könnten gespart werden aufgrund niedrigerer Trainingsvolumina und -frequenzen bei gleichbleibender oder sogar gestiegener Belastungsfähigkeit, was letztendlich auch zu einer Leistungssteigerung führen könnte.

Gerade bei Profisportlern oder Leistungssportlern unter uns, die mit einer durch Training induzierten negativen hormonellen Veränderung zu kämpfen haben, könnten solche Interventionen auch dramatische Veränderungen der gesundheitlichen Situation herbeiführen.

Für den Durchschnittsbürger könnten EM bedeuten, dass die gesundheitlichen Effekte von Sport genutzt werden ohne dabei tatsächlich trainieren zu müssen, was letztendlich mehr Zeit im Alltag freistellt für Berufliches oder Privates. Mir ist klar, dass viele unter euch Sport nicht nur aufgrund der Effekte willen ausüben, sondern weil es Ausgleich zum Alltag verschafft.

Aber auch hier könnten EM nützlich sein, könnte man die Leistungskurve doch dramatisch verändern, in relativ kurzer Zeit mehr Fortschritte erzielen. Diese käme nicht nur der Motivation zugute, sondern auch – wie eben beschrieben – der „freien“ Zeit.

Patienten, die an einer Erkrankung leiden, könnten jedoch am deutlichsten von solchen Interventionen profitieren: Diese Bevölkerungsgruppe ist eigentlich angewiesen auf die enormen gesundheitlichen Auswirkungen des Sports, können aber sehr häufig aufgrund diverser Einschränkungen nicht trainieren.

Unter anderem hier knüpft mein heutiges Beispiel an.

L-Carnitin als exercise mimetic 

Was ist L-Carnitin? 

L-Carnitin ist keine klassische Aminosäure (gekennzeichnet durch eine „NH2-Gruppe“), sondern prinzipiell quasi ein quartäres Amin („NR4“). Der Name Carnitin leitet sich vom lateinischen Wort „carnis“ (= Fleisch) ab, denn L-Carnitin findet sich hauptsächlich in tierischen Geweben, vor allem im Muskelfleisch, wenngleich es auch in Milch und in menschlicher Muttermilch zu finden ist.

Generell scheint die Bioverfügbarkeit des via Nahrung zugeführten L-Carnitins besser zu sein als die Bioverfügbarkeit von Ergänzungsmittel (75 % vs. 15 %). Allerdings muss hier in Betracht gezogen werden, dass die Aufnahme im Darm mit steigender Menge der Zufuhr sinkt. Typischerweise führt man höhere Dosen mit Ergänzungsmittel zu, weswegen eine pauschale Aussage bezüglich genereller Bioverfügbarkeit nicht getätigt werden kann.

Ein Mischköstler nimmt über die Nahrung circa 30 mg pro Tag zu sich, Vegetarier lediglich 2 mg. Beide Werte können deutlich niedriger oder höher ausfallen.

Rotes Fleisch enthält von allen Quellen am meisten L-Carnitin, es werden Werte zwischen 100 und 200 mg pro 100 g Fleisch erreicht. Daher ist zu vermuten, dass die klassische Paleo diet (Paläo-Ernährung) deutlich mehr L-Carnitin liefert.

Der menschliche Organismus synthetisiert L-Carnitin selbst aus den beiden Aminosäuren Lysin und Methionin, wobei Ascorbinsäure (Vitamin C) als Kofaktor fungiert. Die synthetisierten Mengen belaufen sich auf circa 15-20 mg pro Tag.

Bemerkenswert ist, dass der Mensch, laut Literatur, über einen L-Carnitin-Speicher von 15 bis 20 g (!) verfügt, der allerdings alleine über die Nahrung aufgefüllt werden muss. Dies wirft Fragen auf, insbesondere wenn man oxidative Muskelfasern von diversen Säugetieren vergleicht.

(Vgl. Hahn, 2006; Kasper, 2004; Pietrzik, 2008)

L-Carnitin und der Fettstoffwechsel

In jeder Zelle finden sich Mitochondrien, sogenannte Kraftwerke der Zellen. Die Aufgabe dieser Mitochondrien ist, aus Substraten wie Fettsäuren und Glukose, ATP (= Energieträger) zu synthetisieren. Dies bedeutet gleichzeitig, dass Mitochondrien die Orte sind, in denen Energie entsteht, die sämtliche chemische Reaktionen im Organismus speist.

Die Orte mit dem höchsten ATP turn over (= Synthese und Verbrauch) sind das Gehirn, der Skelettmuskel, der Herzmuskel und die Leber.

Die Skelettmuskulatur, die Herzmuskulatur und die Leber nutzen die Fettsäure als primäres Substrat zur Synthese von Energie (ATP).

Der enzymatische Abbau von Fettsäuren findet ausschließlich in den Mitochondrien statt, dieser Prozess wird ß-Oxidation genannt. Den Begriff ß-Oxidation setzt man häufig gleich mit „Fettverbrennung“.

Dies impliziert zugleich, dass Fettsäuren in die Mitochondrien gelangen müssen. Dies ist nicht so einfach zu bewerkstelligen, in Anbetracht der Tatsache, dass hierbei zelluläre Kompartimente überwunden werden müssen. Kompartimente sind durch eine Membran getrennte, im Prinzip eigenständige Regionen innerhalb einer Zelle.

Substanzen können nicht einfach durch Membrane diffundieren (= wandern), sondern tun dies sehr häufig mit Hilfe von Transportern.

Auch Fettsäuren nutzen einen spezifischen Transporter, um von der Zellregion außerhalb des Mitochondriums, in das Mitochondrium selbst zu gelangen.

In der Tat sind mehrere Transporter an dieser chemischen Reaktion beteiligt, weshalb man es als System bezeichnet, namentlich: Carnitinpalmitoyltransferase-System. Im Deutschen auch als Carnitin-Acyltransferase-System bekannt. Gene, die für die Bildung dieses Systems zuständig sind, werden unter anderem mit CPT abgekürzt.

Die eigentliche Aufgabe des CPT-Systems besteht auch darin, L-Carnitin an Fettsäuren zu knüpfen, damit es die mitochondriale Membran überqueren und ins Innere des Mitochondriums gelangen kann.

Hier wird die essentielle Rolle von L-Carnitin im Fettstoffwechsel klar.

Der heutige Artikel wird sich allerdings nicht konkret mit dieser Rolle des L-Carnitins auseinandersetzen. Ob eine L-Carnitin-Supplementation den Fettsäure-Transport und somit die ß-Oxidation (und schlussendlich die Gewichtsabnahme) modulieren kann, soll heute nicht thematisiert werden.

Viel mehr soll gezeigt werden, dass die Gabe von L-Carnitin ein breites Feld an Enzymen und Proteinen in der Zelle reguliert, weit über die eigentliche Rolle des L-Carnitins hinausgehend. 

Muskel-Lipoproteinlipase – das hausgemachte Senken von Triglyceriden im Blut 

Wenn Triglyceride, also Fette, mit der Nahrung zugeführt werden, dann kann man sich fragen, wie die Fette denn überhaupt verstoffwechselt werden. 

Hier auf dem Blog findest du diverse Artikel zu diesem Thema (zum Beispiel hier).

Triglyceride, also Fette, können nicht direkt als Energiequelle von den Zellen genutzt werden. Dies liegt an der Struktur der Fette: Sie enthalten drei gebundene Fettsäuren. Die Zelle allerdings erlaubt nur den Eintritt von freien, also einzelnen Fettsäuren.

Falls du gerade gedanklich nicht mehr mitkommst: Mitochondrien sind quasi Zellen in den Zellen. Zunächst fließt das Fett (Triglyceride) im Blut an den Zellen vorbei. Die Fette müssen also zunächst in die Zellen gelangen und im Anschluss noch einmal quasi in die Zellen der Zellen, die Mitochondrien. Eine Fettsäure muss also zwei Membrane überqueren: Die Zell- und die Mitochondrienmembran.

Es liegt also auf der Hand, dass Triglyceride, die aus Glycerin und drei gebundenen Fettsäuren bestehen, zunächst gespalten werden müssen in drei Fettsäuren. 

Dafür gibt es spezielle Enzyme, die sich Lipoproteinlipasen (LPL) nennen. Diese Lipasen (= Fett-spaltende Enzyme) sind für die Spaltung von Fetten an der Zelloberfläche zuständig und machen die Fettsäuren somit verfügbar für die Nutzung als Energieträger.

Zwar verfügt nahezu jeder Zelltyp (Darm, Gehirn, Leber, Endothel, Muskel, Fett) über eine LPL, die zwei wesentlichen, die für uns eine Rolle spielen, sind

• Muskel-LPL
• Fettgewebs-LPL

Es wird ersichtlich, dass Triglyceride, die im Blut zirkulieren, vom Muskel oder vom Fettgewebe gespalten werden können. Entsprechend sind die Wege kürzer, die eine Fettsäure nehmen muss, daher landet die Fettsäure auch eher in dem Gewebe, von dem es freigesetzt wurde.

Mit anderen Worten: Werden Triglyceride durch die LPL des Fettgewebes gespalten, dann landen die frei gewordenen Fettsäuren mit hoher Wahrscheinlichkeit im Fettgewebe. 

Wenn wir also eine ordentliche Partitionierung (= sinnvolle Verteilung) dieses Substrats erreichen wollen, dann müssen wir über die Aktivität bzw. die Menge der LPL im jeweiligen Gewebe auseinandersetzen.

Also, wenn du möchtest, dass das gegessene Fett im Muskel statt im Fettgewebe landet, dann solltest du über die Bewerkstelligung desselben nachdenken.

Zunächst zu beachten ist, dass Insulin die Verteilung und Aktivität der LPLs grundlegend reguliert. Insulin wird dafür sorgen, dass wir einen shift erfahren zugunsten von mehr LPL im Fettgewebe und weniger LPL im Muskel (sehr oberflächlich ausgedrückt).

Gehen wir davon aus, dass weit über 95 % der Bevölkerung nicht konstant ketogen (mit extrem niedrigen basalen Insulinwerten) leben, dann erwarten wir, dass ein Großteil der Triglyceride vom Fettgewebe gespalten und entsprechend Fettsäuren freigesetzt und aufgenommen werden. Dies wurde, wie im Buch und hier auf der Seite mehrfach geschildert, mit markierten Kohlenstoff gemessen und nachvollzogen. 

Selbst während einer Sporteinheit, bei der Insulin stark fällt, dienen Triglyceride nur zu einem Bruchteil als Substrat, was bedeutet, dass die Mehrheit der Fettsäuren, die als Energiequelle genutzt werden, aus dem Fettgewebe stammen.

Bemerkenswert allerdings ist, dass Ausdauerathleten einen deutlich geringeren Anstieg von Triglyceriden im Blut aufweisen, nachdem eine Mahlzeit verspeist wurde, die viel Nahrungsfett enthält. 

Dieser messbare Anstieg von Triglyceriden nach dem Verzehr von Nahrungsfett nennt man postprandiale Lipämie.

Wie beschrieben, fällt diese postprandiale Lipämie bei Ausdauersportlern dramatisch niedriger aus, einhergehend mit einer niedrigeren basalen Konzentration von Triglyceriden im Blut, was nichts anderes bedeutet, als dass die Athleten konstant weniger Fett im Blut haben und die fat clearance nach dem Verzehr von Fetten deutlich besser ist, viel mehr Fett im Muskel statt im Fettgewebe landet.

Dies wiederum bedeutet, dass das verzehrte Fett weniger obesogen (= dickmachend) wirkt, viel mehr direkt als Energieträger für den Muskel genutzt wird.

Tatsächlich zeigt sich, dass ein 6-tägiges Detraining (= Phase ohne sportliches Training) von ansonsten trainierten Ausdauerathleten, zu einem 60 % erhöhten Anstieg von Triglyceriden nach einer (fetten) Mahlzeit führt (Hardman, 1998).

Heißt: Der Muskel nimmt das Fett bzw. die daraus entstandenen Fettsäuren nicht mehr ordentlich auf, was dazu führt, dass die Triglyceride woanders landen – im Fettgewebe.

Dies wäre ein sehr gutes Beispiel für eine Energie-Repartitionierung, die sich nachteilig auf die gesundheitliche bzw. körperliche Situation auswirkt. 

Die Frage nach der Ursache dieser Effekte scheint rasch gefunden zu sein: Die gesunkene Menge oder Aktivität der muskulären LPL (Seip, 1995; Hardman, 1998). 

Tatsächlich weisen Ausdauersportler im Schnitt 100 % mehr Muskel-LPL-mRNA auf. Dies bedeutet, dass sie – im Vergleich zur Normalbevölkerung – doppelt so viel LPL-mRNA bilden.

Als mRNA bezeichnet man die Abschrift der DNA. Auf der DNA liegen die Baupläne für Proteine, die zunächst abgeschrieben werden müssen. Diese Abschrift nennt sich mRNA. Die mRNA dient letztendlich als Bauplan, in diesem Falle für die Lipoproteinlipase. Im Folgenden beziehe ich mich nicht auf die absolute LPL-Protein-Konzentration, sondern auf die mRNA-Konzentration, die sich allerdings nicht 1:1 in eine Proteinmenge überführen lässt.

Ähnliche Werte findet man nach einem dreimonatigen Ausdauertraining (Schrauwen, 2002) oder nach einer Reduktion von Kohlenhydraten zugunsten von Fett, wie beispielsweise während einer mäßigen Low-Carb-Diät (Sharman, 2002).

Heißt: Zumindest wenn man nach einer Prozentzahl und weniger nach absoluten Werten geht, ist ein 100%iger Anstieg der LPL-mRNA scheinbar ein Cut-Off-Wert – 100 % mehr LPL-mRNA, somit womöglich auch 100 % mehr LPL absolut, scheint die Obergrenze des Machbaren zu sein. 

L-Carnitin als Modulator der Muskel-LPL 

Prinzipiell können wir, nach diesem Textverlauf, festhalten, dass eine Steigerung der LPL-Verfügbarkeit dafür sorgen kann, dass zugeführte Fette nicht den Umweg über das Fett nehmen müssen, sondern vermehrt direkt vom Muskel aufgenommen werden können.

Dies wäre ein großer Vorteil, wären fetthaltige Nahrungsmittel weniger obesogen, die Fette stünden der Muskulatur idealerweise direkt als Energieträger zur Verfügung.

Dies würde nicht nur der muskulären Energetik und der Optik (womöglich weniger Körperfett) zugute kommen, sondern auch der Gesundheit, denn 60 % weniger Triglyceride im Blut nach dem Verzehr von Fetten, inklusive niedrigeren basalen Triglycerid-Werten, würde natürlich auch einen niedrigeren kardiovaskulären Risikofaktor darstellen.

Wie bereits angedeutet, kann eine Low-Carb-Ernährung auch als exercise mimetic angesehen werden, verdoppelt sich auch hier die LPL-Menge. Tatsächlich schreibe ich im Buch davon, dass dieses „Fettstoffwechseltraining ohne Training“ zu einer dramatischen Steigerung der Ausdauerleistungsfähigkeit führt. 

Für Menschen, die sich diesem Extrem nicht hingeben möchten, gibt es jedoch auch eine andere Lösung: L-Carnitin.

Die Gabe von 2,5 g L-Carnitin moduliert innerhalb von 12 Wochen 73 Gene des muskulären Energiestoffwechsels.

Darunter auch die beschriebene muskuläre Lipoproteinlipase: 100 % mehr LPL-mRNA im Vergleich zur Kontrollgruppe.

Ein großer Vorteil der L-Carnitin-Supplementation ist, dass L-Carnitin darüber hinaus auch das vorhin angesprochene CPT-System positiv reguliert (+ 100 %), so dass mehr Fettsäuren die mitochondriale Membran überqueren können, was vermutlich in gesteigerter Fettsäureoxidation resultiert. (Vgl. Stephens, 2013)

Dies zeigt sich auch an daran, dass das CPT-System während der Gabe von L-Carnitin, 4 x mehr zelluläre Fettsäuren bindet, was eine dramatisch gesteigerte Nutzung von Fettsäuren als Energiequelle anzeigt.

Die Gabe von L-Carnitin kann in dieser Hinsicht ein dreimonatiges Ausdauertraining ersetzen und kann Enzym-Werte des muskulären Stoffwechsels auf ein Niveau bringen, das denen eines Ausdauersportlers gleichen.

Beachten muss man natürlich, dass andere Körpersysteme wie Bänder, Sehnen und auch die Psyche, keine Adaptation erfahren, weswegen die Gabe von L-Carnitin ein Ausdauertraining natürlich nicht 1:1 ersetzen kann.

Allerdings könnte man die muskuläre Ausdauer (via Modulation des Fettstoffwechsels) sehr leicht mit L-Carnitin mimen bzw. herbeiführen und die restliche Zeit nutzen, um beispielsweise im Kraftraum zu trainieren. Hierbei hätte man Zeit und Ressourcen gespart, die man in andere Trainingsmethoden investieren könnte.

L-Carnitin in der Praxis: Blutfettwerte von Dialyse-Patienten senken

Dialyse-Patienten weisen sehr häufig zu hohe Triglycerid-Werte auf. Aus einer Studie aus dem Jahr 1983 geht hervor, dass die intravenöse Gabe von 20 mg pro Kilogramm Körpergewicht (also 2000 mg bei 100 kg Körpergewicht) zu einer Halbierung der Triglyceride und einer deutlichen Reduktion der Cholesterin-Werte führte. 

Dies funktionierte allerdings nur dann, wenn die HDL-Werte anfänglich niedrig waren, bei circa 30 mg/dl. Dann allerdings wurden auch die HDL-Werte nahezu verdoppelt.

Die Effekte blieben aus, wenn die HDL-Werte anfänglich hoch waren, was eventuell an einer normalen LPL-Aktivität lag, weswegen Carnitin keine weiteren Effekte herbeiführen konnte. Dies bleibt allerdings spekulativ.

(Vgl. Vacha, 1983)

Fazit und Ausblick

Es gibt mittlerweile etliche Möglichkeiten zur Nutzung von exercise mimetics (Sportmimetika), die – wie eingangs besprochen – diverse Vorteile bieten könnten, gerade hinsichtlich des Alltags eines Athleten.

Wie ein EM wirken könnte, sollte anhand des L-Carnitin-Beispiels deutlich gemacht werden.

L-Carnitin reguliert die Werte eines Enzyms namens Lipoproteinlipase, insbesondere die muskuläre LPL. Mit der Gabe von 2,5 g L-Carnitin pro Tag werden LPL-Werte erreicht, die denen eines Ausdauersportlers entsprechen.

Wie beschrieben, korreliert die Menge bzw. Aktivität der muskulären LPL mit niedrigen Triglycerid-Werten bei Athleten.

Diese Veränderung sorgt insgesamt für eine Energie-Repartitionierung, gekennzeichnet durch eine Verlagerung der zugeführten Energie aus Fetten, weg von Fettgewebe und hin zum Muskelgewebe, was letztendlich die Körperkomposition beeinflusst.

L-Carnitin kann die Effekte eines mehrmonatigen Ausdauertrainings, zumindest diesbezüglich, mimen und ist somit ein exercise mimetic.

Spannend und offen bleibt die Frage, ob eine erhöhte Fleischzufuhr diesen Effekt erreichen kann oder ob man zu Ergänzungsmittel greifen muss. Es bleibt außerdem die Frage im Raum, wie sich eine ketogene Diät auf die L-Carnitin-Reserven bzw. -Verfügbarkeit auswirkt, vor allem in Hinblick auf die Quelle und Menge des zugeführten Proteins (z. B. rotes vs. weißes Fleisch), denn ketogene Diäten dürften einen erhöhten Verschleiß an L-Carnitin aufweisen, wenngleich dies nur eine Vermutung darstellt.

Referenzen

Hahn A., Ströhle A., Wolters M. (2006) Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart

Hardman, Adrianne E, Janet EM Lawrence, and Sara L Herd. „Postprandial lipemia in endurance-trained people during a short interruption to training.“ Journal of Applied Physiology 84.6 (1998): 1895-1901.

Kasper H. (2004) Ernährungsmedizin und Diätetik. 10. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München

Pietrzik K., Golly I., Loew D. (2008) Handbuch Vitamine. Für Prophylaxe, Beratung und Therapie. Urban & Fischer Verlag, München

Schrauwen, Patrick et al. „The effect of a 3-month low-intensity endurance training program on fat oxidation and acetyl-CoA carboxylase-2 expression.“ Diabetes 51.7 (2002): 2220-2226.

Seip, Richard L, THEODORE J Angelopoulos, and CLAY F Semenkovich. „Exercise induces human lipoprotein lipase gene expression in skeletal muscle but not adipose tissue.“ American Journal of Physiology-Endocrinology And Metabolism 268.2 (1995): E229-E236.

Sharman, Matthew J et al. „A ketogenic diet favorably affects serum biomarkers for cardiovascular disease in normal-weight men.“ The Journal of nutrition 132.7 (2002): 1879-1885.

Stephens, Francis B.; Wall, Benjamin T.; Marimuthu, Kanagaraj u. a. (2013): „Skeletal muscle carnitine loading increases energy expenditure, modulates fuel metabolism gene networks and prevents body fat accumulation in humans“. In: The Journal of Physiology. 591 (18), S. 4655-4666, DOI: 10.1113/jphysiol.2013.255364.

Vacha, Gian Maria et al. „Favorable effects of L-carnitine treatment on hypertriglyceridemia in hemodialysis patients: decisive role of low levels of high-density lipoprotein-cholesterol.“ The American journal of clinical nutrition 38.4 (1983): 532-540.