Proteine und Aminosäuren: Die Bausteine des Lebens verstehen

Proteine sind Bausteine aller Körperzellen sowie Körperflüssigkeiten und als Enzyme für den Ablauf lebensnotwendiger Funktionen zuständig. Chemisch betrachtet bestehen Eiweiße aus langen und unterschiedlich aufgebauten Ketten von vielen einzelnen Aminosäuren. Dem menschlichen Organismus stehen 20 verschiedene Aminosäuren zur Verfügung, von denen 9 essenziell (lebensnotwendig) sind. Im erwachsenen Organismus entfallen 50 % aller Proteine auf das Muskelgewebe, 25 % liegen im Bindegewebe in Form von Elastin sowie Keratin vor und 25 % befinden sich in den inneren Organen sowie im Blut.

Aufbau und Funktionen

Eiweiße sind aus einer unterschiedlich großen Anzahl an Aminosäuren aufgebaut. Der Unterschied zu Kohlenhydraten und Fetten ist, dass Eiweiße neben den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) noch Stickstoff (N) enthalten. Zwei Aminosäuren besitzen außerdem ein Schwefelatom (S), andere sind zusätzlich aus dem Element Phosphat (P) aufgebaut.

Allen Aminosäuren gemein ist eine feste Grundstruktur. Variabel ist hingegen die Art der Seitenkette, die für die speziellen Aufgaben und Funktionen der Aminosäuren verantwortlich ist.

Die in menschlichen Geweben vorkommenden Aminosäuren lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten unterscheiden. Je nach Struktur wird zum Beispiel in aliphatische, heterozyklische oder verzweigtkettige Aminosäuren unterschieden. Auch gibt es sogenannte glucogene Aminosäuren. Diese können in Glukose umgewandelt und als Energiequelle genutzt werden. Ketogene Aminosäuren hingegen werden zu Ketonkörpern abgebaut.

Unabhängig davon übt jede Aminosäure und jedes Protein spezifische Funktionen und Aufgaben im Körper aus.

Aufgaben und Funktionen der Proteine

Energielieferant ☞

Die Energiedichte von Proteinen beträgt 17,2 kJ/g (= 4,1 kcal/g). Die mit der Nahrung aufgenommenen Eiweiße werden im Dünndarm in ihre Bausteine zerlegt, die Aminosäuren werden resorbiert, um dann als Material für den Aufbau körpereigener Eiweiße zu dienen.

Als Energiequelle setzt der Körper Proteine erst ein, wenn er die Kohlenhydratspeicher aufgebraucht hat. Dies geschieht während längerer Hungerperioden. In einem komplizierten chemischen Prozess kann in der Leber aus glucogenen Aminosäuren Glukose als Energielieferant hergestellt werden. Ketogene Aminosäuren können, ähnlich wie die Fettsäuren, zu Ketonkörpern abgebaut werden, die von den Organen in Zeiten der Mangelversorgung alternativ zur Glukose verstoffwechselt werden. Da beim Abbau von Proteinen immer Stickstoff frei wird, wird Eiweiß nur im Notfall (bei zu niedriger Nährstoffzufuhr von Kohlenhydraten und/oder Fett) zur Energiegewinnung genutzt.

Immunsystem ☞

In Form von Antikörpern sind Eiweiße wesentliche Bestandteile des Immunsystems.

Muskulatur

Die wichtigste Aufgabe ist der Aufbau und die Reparatur bzw. Regeneration der Muskulatur. Etwa 20 % der Muskeln bestehen aus Proteinen.

Beispiel: Myosin und Actin in den Muskelzellen, Kollagen in Sehnen und Muskeln

Säure-Basen-Haushalt (biologische Puffer) ☞

Aminosäuren können aufgrund ihrer chemischen Struktur als Puffer (sowohl sauer als auch basisch) wirken. Als biologische Puffer tragen Aminosäuren dazu bei, den pH-Wert des Blutes konstant zu halten. Sinkt dieser – zum Beispiel aufgrund einer Stoffwechselstörung – fangen die Aminosäuren dies ab und regulieren den pH-Wert wieder nach oben.

Im physiologischen pH-Bereich zwischen 6 und 8 scheint jedoch nur Histidin eine nennenswerte Pufferkapazität auszuüben (Spektrum).

Stoffwechsel (Enzyme, Hormone)

Eiweiße sind Bestandteile aller Zellen und bestimmen Bau, Struktur sowie Stoffwechsel der Zelle. Sie erfüllen als Enzyme (z. B. Peptidasen, Proteasen) und Hormone (z. B. Insulin) eine Reihe lebensnotwendiger Aufgaben im menschlichen Stoffwechsel.

Vorkommen

Gute Eiweißquellen sind Eier, Milch, Kartoffeln, Fleisch, Fisch, Quinoa und Nüsse sowie Samen.

Pflanzliche Lebensmittel: Nüsse, Hülsenfrüchte wie Bohnen oder Pseudogetreide wie Quinoa oder Amarant sind eiweißreich und besonders für Vegetarier und Veganer gut geeignet.

Tierische Lebensmittel: In tierischen Lebensmitteln sind mengenmäßig meist mehr essenzielle Aminosäuren (siehe weiter unten) enthalten. Das gilt besonders für Eier, Fleisch und Fisch. Daher ist die biologische Wertigkeit bei tierischen Produkten meist höher. Idealerweise werden pflanzliche mit tierischen Eiweißen kombiniert: Die biologische Wertigkeit steigt und der Stoffwechsel wird nicht belastet. Tierisches Eiweiß gilt oft als „ungesünder“, da es unter anderem schwefelhaltige Aminosäuren enthält. Hierzu zählen die Aminosäuren Methionin und Cystein. Diese sollen im Körper sauer wirken und den Säure-Basen-Haushalt belasten. Grundsätzlich kann der menschliche Körper sehr gut „puffern“. Auch über einen längeren Zeitraum können sauer wirkende Nahrungsmittel ohne Auswirkungen aufgenommen werden. Ein tatsächliches Übersäuern resultiert häufig aus einem gestörten Gesamtstoffwechsel.

Zufuhrempfehlungen

Bedarf und Zufuhrempfehlungen Protein

Minimalbedarf: Der Bedarf an Proteinen liegt für gesunde Erwachsene bei etwa 0,8 g pro Kilogramm Körpergewicht. Diese ergeben sich aus dem minimalen Bedarf von 0,45 g pro Kilogramm Körpergewicht zuzüglich Standardabweichungen und Sicherheitszuschlägen. Somit benötigt ein 70 kg schwerer Mann mindestens 56 g Eiweiß. Diese kann er auch mit nur einer Mahlzeit zuführen. Entscheidender für die Verwertbarkeit ist die Qualität des aufgenommenen Eiweißes. So kann ein 70 kg schwerer, aktiver Mensch bis zu 140 g qualitativ hochwertiges Eiweiß täglich verwerten.

Optimale Zufuhr: Der von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung erhobene Bedarf von 0,8 g Protein pro Kilogramm Körpergewicht stellt die notwendige Versorgung für verschiedene Körperfunktionen sicher. Eine optimale Versorgung hingegen liegt mitunter höher und ist individuell unterschiedlich. Es wird davon ausgegangen, dass bis zu 2 g Protein pro kg Körpergewicht und Tag gut verwertet werden können.

Bedarf und Zufuhrempfehlungen Aminosäuren

Essenzielle Aminosäuren: Aminosäuren können über verschiedene Prozesse ineinander umgewandelt werden. Die Voraussetzung dafür ist nur bei 11 der 20 proteinogenen Aminosäuren gegeben. Die übrigen müssen mit der Nahrung aufgenommen werden und sind daher essenziell. Dazu gehören (Angaben zum Bedarf laut EFSA 2012):

• Isoleucin (20 mg/Tag)
• Leucin (39 mg/Tag)
• Lysin (30 mg/Tag)
• Methionin (10 mg/Tag)
• Phenylalanin (25 mg/Tag)
• Threonin (15 mg/Tag)
• Tryptophan (4-5 mg/Tag)
• Valin (26 mg/Tag)
• Histidin (für Säuglinge essenziell)
• Arginin (für Säuglinge essenziell)

Limitierende Aminosäuren: Bei sogenannten limitierenden Aminosäuren handelt es sich um diejenige essenzielle Aminosäure eines Nahrungseiweißes, das im Lebensmittel von allen Aminosäuren am wenigsten vorkommt. Hierzu gehören beispielsweise Lysin im Getreide, Methionin in Hülsenfrüchten und Tryptophan in Mais. Limitierende Aminosäuren spielen insbesondere beim weltweiten Kampf gegen Hunger eine große Rolle.

Therapeutisch relevante Aminosäuren: Es gibt Aminosäuren, die nur bei bestimmten Erkrankungen wie Fieber oder Infektionen lebensnotwendig sind. Dazu gehören Cystein, Tyrosin, Arginin und Glutaminsäure. Es gibt zudem einige angeborene Stoffwechselstörungen, bei denen Enzyme zur Synthese spezieller Aminosäuren ausfallen. Bekanntestes Beispiel ist die Phenylketonurie. Bei dieser Krankheit kann Phenylalanin nicht in Tyrosin umgewandelt werden, Tyrosin ist für diese Menschen dann eine essenzielle Aminosäure.

Präventive und therapeutische Relevanz (Auswahl)

Adipositas ☞

Eiweißreiche Diätformen zeichnen sich durch eine Eiweißzufuhr aus, die etwa 25-30 Energie-% der Gesamtenergiezufuhr ausmacht. Dabei resultiert die Verschiebung des Makronährstoffverhältnisse in erster Linie aus einer Reduktion an Fetten und Kohlenhydraten in der Ernährung, wodurch sich die Gesamtkalorienaufnahme verringert. Die absolute Eiweißzufuhr verändert sich gegenüber einer durchschnittlichen Ernährung (mit 10-15 Energie-% Eiweiß) nicht wesentlich und beträgt weiterhin etwa 0,8-1,2 g pro kg Körpergewicht. Eiweißexzesse sind, wie von Kritikern befürchtet, unwahrscheinlich.

Effekte: Proteine tragen stark zur postprandialen Thermogenese bei. Folglich wird ein Teil der zugeführten Kalorien in Wärme umgewandelt. Die ausreichende Zufuhr an Eiweiß trägt zudem zum Erhalt der Muskelmasse bei, wodurch kaum ein Verlust an stoffwechselaktiver Masse eintritt und die erneute Gewichtszunahme weitgehend unterbunden wird. Untersuchungen über kürzere Zeiträume belegen, dass eine Erhöhung des Eiweißanteils an der Gesamtenergiezufuhr zu einem stärkeren Sättigungsgefühl führt [Due 2004]. Diätformen mit einer Eiweißzufuhr unterhalb des Bedarfs, wie es insbesondere bei den sogenannten Crash-Diäten häufig der Fall ist, führen im Gegensatz hierzu im Anschluss zu einer raschen Gewichtszunahme (Jojo-Effekt).

Grenzen: Bei nierengesunden Personen konnten bislang keine negativen Auswirkungen eines erhöhten Eiweißkonsums auf die Nierenfunktion beobachtet werden [Wes 2009]. Patienten mit Metabolischem Syndrom und insbesondere mit Diabetes mellitus neigen mit anhaltendem Krankheitsverlauf zu Veränderungen der glomerulären Filtrationsleistung. Die diabetische Nephropathie ist eine typische Spätkomplikation bei langanhaltendem und schlecht therapiertem Diabetes mellitus. Eine erhöhte Eiweißzufuhr kann unter Umständen die Progression einer subklinischen Nierenfunktionsstörung vorantreiben und zum Nierenversagen sowie zu einer damit verbundenen Hypertonie beitragen. Vor dem Start einer eiweißreichen Diät sowie im Verlauf einer längerfristigen Therapie sollten folglich der Harnstoffwert, der Kreatininwert und die glomeruläre Filtrationsrate kontrolliert werden.

Diabetes mellitus ☞

Proteine stellen 20 bis 30 % der Gesamtenergie. Diese liefern essenzielle Aminosäuren, die für den Aufbau von Körpergewebe, Enzymen und einer Reihe Hormonen bzw. Botenstoffen unverzichtbar sind.

Eiweiße sättigen zudem gut und langanhaltend. Zwischenmahlzeiten können so häufig vermieden werden.

PatientInnen, die bereits eine eingeschränkte Nierentätigkeit aufweisen, sollten hingegen die Eiweißzufuhr ggf. auf etwa 0,8 g/ kg Körpergewicht beschränken. Hier ist auf eine ausreichende Zufuhr an essenziellen Aminosäuren zu achten.

Fettleber ☞

Die Mangelfettleber beruht häufig auf einem Mangel an Proteinen. Bei der nicht alkoholischen Fettleber kann eine erhöhte Proteinzufuhr die Gewichtsabnahme unterstützen und sich positiv auf eine bestehende Insulinresistenz auswirken.

Empfehlung bei Mangelfettleber: Proteinzufuhr von 1,2-1,5 g pro kg Körpergewicht und Tag (mit Spätmahlzeit)

Glukokortikoide ☞

Die Mobilisierung der Eiweißreserven bei langfristiger Glukokortikoidzufuhr führt langfristig zum Abbau der Muskulatur (Muskelschwund). Deshalb sollte der Eiweißbedarf über die Nahrung ausreichend sein.

Harnsteine (Urolithiasis) ☞

Die Proteinzufuhr sollte bei Neigung zu Harnsteinen auf 1,0 g pro kg Körpergewicht begrenzt werden. Große Eiweißmengen können den Urin ansäuern, dessen pH-Wert senken und damit die (erneute) Steinbildung fördern. Bei Neigung zu Harnsäuresteinen sollten zudem tierische Eiweißquellen nur moderat verzehrt werden [DGU 2018].

Insulinresistenz | metabolisches Syndrom ☞

Der Mindestbedarf an Eiweiß pro Tag mit 0,8 g pro Kilogramm Körpergewicht ist nicht mit der optimalen Zufuhr gleichzusetzen. Eine deutlich höhere Zufuhr von etwa 1,2 bis 1,5 g pro Kilogramm Körpergewicht und Tag wirkt sich demnach positiv auf Körperzusammensetzung, Fettverteilungsmuster, Blutzucker- sowie Hunger- und Sättigungsregulation und den Energiestoffwechsel aus [Ber 2016] [Lay 2015].

In der Praxis zeigte sich zudem, dass diese Eiweißmenge über mehrere Mahlzeiten verteilt aufgenommen werden sollte. Dabei empfiehlt sich eine Menge von etwa 30 g Protein pro Mahlzeit, wobei individuelle Gegebenheiten wie das Körpergewicht zu berücksichtigen sind [Lay 2015]. Diese Eiweißmenge gilt auch über einen längeren Zeitraum als sicher [Ber 2016]. Dabei scheint es aus gesundheitlicher Sicht auch von eher untergeordneter Bedeutung zu sein, ob es sich um tierische oder pflanzliche Eiweißquellen handelt.

Krebserkrankungen ☞

Eine ausreichende Eiweißversorgung ist für den Erhalt von Körpergewicht und -muskulatur entscheidend. Vor allem Lebensmittel mit einer hohen biologischen Wertigkeit sind empfehlenswert, da diese eine optimale Zusammensetzung aufweisen, um die Versorgung mit lebensnotwendigen Aminosäuren zu gewährleisten.

Zur Vorbeugung einer Mangelernährung kann die Proteinzufuhr auf 1,5 g pro kg Körpergewicht erhöht werden. Bei einer systemischen Entzündungslage ist die Zufuhr bis zu 2 g Protein pro kg Körpergewicht zu prüfen.

Laktoseintoleranz ☞

Da bei einer laktosefreien oder -armen Ernährung häufig auf eiweißreiche Lebensmittel verzichtet wird, ist auf eine ausreichende Zufuhr an Nahrungsprotein zu achten. Liegt eine Mangelernährung vor oder besteht Untergewicht bzw. ist die Muskelmasse zu gering, sollte die Proteinmenge angehoben werden. Insbesondere in Kombination mit einer vegetarischen Ernährung ist die Eiweißzufuhr häufig unzureichend.

Morbus Crohn ☞

Der Proteinbedarf ist bei schweren Verlaufsformen erhöht. Es werden 1,5 bis 2 g Eiweiß pro kg Körpergewicht empfohlen.

Osteoporose ☞

Eine Unterversorgung mit Protein führt zu Verlusten an Muskelmasse, was eine abnehmende Stabilität und in Kombination mit abnehmenden Bewegungsmöglichkeiten zu einer zunehmenden Immobilisation führt.

Während eine geringe Eiweißversorgung im Kindesalter mit einer geringeren „peak bone mass“ einhergeht, kann eine sehr hohe Eiweißzufuhr die Ausscheidung von Kalzium mit dem Urin fördern. Eine normalisierte Proteinaufnahme vor allem bei älteren Menschen führt zu einer verstärkten Wirkung von Kalzium und Vitamin D [Sch 1998]; [Daw 2002].

Einige Aminosäuren wie Lysin und Arginin unterstützen den Knochenstoffwechsel auf verschiedene Weise.

Refluxkrankheit ☞

Eiweißreiche Speisen können zur Milderung der Beschwerden hilfreich sein.

Proteine und Peptide der Nahrung führen zu einer Ausschüttung des Hormons Gastrin. Dieses erhöht den Tonus des Schließmuskels und fördert dessen Verschluss.

Unter- und Überversorgung

Mangelerscheinungen

Eine Unterversorgung tritt vor allem im Alter und bei bestimmten Erkrankungen auf. Bei Gesunden sind Mangelerscheinungen hingegen eher nicht zu erwarten.

Entwicklungsländer: Insbesondere in den Entwicklungsländern ist der Eiweiß-, aber auch der Energiemangel ein häufig auftretendes und ernst zu nehmendes Problem. Menschen, die eine ungenügende Menge an Eiweiß und Energie zuführen, weisen meist gleichzeitig zusätzlich einen Mangel an lebenswichtigen Mineralstoffen wie Eisen, Zink, Iod, Kalium, Kalzium und Magnesium, den Vitaminen A, C, E und D sowie unentbehrlichen Fettsäuren auf. Ursachen können sein:

• eine zu niedrige Eiweißaufnahme
• Aufnahme überwiegend pflanzlicher Nahrungsmittel, die eine geringere biologische Wertigkeit haben als tierische Lebensmittel
• unzureichende Aufnahme an Nahrungsenergie

Marasmus und Kwashiorkor: Ausgeprägte Unterversorgungen an Eiweißen sind als die Mangelerkrankungen Marasmus und Kwashiorkor bekannt, die jedoch bei uns eher selten anzutreffen sind.

Toxizität

Größere Mengen an Eiweiß führen zu einer positiven Stickstoffbilanz: es wird mehr Stickstoff aufgenommen als abgegeben.

Nur wer sehr hohe Mengen an isoliertem Eiweiß oder isolierten Aminosäuren aufnimmt, kann mit Nebenwirkungen konfrontiert werden. Ist beispielsweise die Zufuhr an B-Vitaminen gleichzeitig ungenügend, können erhöhte Homocysteinspiegel auftreten. Ist die Zufuhr und Bildung an Kalzium sowie Vitamin D unzureichend, können sehr hohe Mengen an Methionin zu einer erhöhten Ausscheidung an Kalzium führen. Dies kann langfristig das Risiko für brüchige Knochen erhöhen. Diese Nebenwirkungen treten jedoch nur bei einer sehr hohen Zufuhr an bestimmten Eiweißen wie zum Beispiel Supplementen oder in Form von Eiweißpulver auf. Bei einer ausgewogenen Ernährung sind derartige Nebenwirkungen nicht zu befürchten.

Weitere Informationen zum Thema

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Die Inhalte dieses Artikels dienen der allgemeinen Information und ersetzen keine individuelle ärztliche oder ernährungstherapeutische Beratung. Bei Fragen zur eigenen Erkrankung oder Medikation empfehlen wir das Gespräch mit einer Fachkraft.