Protein für die Muskeln - aber was passiert im Darm?

Wer Muskeln aufbauen möchte, kommt an Protein kaum vorbei. Im Fitnessstudio wird über Eiweißmengen gesprochen, Proteinpulver stehen längst in beinahe jedem Supermarkt, Apps rechnen den täglichen Bedarf aus und auf den Verpackungen konkurrieren Produkte darum, möglichst viele Gramm Protein pro Portion zu liefern. 100 Gramm am Tag, 150 Gramm, bei großen und intensiv trainierenden Sportlern auch 200 Gramm oder mehr – solche Mengen sind in der Welt des Kraft- und Ausdauersports längst nichts Ungewöhnliches mehr.

Doch ausgerechnet bei Menschen, die ihre Ernährung besonders sorgfältig planen, taucht immer wieder ein weniger attraktives Begleitphänomen auf. Der Bauch fühlt sich voll an, spannt oder bläht sich sichtbar auf. Manche Sportler berichten über stärkere Gasbildung, andere über ein unangenehmes Völlegefühl nach proteinreichen Mahlzeiten oder Shakes. Im Fitnessbereich ist deshalb gelegentlich vom „Protein-Blähbauch“ die Rede.

Schnell gerät dann das Proteinpulver unter Verdacht. Vielleicht ist es die Laktose, vielleicht ein Süßstoff, vielleicht verträgt man eine bestimmte Proteinquelle nicht oder die Portion war schlicht zu groß. All das kann eine Rolle spielen. Ein aufgeblähter Bauch bedeutet jedoch nicht automatisch, dass ein Mensch Protein grundsätzlich schlecht verdaut. Interessanter wird die Sache, wenn wir nicht nur darauf schauen, was ein Sportler isst, sondern verfolgen, was anschließend mit diesem Protein im Verdauungstrakt geschieht.

Denn 30 Gramm Protein im Shaker sind zunächst einmal genau das: 30 Gramm Protein im Shaker. Damit daraus Aminosäuren werden, die dem Organismus tatsächlich zur Verfügung stehen, beginnt nach dem Trinken eine erstaunlich aufwendige biologische Verarbeitung.

Der Weg vom Protein zur Aminosäure

Proteine bestehen aus langen Ketten miteinander verbundener Aminosäuren. Diese großen Moleküle können nicht einfach als Ganzes durch die Darmwand aufgenommen und anschließend zum Muskel transportiert werden. Bereits im Magen beginnt deshalb ihre Zerlegung. Im Dünndarm setzen körpereigene Proteasen und Peptidasen diesen Prozess fort und zerlegen die Proteinstrukturen schrittweise in kleinere Peptide und schließlich in einzelne Aminosäuren. „Erst solche kleineren Einheiten können über die Darmschleimhaut aufgenommen und anschließend weiterverarbeitet und im Organismus genutzt werden.“

Für die Sporternährung ist dieser Unterschied wichtiger, als er zunächst erscheinen mag. Ein Ernährungsplan kann exakt festlegen, dass ein Athlet täglich 150 Gramm Protein aufnehmen soll. Diese Zahl beschreibt aber zunächst nur die Zufuhr. Sie sagt noch nicht, was auf dem Weg durch den Verdauungstrakt mit den einzelnen Bestandteilen geschieht.

Nicht sämtliche Proteinbestandteile, Peptide und Aminosäuren, die den Verdauungstrakt durchlaufen, werden vollständig vom menschlichen Organismus aufgenommen. Gelangen solche Substrate in Bereiche des Darms, in denen eine hohe mikrobielle Aktivität herrscht, stehen sie dort einer riesigen Gemeinschaft von Mikroorganismen zur Verfügung. Und diese Bewohner unseres Darms können mit Protein ebenfalls etwas anfangen.

Damit beginnt ein Teil der Geschichte, der in der klassischen Betrachtung der Sporternährung leicht untergeht.

Wenn Darmbakterien beim Protein mitessen

Unser Darm ist kein steriles Verdauungsrohr. In ihm lebt ein komplexes Ökosystem aus Bakterien, Archaeen, Pilzen und Viren. Diese Mikroorganismen existieren nicht unabhängig von unserer Ernährung. Sie benötigen selbst Nährstoffe, konkurrieren miteinander um Ressourcen und Lebensraum und produzieren aus den ihnen zur Verfügung stehenden Substraten wiederum eigene Stoffwechselprodukte.

Unsere Nahrung ernährt deshalb nicht ausschließlich uns selbst. Sie beeinflusst gleichzeitig die Lebensbedingungen der Mikroorganismen in unserem Darm.

Besonders bekannt ist dieser Zusammenhang bei Ballaststoffen und bestimmten unverdaulichen Kohlenhydraten. Gelangen sie in den Dickdarm, können Mikroorganismen daraus unter anderem kurzkettige Fettsäuren wie Acetat, Propionat und Butyrat bilden. Vor allem Butyrat ist interessant, weil es den Zellen der Darmschleimhaut als wichtige Energiequelle dienen kann.

Aber Mikroorganismen können nicht nur Kohlenhydrate verarbeiten. Stehen ihnen Proteinbestandteile und Aminosäuren zur Verfügung, können auch diese als Substrate genutzt werden. Dieser Vorgang wird als proteolytische Fermentation bezeichnet. Dabei können abhängig von den vorhandenen Ausgangsstoffen und den beteiligten Mikroorganismen sehr unterschiedliche Stoffwechselprodukte entstehen, darunter Ammoniak, Amine, Phenole, Indole, schwefelhaltige Verbindungen und Gase.

Man kann sich das vereinfacht wie eine kleine biologische Verarbeitungsanlage vorstellen. Was im oberen Verdauungstrakt nicht aufgenommen wurde und weiterwandert, verschwindet nicht einfach. Es trifft auf ein mikrobielles Ökosystem, dessen Bewohner die vorhandenen Substrate für ihren eigenen Stoffwechsel nutzen können.

Damit bekommt auch der sogenannte Protein-Blähbauch eine zusätzliche Perspektive. Gasbildung kann verschiedene Ursachen haben und lässt sich nicht einfach auf „zu viel Protein“ reduzieren. Wer seine Proteinzufuhr erheblich verändert, kann damit aber auch das Substratangebot verändern, das den Mikroorganismen im Darm zur Verfügung steht. Die interessantere Frage lautet deshalb nicht nur, wie viel Protein ein Mensch täglich isst, sondern ebenso, wie dieses Protein verarbeitet wird und was davon schließlich dort ankommt, wo Mikroorganismen damit weiterarbeiten.

Der Darm eines Sportlers trainiert mit

Bei einem intensiv trainierenden Menschen kommt zu dieser ohnehin komplexen Verdauungsarbeit eine weitere Besonderheit hinzu. Während des Trainings verändern sich die Bedingungen im Körper, und davon bleibt auch der Verdauungstrakt nicht unberührt.

Beginnt eine intensive körperliche Belastung, benötigt die arbeitende Muskulatur mehr Sauerstoff und Nährstoffe. Das Herz steigert seine Leistung, und bei zunehmender Körpertemperatur wird die Haut stärker durchblutet, damit Wärme abgegeben werden kann. Da dem Organismus keine unbegrenzte Blutmenge zur Verfügung steht, wird die vorhandene Versorgung entsprechend den aktuellen Anforderungen verteilt.

Während intensiver Belastung kann dadurch die Durchblutung des Verdauungstraktes deutlich zurückgehen. In der Sportmedizin wird dabei von einer verminderten splanchnischen Durchblutung gesprochen. Für den Organismus ist diese Reaktion zunächst sinnvoll, denn während eines Sprints, eines langen Anstiegs mit dem Fahrrad oder einer schweren Trainingseinheit besitzt die Versorgung der arbeitenden Muskulatur eine besonders hohe Priorität.

Für den Darm bedeutet das jedoch, dass er zeitweise unter anderen Bedingungen arbeiten muss. Seine Schleimhautzellen benötigen ebenfalls Sauerstoff und Nährstoffe. Bei langen oder besonders intensiven Belastungen kommen außerdem Wärmeentwicklung und Flüssigkeitsverlust hinzu. Je nach Sportart wirken zusätzlich mechanische Kräfte auf den Bauchraum. Beim Laufen bewegt er sich mit jedem Schritt, beim schweren Krafttraining können starke Rumpfspannung und Pressatmung zeitweise einen erheblichen Druck erzeugen.

Wie deutlich der Verdauungstrakt beim Sport mitbeansprucht werden kann, zeigt sich besonders im Ausdauersport. Bauchkrämpfe, Übelkeit, plötzlicher Stuhldrang oder Durchfall während oder nach langen Läufen sind so bekannt, dass sich im Englischen dafür sogar der Begriff „Runner's Trots“ etabliert hat. Dahinter steckt nicht eine einzige Ursache. Veränderungen der Durchblutung, mechanische Belastung, Hitze, Flüssigkeitshaushalt und Ernährung können gemeinsam dazu beitragen, dass der Darm während intensiver körperlicher Belastung besonders gefordert wird.

Nun treffen mehrere Dinge aufeinander: Ein Sportler führt seinem Verdauungssystem möglicherweise täglich erhebliche Mengen Protein zu. Dieses Protein muss verdaut und verarbeitet werden. Gleichzeitig lebt im Darm ein hochaktives mikrobielles Ökosystem, und während intensiver körperlicher Belastung verändern sich zusätzlich die physiologischen Bedingungen, unter denen dieses gesamte System arbeitet.

Genau an dieser Schnittstelle wird ein ungewöhnlicher Mikroorganismus interessant.

Was Bacillus subtilis so besonders macht

Bacillus subtilis besitzt eine Fähigkeit, die ihn von vielen anderen Bakterien unterscheidet, die wir über Lebensmittel oder Nahrungsergänzungsmittel aufnehmen: Er kann Endosporen bilden. Dabei handelt es sich nicht um eine Fortpflanzungsform, sondern um eine hochentwickelte Überlebensstrategie.

Gerät eine vegetative, also stoffwechselaktive Bacillus-subtilis-Zelle unter ungünstige Umweltbedingungen, kann ein komplexer biologischer Umbau beginnen. Das Erbgut wird kopiert, wichtige Zellbestandteile werden geschützt und schließlich in eine mehrschichtige, außerordentlich widerstandsfähige Struktur eingeschlossen. Der normale Stoffwechsel wird dabei nahezu vollständig heruntergefahren.

Man kann sich diese Spore wie einen biologischen Taucheranzug vorstellen. Während außen Bedingungen herrschen können, denen eine aktive Bakterienzelle wesentlich schlechter standhalten würde, bleibt im Inneren das geschützt, was für ein späteres Erwachen benötigt wird. Endosporen besitzen dadurch eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit gegenüber Austrocknung, Hitze und verschiedenen chemischen und physikalischen Belastungen.

Für die Passage durch den menschlichen Verdauungstrakt ist genau diese Eigenschaft interessant. Ein oral aufgenommener Mikroorganismus trifft zunächst auf den Magen und damit auf ein stark saures Milieu. Eine Bacillus-Spore muss dort noch gar nicht stoffwechselaktiv sein. Sie befindet sich in ihrem widerstandsfähigen Überlebenszustand und kann ungünstige Bedingungen wesentlich besser tolerieren als die vegetative Form.

Damit wäre allerdings erst die Hälfte der Geschichte erzählt. Denn Bacillus subtilis kann nicht nur in diesem widerstandsfähigen Zustand überdauern. Unter geeigneten Bedingungen kann aus der Spore wieder eine aktive Bakterienzelle entstehen.

Wenn die Spore wieder erwacht

Dieser Vorgang wird als Germination bezeichnet. Treffen Bacillus-Sporen auf geeignete Umweltbedingungen und bestimmte Nährstoffsignale, können Rezeptoren der Spore darauf reagieren. Die Spore nimmt Wasser auf, ihre innere Struktur verändert sich, schützende Strukturen werden umgebaut und der Stoffwechsel wird reaktiviert. Aus der widerstandsfähigen Überlebensform entsteht wieder eine vegetative Bakterienzelle.

Damit verändert sich ihre Rolle vollständig. Während die Spore in erster Linie dem Überleben dient, kann die vegetative Zelle wieder Nährstoffe verwerten, Stoffwechsel betreiben, mit ihrer Umgebung interagieren und Enzyme bilden. Genau dieser Wechsel zwischen einem extrem widerstandsfähigen Ruhezustand und einem biologisch aktiven Zustand gehört zu den faszinierendsten Eigenschaften von Bacillus subtilis.

Und hier treffen wir erneut auf das Protein, mit dem unsere Geschichte begonnen hat.

Ein Bakterium mit eigenem Enzymwerkzeug

Bacillus subtilis verfügt in seiner vegetativen Form über ein umfangreiches enzymatisches Repertoire. Besonders interessant ist seine Fähigkeit, extrazelluläre Enzyme zu produzieren. Diese Enzyme werden von der Bakterienzelle in ihre Umgebung abgegeben und können dort größere Moleküle in kleinere Bestandteile zerlegen.

Für einen Mikroorganismus ist das eine ausgesprochen sinnvolle Strategie. Eine große Proteinstruktur kann eine Bakterienzelle nicht einfach als Ganzes aufnehmen. Sie muss zunächst außerhalb der Zelle zerlegt werden. Erst die kleineren Bestandteile können anschließend aufgenommen und für den eigenen Stoffwechsel verwendet werden.

Unter den von Bacillus subtilis gebildeten Enzymen befinden sich Proteasen und Peptidasen. Damit begegnen wir wieder genau jenen Enzymgruppen, die bereits am Anfang unserer Geschichte eine zentrale Rolle gespielt haben. Auch der menschliche Organismus verwendet Proteasen und Peptidasen, um große Proteinstrukturen in kleinere Peptide und Aminosäuren zu zerlegen. Beim Bakterium erfüllen proteinspaltende Enzyme denselben grundlegenden biochemischen Zweck.

Genau deshalb ist die Verbindung zur Sporternährung so interessant. Auf der einen Seite steht eine Ernährungsweise, bei der Protein eine zentrale Rolle spielt und häufig in erheblichen Mengen zugeführt wird. Auf der anderen Seite steht ein Mikroorganismus, der als widerstandsfähige Spore in den Verdauungstrakt gelangen, unter geeigneten Bedingungen in seine aktive Form zurückkehren und anschließend über ein umfangreiches enzymatisches Werkzeug verfügen kann, zu dem gerade auch proteinspaltende Enzyme gehören.

Dabei wäre es viel zu kurz gedacht, Bacillus subtilis allein auf seine Proteasen und Peptidasen zu reduzieren. Eine aktive Bakterienzelle besitzt einen eigenen Stoffwechsel und befindet sich während ihrer Passage nicht in einem leeren Reagenzglas, sondern mitten in einem der dichtesten mikrobiellen Lebensräume überhaupt.

Dort konkurrieren Mikroorganismen um Nährstoffe und Lebensraum, nutzen Stoffwechselprodukte anderer Organismen und verändern durch ihren eigenen Stoffwechsel fortlaufend ihre unmittelbare Umgebung. Sobald Bacillus subtilis metabolisch aktiv wird, ist er Teil dieses Geschehens.

Dafür muss er sich nicht dauerhaft im Darm niederlassen. Bacillus subtilis wird als transienter Mikroorganismus betrachtet. Er passiert den Gastrointestinaltrakt, kann während dieser Passage biologisch aktiv werden und wird anschließend wieder ausgeschieden. Entscheidend ist deshalb nicht allein, wie lange er bleibt, sondern was während seiner Passage geschieht.

Ein gutes Bild dafür ist das eines vorübergehenden Besuchers, der sein eigenes Werkzeug mitbringt. Er kommt als widerstandsfähige Spore, kann unter geeigneten Bedingungen erwachen und verfügt anschließend über einen aktiven Stoffwechsel sowie ein umfangreiches enzymatisches Repertoire.

Vom Protein-Blähbauch zurück zum Shaker

Damit schließt sich der Kreis zu dem Sportler, dessen Bauch sich nach proteinreichen Mahlzeiten oder Shakes plötzlich bemerkbar macht. Wer große Mengen Protein zuführt, beschäftigt damit nicht nur seine Muskulatur, sondern zunächst sein gesamtes Verdauungssystem. Protein muss zerlegt werden, seine Bestandteile müssen aufgenommen werden, und was weiter in Bereiche hoher mikrobieller Aktivität gelangt, kann dort wiederum zum Substrat für Mikroorganismen werden. Bei dieser mikrobiellen Verarbeitung können neben zahlreichen anderen Stoffwechselprodukten auch Gase entstehen.

Gleichzeitig trainiert dieser Sportler mit einem Verdauungssystem, dessen Bedingungen sich während intensiver Belastung verändern können. Durchblutung, Wärme, Flüssigkeitshaushalt, mechanische Belastung, Ernährung und Mikrobiom existieren nicht unabhängig voneinander, sondern treffen im selben biologischen System aufeinander.

Genau in diesem System bewegt sich auch Bacillus subtilis. Seine Besonderheit besteht darin, dass er als widerstandsfähige Spore in den Verdauungstrakt gelangen, unter geeigneten Bedingungen germinieren und anschließend als vegetative Zelle sein eigenes metabolisches und enzymatisches Werkzeug einsetzen kann.

Vielleicht lohnt es sich deshalb, Sporternährung gelegentlich aus einer anderen Perspektive zu betrachten. Wir können Proteinquellen vergleichen, Grammzahlen berechnen und die Zufuhr über den Tag verteilen. Das alles ist sinnvoll. Aber diese Zahlen beschreiben zunächst nur, was wir essen. Danach beginnt eine biologische Verarbeitung, an der Verdauungsenzyme, Darmschleimhaut, Mikroorganismen und deren Stoffwechsel beteiligt sind – und deren Bedingungen sich bei intensiver körperlicher Belastung zusätzlich verändern können.

Wer 150 oder 200 Gramm Protein auf seinen Ernährungsplan schreibt, weiß deshalb ziemlich genau, was oben hineingeht. Was auf dem Weg durch den Verdauungstrakt daraus wird, ist mindestens ebenso faszinierend.

Der Shaker ist nur der Anfang.