Beta-Alanine & Carnosine

Zo rond 2006 kwamen er opeens wat studies de kop opsteken die β-alanine en diens mogelijke ergogene rol onderzochten. Tot op de dag van vandaag komen er nog steeds zo nu en dan nieuwe klinische studies die dit verder onderzoeken. Reden genoeg om het eens op mijn blog te behandelen dacht ik zo, des te meer omdat ik het zelf al geruime tijd suppleer.

β-Alanine genereert carnosine

Sommigen vragen zich waarschijnlijk af of ik van plan was twee supplementen in 1 post te behandelen, gezien ik ook carnosine noem in de titel. De reden hiervoor is echter dat β-alanine een precursor is van carnosine, het molecuul die daadwerkelijk voor de ergogene effecten zorgt. En waarom dan niet gewoon carnosine suppleren vraag je je wellicht af? Wel, dat is vrij simpel: het is duurder dan β-alanine zelf en uiteindelijk wordt het toch geconverteerd naar β-alanine voordat het in een spiercel aankomt.

Carnosine is een dipeptide, i.e. het bestaat uit twee aan elkaar gebonden aminozuren (β-alanine en L-histidine). Het komt voor in vlees en is in significante mate aanwezig in het dieet (tenzij je een vegetariër bent). Na inname wordt het voor een deel gehydrolyseerd, gezien er carnosinase aanwezig is in de enterocyten (cellen in je darmen die nutriënten absorberen). Carnosinase is, zoals de naam al suggereert, een enzym. En wel eentje die carnosine hydrolyseert waardoor β-alanine en histidine worden gevormd. Toch wordt er nog flink wat carnosine intact geabsorbeerd. Wanneer we kijken naar een studie waarbij participanten 200 gram rundergehakt kregen (goed voor zo’n 248 mg carnosine), werd een piek concentratie gemeten van 32.7 mg/L in het plasma na 3.5 uur [2]. Na 5.5 uur was carnosine niet meer meetbaar. Wat niet heel gek is, gezien carnosine ook in de circulatie wordt gehydrolyseerd door een carnosinase. Echter, gezien de gemiddelde Henk circa 5 liter bloed heeft (en dus circa 2.75 liter plasma), was er tijdens de piek zo’n 90 mg carnosine in de circulatie aanwezig bij de participanten. Dan nog het gegeven dat er continu afbraak plaatsvindt, het rundergehakt niet noodzakelijk al voor 100% was geabsorbeerd, en wat weefsel (e.g. de hersenen) carnosine absorbeert, doet mij concluderen dat er toch flink wat carnosine heelhuids door de darmen wordt opgenomen. Desalniettemin wordt het toch uiteindelijk voor het overgrote deel afgebroken tot β-alanine en histidine in het serum. En dat is maar goed ook, want in vitro onderzoek geeft aan dat de opname van carnosine door spiercellen zeer beperkt is [3].

De synthese van carnosine vindt plaats in spiercellen door het enzym carnosine synthase. De twee substraten voor dit enzym zijn β-alanine en histidine en heeft als product carnosine. Het enzym verbruikt ATP om deze reactie te catalyseren en produceert hiermee ADP en inorganisch fosfaat [4]. De K_m van histidine voor carnosine synthase is enorm veel kleiner dan die van β-alanine (16.8 µM vs 1-2.3 mM), er is dus verhoudingsgewijs veel meer β-alanine nodig om de reactie zo snel mogelijk te laten verlopen [5]. Dat, en gegeven dat de plasma concentratie die β-alanine bereikt na suppletie (piek van nog geen 1 mM na inname van 40 mg/kg lichaamsgewicht) [6], maakt β-alanine beschikbaarheid de rate-limiting step in de biosynthese van carnosine. Gezien carnosine dus in de cel wordt gegenereerd, ligt het voor de hand dat er transporters zijn voor histidine en β-alanine (beide worden niet gemaakt in spierweefsel). De transporter voor β-alanine is verre van verzadigd onder fysiologische condities [6], wat suppletie zinvol maakt. En inderdaad, β-alanine suppletie verhoogt de concentratie carnosine in het spierweefsel [5].

Hoe helpt het nou eigenlijk?

β-Alanine heeft voornamelijk invloed op spiervermoeidheid/verzuring door sport. De meest geaccepteerde theorie is dat deze verzuring grotendeels komt door de accumulatie van waterstof kationen in de spiercellen en voortvloeit uit de verlaagde pH waarde (dus zuurder). Cellen hebben buffer mechanismen die de pH waarde binnen een klein interval waarborgen. Het primaire buffer mechanisme van cellen hiervoor is het eiwitbuffer systeem. Eiwitten bevatten zowel zure als base groepen, en kunnen hiermee zowel H⁺ kationen doneren of opvangen. Vooral eiwitten met histidine zijn belangrijk hierbij door hun imidazool groep [7]. Carnosine fungeert dus als pH buffer in cellen door waterstof kationen te ontvangen en zorgt zo voor zijn ergogene effecten. Verder is gesuggereerd dat carnosine wellicht zorgt voor een hogere Ca²⁺ gevoeligheid, al zou dit ook gewoon secundair aan de pH buffer capaciteit van carnosine kunnen zijn, gezien H⁺ kan concurreren met Ca²⁺ voor binding aan troponine [8]. Binding van Ca²⁺ aan troponine zorgt voor een conformationele verandering die ervoor zorgt dat de myosine hoofden kunnen binden en zo kunnen ‘lopen’ over de actine filamenten en zodoende dus voor spiercontractie zorgt.

Samengevat stelt β-alanine verzuring uit doordat het de concentraties van carnosine in de spiercellen verhoogt: een effectieve pH buffer.

Sportprestaties en lichaamscompositie

Nog rest de hamvraag, namelijk: heeft β-alanine, buiten bovenstaand gelul om, nu ook echt praktisch nut? Het korte antwoord is: ja. Er zijn ontiegelijk veel studies gedaan, en gelukkig hoef ik ze in principe geen van allen te behandelen, gezien er ook meerdere reviews en zelfs een meta-analyse zijn gedaan. De meta-analyse van Hobsen et al. vertelt ons dat β-alanine suppletie geen voordelen biedt m.b.t. kortdurende (<60 s) sportprestaties, maar wel bij wat langer durende (60-240 s en >240 s) sportprestaties. Dit valt te verwachten gezien de werking van β-alanine.

Een dubbel blind onderzoek liet inderdaad helaas geen effect zien van suppletie bij 10 weken lang resistance (kortdurende sportprestaties dus) [10]. Een andere studie waarbij de participanten bij de sportschool over de vloer kwamen is die van Hoffman et al. [11]. Alleen werd hierbij β-alanine gecombineerd met creatine. Er waren geen significante verschillen op krachtmetingen tussen β-alanine + creatine en creatine alleen. Wel was er een significant verschil tussen de β-alanine + creatine groep in trainingsvolume t.o.v. placebo die niet werd gezien tussen de creatine groep en de placebo groep.

Ook bepaalden Hoffman et al. de lichaamscompositie van de steekproef, d.m.v. DEXA metingen. De combinatie van β-alanine met creatine zorgde niet alleen voor een significante hogere stijging in vetvrije massa (VVM) t.o.v. placebo, maar ook t.o.v. creatine ansich. Een gelijkend effect werd gevonden in een andere studie met worstelaars, waarbij de placebo groep, naast vet verlies, ook VVM verloor (bedoeling was ook om gewicht te verliezen), en de β-alanine VVM aankwam en vet verloor [12]. Bij de rugbyspelers kwam de β-alanine groep meer VVM aan dan de placebo groep.

Helaas waren de effecten niet statistisch significant, desondanks zijn ze zeer opmerkelijk en is het aannemelijk dat het een type II fout is. Bovendien is er nog een andere studie die een klein, maar significant, verschil in VVM laat zien tussen de β-alanine groep en de placebogroup bij mannen die zes weken lang HIIT volgden [13] (al bereikte het alleen significantie bij week 3).

Het is dus aannemelijk dat β-alanine een positief effect heeft op lichaamscompositie, maar hoe komt dit..? De literatuur geeft hier in principe geen mooi (lees: eigenlijk geen) antwoord op, maar het zou wellicht simpelweg osmose kunnen zijn. Carnosine komt in spierweefsel voor in ruwweg een concentratie van 10-20 mmol/kg spier (met type II spiervezels rond die 20 mmol/kg spier) en β-alanine suppletie kan dit verhogen met circa 70% in 4 weken tijd [6]. En hoewel er een negatieve associatie is tussen taurine en carnosine concentratie [5], daalde deze niet significant in [6]. Enige daling in taurine concentratie zal dus hoogstens vrij beperkt te zijn. Feitelijk komt het er dus op neer dat β-alanine de potentie heeft om de concentratie van carnosine met ~15 mmol/kg spier te verhogen.

Om bovenstaande even in context te plaatsen, zo uit m’n hoofd zorgt creatine suppletie voor ruwweg een verhoging van 25 mmol/kg creatine in de spier. Zoals we weten is dit voldoende voor aardig wat vochtretentie en evenzo is het aannemelijk dat β-alanine zijn stijging in VVM (in ieder geval ten dele) simpelweg te wijten is aan osmose. Ook analoog aan creatine, is β-alanine voornamelijk aanwezig in spierweefsel. En even heel ongenuanceerd is dit misschien wel een mechanisme (verhoogde celvolume door hydratie) waardoor het mogelijk de eiwitsynthese stimuleert en proteolyse remt [14].

Suppletie

In de literatuur worden er protocollen gehanteerd die varieren van circa 2 gr tot 6 gr β-alanine per dag, al dan niet verspreid over de dag. Spreiden over de dag is aan te raden, gezien hoge doseringen in 1x zorgen voor tintelingen op de huid die vrij vervelend kunnen zijn (paresthesia), dit is niet het geval bij lage doseringen (<1 gr) per keer (ook de slow-release varianten zijn hier goed voor [15]). Wat de paresthesia veroorzaakt is onduidelijk, al lees ik sporadisch op het internet iets over dat het bindt aan receptoren onder de huid (?). Als ik echter even heel nuchter mag denken: het is bekend dat zenuwcellen getriggerd worden bij alkalose, dus wellicht is het zo simpel als dat de β-alanine suppletie zorgt voor een te snelle stijging van carnosine in de zenuwcellen die de H⁺ concentratie te snel verlaagt en bijgevolg de pH waarde wat te hoog brengt…

Verder is het aan te raden om het bij een maaltijd in te nemen, gezien dit het carnosine laden in het spierweefsel bevordert [16]. Waarschijnlijk omdat het absorptie van β-alanine in het spierweefsel stimuleert, mogelijk door de insuline response die een maaltijd opwekt (de transporter is een Na⁺/K⁺ transporter, deze worden gestimuleerd door insuline).

Conclusie

β-Alanine is wat krachtprestaties betreft niet echt interessant voor krachtsporters, gezien de korte duur van de oefeningen. Enig effect zal vrij beperkt zijn. Wat echter wel interessant is, is het positieve effect op de lichaamscompositie. Het goedje kost haast niks, en tot op heden is de enige bekende bijwerking paresthesia, al zijn lange-termijn effecten nooit onderzocht. Desalniettemin komt het goedje voor in voeding met ongeveer dezelfde, maar wat mindere, hoeveelheid en gezien diens rol in het menselijke lichaam, is het niet aannemelijk dat het schadelijk is.

Wil je meer weten over bèta-alanine? Bekijk dan mijn boek over voedingssupplementen.

Referenties

1. Bellia, Francesco, Graziella Vecchio, and Enrico Rizzarelli. “Carnosinases, Their Substrates and Diseases.” Molecules 19.2 (2014): 2299-2329.
2. Park, Young Joon, Stella L. Volpe, and Eric A. Decker. “Quantitation of carnosine in humans plasma after dietary consumption of beef.” Journal of agricultural and food chemistry 53.12 (2005): 4736-4739.
3. BAUER, Karl, and Michael SCHULZ. “Biosynthesis of carnosine and related peptides by skeletal muscle cells in primary culture.” European Journal of Biochemistry 219.1‐2 (1994): 43-47.
4. Drozak, Jakub, et al. “Molecular identification of carnosine synthase as ATP-grasp domain-containing protein 1 (ATPGD1).” Journal of biological chemistry 285.13 (2010): 9346-9356.
5. Artioli, Guilherme Giannini, et al. “Role of b-alanine supplementation on muscle carnosine and exercise performance.” Med Sci Sports Exerc 42 (2010): 1162-1173.
6. Harris, Roger C., et al. “The absorption of orally supplied β-alanine and its effect on muscle carnosine synthesis in human vastus lateralis.” Amino acids 30.3 (2006): 279-289.
7. Abe, H. “Role of histidine-related compounds as intracellular proton buffering constituents in vertebrate muscle.” BIOCHEMISTRY C/C OF BIOKHIMIIA 65.7 (2000): 757-765.
8. Donaldson, Sue K. Bolitho, Lars Hermansen, and Laura Bolles. “Differential, direct effects of H+ on Ca2+-activated force of skinned fibers from the soleus, cardiac and adductor magnus muscles of rabbits.” Pflügers Archiv 376.1 (1978): 55-65.
9. Hobson, Ruth M., et al. “Effects of β-alanine supplementation on exercise performance: a meta-analysis.” Amino acids 43.1 (2012): 25-37.
10. Kendrick, Iain P., et al. “The effects of 10 weeks of resistance training combined with β-alanine supplementation on whole body strength, force production, muscular endurance and body composition.” Amino acids 34.4 (2008): 547-554.
11. Hoffman, Jay, et al. “Effect of creatine and ß-alanine supplementation on performance and endocrine responses in strength/power athletes.” International journal of sport nutrition and exercise metabolism 16 (2006): 430-446.
12. Kern, Ben D., and Tracey L. Robinson. “Effects of β-alanine supplementation on performance and body composition in collegiate wrestlers and football players.” The Journal of Strength & Conditioning Research 25.7 (2011): 1804-1815.
13. Smith, Abbie E., et al. “Effects of β-alanine supplementation and high-intensity interval training on endurance performance and body composition in men; a double-blind trial.” Journal of the International Society of Sports Nutrition 6.1 (2009): 1-9.
14. Lang, Florian, et al. “Functional significance of cell volume regulatory mechanisms.” Physiological reviews 78.1 (1998): 247-306.
15. Décombaz, Jacques, et al. “Effect of slow-release β-alanine tablets on absorption kinetics and paresthesia.” Amino acids 43.1 (2012): 67-76.
16. Stegen, Sanne, et al. “Meal and beta-alanine coingestion enhances muscle carnosine loading.” Medicine and science in sports and exercise 45.8 (2013): 1478-1485.