Betaine (trimethylglycine): Vervolg

Zoals aangekondigd was ik al een tijd van plan om een post te wijten aan de moleculaire mechanismen achter de werking van betaine (trimethylglycine). Toen ik eindelijk ook begon met de research bij elkaar te sprokkelen, was het dan ook een waar genoegen om te vinden dat Jason Cholewa et al. (notabene op mijn verjaardag) een artikel hadden gepubliceerd waar dit ook aan bod kwam [1]. Dat scheelt flink wat uurtjes op PubMed…

Introductie

Een korte introductie van het voedingssupplement is wel op zijn plaats. Betaine kan mogelijk, in combinatie met krachttraining, de vetmassa doen dalen en de vetvrije massa doen stijgen [1]. Ofwel: de lichaamscompositie verbeteren. Het stofje komt voor in je voeding in geringe hoeveelheden [2,3] en doet dienst in het lichaam als zowel een osmolyte, en als methyl donor. Betaine accumuleert in bijna alle weefsels om het cel volume te reguleren en is een van de belangrijkste organische osmolyten [4]. Als methyl donor geeft het een methyl groep weg aan homocysteine, wat resulteert in het product methionine en de overgebleven dimethylglycine. Deze transmethylatie reactie wordt gecatalyseerd door betaine-homocysteine S-methyltransferase, of in het kort: BHMT. Methionine is vervolgens heb substraat voor methionine adenosyltransferase die het product S-adenosyl-methionine (SAM) geeft. SAM is een universele methyl donor betrokken bij tal van reacties.

Ook kan het lichaam zelf betaine synthetiseren. De biosynthese van betaine vindt plaats door oxidatie van choline en is een twee-staps proces.

Samengevat spaart betaine choline en zorgt het voor remethylatie van homocysteine om uiteindelijk de universele methyl donor SAM te vormen.

Mechanismen: energiesystemen

De paper van Cholewa et al. opent met de propositie dat betaine mogelijk de glycolyse verbetert door de ratio NAD⁺:NADH te verhogen door nucleofiele H⁺ ionen te accepteren en bijgevolg overigens ook om als milde pH buffer op te treden. Voor degenen die de glycolyse niet vers in het geheugen hebben zitten: de glycolyse levert netto 2 ATP uit de anaerobe afbraak van glucose afkomstig uit het bloed (of 3 ATP uit glucose-6-fosfaat vanuit het glycogeen). De reactievergelijking is als volgt:

Glucose + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i ->
2 pyrodruivenzuur + 2 NADH + 2 ATP + 2 H₂O + 2 H⁺

Aan de linkerzijde van de reactievergelijking zie je NAD⁺ die de oxiderende agent is voor de reactie. Tevens worden er H⁺+ ionen gegenereerd. Een hypothese van Ghyczy en Boros [5] schrijft ons voor dat moleculen zoals betaine, door toedoen van hun (elektronen deficiënte) trigemethyleerde stikstofgroep, elektronenparen accepteren van andere moleculen. Bijgevolg hypothetiseren ze dat het ook reageert met de elektronendonor NADH, als gevolg hiervan is betaine in staat om de concentratie NADH te verlagen, en NAD⁺ te verhogen. Hergeneratie van NAD⁺ kan dus de glycolyse stimuleren. En reactie met H⁺ ionen zal, door toedoen van de definitie, een pH daling opvangen.

Gezien de glycolyse belangrijk is voor de generatie van ATP bij intensieve inspanningen, zoals uitgevoerd door menig krachtsporter, is dit dus een vrij interessant gegeven. Verder ondersteuning van deze hypothese komt uit de observatie dat betaine suppletie leidt tot een hogere stijging in plasma lactaat bij sprinten [6]. Na vorming van pyrodruivenzuur door glycolyse, kunnen er namelijk twee dingen gebeuren met pyrodruivenzuur: 1) het wordt getransporteerd naar de mitochondria waar het wordt omgezet naar acetyl-CoA en de citroenzuurcyclus ingaat, of 2) er wordt lactaat uit gevormd. Een stijging van lactaat in het plasma kan dus indicatief zijn van een verhoogde glycolyse (of van een verhoogde clearance door de spier zoals Cholewa et al. ook aanstippen).

Aansluitend op het effect van betaine op de glycolyse is ook gehypothetiseerd dat het de citroenzuurcyclus bevordert. Dit is gebaseerd op het gegeven dat betaine citraatsynthase beschermt tegen thermo denaturatie [7]. Citraatsynthase is het enzym wat de eerste reactie van de citroenzuurcyclus catalyseert, de condensatie van acetyl-CoA en oxaloacetaat, en hierbij citroenzuur vormt. Citraatsynthase is vrij belangrijk voor de doorstroming van de citroenzuurcyclus, gezien het enzym ver van equilibrium opereert met een geschatte ΔG van -31.5 kJ/mol^-1 en dus een belangrijke stap is om te reguleren.

Tot slot kan betaine naast het gehypothetiseerde positieve effect op bovenstaande twee energiesystemen ook een mogelijk positief effect hebben op het fosfaten energiesysteem. Het is namelijk gehypothetiseerd dat betaine suppletie de creatine biosynthese kan verhogen. Dit effect is aangetoond in dieren, maar niet in mensen [1] (naast wat Cholewa et al. aanstippen, lijkt me dat simpelweg het gevolg van een tekorte tijdsspanne [10 d]). SAM is immers de methyl donor voor guanidinoacetic zuur, de directe precursor van creatine.

Mechanismen: insuline signalering

Buiten de effecten op de energiesystemen om, heeft het mogelijk ook een gunstig effect op de lichaamscompositie doordat het homocysteine remethyleert en bijgevolg diens concentratie verlaagt. Naast het gegeven dat hyperhomocysteine een bitch is voor je gezondheid, leidt het tot een daling van tyrosine fosforylatie van de insuline receptor en het insuline receptor substraat 1 (IRS-1), een stijging in serine fosforylatie van IRS-1, en resulterend minder fosforylatie van Akt [8]. Dit werd gevonden in adipocyten (vetcellen) en komt dus concreet neer op een verhoogde insuline resistentie. Mocht hetzelfde effect optreden in myocyten (spiercellen) dan komt dat concreet neer op een verminderde eiwitsynthese door remming van de IR/PI3K/Akt/mTOR pathway.

Een klinische studie geeft ons hier een wat duidelijker beeld bij [10]. Er werd betaine gesuppleerd aan getrainde personen in een cross-over ontwerp. Hierbij werden er na een training enkele hormonen (GH, IGF-I, cortisol, insuline) en anabole signaleringsmoleculen (Akt, p70S6K, AMPK) gemeten. Er werd een significante stijging in IGF-I gevonden, een bijna significante stijging van GH, een significante daling in cortisol en geen effect op insuline. De matige stijging in GH is leuk, maar zegt eigenlijk vrij weinig. Het remmende effect op een stijging van cortisol na een training is ook moeilijk in perspectief te plaatsen. En hoewel IGF-I nauw betrokken is bij spierhypertrofie, is het maar de vraag hoeveel IGF-I in de circulatie ons nu vertelt. IGF-I is nu net werkzaam als autocrien/paracrien hormoon wat betreft spierhypertrofie, en ook al zou intramusculair IGF-I gemeten zijn, it’s only part of the puzzle. Uiteindelijke IGF-I activiteit is ook zwaar gereguleerd door de IGF bindingseiwitten. Ideaal gezien meet je dit dus ook graag samen met iets wat IGF-I activiteit weerspiegelt.

Gelukkig is er dan ook gekeken naar Akt in deze studie. Akt (ook wel bekend als proteïne kinase B) is een zeer belangrijke upstream regulator van mTORC1 en is zodoende nauw betrokken bij regulatie van spierhypertrofie. Akt is een effector van de IGF receptor door activering van PI3K, die PIP3 genereert. PIP3 zorgt voor recruitering van Akt, door interactie met zijn pleckstrin homologie domein, naar het sarcolemma waar Akt geactiveerd(/gefosforyleerd) kan worden. Zodoende is een meting van Akt fosforylatie enigszins een reflectie van IGF-I activiteit. Enigszins; gezien er ook andere upstream regulatoren van zijn.

Wat men vond in de studie was dat betaine suppletie zorgde voor een grotere hoeveelheid Akt in de spiercellen gedurende rust. Dit zegt natuurlijk nog feitelijk niets, gezien de kinase eerst geactiveerd moet worden (d.m.v. fosforylatie op Ser⁴⁷³ en Thr³⁰⁸ in geval van de Akt1 isoform) voor het effectief iets doet. En ook daar is naar gekeken. In de placebo groep daalde de Akt fosforylatie op Ser⁴⁷³ direct na de training, terwijl die bij betaine wat meer werd gehandhaafd. Een leuke bevinding. Nog leuker is dat de auteurs zelfs ook keken naar fosforylatie van p70S6K, een downstream effector van Akt die het ribosomale eiwit (hetgeen zorgt voor translatie van het mRNA naar eiwit) S6 fosforyleert en dus de eiwitsynthese verhoogt. En niet geheel onverwachts leidde betaine suppletie tot een hoger niveau van p70S6K fosforylatie t.o.v. placebo na een training. Tot slot was AMPK fosforylatie nog gemeten, maar deze daalde in beide groepen (niet heel gek gezien ze 300 ml gatorade voerden aan de participanten).

Mechanismen: osmolariteit

Zoals geschreven in de introductie is betaine een belangrijk osmolyte. De concentratie van betaine in spiercellen wordt gereguleerd door de betaine transporter (BTG-1). Cholewa et al. hypothetiseren dat de resulterende hyper-hydratie (door de verhoogde osmotische druk wordt er meer vocht de cellen ingetrokken) leidt tot stimulering van de eiwit synthese en remming van de proteolyse. Stijgingen in cellulair volume leiden namelijk tot een verhoogde eiwit synthese en een daling tot een verhoogde proteolyse in hepatocyten. Iets wat ik in eerdere posts (over creatine en beta-alanine) ook al aankaartte, namelijk dat cellulair volume hier direct mee in verband staat [11]. Er is inderdaad gevonden dat betaine zorgt voor een stijging in cellulair volume van hepatocyten [12], maar de concentraties in de lever zijn circa een twintigmaal hoger dan in skeletspierweefsel [13] (alleszins bij ratten), dus het is nog maar de vraag in hoeverre dit significant zal zijn bij spierweefsel. Dit is immers nog niet gemeten. Toch is het een interessant mechanisme en zou mooi zijn als dit bij mensen werd bepaald.

Conclusie

Genoeg voer in de literatuur ondersteunt de resultaten die o.a. de klinische studie van Cholewa et al. [14] laat zien (de betreffende studie heb ik in een eerdere blogpost behandeld). Vooral het effect op de Akt pathway is interessant en suggereert dat betaine de spierhypertrofie bevordert door een verhoogde eiwitsynthese en niet louter het resultaat is van bijv. vochtretentie. Het lijkt me ook interessant om te zien in toekomstige klinische studies in hoeverre (hogere) doseringen uitmaken. Ongetwijfeld zal hier nog genoeg vervolg onderzoek naar gedaan worden.

Referenties

1. Cholewa, Jason M., Lucas Guimarães-Ferreira, and Nelo Eidy Zanchi. “Effects of betaine on performance and body composition: a review of recent findings and potential mechanisms.” Amino acids (2014): 1-9.
2. Craig, Stuart AS. “Betaine in human nutrition.” The American journal of clinical nutrition 80.3 (2004): 539-549.
3. Zeisel, Steven H., et al. “Concentrations of choline-containing compounds and betaine in common foods.” The Journal of nutrition 133.5 (2003): 1302-1307.
4. Lang, Florian. “Mechanisms and significance of cell volume regulation.” Journal of the American College of Nutrition 26.sup5 (2007): 613S-623S.
5. Ghyczy, Miklós, and Mihály Boros. “Electrophilic methyl groups present in the diet ameliorate pathological states induced by reductive and oxidative stress: a hypothesis.” British Journal of Nutrition 85.04 (2001): 409-414.
6. Armstrong, Lawrence E., et al. “Influence of betaine consumption on strenuous running and sprinting in a hot environment.” The Journal of Strength & Conditioning Research 22.3 (2008): 851-860.
7. Caldas, Teresa, et al. “Thermoprotection by glycine betaine and choline.” Microbiology 145.9 (1999): 2543-2548.
8. Li, Yin, et al. “Homocysteine upregulates resistin production from adipocytes in vivo and in vitro.” Diabetes 57.4 (2008): 817-827.
9. Klement, Rainer J., and U. Kammerer. “Is there a role for carbohydrate restriction in the treatment and prevention of cancer.” Nutr Metab (Lond) 8.75 (2011): 75.
10. Apicella, Jenna M., et al. “Betaine supplementation enhances anabolic endocrine and Akt signaling in response to acute bouts of exercise.” European journal of applied physiology 113.3 (2013): 793-802.
11. Lang, Florian, et al. Functional significance of cell volume regulatory mechanisms.” Physiological reviews 78.1 (1998): 247-306.
12. Hoffmann, Lars, et al. “Osmotic regulation of hepatic betaine metabolism.” American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology 304.9 (2013): G835-G846.
13. Slow, Sandy, et al. “Plasma dependent and independent accumulation of betaine in male and female rat tissues.” Physiological Research 58.3 (2009).
14. Cholewa, Jason M., et al. “Effects of betaine on body composition, performance, and homocysteine thiolactone.” Journal of the International Society of Sports Nutrition 10.1 (2013): 39.