Isolated branched-chain amino acid intake and muscle protein synthesis in humans: a biochemical review.

Alongside a proper diet, ergogenic aids with potential direct and/or indirect physical performance enhancing effects are sought after for improved adaptation to physical training. Nutritional ergogenics include diet composition changes and/or dietary supplementation. Branched-chain amino acids valine, leucine and isoleucine are widely popular among products with ergogenic claims. Their major marketing appeal derives from allegations that branched-chain amino acids intake combined with resistance physical exercise stimulates muscle protein synthesis. Evidence supporting the efficacy of branched-chain amino acids alone for muscle hypertrophy in humans is somewhat equivocal. This brief review describes physiological and biochemical mechanisms underpinning the effects of complete protein source and branched-chain amino acid intake on skeletal muscle growth in the postabsorptive and post-exercise state. Evidence in favor of or against potential anabolic effects of isolated branched-chain amino acid intake on muscle protein synthesis in humans is also examined.

INTRODUCTION

Alongside proper diets, ergogenic aids with potential direct and/or indirect physical performance enhancing effects are widely sought after for improved adaptation to physical training. These aids are thought to boost energy production and use, support recovery from exercise, improve body composition and increase resistance to peripheral and central fatigue. Nutritional ergogenic aids include diet composition changes and/or dietary supplementation.[1]

According to the International Society of Sports Nutrition (ISSN), ergogenic supplement claims must be backed up by plausible data and supported by solid evidence of efficacy; these supplements must also be legal and safe.[2]

Branched-chain amino acids (BCAA) enjoy great popularity among allegedly ergogenic supplements. The marketing appeal of these products derives from claims that isolated BCAA intake combined with resistance physical exercise stimulates muscle protein synthesis. This long-standing (over 35 years) claim is based on cellular and animal model studies reporting enhanced anabolic intracellular signaling in response to BCAA intake.[3] However, evidence supporting the efficacy of isolated BCAA intake for muscle hypertrophy in humans is equivocal.

This study set out to review muscle protein synthesis in the postabsorptive state and after resistance physical exercise from a basic biochemistry perspective, and to examine existing evidence in favor of or against claims of potential anabolic effects of isolated BCAA intake on muscle protein synthesis in humans. PubMed®, Latin American and Caribbean on Health Sciences Literature (LILACS) and Scientific Electronic Library Online (SciELO) electronic databases were searched using the following Medical Subject Headings (MeSH) terms: “leucine”, “valine”, “isoleucine”, “branched-chain amino acids”, “muscle protein” and “exercise”. A secondary search was conducted based on the references listed in selected articles.

Muscle protein synthesis

Proteins consist of 20 amino acids (AA) linked by peptide bonds and arranged in different combinations and amounts. Nine out of these 20 AA are thought to be essential (EAA - essential amino acids), i.e ., not synthesized in the body and necessarily obtained through diet. The BCAA leucine, isoleucine and valine account for almost 50% of muscle protein EAA. The remaining 11 EAA are classified as nonessential (NEAA, nonessential amino acids), as they can be synthesized in the body.[4 , 5]

In healthy individuals with normal mobility, dynamic balance between protein degradation and synthesis orchestrates skeletal muscle protein maintenance. In the postabsortive ( i.e ., fasting) state, muscle protein degradation exceeds synthesis, leading to net protein loss. In the postprandial state, synthesis exceeds degradation, since intake of some nutrients, such as proteins and carbohydrates, stimulates muscle protein synthesis and insulin release, suppressing degradation.[6] Therefore, muscle hypertrophy requires a positive net protein balance ( i.e ., muscle protein synthesis in excess of muscle protein degradation).

Physical exercise and nutrient availability are the major drivers of muscle protein synthesis in adult individuals.[7 , 8] The anabolic effects of nutrients are boosted primarily by transfer and incorporation of AA obtained through the diet into skeletal muscle proteins.[7] These effects are particularly associated with EAA.[9]

The full range of EAA and the 11 NEAA must be present in proper amounts for muscle protein synthesis. Therefore, muscle protein synthesis is limited by lack or low availability of any of the EAA, whereas lack of NEAA can be offset by increased de novo synthesis.[3]

In the postprandial state, within approximately 30 to 45 minutes of consumption of a protein-rich meal (average time required for digestion, absorption and transport of AA to the systemic circulation), EAA availability increases and muscle protein synthesis rates exceed muscle protein degradation rates, inducing an anabolic state that peaks between 1.5 and 3 hours after meal.[10]

Aminoacidemia-induced muscle protein synthesis is transient. In the postabsortive state ( i.e ., 2 to 3 hours after meal), plasma EAA levels drop below postprandial levels if no more dietary protein is consumed. In these circumstances, plasma EAA level maintenance (and hence protein turnover) relies on protein breakdown in skeletal muscles, the major body protein reservoir.[11] The impact of factors such as protein amount and quality, protein intake distribution throughout day and physical exercise on the balance between protein degradation and synthesis must be emphasized.

In humans, muscle protein degradation exceeds synthesis by approximately 30% in the postabsorptive state, since 25% of EAA released into the plasma are captured by other tissues and 5% are oxidized in the muscle. The remaining 70% are reutilized for sustained muscle protein synthesis.[12] Hence, muscle protein degradation always exceeds muscle protein synthesis in the postabsorptive state due to muscle protein catabolism and catabolic conditions determined by lack of dietary EAA intake.

BCAA and muscle protein synthesis in the postabsorptive state

The hypothesis that isolated BCAA intake in the postabsorptive state optimizes muscle protein synthesis is based on the premise that exogenous intake decreases the 30% degradation rate by increasing EAA availability for synthesis – instead of oxidation or release into the plasma.[3] This is thought to be partly due to the AA leucine, as leucine alone is able to induce a muscle protein synthesis response via activation of the mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1), a vital cell growth regulator.[13]

Louard et al.,[14 , 15] tested this hypothesis in humans submitted to overnight fasting. In their study, the effects of intravenous BCAA infusion for 3 and 16 hours on muscle protein synthesis and degradation were investigated. Both infusion protocols increased plasma BCAA levels, whereas plasma levels of other EAA decreased. Muscle protein degradation and synthesis also decreased by the same degree, but the synthesis/degradation balance remained negative. The fact that muscle protein degradation was mitigated by isolated intake of three out of 11 EAA, but remained higher than muscle protein synthesis, suggested the catabolic state prevailed in order to release other EAA required for synthesis. It seems therefore plausible to assume BCAA intake alone cannot create an anabolic state leading to muscle protein synthesis in excess of degradation, at least in theory.

Another important question is whether anabolic pathway activation and increased muscle protein synthesis are separate events. Rising insulin levels are a potent anabolic signaling pathway activator, but are not associated with enhanced muscle protein synthesis in the absence of EAA.[16] In contrast, intake of small amounts (3g) of EAA stimulates synthesis regardless of anabolic signaling pathway activation.[17] Should muscle protein synthesis be limited by activation of factors triggering pathway initiating, increases in plasma EAA levels, however small, would not have this effect. These findings demonstrated muscle protein synthesis in humans is limited by availability of the full range of EAA rather than anabolic signaling pathway activation.[3]

BCAA and post-exercise muscle protein synthesis

Combination of physical exercise (resistance physical exercise in particular) with protein intake maximizes and prolongs muscle protein synthesis stimulation for approximately 24 hours post-workout due to increased tissue sensitivity to anabolic properties of AA.[8 , 18 , 19]

The effects of leucine on human muscle protein synthesis were investigated by Churchward-Venne et al.[20] Participants of that study (young, fit men) consumed 25g of whey protein enriched with 3g of leucine (enough to induce maximal muscle protein synthesis stimulation after resistance physical exercise)[21] or one quarter of that dose after one resistance physical exercise session. Suboptimal and optimal doses of leucine-enriched whey protein similarly increased muscle protein synthesis for 1 to 3 hours post-workout; however, only the optimal (25g) whey protein dose was able to sustain increased synthesis up to 5 hours.

The muscle protein synthesis enhancing potential of higher leucine doses was investigated by the same research group.[22] Participants of that study (young, fit men) consumed leucine-enriched whey protein after one session of resistance physical exercise, as follows: 25g of whey protein containing 3g of leucine; one quarter of that whey protein dose containing 0.75g, 3g or 5g of leucine, or 5g leucine plus similar amounts of isoleucine and valine (3g of each). All treatments equally increased muscle protein synthesis for 1.5 hours post-workout. However, only the suboptimal dose of whey protein containing 5g of leucine was as effective as 25g of whey protein in sustaining increased muscle protein synthesis for 4.5 hours post resistance physical exercise.

Potential reasons why the suboptimal whey protein dose containing 5g of leucine and high amounts of valine and isoleucine failed to sustain muscle protein synthesis were also investigated. It was argued that BCAA may compete for the same carrier in intestinal and muscle cells.[23 , 24] Therefore, addition of the other two BCAA may have limited sustained muscle protein synthesis due to lower leucine uptake by cells, as suggested by lower blood and intracellular leucine levels in the first hour post-intake in participants receiving this treatment.

Leucine apparently stimulates muscle protein synthesis after resistance physical exercise; however, as with other BCAA, the full range of EAA must be available in levels that will not promote competition for cell carriers or limit their action.

Muscle protein synthesis in response to isolated intake of 5.6g of BCAA or placebo following resistance physical exercise was recently investigated in humans (young, fit men). Within 4 hours, muscle protein synthesis was 22% higher in the treated group as compared to the placebo group.[25] In spite of statistical significance, this increase was six times lower compared to muscle protein synthesis of similar duration in response to consumption of whey protein containing similar amounts of BCAA and EAA.[20 , 22 , 26]

International organization recommendations

The International Olympic Committee makes no specific recommendations regarding BCAA intake. In contrast, the ISSN does not recommend the use of BCAA to maximize muscle protein synthesis given the limited evidence and inconsistent results in favor of efficacy.[2 , 27 , 28]

Resistance physical exercise increases muscle tissue sensitivity to AA for up to 24 hours post-exercise, regardless of whether protein is consumed prior to, during or 1 to 3 hours post-workout. The major factor is evenly spread protein intake throughout the day, according to individual recommendations. Incremental induction of an anabolic state by repeated resistance physical exercise and diet is what boosts skeletal muscle remodeling and hypertrophy.[29 , 30]

For this reason, both organizations support recommendations of combined resistance physical exercise and daily consumption of 1.6g to 2.2g/kg of body mass of complete, high quality EAA-rich protein containing 700 to 3.000mg of leucine in evenly distributed amounts throughout the day (every 3 to 4 hours) for maximal muscle protein synthesis, including one dose after exercise and one close to bed time.[2 , 27 , 28]

CONCLUSION

Existing evidence suggests BCAA stimulate muscle protein synthesis following resistance physical exercise. However, in the absence of other essential amino acids, BCAA are not able to sustain maximal synthesis responses. Lack of sustained muscle protein synthesis stimulation equals poor physiologic value. Therefore, a growing body of literature emphasizes that BCAA supplementation alone does not enhance muscle protein synthesis any more than consumption of complete, high quality protein containing the full range of essential amino acids.

INTRODUÇÃO

Para aprimorar as adaptações do treinamento físico, buscam-se, além de uma dieta adequada, recursos ergogênicos, que possam, direta e/ou indiretamente, maximizar o desempenho físico, por meio da produção e eficiência da utilização de energia, da recuperação das sessões de exercício, da melhora da composição corporal e da maior resistência à fadiga periférica e central. Entre as categorias de recursos ergogênicos, o nutricional compreende a modulação da composição dietética e/ou uso de suplementação.[1]

A International Society of Sports Nutrition (ISSN) considera um suplemento como ergogênico quando a ciência básica por trás da sua alegação possui lógica teórica; é legal e seguro, e há um número grande de evidências sólidas que apoiam e suportam a eficácia de alegação ergogênica.[2]

A comercialização dos aminoácidos de cadeia ramificada (BCAA - branched-chain amino acids ) possui muita popularidade entre os suplementos com alegação ergogênica. O principal marketing está na afirmação de que o consumo isolado de BCAA associado ao exercício físico resistido estimula a síntese de proteína muscular. A alegação de que a síntese de proteína muscular é estimulada pelos BCAA tem mais de 35 anos, tendo sido baseada em estudos em modelo celular e animal, que demonstraram aumento da sinalização intracelular de vias anabólicas em resposta a estes.[3] No entanto, as evidências da eficácia da ingestão isolada de BCAA para a hipertrofia muscular em humanos são equivocadas.

Assim, da perspectiva da bioquímica básica, o objetivo deste trabalho é revisar a síntese de proteína muscular, no estado pós-absortivo e pós-exercício físico resistido, e as evidências que suportam ou não a afirmação dos potenciais efeitos anabólicos dos BCAA na síntese, quando consumidos isoladamente em humanos. Foi conduzida uma busca eletrônica nas bases de dados PubMed®, Literatura Latino-Americana e do Caribe em Ciências da Saúde (LILACS) e Scientific Electronic Library Online (SciELO) usando os termos Medical Subject Headings (MeSH) “ leucine ”, “valine”, “isoleucine”, “branched-chain amino acids”, “muscle protein” e “exercise”. Uma pesquisa secundária foi realizada por meio da leitura das listas de referência dos artigos.

Síntese de proteína muscular

As proteínas são formadas por 20 aminoácidos (AA) unidos por ligações peptídicas que se combinam em diferentes formas e quantidades. Dos 20 AA, 9 são considerados AA essenciais (EAA - essential amino acids ), o que significa que não podem ser sintetizados pelo corpo, devendo ser obtidos pela dieta. Os BCAA leucina, isoleucina e valina são três dos nova EAA e representam quase 50% do total de EAA em proteínas musculares. Os 11 AA restantes são considerados não essenciais (NEAA - nonessential amino acids ), pois podem ser sintetizados no corpo.[4 , 5]

Em indivíduos saudáveis e com apropriada mobilidade, as proteínas do músculo esquelético são mantidas por um equilíbrio dinâmico entre degradação e síntese de novas proteínas. No estado pós-absortivo (jejum), a degradação de proteína muscular excede a síntese, levando à perda líquida de proteínas. No estado pós-prandial, a síntese excede a degradação, pois a ingestão de alguns nutrientes, como proteínas e carboidratos, estimula a síntese de proteína muscular e aumenta a liberação de insulina, que suprime a degradação.[6] Assim, a hipertrofia muscular só acontece quando o balanço líquido de proteínas for positivo (quando a síntese de proteína muscular exceder a degradação de proteína muscular).

Os dois principais determinantes da síntese de proteína muscular em indivíduos adultos são o exercício físico e a disponibilidade de nutrientes.[7 , 8] Os efeitos anabólicos dos nutrientes são impulsionados principalmente pela transferência e pela incorporação de AA obtidos das proteínas da dieta, em proteínas do músculo esquelético.[7] Mais precisamente, estes efeitos são atribuíveis aos EAA.[9]

Para a síntese de novas proteínas musculares, todos os EAA, juntamente dos 11 NEAA, devem estar presentes em quantidades adequadas. A síntese de proteína muscular está limitada pela falta/baixa disponibilidade de qualquer EAA, ao passo que a escassez de NEAA pode ser compensada pelo aumento da produção de novo.[3]

No estado pós-prandial, aproximadamente entre 30 e 45 minutos após a ingestão de uma refeição contendo proteína (tempo médio para digestão, absorção e transporte de AA para a circulação sistêmica), a disponibilidade de EAA é aumentada, e a taxa de síntese de proteína muscular excede a de degradação de proteína muscular, produzindo um estado anabólico e atingindo um máximo entre 1,5 a 3 horas.[10]

A ativação da síntese de proteína muscular induzida por aminoacidemia é transitória. No estado pós-absortivo, após 2 a 3 horas da última refeição, se não houver nova ingestão dietética de proteína, as concentrações plasmáticas de EAA caem abaixo dos valores pós-prandiais. Nesta circunstância, a disponibilidade plasmática contínua de EAA, por conseguinte o turnover proteico, é mantida às custas do catabolismo das proteínas do maior reservatório corporal: a musculatura esquelética.[11] Importante ressaltar que o balanço descrito pode ser modificado diante de fatores como quantidade e qualidade da proteína, distribuição do consumo de proteínas ao longo do dia e exercício físico.

Em humanos, no estado pós-absortivo, a degradação de proteína muscular excede a síntese em torno de 30%, devido ao fato de que 25% dos EAA são liberados no plasma e captados por outros tecidos, e 5% são utilizados para oxidação dentro do próprio músculo. O restante, aproximadamente 70%, é utilizado novamente para manter a síntese de proteína muscular.[12] Então, no estado pós-absortivo, a taxa de síntese sempre será menor que a de degradação de proteína muscular devido ao catabolismo das proteínas musculares, e um estado anabólico não pode ocorrer na ausência de ingestão dietética de EAA.

BCAA e síntese de proteína muscular no estado pós-absortivo

No estado pós-absortivo, a hipótese de que os BCAA isoladamente poderiam otimizar a síntese de proteína muscular está baseada no fato de que a ingestão exógena diminuiria os 30% de degradação, ao disponibilizar mais EAA para síntese − ao invés de estes serem desviados para oxidação ou liberados no plasma.[3] Parte de toda esta popularidade é devida ao AA leucina, que, por si só, é capaz de exercer uma resposta na síntese de proteína muscular, ao ativar o complexo 1 da proteína-alvo mecanística da rapamicina (mTORC1 - mechanistic target of rapamycin complex 1), considerado um regulador fundamental do crescimento celular.[13]

O grupo de Louard et al.,[14 , 15] testou esta hipótese. Os pesquisadores avaliaram em humanos, após uma noite de jejum, a infusão intravenosa de BCAA por 3 e por 16 horas, na resposta de síntese e de degradação de proteína muscular. Em ambos os protocolos de tempo, a infusão aumentou as concentrações plasmáticas de todos os três BCAA, enquanto as concentrações de outros EAA diminuíram. Também em ambos, a degradação de proteína muscular foi reduzida em quantidade similar à redução na síntese, mas o equilíbrio entre síntese e degradação continuou negativo. Assim, quando apenas três dos EAA foram consumidos isoladamente, a degradação de proteína muscular foi até amenizada, mas ainda permaneceu acima da síntese de proteína muscular, significando que o estado catabólico predominou para disponibilizar os outros EAA necessários para a síntese. Desse modo, é teoricamente impossível, para o consumo de apenas BCAA, criar um estado anabólico no qual a síntese exceda a degradação de proteína muscular.

Outro conhecimento importante é saber que a ativação de vias anabólicas de proteína e o aumento da síntese de proteína muscular são eventos dissociados. Um aumento na concentração de insulina é um potente ativador das vias de sinalização anabólicas proteicas, mas isso não aumenta a síntese de proteína muscular quando há deficiência de EAA.[16] Por outro lado, o consumo de uma pequena quantidade (3g) de EAA estimula a síntese independentemente da ativação das vias de sinalização anabólicas.[17] Este aumento nas concentrações plasmáticas de EAA, mesmo que pequeno, não teria efeito se a síntese de proteína muscular fosse limitada pelo estado de ativação dos fatores de iniciação da via. Portanto, estes resultados demonstram que o fator limitante da síntese em humanos é a disponibilidade de todos os EAA, em oposição à ativação das vias de sinalização anabólicas.[3]

BCAA e síntese de proteína muscular pós-exercício

O exercício físico, com ênfase no tipo resistido, combinado com a ingestão de proteínas, maximiza e prolonga a estimulação da síntese de proteína muscular devido a uma sensibilidade aumentada do tecido às propriedades anabólicas dos AA por aproximadamente 24 horas após a sessão.[8 , 18 , 19]

Churchward-Venne et al.,[20] investigaram em humanos o impacto da leucina na síntese de proteína muscular. Os participantes (homens, jovens e treinados) consumiram, após uma sessão de exercício físico resistido: uma dose de 25g de proteína do soro do leite contendo 3 g de leucina (dose suficiente para induzir estimulação máxima de síntese de proteína muscular após exercício físico resistido[21] ou um quarto da dose de proteína do soro do leite enriquecida com 3 g de leucina. O estudo demonstrou que, ao longo de 1 a 3 horas após o exercício, a dose subótima de proteína do soro do leite enriquecida com leucina aumentou a síntese de proteína muscular similarmente à dose de 25g de proteína do soro do leite. No entanto, apenas a dose de 25g de proteína do soro do leite foi capaz de sustentar elevada a síntese por até 5 horas após o exercício.

O mesmo grupo de pesquisa conduziu outro estudo para investigar o potencial de uma maior quantidade de leucina em aumentar a síntese de proteína muscular.[22] Os participantes (homens, jovens e treinados) consumiram, após uma sessão de exercício físico resistido, uma dose de 25g de proteína do soro do leite contendo 3g de leucina; um quarto da dose de proteína do soro do leite contendo 0,75g de leucina; um quarto da dose de proteína do soro do leite enriquecida com 3g ou 5g de leucina; um quarto da dose de proteína do soro do leite com 5g de leucina mais isoleucina e valina na mesma proporção da dose de 25g de proteína do soro do leite. Ao longo de 1,5 hora após o exercício, todos os tratamentos aumentaram a síntese de proteína muscular igualmente. No entanto, ao longo de 4,5 horas após o exercício físico resistido, somente a dose subótima de proteína do soro do leite com 5g de leucina foi tão eficaz quanto a de 25g de proteína do soro do leite em sustentar elevada a síntese de proteína muscular.

Os autores especularam o motivo de a dose de um quarto de proteína do soro do leite com 5g de leucina, valina e isoleucina também aumentadas não ter sustentado a síntese de proteína muscular. Associaram ao possível fato de que os BCAA competem pelo mesmo transportador nas células intestinais e musculares.[23 , 24] Portanto, a adição dos outros dois BCAA pode ter limitado a sustentação da síntese de proteína muscular, devido à redução da entrada de leucina na célula, endossada pelo fato de que os participantes que receberam este tratamento apresentaram menor concentração de leucina sanguínea e intracelular na primeira hora após a ingestão.

A leucina parece estimular a síntese de proteína muscular após o exercício físico resistido, mas está sujeita ao mesmo problema que os BCAA: exige que todos os outros EAA estejam disponíveis e em quantidades que não compitam pelos transportadores celulares e nem limitem sua ação.

Em humanos (homens, jovens e treinados), recentemente, foi investigada a resposta de síntese de proteína muscular à ingestão isolada de 5,6g de BCAA comparada à ingestão de placebo após sessão de exercício físico resistido. Após 4 horas, a síntese foi 22% maior que o grupo placebo.[25] Embora significativo, esse aumento foi seis vezes abaixo da resposta de síntese de proteína muscular, que é comumente sustentada pela mesma duração após a ingestão de proteína do soro do leite que contém quantidade semelhante de BCAA e demais EAA.[20 , 22 , 26]

Recomendações de organizações internacionais

O Comitê Olímpico Internacional não faz declaração sobre a ingestão de BCAA. Já a ISSN não recomenda o uso de BCAA para maximizar a síntese de proteína muscular devido ao conjunto de evidências científicas disponíveis serem limitadas e sem resultados consistentes para apoiar a eficácia.[2 , 27 , 28]

Posto que o exercício físico resistido aumenta após a sessão, por até 24 horas, a sensibilidade do tecido muscular à ação dos AA, pouco importa a ingestão de proteínas antes, durante ou 1 a 3 horas após o exercício. O aspecto mais importante é a ingestão periódica de proteína ao longo do dia, de acordo com as recomendações individuais. É a estimulação cumulativa do estado anabólico proteico, por meio de repetidas sessões de exercício físico resistido e alimentação, que impulsiona a remodelação e a hipertrofia do músculo esquelético.[29 , 30]

Por este motivo, ambas as organizações endossam e recomendam para maximizar a síntese de proteína muscular associada ao exercício físico resistido a ingestão de fontes de proteínas completas e de alta qualidade (ricas em EAA, sendo 700 a 3.000mg de leucina) na quantidade de 1,6g a 2,2g de proteína/kg de massa corporal/dia, com as doses distribuídas uniformemente ao longo dia (a cada 3 a 4 horas), sendo uma das doses após a sessão de exercício e a outra próxima ao dormir.[2 , 27 , 28]

CONCLUSÃO

Com base nas evidências disponíveis, os BCAA exibem capacidade de estimular a síntese de proteína muscular após o exercício físico resistido, mas, na ausência dos demais aminoácidos essenciais, não conseguem sustentar uma resposta máxima de síntese. Se a estimulação da síntese de proteína muscular não pode ser sustentada, há pouco significado fisiológico. Por esta razão, um crescente corpo de literatura continua a endossar que a suplementação isolada de BCAA em humanos não fornece benefícios adicionais à síntese de proteína muscular em detrimento à ingestão de uma fonte de proteína completa de alta qualidade, que fornece todos os aminoácidos essenciais necessários.