Acides aminés à chaîne ramifiée et synthèse des protéines musculaires chez l’homme: mythe ou réalité?

Il y a un total de vingt acides aminés qui composent la protéine musculaire. Neuf des vingt sont considérés comme des acides aminés essentiels (AEA), ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas être produits par l’organisme en quantités physiologiquement significatives, et sont donc des composants essentiels d’une alimentation équilibrée. La protéine musculaire est dans un état constant de renouvellement, ce qui signifie que la synthèse des protéines se produit en continu pour remplacer les protéines perdues à la suite de la dégradation des protéines. Pour la synthèse de nouvelles protéines musculaires, tous les AAE, ainsi que les onze acides aminés non essentiels (AAE) pouvant être produits dans le corps, doivent être présents en quantités adéquates. Les acides aminés à chaîne ramifiée leucine, isoleucine et valine sont trois des neuf AAE. La leucine n’est pas seulement un précurseur de la synthèse des protéines musculaires, mais peut également jouer un rôle de régulateur des voies de signalisation intracellulaires impliquées dans le processus de synthèse des protéines (par exemple).

Le concept selon lequel les BCAA peuvent avoir une capacité unique à stimuler la synthèse des protéines musculaires est avancé depuis plus de 35 ans. Les données à l’appui de cette hypothèse ont été obtenues à partir d’études des réponses des rats. En 1981 Buse a rapporté que chez le rat, les BCAA peuvent limiter le taux de synthèse des protéines musculaires. Des études supplémentaires ont soutenu le concept d’un effet unique des BCAA sur la synthèse des protéines musculaires chez le rat, bien que peu aient étudié la réponse à la consommation orale de BCAA uniquement. Garlick et Grant ont montré que l’infusion d’un mélange de BCAA chez le rat augmentait le taux de synthèse des protéines musculaires en réponse à l’insuline, mais ils n’ont pas mesuré les effets des BCAA seuls. L’infusion de BCAA seuls chez des rats par Kobayashi et al. a été montré pour induire une augmentation de la synthèse des protéines musculaires, mais la réponse n’a été que transitoire. On peut supposer que le taux de synthèse est rapidement devenu limité par la disponibilité des autres EAA.

Les études sur la synthèse des protéines musculaires chez le rat ont une pertinence limitée pour les réponses humaines. Le muscle squelettique comprend un pourcentage beaucoup plus faible de la masse corporelle totale chez le rat par rapport à l’homme et la régulation de la synthèse des protéines musculaires diffère à bien des égards. Ainsi, dans leur livre historique sur le métabolisme des protéines, Waterlow et ses associés ont conclu à partir des données disponibles que les acides aminés alimentaires ne stimulent pas la synthèse des protéines musculaires chez le rat. Bien que des travaux récents remettent en question cette affirmation, l’effet stimulateur limité des acides aminés alimentaires sur la synthèse des protéines chez le rat reflète le fait que dans des conditions normales de post-absorption, il existe un excès d’acides aminés endogènes disponibles pour permettre une augmentation de la synthèse des protéines si l’activité des facteurs intracellulaires impliqués dans l’initiation de la synthèse des protéines est stimulée. Exprimée différemment, la synthèse des protéines musculaires chez le rat est apparemment limitée par le processus d’initiation plutôt que par le processus de traduction. En revanche, comme nous le verrons plus loin, cela ne semble pas être le cas chez l’homme. Une autre distinction importante entre les études portant sur les effets des acides aminés sur la synthèse des protéines musculaires chez l’homme et le rat concerne les méthodologies couramment utilisées. La technique de la ”dose d’inondation » a généralement été utilisée dans les études sur le rat. Cette procédure implique la mesure de l’incorporation d’un traceur d’acides aminés dans la protéine musculaire sur une fenêtre de temps très courte, souvent aussi courte que 10 min. Cette approche ne fait pas la distinction entre une stimulation transitoire et une stimulation soutenue de la synthèse protéique. Seule une stimulation soutenue de la synthèse est pertinente physiologiquement. La consommation d’un mélange déséquilibré d’acides aminés, tels que les BCAA, peut stimuler de manière transitoire la synthèse des protéines en utilisant des réserves endogènes des autres précurseurs de la synthèse des protéines. Cependant, les réserves endogènes d’acides aminés, telles que celles dans le plasma et les pools intracellulaires libres, sont assez limitées et peuvent rapidement s’épuiser. Si la stimulation de la synthèse des protéines ne peut pas être soutenue, il y a peu de signification physiologique. Par conséquent, la technique de dose d’inondation couramment utilisée pour mesurer la synthèse des protéines musculaires chez le rat produit des résultats dont la pertinence pour la nutrition humaine est incertaine. Étant donné que les compléments alimentaires BCAA sont destinés à la consommation humaine, l’accent de cette courte revue sera mis sur la recherche chez des sujets humains.

La vente de BCAA en tant que suppléments nutritionnels est devenue une entreprise de plusieurs millions de dollars. Au centre de la commercialisation de ces produits se trouve l’affirmation largement répandue selon laquelle la consommation de BCAA stimule la synthèse des protéines musculaires et, par conséquent, provoque une réponse anabolique. Les BCAA peuvent également être consommés dans le but d’améliorer la « concentration mentale”, mais nous ne considérerons pas cette application. Le but principal de cet article d’évaluer l’affirmation selon laquelle les BCAA seuls sont anabolisants est suffisamment étayé soit théoriquement soit empiriquement par des études chez des sujets humains. Implicitement dans notre évaluation sera l’examen de si oui ou non l’état de phosphorylation des facteurs d’initiation eucaryotes joue un rôle de contrôle du taux dans la régulation de la synthèse des protéines musculaires chez l’homme.

Renouvellement des protéines musculaires et apport en protéines alimentaires

Les protéines musculaires sont dans un état constant de renouvellement, ce qui signifie que de nouvelles protéines sont continuellement produites tandis que les protéines plus anciennes sont dégradées. L’état anabolique n’a pas de définition spécifique, mais se réfère généralement à la circonstance dans laquelle le taux de synthèse des protéines musculaires dépasse le taux de dégradation des protéines musculaires. Il en résulte un gain de masse musculaire. Classiquement, l’état anabolique est considéré comme étant entraîné par une stimulation de la synthèse des protéines musculaires, mais pourrait théoriquement également résulter d’une inhibition de la dégradation des protéines musculaires.

L’objectif métabolique primordial de la consommation de suppléments de BCAA est de maximiser l’état anabolique. Il est largement affirmé que les BCAA induisent un état anabolique en stimulant la synthèse des protéines musculaires. Une disponibilité abondante de tous les AAE est une condition requise pour une stimulation significative de la synthèse des protéines musculaires. La synthèse des protéines musculaires sera limitée par le manque de disponibilité de l’un des AAE, tandis qu’une pénurie d’AAE peut être compensée par une production de novo accrue des AAE déficients. À l’état post-prandial suivant un repas contenant des protéines, tous les précurseurs d’EAA nécessaires à la synthèse de nouvelles protéines musculaires peuvent être dérivés soit des concentrations plasmatiques élevées résultant de la digestion de la protéine consommée, soit du recyclage de la dégradation des protéines. Dans cette circonstance de disponibilité abondante d’EAAs, le taux de synthèse des protéines musculaires dépasse le taux de dégradation, produisant ainsi un état anabolique. Dans l’état post-absorption, les niveaux plasmatiques d’EAA tombent en dessous des valeurs post-prandiales car les acides aminés ne sont plus absorbés. En conséquence, les AAE ne sont plus absorbés par le muscle, mais plutôt libérés par le muscle dans le plasma. Cet état catabolique des protéines musculaires à l’état post-absorbant permet une disponibilité continue des AAE pour d’autres tissus afin de maintenir le taux de synthèse des protéines au détriment des protéines musculaires, qui peuvent être considérées comme jouant un rôle de réservoir d’AAE pour le reste du corps.

Comme les AAE ne peuvent pas être produits dans le corps et qu’il y a une libération nette d’AAE par le muscle, à l’état post-absorbant, la seule source de précurseurs d’AAE pour la synthèse des protéines musculaires est les AAE intracellulaires dérivés de la dégradation des protéines musculaires. En plus d’être réincorporé en protéines musculaires par synthèse, certains AAE libérés par la dégradation des protéines musculaires peuvent être partiellement oxydés dans le muscle, les rendant ainsi indisponibles pour la réincorporation en protéines musculaires. Les AAE libérés par la dégradation des protéines musculaires qui ne sont pas réincorporés en protéines musculaires ou oxydés dans le tissu musculaire sont libérés dans le plasma, après quoi ils peuvent être absorbés par d’autres tissus en tant que précurseurs de la synthèse des protéines ou oxydés de manière irréversible. Ainsi, le taux de synthèse des protéines musculaires sera toujours inférieur au taux de dégradation des protéines musculaires à l’état post-absorbant, en raison du flux net d’EAA de la dégradation des protéines dans le plasma et des voies oxydatives. Exprimé différemment, il est impossible pour la synthèse des protéines musculaires de dépasser le taux de dégradation des protéines musculaires lorsque les précurseurs sont entièrement dérivés de la dégradation des protéines, et donc un état anabolique ne peut pas se produire en l’absence d’apport en acides aminés exogènes.

Les BCAA sont-ils anaboliques à l’état post-absorbant?

Considérations théoriques

Tous les précurseurs EAA pour la synthèse des protéines musculaires à l’état post-absorbant sont dérivés de la dégradation des protéines musculaires. Il a été systématiquement rapporté que chez les humains normaux post-absorbants, le taux de dégradation des protéines musculaires dépasse d’environ 30% le taux de synthèse des protéines musculaires. Consommation de BCAA seuls (c.-à-d., sans les autres EAA) ne peut augmenter la synthèse des protéines musculaires qu’à l’état post-absorbant en augmentant l’efficacité du recyclage des EAA de la dégradation des protéines en synthèse des protéines, par opposition à leur libération dans le plasma ou à leur oxydation. En effet, les 9 AAE (ainsi que les 11 AAE) sont nécessaires pour produire des protéines musculaires et les AAE ne peuvent pas être produites dans le corps. Si seulement 3 AAE sont consommés, comme c’est le cas avec la consommation de BCAA, alors la dégradation des protéines est la seule source des AAE restants nécessaires comme précurseurs pour la synthèse des protéines musculaires. Il est donc théoriquement impossible pour la consommation de BCAA uniquement de créer un état anabolique dans lequel la synthèse des protéines musculaires dépasse la dégradation des protéines musculaires. Si l’hypothèse généreuse est faite que la consommation de BCAA améliore l’efficacité du recyclage des AAE de la dégradation des protéines musculaires à la synthèse des protéines musculaires de 50%, cela se traduirait par une augmentation de 15% du taux de synthèse des protéines musculaires (30% recyclé à l’état basal X amélioration de 50% du recyclage = augmentation de 15% de la synthèse). De plus, une réduction de 50% de la libération d’AAE dans le plasma à partir du muscle réduirait également les bassins plasmatiques et intracellulaires d’AAE libres. Figure Fig. 1 illustre schématiquement ces principes. Comme une amélioration de 50% de l’efficacité du recyclage correspondrait à la limite maximale raisonnable, cela signifie que la stimulation maximale de la synthèse des protéines musculaires ne pourrait pas dépasser 15%. Cela correspondrait à une augmentation du taux de synthèse fractionnaire du muscle d’une valeur basale d’environ 0,050%/h à l’état basal à 0.057% / h, et cette différence dans le taux de synthèse fractionnaire (FSR) de la protéine serait difficile à mesurer avec précision.

Les résultats empiriques

Les BCAA ont été administrés par voie intraveineuse dans les seules études déterminant la réponse du métabolisme des protéines musculaires chez des sujets humains aux BCAA seuls. Bien que l’infusion de BCAA ne soit pas la manière conventionnelle de consommer un complément alimentaire, il a été démontré que les acides aminés perfusés par voie intraveineuse et ingérés par voie orale avaient des effets comparables sur la synthèse des protéines musculaires dans d’autres circonstances. Par conséquent, il est raisonnable d’évaluer les documents dans lesquels la réponse de la synthèse des protéines musculaires à la perfusion intraveineuse de BCAA chez des sujets humains.

Louard et coll. a utilisé la méthode de l’équilibre de l’avant-bras pour quantifier la réponse à la perfusion intraveineuse d’un mélange de BCAA pendant 3 h chez 10 sujets post-absorbants. La méthode d’équilibre de l’avant-bras implique la mesure de l’absorption et de la libération d’AAE individuels (leucine et phénylalanine dans ce cas) et de leurs homologues marqués isotopiquement. Les taux de disparition (Rd) et d’apparition (Ra) de la phénylalanine et de la leucine sont calculés. Avec l’hypothèse que l’équilibre à travers le muscle de la leucine et de la phénylalanine est représentatif de tous les AAE, Rd. la phénylalanine est considérée comme un reflet de la synthèse des protéines musculaires, car la synthèse des protéines est le seul destin de la phénylalanine absorbée par le muscle à partir du plasma. Le Rd. la leucine ne peut pas être interprétée en ce qui concerne la synthèse des protéines, car la leucine absorbée par le muscle peut être oxydée et incorporée à la protéine. La perfusion de 3 h de BCAA a multiplié par quatre les concentrations plasmatiques des 3 BCAA, tandis que les concentrations des autres EAA ont diminué. Plutôt que d’être stimulée par la perfusion de BCAA, la synthèse des protéines musculaires a diminué à partir de 37+/− 3 à 21 +/− 2 nmol / min / 100 ml de jambe (statistiquement significatif, p < 0,05). Il n’y a pas eu de changement significatif dans l’équilibre net de la phénylalanine, ce qui indique que la dégradation des protéines musculaires a également été réduite d’une quantité similaire à la réduction de la synthèse des protéines musculaires. L’équilibre entre la synthèse et la dégradation des protéines musculaires est resté négatif, ce qui signifie que l’état catabolique a persisté et qu’un état anabolique n’a pas été produit. Les diminutions simultanées de la synthèse et de la dégradation des protéines musculaires pendant la perfusion de BCAA peuvent être décrites comme une diminution du renouvellement des protéines musculaires.

Des résultats similaires ont été obtenus par les mêmes chercheurs lorsqu’ils ont prolongé la perfusion de BCAA à 16 h chez 8 volontaires normaux et ont déterminé si l’élévation chronique des BCAA stimulait la synthèse des protéines musculaires. La même méthodologie d’équilibre de l’avant-bras a été utilisée que dans l’étude précédente pour calculer la synthèse et la dégradation des protéines musculaires. La perfusion de 16 h augmente les concentrations de BCAA de 5 à 8 fois, ce qui est jusqu’au double des niveaux atteints avec une dose normale de BCAA ingérée par voie orale. Comme dans l’étude précédente, la synthèse des protéines musculaires (reflétée par la phénylalanine Rd) a été réduite chez les sujets recevant des BCAA par rapport à une perfusion saline de 36 +/− 5 à 27 +/-2 nmol / min / 100 ml.La dégradation des protéines musculaires a également été réduite, ce qui signifie que le renouvellement des protéines musculaires a également été réduit et qu’un état catabolique a persisté.

Nous pouvons conclure de ces deux études que la perfusion de BCAA non seulement ne parvient pas à augmenter le taux de synthèse des protéines musculaires chez les sujets humains, mais réduit en fait le taux de synthèse des protéines musculaires et le taux de renouvellement des protéines musculaires. L’état catabolique n’a pas été inversé à un état anabolique dans l’une ou l’autre étude. De plus, une réduction soutenue du taux de renouvellement des protéines musculaires devrait avoir un effet néfaste sur la force musculaire, même si la masse musculaire est maintenue. Le renouvellement des protéines musculaires renouvelle les fibres musculaires et entraîne une efficacité accrue de la contraction au niveau d’une seule fibre, ce qui se traduit par une force accrue in vivo, indépendamment de la masse musculaire.

L’échec de la synthèse des protéines musculaires à augmenter de manière significative en réponse à la perfusion de BCAA seul est comme prévu selon les considérations théoriques discutées ci-dessus et illustrées à la Fig. Figue. 1 en ce qui concerne l’obligation pour tous les AEA de maintenir une augmentation. Au lieu de cela, étant donné que la dégradation des protéines musculaires a diminué, la disponibilité des AAE a également diminué, ce qui a réduit le taux de synthèse des protéines musculaires.

Les facteurs de signalisation anaboliques limitent-ils le taux dans l’état post-absorbant?

L’affirmation selon laquelle la synthèse des protéines musculaires est stimulée par les BCAA découle au moins en partie de l’observation que la signalisation anabolique intracellulaire est augmentée, y compris l’état d’activation des facteurs clés impliqués dans l’initiation de la synthèse des protéines. La théorie selon laquelle l’activation de facteurs de signalisation anaboliques intracellulaires entraîne une augmentation du taux de synthèse des protéines musculaires s’est ancrée dans les concepts modernes de régulation de la synthèse des protéines musculaires. Une signalisation anabolique accrue en réponse aux BCAA a été citée comme preuve d’une stimulation de la synthèse des protéines musculaires, même en l’absence de mesure de la synthèse des protéines musculaires (par exemple). Cependant, l’activation des voies de signalisation anaboliques ne peut coïncider avec une synthèse accrue des protéines musculaires que s’il existe de nombreuses EAA pour fournir les précurseurs nécessaires à la production de protéines complètes.

La dissociation de l’état de phosphorylation des facteurs de signalisation et de la synthèse des protéines musculaires chez l’homme a été démontrée dans diverses circonstances lorsque la disponibilité de tous les EAA est limitée. Par exemple, une augmentation de la concentration d’insuline (par exemple, en raison de l’apport en glucose) est un puissant activateur des voies de signalisation anaboliques, mais cela ne parvient pas à augmenter la FSR musculaire en raison d’une carence en EAA. Inversement, la consommation d’une petite quantité (3 g) d’AAE stimule la synthèse des protéines musculaires sans affecter l’activité du facteur d’initiation, p.ex., Akt, kinase S6 et 4E-BP1. Une légère augmentation des concentrations plasmatiques d’AAE n’aurait aucun effet si la synthèse des protéines était limitée par l’état d’activation des facteurs d’initiation. Dans les études citées ci-dessus dans lesquelles des BCAA ont été perfusés par voie intraveineuse, il est raisonnable de supposer qu’une augmentation aussi importante des concentrations de BCAA aurait activé les facteurs de signalisation, mais la synthèse des protéines musculaires a effectivement diminué en raison du manque de disponibilité des EAA résultant d’une diminution de la dégradation des protéines. Ainsi, chez les sujets humains, la fourniture d’AAE peut augmenter la synthèse des protéines musculaires en l’absence de tout changement dans l’activation des facteurs d’initiation, et l’activation des facteurs d’initiation en l’absence de consommation de tous les AAE n’a aucun effet sur la synthèse des protéines musculaires. Ces résultats ne peuvent être interprétés que comme démontrant que le contrôle limitant le taux de synthèse des protéines musculaires basales chez l’homme est la disponibilité de tous les EAA par opposition à l’activité du facteur de signalisation anabolique. Cette conclusion jette un doute supplémentaire sur le rôle du complément alimentaire des BCAA seuls en tant que stimulateurs de la synthèse des protéines musculaires.

Lorsque toutes les preuves et la théorie sont considérées ensemble, il est raisonnable de conclure qu’il n’existe aucune preuve crédible que l’ingestion d’un complément alimentaire de BCAA entraîne à elle seule une stimulation physiologiquement significative des protéines musculaires. En fait, les preuves disponibles indiquent que les BCAA diminuent réellement la synthèse des protéines musculaires. Tous les AAE doivent être disponibles en abondance pour que la signalisation anabolique accrue se traduise par une synthèse accélérée des protéines musculaires.

La co-ingestion de BCAA avec d’autres nutriments

L’objectif de cette revue a été la réponse aux BCAA seuls, car c’est l’intention logique des suppléments nutritionnels de BCAA. Comme dans le cas de la consommation de BCAA seuls, il existe des études limitées sur la co–ingestion de BCAA avec d’autres nutriments. Lorsque des BCAA ou un mélange isonitrogène de thréonine, de méthionine et d’histidine ont été administrés à des sujets humains avec des glucides, le taux de synthèse des protéines musculaires a diminué de manière égale dans les deux groupes, indiquant l’absence de rôle unique des BCAA. De même, la consommation d’un mélange de BCAA en glucides après un exercice de résistance n’a pas augmenté les facteurs de signalisation anaboliques dans une plus grande mesure que les glucides seuls. Ainsi, les preuves disponibles ne soutiennent pas la notion d’effet anabolique spécial des BCAA lorsqu’ils sont administrés avec des glucides.

Contrairement à l’absence d’effet interactif entre les BCAA et les glucides, les BCAA peuvent améliorer l’effet anabolique d’un repas protéiné. Par exemple, l’ajout de 5 g de BCAA à une boisson en contenant 6.25 g de protéines de lactosérum ont augmenté la synthèse des protéines musculaires à un niveau comparable à celui induit par 25 g de protéines de lactosérum. Ce résultat suggère qu’un ou plusieurs des BCAA pourraient limiter le taux de stimulation de la synthèse des protéines musculaires par la protéine de lactosérum, ou que les BCAA supplémentaires induisaient un plus grand potentiel de réponse anabolique du muscle à la protéine de lactosérum en activant les facteurs d’initiation. Dans les deux cas, la réponse des BCAA en conjonction avec une protéine intacte est un problème différent de l’effet des BCAA seuls, puisque la protéine intacte fournit tous les EAA nécessaires pour produire une protéine intacte.

Effets individuels de la leucine, de la valine et de l’isoleucine

Dans cet article, nous avons considéré uniquement la réponse aux mélanges de BCAA. Les réponses aux BCAA individuels (c.-à-d. la leucine, la valine ou l’isoleucine) peuvent différer de la combinaison des trois pour plusieurs raisons. Les preuves indiquent que la leucine seule peut exercer une réponse anabolique (p. ex., ), alors qu’il n’existe aucune donnée de ce type pour l’isoleucine ou la valine. Ainsi, on peut s’attendre à ce que la leucine seule soit plus efficace que la combinaison de tous les BCAA. Cependant, il existe deux limitations significatives d’un complément alimentaire à base de leucine seule. Premièrement, les mêmes problèmes qui limitent l’étendue de la stimulation de la synthèse des protéines musculaires par les BCAA seuls en ce qui concerne la disponibilité des autres EAA nécessaires à la production de protéines musculaires intactes limitent également la réponse à la leucine seule. Deuxièmement, l’élévation de la concentration plasmatique de leucine active la voie métabolique qui oxyde tous les BCAA. En conséquence, l’ingestion de leucine seule entraîne une diminution des concentrations plasmatiques de valine et d’isoleucine. La disponibilité de la valine et de l’isoleucine peut donc devenir limitante pour la synthèse des protéines musculaires lorsque la leucine seule est consommée. C’est peut-être pourquoi les études de résultats à long terme avec supplémentation alimentaire en leucine n’ont pas donné de résultats positifs. La raison principale d’un complément alimentaire contenant tous les BCAA par opposition à la leucine seule est de surmonter les diminutions des concentrations plasmatiques de valine et d’isoleucine qui se produiraient lorsque la leucine est administrée seule.

Alors qu’un complément alimentaire contenant tous les BCAA permettra de surmonter les baisses de concentration résultant de la consommation de leucine seule, l’ajout de valine et d’isoleucine peut néanmoins limiter l’efficacité de la leucine seule en raison de la compétition pour le transport dans les cellules musculaires. Les BCAA sont tous activement transportés dans les cellules, y compris les cellules musculaires, par le même système de transport. Par conséquent, lorsqu’ils sont fournis ensemble, les BCAA sont en concurrence les uns avec les autres pour le transport dans les cellules. Si l’un des BCAA (par exemple, la leucine) limite le taux de synthèse des protéines, l’ajout des deux autres BCAA pourrait limiter la stimulation de la synthèse des protéines en raison de l’entrée réduite de leucine dans la cellule. Les BCAA sont également en concurrence avec d’autres acides aminés pour le transport, y compris la phénylalanine, et cette concurrence pourrait affecter la disponibilité intramusculaire d’autres EAA. En raison de la compétition pour les transporteurs, il est possible que la leucine seule, par exemple, puisse avoir un effet stimulant transitoire sur la synthèse des protéines musculaires (par exemple,) lorsque les BCAA ne parviennent pas à susciter une telle réponse.