IZOLEUCYNA: CHARAKTERYSTYKA, FUNKCJE, BIOSYNTEZA, POKARM - BIOLOGIA - 2025

Izoleucyny (Ile, I) jest jednym z 22 naturalnie występujące aminokwasy, jak części białka. Ponieważ organizm ludzki, podobnie jak niektóre inne ssaki, nie może jej syntetyzować, izoleucyna jest jednym z 9 niezbędnych aminokwasów, które muszą być dostarczane z pożywieniem.

Aminokwas ten został po raz pierwszy wyizolowany w 1903 r. Przez naukowca F. Ehrlicha z azotowych składników melasy buraczanej lub buraczanej. Później ten sam autor oddzielił izoleucynę od produktów rozkładu fibryny i innych białek.

Struktura chemiczna aminokwasu izoleucyny (źródło: Clavecin za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Jest aminokwasem niepolarnym występującym w dużej części białek komórkowych organizmów żywych, ponadto wchodzi w skład grupy aminokwasów rozgałęzionych BCAA (z angielskich hodowlanych C hain A mino A cids) wraz z leucyną i walina.

Pełni funkcje w tworzeniu trzeciorzędowej struktury wielu białek, a ponadto uczestniczy w tworzeniu różnych prekursorów metabolicznych związanych z metabolizmem energetycznym komórek.

cechy

Izoleucyna zaliczana jest do grupy aminokwasów niepolarnych z grupami R lub łańcuchami o charakterze alifatycznym, czyli z hydrofobowymi łańcuchami węglowodorowymi.

Dzięki tej właściwości aminokwasy z tej grupy, takie jak alanina, walina i leucyna, mają tendencję do pozostawania blisko siebie, co przyczynia się do stabilizacji białek, których są częścią, poprzez oddziaływania hydrofobowe.

Ten niepolarny aminokwas waży około 131 g / mol i jest obecny w białkach w proporcji zbliżonej do 6%, często „zagrzebany” w ich środku (dzięki swoim właściwościom hydrofobowym).

Struktura

Izoleucyna jest α-aminokwasem, który podobnie jak inne aminokwasy posiada centralny atom węgla zwany węglem α (który jest chiralny), do którego są przyłączone cztery różne grupy: atom wodoru, grupa aminowa (-NH2), grupę karboksylową (-COOH) i łańcuch boczny lub grupę R.

Grupa R izoleucyny składa się z pojedynczego rozgałęzionego węglowodoru o 4 atomach węgla (-CH3-CH2-CH (CH3)), w którego łańcuchu znajduje się również chiralny atom węgla.

Ze względu na tę cechę izoleucyna ma cztery możliwe postacie: dwie z nich to izomery optyczne znane jako L-izoleucyna i D-izoleucyna, a dwie pozostałe to diastereoizomery L-izoleucyny. Dominującą formą białek jest L-izoleucyna.

Wzór cząsteczkowy izoleucyny to C6H13NO2, a jej nazwa chemiczna to kwas α-amino-β-metylo-β-etylopropionowy lub kwas 2-amino-3-metylopentatonowy.

cechy

Izoleucyna ma wiele funkcji fizjologicznych u zwierząt, w tym

- Gojenie się ran

- Odtruwanie odpadów azotowych

- Stymulacja funkcji odpornościowych i

- Promowanie wydzielania różnych hormonów.

Jest uważany za aminokwas glukogenny, ponieważ służy jako cząsteczka prekursorowa do syntezy związków pośrednich cyklu kwasu cytrynowego (cykl Krebsa), które później przyczyniają się do tworzenia glukozy w wątrobie.

Z tego powodu uważa się, że izoleucyna uczestniczy w regulacji poziomu glukozy w osoczu, co ma ważne implikacje z energetycznego punktu widzenia organizmu.

Izoleucyna uczestniczy w drogach syntezy glutaminy i alaniny, działając na rzecz równowagi między aminokwasami rozgałęzionymi.

W warunkach klinicznych niektórzy autorzy zwracają uwagę, że wzrost stężenia izoleucyny, leucyny, tyrozyny i waliny może być charakterystycznymi markerami komórek dotkniętych nowotworami, po którym następuje wzrost poziomu glutaminy.

Inne funkcje

Różne badania naukowe wykazały, że izoleucyna jest niezbędna do syntezy hemoglobiny, białka odpowiedzialnego za transport tlenu we krwi wielu zwierząt.

Ponadto ten aminokwas aktywuje wnikanie składników odżywczych do komórek; Z niektórych badań wynika, że ​​podczas długotrwałego postu jest w stanie zastąpić glukozę jako źródło energii, a ponadto jest aminokwasem ketogennym.

Aminokwasy ketogenne to takie, których szkielety węglowe mogą być magazynowane jako kwasy tłuszczowe lub węglowodany, dzięki czemu pełnią funkcję rezerwy energetycznej.

Izoleucyna i inne aminokwasy o rozgałęzionych łańcuchach (oprócz czynników wzrostu i warunków środowiskowych) działają na aktywację docelowego szlaku sygnałowego rapamycyny, mTOR (mechanistyczny T arget Rapamycyny).

Szlak ten jest ważnym szlakiem sygnałowym u eukariotów zdolnym do kontrolowania wzrostu i metabolizmu komórek, a także syntezy białek i zdarzeń autofagii. Ponadto kontroluje postępy starzenia i niektóre patologie, takie jak rak czy cukrzyca.

Biosynteza

Ludzie i inne zwierzęta nie są w stanie syntetyzować izoleucyny, ale jest ona częścią białek komórkowych dzięki pozyskiwaniu jej z pożywienia, które codziennie spożywamy.

Rośliny, grzyby i większość mikroorganizmów są zdolne do syntetyzowania tego aminokwasu na nieco złożonych drogach, które na ogół są połączone z innymi aminokwasami również uważanymi za niezbędne dla człowieka.

Istnieją, na przykład, ścieżki produkcji izoleucyny, lizyny, metioniny i treoniny z asparaginianu.

W szczególności u bakterii izoleucyna jest wytwarzana z aminokwasu treoniny poprzez pirogronian, na drodze, która obejmuje kondensację 2 atomów węgla pirogronianu z cząsteczką α-ketomaślanu pochodzącą z treoniny.

Reakcja rozpoczyna się od działania enzymu dehydratazy treoniny, który katalizuje odwodnienie treoniny do produkcji α-ketomaślanu i amonu (NH3). Następnie te same enzymy, które uczestniczą w biosyntezie waliny, biorą udział w etapach

- Transaminacja

- oksydacyjna dekarboksylacja odpowiednich ketokwasów i

- Odwodnienie.

W tego typu mikroorganizmach synteza aminokwasów, takich jak lizyna, metionina, treonina i izoleucyna, jest wysoce skoordynowana i regulowana, zwłaszcza przez ujemne sprzężenie zwrotne, gdzie produkty reakcji hamują aktywność zaangażowanych enzymów.

Pomimo faktu, że izoleucyna, podobnie jak leucyna i walina, są aminokwasami niezbędnymi dla człowieka, enzymy aminotransferazy obecne w tkankach organizmu mogą odwracalnie przekształcać je w odpowiadające im α-ketokwasy, które ostatecznie mogą je zastąpić w dieta.

Degradacja

Podobnie jak wiele innych aminokwasów, które są znane w przyrodzie, izoleucyna może ulec degradacji do postaci pośredników różnych szlaków metabolicznych, wśród których wyróżnia się cykl Krebsa (który dostarcza największą ilość koenzymów, które działają na produkcję energii lub do biosyntezy innych związków).

Izoleucyna, tryptofan, lizyna, fenyloalanina, tyrozyna, treonina i leucyna mogą być używane do produkcji acetylo-CoA, kluczowego metabolicznego produktu pośredniego w wielu reakcjach komórkowych.

W przeciwieństwie do innych aminokwasów, aminokwasy rozgałęzione (leucyna, izoleucyna i walina) nie ulegają degradacji w wątrobie, ale są utleniane jako paliwo w mięśniach, mózgu, nerkach i tkance tłuszczowej.

Te narządy i tkanki mogą wykorzystywać te aminokwasy dzięki obecności enzymu aminotransferazy, który może działać na wszystkie trzy i wytwarzać odpowiadające im α-keto aminokwasy.

Po wytworzeniu tych utlenionych pochodnych aminokwasów kompleks enzymu dehydrogenazy α-ketokwasu katalizuje ich oksydacyjną dekarboksylację, w której uwalnia cząsteczkę dwutlenku węgla (CO2) i wytwarza pochodną acylo-CoA omawianych aminokwasów.

Patologie związane z metabolizmem izoleucyny

Defekty metabolizmu izoleucyny i innych aminokwasów mogą powodować różne dziwne i złożone patologie, takie jak na przykład choroba „Mocz syropu klonowego” (mocz o zapachu syropu klonowego) lub ketonokwasuria o rozgałęzionych łańcuchach.

Jak sama nazwa wskazuje, choroba ta charakteryzuje się charakterystycznym aromatem moczu pacjentów, którzy na nią cierpią, a także wymiotami, drgawkami, upośledzeniem umysłowym i przedwczesną śmiercią.

Ma to w szczególności związek z błędami w kompleksie enzymatycznej dehydrogenazy α-ketokwasowej, w której aminokwasy rozgałęzione, takie jak izoleucyna i jej utlenione pochodne, są wydalane z moczem.

W sumie patologie związane z katabolizmem aminokwasów rozgałęzionych, takich jak izoleucyna, są znane jako kwasicy organiczne, chociaż te, które są bezpośrednio związane z tym aminokwasem, są dość rzadkie.

Pokarmy bogate w izoleucynę

Aminokwas ten występuje obficie w tkankach mięśniowych zwierząt, dlatego mięso pochodzenia zwierzęcego, takie jak wołowina, wieprzowina, ryby i inne podobne, takie jak między innymi jagnięcina, kurczak, indyk, dziczyzna są w nim bogaci.

Występuje również w produktach mlecznych i ich pochodnych, takich jak ser. Znajduje się w jajach, a także w różnych rodzajach nasion i orzechów, jako istotna część białek, z których się składają.

Jest bogaty w soję i groszek, a także w ekstrakty drożdżowe używane do różnych celów spożywczych.

Stężenie izoleucyny w osoczu dorosłego człowieka wynosi od 30 do 108 μmol / l, u dzieci i młodzieży w wieku od 2 do 18 lat wynosi od 22 do 107 μmol / l, a dla niemowląt w wieku od 0 do 2 lat wynosi około między 26 a 86 μmol / l.

Dane te sugerują, że spożywanie pokarmów bogatych w ten i inne pokrewne aminokwasy jest niezbędne do utrzymania wielu fizjologicznych funkcji organizmu, ponieważ ludzie nie są w stanie ich syntetyzować de novo.

Korzyści z jego spożycia

Suplementy diety zawierające izoleucynę zwykle zawierają inne niezbędne aminokwasy rozgałęzione, takie jak walina, leucyna i inne.

Do najczęstszych przykładów spożycia izoleucyny należą suplementy diety stosowane przez sportowców w celu zwiększenia procentowej masy mięśniowej lub syntezy białek. Jednak podstawy naukowe, na których opierają się te praktyki, są nieustannie przedmiotem dyskusji, a ich wyniki nie są w pełni gwarantowane.

Izoleucyna jest jednak stosowana w celu przeciwdziałania efektom metabolicznym niedoboru witamin (pelagry) charakterystycznym dla pacjentów na diecie bogatej w sorgo i kukurydzę, czyli pokarmów bogatych w leucynę, co może wpływać na metabolizm tryptofanu i kwasu nikotynowego u ludzi.

Na przykład działanie pelagry na eksperymentalne szczury obejmuje opóźnienia wzrostu, które są przezwyciężane poprzez suplementację izoleucyną.

- W branży produkcji zwierzęcej

W dziedzinie produkcji zwierzęcej aminokwasy, takie jak lizyna, treonina, metionina i izoleucyna, zastosowano w testach pilotażowych do karmienia świń hodowanych w kontrolowanych warunkach.

Wydaje się, że w szczególności izoleucyna ma wpływ na przyswajanie azotu, chociaż nie przyczynia się do przyrostu masy ciała u tych zwierząt hodowlanych.

- W niektórych stanach klinicznych

Niektóre publikacje sugerują, że izoleucyna może obniżać poziom glukozy w osoczu, dlatego jej przyjmowanie jest zalecane u pacjentów cierpiących na zaburzenia, takie jak cukrzyca lub niski poziom produkcji insuliny.

Infekcje wirusowe

Suplementacja izoleucyną okazała się przydatna u pacjentów zakażonych rotawirusem, który powoduje choroby, takie jak zapalenie żołądka i jelit i biegunka u małych dzieci i innych młodych zwierząt.

Z ostatnich badań wynika, że ​​spożycie tego aminokwasu przez zwierzęta doświadczalne o wyżej wymienionych cechach (zakażone rotawirusem) pomaga we wzroście i funkcjonowaniu wrodzonego układu odpornościowego dzięki aktywacji szlaków sygnałowych PRR lub receptorów z rozpoznaniem wzory.

Zaburzenia niedoboru

Niedobór izoleucyny może prowadzić do problemów ze wzrokiem, skórą (np. Zapalenie skóry) i jelitami (objawiającymi się biegunką i innymi objawami żołądkowo-jelitowymi).

Ponieważ jest aminokwasem niezbędnym do tworzenia i syntezy hemoglobiny, a także do regeneracji erytrocytów (krwinek), poważne niedobory izoleucyny mogą mieć poważne konsekwencje fizjologiczne, szczególnie związane z anemią i innymi chorobami hematologicznymi. .

Zostało to udowodnione eksperymentalnie u „normalnych” gryzoni, którym podawano dietę ubogą w tę izoleucynę, co kończy się wystąpieniem znacznej anemii.

Jednak izoleucyna uczestniczy w tworzeniu hemoglobiny tylko u niemowląt, ponieważ białko dorosłego człowieka nie posiada znaczących ilości takiego aminokwasu; oznacza to, że niedobór izoleucyny jest najbardziej widoczny we wczesnych stadiach rozwoju.

Bibliografia

1. Aders Plimmer, R. (1908). Skład chemiczny białek. Część I. Londyn, Wielka Brytania: Longmans, Green i CO.
2. Aders Plimmer, R. (1908). Skład chemiczny białek. Część druga. Londyn, Wielka Brytania: Longmans, Green i CO.
3. Barret, G. i Elmore, D. (2004). Aminokwasy i peptydy. Cambridge: Cambridge University Press.
4. Blau, N., Duran, M., Blaskovics, M. i Gibson, K. (1996). Physician's Guide to the Laboratory Diagnosis of Metabolic Diseases (wyd. 2).
5. Bradford, H. (1931). Historia odkrycia aminokwasów. II. Przegląd aminokwasów opisywanych od 1931 roku jako składniki rodzimych białek. Advances in Protein Chemistry, 81–171.
6. Campos-Ferraz, PL, Bozza, T., Nicastro, H. i Lancha, AH (2013). Wyraźny wpływ suplementacji leucyną lub mieszanki aminokwasów rozgałęzionych (leucyny, izoleucyny i waliny) na odporność na zmęczenie oraz degradację mięśni i wątroby-glikogenu u tresowanych szczurów. Odżywianie, 29 (11–12), 1388–1394.
7. Champe, P. i Harvey, R. (2003). Aminokwasy Aminokwasy. W Lippincott's Illustrated Reviews: Biochemistry (wyd. 3, str. 1–12). Lippincott.
8. Chandran, K. i Damodaran, M. (1951). Aminokwasy i białka w tworzeniu hemoglobiny 2. Izoleucyna. Biochemical Journal, 49, 393-398.
9. Chung, AS i Beames, RM (1974). Suplementacja lizyny, treoniny, metioniny i izoleucyny jęczmienia rzecznego pokoju dla rosnących świń. Pies. J. Anim. Sci., 436, 429–436.
10. Dejong, C., Meijerink, W., van Berlo, C., Deutz, N., & Soeters, P. (1996). Zmniejszone stężenie izoleucyny w osoczu po krwotoku z górnego odcinka przewodu pokarmowego u ludzi. Gut, 39, 13-17.
11. Edsall, J. (1960). Aminokwasy, białka i biochemia raka (tom 241). Londyn: Academic Press, Inc.
12. Encyclopaedia Britannica. (2012). Pobrano 30 sierpnia 2019 r. Z https://www.britannica.com/science/isoleucine
13. Gelfand, R., Hendler, R., & Sherwin, R. (1979). Węglowodany w diecie i metabolizm spożytego białka. The Lancet, 65–68.
14. Hudson, B. (1992). Biochemia białek spożywczych. Springer-Science + Business Media, BV
15. Knerr, I., Vockley, J. i Gibson, KM (2014). Zaburzenia metabolizmu leucyny, izoleucyny i waliny. W N. Blau (red.), Physician's Guide to the Diagnosis, Treatment, and Follow-up of Inherited Metabolic Diseases (str. 103–141).
16. Korman, SH (2006). Wrodzone błędy degradacji izoleucyny: przegląd. Molecular Genetics and Metabolism, 89 (4), 289–299.
17. Krishnaswamy, K. i Gopalan, C. (1971). Wpływ izoleucyny na skórę i elektroencefalogram w pelagrze. The Lancet, 1167–1169.
18. Martin, RE i Kirk, K. (2007). Transport niezbędnej substancji odżywczej, izoleucyny w ludzkich erytrocytach zakażonych pasożytem malarii Plasmodium falciparum. Blood, 109 (5), 2217–2224.
19. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. Baza danych PubChem. l-Isoleucine, CID = 6306, https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/l-Isoleucine (dostęp 31 sierpnia 2019)
20. Nuttall, FQ, Schweim, K. i Gannon, MC (2008). Wpływ doustnej izoleucyny z glukozą lub bez glukozy na stężenia insuliny, glukagonu i glukozy u osób bez cukrzycy. The European E-Journal of Clinical Nutrition and Metabolism, 3 (4), 152–158.
21. van Berlo, CLH, van de Bogaard, AEJM, van der Heijden, MAH, van Eijk, HMH, Janssen, MA, Bost, MCF, & Soeters, PB (1989). Czy zwiększone wydzielanie amoniaku po krwawieniu z przewodu pokarmowego jest konsekwencją całkowitego braku izoleucyny w hemoglobinie? Badanie na świniach. Hepatology, 10 (3), 315–323.
22. Vickery, HB i Schmidt, CLA (1931). Historia odkrycia aminokwasów. Chemical Reviews, 9 (2), 169-318.
23. Wolfe, RR (2017). Aminokwasy rozgałęzione i synteza białek mięśniowych u ludzi: mit czy rzeczywistość? Journal of the International Society of Sports Nutrition, 14 (1), 1–7.
24. Wu, G. (2009). Aminokwasy: metabolizm, funkcje i odżywianie. Aminokwasy, 37 (1), 1–17.