LEUCYNA: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA, FUNKCJE, BIOSYNTEZA - BIOLOGIA - 2025

Leucyna jest jednym z kwasów 22 aminokwasów tworzących białka w organizmach żywych. Należy do jednego z 9 niezbędnych aminokwasów, które nie są syntetyzowane przez organizm i muszą być spożywane z pożywieniem wchodzącym w skład diety.

Leucyna została po raz pierwszy opisana w 1818 roku przez francuskiego chemika i farmaceuty JL Prousta, który nazwał ją „tlenkiem serowatym”. Później Erlenmeyer i Kunlin przygotowali go z kwasu α-benzoiloamido-β-izopropyloakrylowego, którego wzór cząsteczkowy to C6H13NO2.

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

Leucyna była kluczowa podczas odkrywania kierunku translacji białek, ponieważ jej hydrofobowa struktura pozwoliła biochemikowi Howardowi Dintzisowi na radioaktywne znakowanie wodoru węgla 3 i obserwowanie kierunku, w którym aminokwasy są włączane do syntezy peptydów hemoglobina.

Białka znane jako „suwaki” lub „zamknięcia” leucyny są, obok „palców cynkowych”, najważniejszymi czynnikami transkrypcyjnymi w organizmach eukariotycznych. Zamki leucynowe charakteryzują się hydrofobowymi interakcjami z DNA.

Generalnie białka bogate w leucynę lub zbudowane z aminokwasów rozgałęzionych nie są metabolizowane w wątrobie, zamiast tego trafiają bezpośrednio do mięśni, gdzie są szybko wykorzystywane do syntezy białek i produkcji energii.

Leucyna jest aminokwasem rozgałęzionym niezbędnym do biosyntezy białek i aminokwasów w mleku, które są syntetyzowane w gruczołach mlecznych. Duże ilości tego aminokwasu można znaleźć w wolnej postaci w mleku matki.

Spośród wszystkich aminokwasów tworzących białka leucyna i arginina występują w największej ilości i oba zostały wykryte w białkach wszystkich królestw tworzących drzewo życia.

cechy

Leucyna jest znana jako niezbędny aminokwas rozgałęziony, ma typową strukturę z innymi aminokwasami. Jednak wyróżnia się tym, że jego łańcuch boczny lub grupa R ma dwa liniowo związane węgle, a ostatni z nich jest związany z atomem wodoru i dwiema grupami metylowymi.

Należy do grupy nienaładowanych aminokwasów polarnych, podstawniki lub grupy R tych aminokwasów są hydrofobowe i niepolarne. Aminokwasy te są głównie odpowiedzialne za interakcje hydrofobowe wewnątrz i między białkami i mają tendencję do stabilizowania struktury białek.

Wszystkie aminokwasy, które mają centralny atom węgla, który jest chiralny (węgiel α), to znaczy ma dołączone cztery różne podstawniki, można znaleźć w dwóch różnych postaciach; tak więc istnieje D- i L-leucyna, ta ostatnia typowa dla struktur białkowych.

Obie formy każdego aminokwasu mają różne właściwości, uczestniczą w różnych szlakach metabolicznych, a nawet mogą modyfikować cechy struktur, których są częścią.

Na przykład leucyna w postaci L-leucyny ma lekko gorzki smak, natomiast w postaci D-leucyny jest bardzo słodka.

Forma L dowolnego aminokwasu jest łatwiejsza do metabolizowania przez organizm ssaka. L-leucyna łatwo ulega degradacji i jest wykorzystywana do budowy i ochrony białek.

Struktura

Leucyna składa się z 6 atomów węgla. Centralny węgiel, wspólny dla wszystkich aminokwasów, jest przyłączony do grupy karboksylowej (COOH), grupy aminowej (NH2), atomu wodoru (H) i łańcucha bocznego lub grupy R złożonej z 4 atomów węgla.

Atomy węgla w aminokwasach można zidentyfikować za pomocą greckich liter. Numeracja zaczyna się od węgla kwasu karboksylowego (COOH), natomiast adnotacja z alfabetem greckim zaczyna się od centralnego węgla.

Leucyna jako podstawnik w swoim łańcuchu R ma grupę izobutylową lub 2-metylopropylową, która jest wytwarzana przez utratę atomu wodoru, z utworzeniem rodnika alkilowego; Grupy te pojawiają się jako rozgałęzienia w strukturze aminokwasów.

cechy

Leucyna to aminokwas, który może służyć jako prekursor ketogeniczny dla innych związków zaangażowanych w cykl kwasu cytrynowego. Aminokwas ten stanowi ważne źródło syntezy acetylo-CoA lub acetoacetylo-CoA, które są częścią szlaków tworzenia ciał ketonowych w komórkach wątroby.

Wiadomo, że leucyna jest niezbędna w szlakach sygnałowych insuliny, bierze udział w inicjacji syntezy białek i zapobiega utracie białka poprzez degradację.

Zazwyczaj struktury wewnętrzne białek składają się z aminokwasów hydrofobowych, takich jak leucyna, walina, izoleucyna i metionina. Takie struktury są zwykle konserwowane dla enzymów powszechnych wśród żywych organizmów, jak w przypadku cytochromu C.

Leucyna może aktywować szlaki metaboliczne w komórkach gruczołów sutkowych, stymulując syntezę laktozy, lipidów i białek, które służą jako cząsteczki sygnałowe w regulacji homeostazy energetycznej młodych ssaków.

Domeny bogate w leucynę są istotną częścią specyficznych białek wiążących DNA, które są ogólnie dimerami strukturalnymi w postaci superskręconej i są znane jako „białka suwaków leucynowych”.

Charakterystyczną cechą tych białek jest regularny wzór powtarzających się leucyn wraz z innymi aminokwasami hydrofobowymi, które są odpowiedzialne za regulację wiązania czynników transkrypcyjnych z DNA i pomiędzy różnymi czynnikami transkrypcyjnymi.

Białka zamka leucynowego mogą tworzyć homo- lub heterodimery, które pozwalają im wiązać się z określonymi regionami czynników transkrypcyjnych w celu regulowania ich parowania i interakcji z cząsteczkami DNA, które regulują.

Biosynteza

Wszystkie aminokwasy rozgałęzione, w tym leucyna, są syntetyzowane głównie w roślinach i bakteriach. W roślinach kwitnących następuje znaczny wzrost produkcji leucyny, ponieważ jest ona ważnym prekursorem wszystkich związków odpowiedzialnych za zapach kwiatów i owoców.

Jednym z czynników, którym przypisuje się dużą zawartość leucyny w różnych peptydach bakteryjnych, jest to, że 6 różnych kodonów kodu genetycznego leucyny (UUA-UUG-CUU-CUC-CUA-CUG), to samo jest prawdą dla argininy.

Leucyna jest syntetyzowana w bakteriach na drodze pięciostopniowej drogi, w której punktem wyjścia jest keton związany z waliną.

Proces ten jest regulowany allosterycznie, tak że gdy w komórce występuje nadmiar leucyny, hamuje ona enzymy uczestniczące w szlaku i zatrzymuje syntezę.

Szlak biosyntetyczny

Biosynteza leucyny u bakterii rozpoczyna się od przemiany ketokwasowej pochodnej waliny, 3-metylo-2-oksobutanianu, do (2S) -2-izopropylomalanu, dzięki działaniu enzymu syntazy 2-izopropylomalto, która wykorzystuje do tego acetylo-Coa i wodę.

Jabłczan (2S) -2-izopropylu traci cząsteczkę wody i jest przekształcany w 2-izopropylomaleinian przez dehydratazę jabłczanu 3-izopropylu. Następnie ten sam enzym dodaje kolejną cząsteczkę wody i przekształca 2-izopropylomaleinian w (2R-3S) -3-izopropylomalian.

Ten ostatni związek poddawany jest reakcji oksydoredukcyjnej, która zasługuje na udział cząsteczki NAD +, z którą powstaje (2S) -2-izopropylo-3-oksobursztynian, co jest możliwe przy udziale enzymu 3- dehydrogenaza jabłczanu izopropylu.

(2S) -2-izopropylo-3-oksobursztynian samorzutnie traci atom węgla w postaci CO2, wytwarzając 4-metylo-2-oksopentanian, który w wyniku działania transaminazy aminokwasu rozgałęzionego (w szczególności transaminazy leucyny) a przy jednoczesnym uwalnianiu L-glutaminianu i 2-oksoglutaranu wytwarza L-leucynę.

Degradacja

Główną rolą leucyny jest działanie jako sygnał, który mówi komórce, że jest wystarczająco dużo aminokwasów i energii, aby rozpocząć syntezę białek mięśniowych.

Rozpad aminokwasów rozgałęzionych, takich jak leucyna, rozpoczyna się od transaminacji. Ten i dwa kolejne etapy enzymatyczne są katalizowane przez te same trzy enzymy w przypadku leucyny, izoleucyny i waliny.

Transaminacja trzech aminokwasów prowadzi do powstania ich pochodnych α-ketokwasów, które są poddawane dekarboksylacji oksydacyjnej z wytworzeniem tioestrów acylo-CoA, które są odwodornione α, β i dając tioestry α, β-nienasyconego acylo-CoA.

Podczas katabolizmu leucyny, odpowiedni α, β-nienasycony tioester acylo-CoA jest używany do produkcji acetooctanu (kwasu acetooctowego) i acetylo-CoA na szlaku z udziałem metabolitu 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA. (HMG-CoA), który jest półproduktem w biosyntezie cholesterolu i innych izoprenoidów.

Szlak kataboliczny leucyny

Od powstania α, β-nienasyconego tioestru acylo-CoA pochodzącego z leucyny, szlaki kataboliczne dla tego aminokwasu oraz dla waliny i izoleucyny znacznie się różnią.

Α, β-nienasycony tioester acylo-CoA leucyny jest przetwarzany w dół łańcucha przez trzy różne enzymy znane jako (1) 3-metylokrotonylo-CoA karboksylaza, (2) 3-metyloglutakonylo-CoA hydrataza i (3) 3-hydroksy Liaza -3-metyloglutarylo-CoA.

U bakterii enzymy te są odpowiedzialne za przemianę 3-metylokrotonylo-CoA (pochodzącego z leucyny) w odpowiednio 3-metyloglutakonylo-CoA, 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA oraz acetooctan i acetylo-CoA.

Leucyna dostępna we krwi służy do syntezy białek mięśniowych / miofibrylarnych (MPS). Działa to jako czynnik aktywujący w tym procesie. Oddziałuje również bezpośrednio z insuliną, wpływając na podaż insuliny.

Pokarmy bogate w leucynę

Spożycie białek bogatych w aminokwasy jest niezbędne dla fizjologii komórkowej organizmów żywych, a leucyna nie jest wyjątkiem pośród niezbędnych aminokwasów.

Białka otrzymywane z serwatki uważane są za najbogatsze w pozostałości L-leucyny. Jednak wszystkie pokarmy wysokobiałkowe, takie jak ryby, kurczaki, jajka i czerwone mięso, dostarczają organizmowi dużych ilości leucyny.

Ziarna kukurydzy mają niedobór aminokwasów lizyny i tryptofanu, mają bardzo sztywną trzeciorzędową strukturę do trawienia i mają niewielką wartość z odżywczego punktu widzenia, jednak mają wysoki poziom leucyny i izoleucyny.

Owoce roślin strączkowych są bogate w prawie wszystkie niezbędne aminokwasy: lizynę, treoninę, izoleucynę, leucynę, fenyloalaninę i walinę, ale zawierają mało metioniny i cysteiny.

Leucyna jest ekstrahowana, oczyszczana i skoncentrowana w tabletkach jako suplement diety dla sportowców na wysokim poziomie i jest sprzedawana jako lek. Głównym źródłem wyodrębnienia tego aminokwasu jest odtłuszczona mąka sojowa.

Istnieje suplement diety stosowany przez sportowców do regeneracji mięśni znany jako BCAA (Aminokwasy rozgałęzione). Zapewnia to wysokie stężenie aminokwasów rozgałęzionych: leucyny, waliny i izoleucyny.

Korzyści z jego spożycia

Pokarmy bogate w leucynę pomagają kontrolować otyłość i inne choroby metaboliczne. Wielu dietetyków zwraca uwagę, że pokarmy bogate w leucynę i suplementy diety na bazie tego aminokwasu przyczyniają się do regulacji apetytu i niepokoju u dorosłych.

Wszystkie białka bogate w leucynę stymulują syntezę białek mięśniowych; Wykazano, że wzrost udziału spożytej leucyny w stosunku do innych niezbędnych aminokwasów może odwrócić osłabienie syntezy białek w mięśniach starszych pacjentów.

Nawet osoby z ciężkimi zaburzeniami plamki, które są sparaliżowane, mogą zatrzymać utratę masy i siły mięśniowej poprzez odpowiednią doustną suplementację leucyny, oprócz stosowania ogólnoustrojowych ćwiczeń oporowych na mięśnie.

Leucyna, walina i izoleucyna są niezbędnymi składnikami masy tworzącej mięśnie szkieletowe kręgowców, dlatego ich obecność jest niezbędna do syntezy nowych białek lub do naprawy już istniejących.

Zaburzenia niedoboru

Niedobory lub wady rozwojowe kompleksu enzymatycznego dehydrogenazy α-ketokwasu, który jest odpowiedzialny za metabolizm leucyny, waliny i izoleucyny u ludzi, mogą powodować poważne zaburzenia psychiczne.

Ponadto istnieje stan patologiczny związany z metabolizmem tych aminokwasów rozgałęzionych, zwany „chorobą syropu klonowego w moczu”.

Jak dotąd nie wykazano istnienia niekorzystnych skutków nadmiernego spożycia leucyny. Jednak zalecana jest maksymalna dawka 550 mg / kg dziennie, ponieważ nie przeprowadzono długoterminowych badań dotyczących nadmiernej ekspozycji tkanek na ten aminokwas.

Bibliografia

1. Álava, MDC, Camacho, ME i Delgadillo, J. (2012). Zdrowie mięśni i profilaktyka sarkopenii: działanie białka, leucyny i ß-hydroksy-ß-metylomaślanu. Journal of Bone and Mineral Metabolism, 10 (2), 98-102.
2. Fennema, OR (1993). Chemia żywności (nr 664: 543). Acribia.
3. Massey, LK, Sokatch, JR i Conrad, RS (1976). Katabolizm aminokwasów rozgałęzionych u bakterii. Przeglądy bakteriologiczne, 40 (1), 42.
4. Mathews, CK i Ahern, KG (2002). Biochemia. Edukacja Pearson.
5. Mero, A. (1999). Suplementacja leucyny i intensywny trening. Medycyna sportowa, 27 (6), 347-358.
6. Munro, HN (red.). (2012). Metabolizm białek ssaków (tom 4). Elsevier
7. Nelson, DL, Lehninger, AL i Cox, MM (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.