Die Aminosäure Isoleucin ist eine essentielle Aminosäure und wird zur Bildung von anderen Aminosäuren genutzt (proteinogene Aminosäure). Damit gehört sie zu den 21 sogenannten proteinogenen Aminosäuren. Bei der Neubildung von Proteinen (Proteinbiosynthese) macht der Anteil an Isoleucin im Durchschnitt 4,6 % aus. Es liegt damit im Körper proteingebunden und nicht in freier Form vor [4].

Isoleucin ist eine verzweigtkettige Aminosäure (BCAA; englisch: Branched Chain Amino Acids). Wie Valin und Leucin hat auch Isoleucin in ihrer Struktur eine verzweigtkettige Anordnung. Aufgrund dieser spezifischen Molekülstruktur kann weder der tierische noch menschliche Organismus Isoleucin aufbauen, weshalb diese Aminosäure als lebensnotwendig (essentiell) bezeichnet wird.

Lebensnotwendigkeit von Isoleucin

Der menschliche Organismus kann Isoleucin nicht in ausreichendem Maße selbst synthetisieren, wodurch eine längerfristige Isoleucin -freie Ernährung zu Mangelerscheinungen führt. Somit ist Isoleucin lebensnotwendig (essentiell) und muss in ausreichenden Mengen über die Nahrung zugeführt werden. Isoleucin ist sowohl für den erwachsenen Menschen als auch für den Säugling essentiell.

Klassifizierung

Die proteinogenen Aminosäuren können in Abhängigkeit ihres chemischen Aufbaus in verschiedene Gruppen unterteilt werden. Isoleucin bildet hier gemeinsam mit den Aminosäuren Leucin, Valin, Alanin und Glycin eine Gruppe.

Zudem werden Isoleucin, Leucin und Valin aufgrund ihrer spezifischen Molekülstruktur als verzweigtkettige Aminosäuren, die BCAAs, bezeichnet (englisch: Branched Chain Amino Acids). Sie zählen zu den neutralen Aminosäuren, weshalb sie sich sowohl sauer als auch basisch verhalten können.

Zufuhr von Isoleucin

Isoleucin kann vom menschlichen Körper nicht selbst hergestellt (synthetisiert) werden und ist somit lebensnotwendig (essentiell). Daher muss Isoleucin in ausreichenden Mengen mit dem Nahrungsprotein aufgenommen werden, um eine ausgeglichene Stickstoffbilanz aufrecht zu erhalten und ein normales Wachstum zu ermöglichen [1, 2, 3, 4].

Proteinverdauung und Aufnahme

Die teilweise Aufspaltung der Nahrungsproteine beginnt bereits im Magen durch die Reaktion mit Wasser (Hydrolyse). Aus verschiedenen Zellen der Magenschleimhaut werden wichtige Stoffe zur Proteinverdauung abgesondert (sezerniert). Die Haupt- und Nebenzellen des Magens produzieren Pepsinogen, die Vorstufe des proteinspaltenden Enzyms Pepsin. Die sogenannten Belegzellen bilden Magensäure, die die Umwandlung von Pepsinogen zu Pepsin fördert. Zudem senkt die Magensäure den pH-Wert, wodurch die Pepsin-Aktivität gesteigert wird. Dies zerlegt isoleucinreiches Eiweiß, insbesondere Eiweißbestandteile der Milch (Molkenprotein, Casein), Fleisch-, Ei- und Haselnussprotein in kleinere Spaltprodukte.

Die löslichen Spaltprodukte gelangen im Anschluss in den Dünndarm, dem Ort der hauptsächlichen Proteinverdauung (Abbau durch Proteolyse). In der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) werden eiweißspaltende Enzyme (Proteasen) gebildet. Diese werden zunächst als inaktive Vorstufen (Zymogene) hergestellt (synthetisiert) und abgesondert (sezerniert). Erst im Dünndarm erfolgt ihre Aktivierung durch, in der Schleimhaut gebildete, Enzyme (Enteropeptidasen) sowie Calcium und das Verdauungsenzym Trypsin [2, 3, 4, 5].

Zu den wichtigsten eiweißspaltenden Enzymen (Proteasen) gehören die Endo- und Exopeptidasen. Endopeptidasen spalten Proteine und Polypeptide im Inneren der Moleküle. Exopeptidasen greifen die Peptidbindungen des am Molekülende an und können von den Proteinmolekülen spezifisch bestimmte Aminosäuren vom Carboxyl (-COOH)- oder Aminoende, einer Aminosäure mit freier Aminogruppe (NH₂), abspalten. Sie werden entsprechend als Carboxy- oder Aminopeptidasen bezeichnet. Endo- und Exopeptidasen ergänzen sich aufgrund unterschiedlicher Substratspezifität bei der Spaltung verschiedener Molekülstrukturen.

Durch die Endopeptidase Elastase werden Aminosäuren wie Isoleucin freigesetzt. Diese befindet sich in der Folge am Ende des Proteins und ist somit zugänglich für die Abspaltung durch Carboxypeptidase A. Diese Exopeptidase spaltet neben verzweigtkettigen auch ringförmige (aromatisch) Aminosäuren von Oligopeptiden ab.

Isoleucin wird überwiegend aktiv und elektrogen, also über elektrische Spannungen, im Natrium-Cotransport in die Schleimhautzellen (Mucosazellen) des Dünndarms aufgenommen. Etwa 30 bis 50 % des aufgenommenen (absorbierten) Isoleucins wird bereits dort ab- und umgebaut [4]. Der Transport von Isoleucin und deren Stoffwechselprodukte (Metaboliten) aus den Zellen über das Pfortadersystem zur Leber erfolgt über verschiedene Transportsysteme entlang des Konzentrationsgefälles.

Die Aufnahme über den Darm (intestinale Absorption) der Aminosäuren ist mit beinahe 100 Prozent fast vollständig. Essentielle Aminosäuren, wie Isoleucin, Leucin, Valin und Methionin, werden im Gegensatz zu nichtessentiellen Aminosäuren wesentlich schneller aufgenommen (absorbiert) [2, 3, 4, 5].

Die Aufspaltung der Nahrungsproteine und körpereigenen (endogenen) Proteine in kleinere Spaltprodukte ist nicht nur für die Peptid- und Aminosäureaufnahme wichtig, sondern dient auch der Auflösung des artfremden Charakters des Proteinmoleküls sowie der Ausschließung von Reaktionen des Immunsystems [4].

Proteinabbau- und Ausscheidung

Isoleucin und andere Aminosäuren können in allen Geweben des Organismus verstoffwechselt und abgebaut werden, wodurch Ammoniak (NH₃) prinzipiell in allen Zellen und Organen freigesetzt wird. Dieser ermöglicht die Synthese von nichtessentiellen Aminosäuren und anderen Stickstoffhaltigen Verbindungen wie Purinen, Porphyrinen, Plasmaproteinen und Proteinen der Infektabwehr.

Da NH3 in freier Form schon in sehr geringen Mengen das Nervensystem schädigen kann (neurotoxisch), muss es fixiert und ausgeschieden werden. Die Fixierung erfolgt durch die sogenannte Glutamatdehydrogenase-Reaktion. Dabei wird das in den Geweben außerhalb der Leber (extrahepatisch) freigesetzte Ammoniak auf ein anderes Molekül übertragen, wodurch Glutamat entsteht. Die Übertragung einer zweiten Aminogruppe auf Glutamat führt zur Bildung von Glutamin.

Der Prozess der Glutaminsynthese dient zur vorläufigen Ammoniakentgiftung. Glutamin, das vor allem im Gehirn entsteht, transportiert das gebundene und damit unschädliche NH3 zur Leber. Weitere Transportformen des Ammoniaks zur Leber sind Asparaginsäure und Alanin. Letztere Aminosäure wird in der Muskulatur gebildet. In der Leber wird aus Glutamin, Glutamat, Alanin und Aspartat Ammoniak freigesetzt. NH3 wird nun zur endgültigen Entgiftung in den Leberzellen (Hepatozyten) in die Harnstoffbiosynthese eingeschleust. Zwei Ammoniakmoleküle bilden ein Molekül Harnstoff, der über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden wird [1, 4].

Über die Bildung von Harnstoff können täglich 1-2 mol Ammoniak eliminiert werden. Der Umfang der Harnstoffsynthese unterliegt dem Einfluss der Ernährung, vor allem der Proteinzufuhr bezüglich Menge und biologische Qualität. Bei einer durchschnittlichen Ernährung liegt die Harnstoffmenge im Tagesharn in einem Bereich von etwa 30 Gramm [1, 2, 3, 4, 5].

Personen mit eingeschränkter Nierenfunktion sind nicht in der Lage, überschüssigen Harnstoff über die Niere auszuscheiden. Betroffene sollten sich eiweißarm ernähren, um eine vermehrte Produktion und Ansammlung von Harnstoff in der Niere durch Aminosäureabbau zu vermeiden [1].

Literatur

1. Arndt K., Albers T. Handbuch Protein und Aminosäuren. 13-60, 140-161, 176-183. 2. Auflage, Novagenics Verlag 2004

2. Bender D.A. Introduction to Nutrition and Metabolism. 2002, Taylor and Francis Ltd., London, Neuauflage September 2007

3. Bowman B.A., Russel R.M. (eds.), Present Knowledge in Nutrition. 9th ed. ca. 09/2006. International Life Sciences Institute, Washington, D.C., 1578811988

4. Hahn A., Ströhle A., Wolters M. Ernährung - Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. 46-65. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart 2004

5. Shils M.E., Olson J.A., Shike M., Rossi A.C. (Eds.) Modern Nutrition in Health and Disease. 10th ed. 2005,Williams and Wilkins, London, Munich