Isoleucin

Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Isoleucin Ile – ist eine der 21 proteinogenen Aminosäuren, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden. Bei der Proteinbiosynthese macht der Anteil an L-Isoleucin im Durchschnitt 4,6 % aus. Isoleucin liegt damit im Körper proteingebunden und nicht in freier Form vor [10].

Die proteinogenen Aminosäuren können in Abhängigkeit vom Aufbau ihrer Seitenketten in verschiedene Gruppen unterteilt werden. Isoleucin gehört gemeinsam mit Leucin, Valin, Alanin und Glycin zu den Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette, das heißt diese tragen nur eine Kohlenstoffseitenkette und sind unpolar.

Zudem werden Isoleucin, Leucin und Valin aufgrund ihrer spezifischen Molekülstruktur als verzweigtkettige Aminosäuren – englisch: Branched Chain Amino Acids – BCAAs – bezeichnet.

Die BCAAs zählen zu den neutralen Aminosäuren, weshalb sie sich sowohl sauer als auch basisch verhalten können.

Isoleucin kann vom menschlichen Körper nicht selbst synthetisiert werden und ist somit essentiell (lebensnotwendig). Als essentielle Aminosäure 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, 6, 10].

Proteinverdauung und intestinale Resorption

Die partielle Hydrolyse der Nahrungsproteine beginnt bereits im Magen. Aus verschiedenen Zellen der Magenschleimhaut werden wichtige Stoffe zur Proteinverdauung sezerniert. Die Haupt- und Nebenzellen produzieren Pepsinogen, die Vorstufe des proteinspaltenden Enzyms Pepsin. Belegzellen bilden Magensäure, die die Umwandlung von Pepsinogen zu Pepsin fördert. Zudem senkt die Magensäure den pH-Wert, wodurch die Pepsin-Aktivität gesteigert wird.

Pepsin zerlegt isoleucinreiches Eiweiß, insbesondere Molkenprotein, Casein, Fleisch-, Ei- und Haselnussprotein in niedermolekulare Spaltprodukte, wie Poly- und Oligopeptide.

Die löslichen Poly- und Oligopeptide gelangen im Anschluss in den Dünndarm, der Ort der hauptsächlichen Proteolyse – Proteinverdauung. Im Pankreas – Bauchspeicheldrüse – werden Proteasen – eiweißspaltende Enzyme – gebildet. Die Proteasen werden zunächst als Zymogene – inaktive Vorstufen – synthetisiert und sezerniert. Erst im Dünndarm erfolgt ihre Aktivierung durch Enteropeptidasen – aus den Mukosazellen gebildete Enzyme –, Calcium und das Verdauungsenzym Trypsin [2, 6, 10, 29].

Zu den wichtigsten Proteasen gehören die Endo- und Exopeptidasen. Endopeptidasen spalten Proteine und Polypeptide im Innern der Moleküle, wodurch die terminale Angreifbarkeit der Proteine gesteigert wird. Exopeptidasen greifen die Peptidbindungen des Kettenendes an und können spezifisch bestimmte Aminosäuren vom Carboxyl- oder Aminoende der Proteinmoleküle abspalten. Sie werden entsprechend als Carboxy- oder Aminopeptidasen bezeichnet. Endo- und Exopeptidasen ergänzen sich aufgrund unterschiedlicher Substratspezifität bei der Spaltung von Proteinen und Polypeptiden.

Durch die Endopeptidase Elastase werden spezifisch aliphatische Aminosäuren, darunter Isoleucin, freigesetzt. Isoleucin befindet sich in der Folge am Ende des Proteins und ist somit zugänglich für die Abspaltung durch Carboxypeptidase A. Diese Exopeptidase spaltet neben aliphatischen auch aromatische Aminosäuren von Oligopeptiden ab.

Isoleucin wird überwiegend aktiv und elektrogen im Natrium-Cotransport in die Enterozyten – Mukosazellen – des Dünndarms aufgenommen. Etwa 30 bis 50 % des absorbierten Isoleucins wird bereits in den Enterozyten ab- und umgebaut [10]. Der Transport von Isoleucin und deren Metaboliten aus den Zellen über das Pfortadersystem zur Leber erfolgt über verschiedene Transportsysteme entlang des Konzentrationsgradienten.

Die intestinale Absorption der Aminosäuren ist mit beinahe 100 Prozent fast vollständig. Essentielle Aminosäure, wie Isoleucin, Leucin, Valin und Methionin, werden im Gegensatz zu nichtessentiellen Aminosäuren wesentlich schneller absorbiert [2, 6, 10, 29].

Die Aufspaltung der Nahrungsproteine und endogenen Proteine in kleinere Spaltprodukte ist nicht nur für die Peptid- und Aminosäureaufnahme in die Enterozyten wichtig, sondern dient auch der Auflösung des artfremden Charakters des Proteinmoleküls sowie der Ausschließung von immunologischen Reaktionen [10].

Proteinabbau

Isoleucin und andere Aminosäuren können in allen Geweben des Organismus metabolisiert und abgebaut werden, wodurch NH3 prinzipiell in allen Zellen und Organen freigesetzt wird. Ammoniak ermöglicht die Synthese von nichtessentiellen Aminosäuren, Purinen, Porphyrinen, Plasmaproteinen und Proteinen der Infektabwehr. Da NH3 in freier Form schon in sehr geringen Mengen neurotoxisch wirkt, muss es fixiert und ausgeschieden werden. Die Fixierung erfolgt durch die Glutamatdehydrogenase-Reaktion. Dabei wird das in den extrahepatischen Geweben freigesetzte Ammoniak auf alpha-Ketoglutarat 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 durch Bindung des Ammoniaks an Pyruvat in der Muskulatur gebildet. In der Leber wird aus Glutamin, Glutamat, Alanin und Aspartat Ammoniak freigesetzt. NH3 wird nun zur endgültigen Entgiftung in den Hepatozyten – Leberzellen – mit Hilfe der Carbamyl-phosphat-Synthetase in die Harnstoffbiosynthese eingeschleust. Zwei Ammoniakmoleküle bilden ein Molekül Harnstoff, der über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden wird [1, 10].

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, 6, 10, 29].

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].

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