Leucin

Leucin Leu – gehört zu den insgesamt 21 proteinogenen Aminosäuren, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden [16].

In Abhängigkeit der Struktur ihrer Seitenketten werden die proteinogenen Aminosäuren in verschiedene Gruppen unterteilt. Leucin ist wie Isoleucin, Valin, Alanin und Glycin eine Aminosäure mit aliphatischer Seitenkette. Aliphatische Aminosäuren tragen nur eine Kohlenstoffseitenkette und sind unpolar.

Leucin, Isoleucin und Valin werden 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 – Abgabe von Protonen – als auch basisch – Aufnahme von Protonen – verhalten können.

Leucin kann vom menschlichen Körper nicht selbst synthetisiert werden und ist somit essentiell. Als lebensnotwendige Aminosäure muss Leucin in ausreichenden Mengen mit dem Nahrungsprotein aufgenommen werden, um eine ausgeglichene Stickstoffbilanz aufrecht zu erhalten und ein normales Wachstum zu ermöglichen [1, 2, 8, 16].

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 leucinreiches Eiweiß in niedermolekulare Spaltprodukte, wie Poly- und Oligopeptide. Gute natürliche Quellen für Leucin sind Molken-, Ei-, Hafer-, Mais-, Hirse- und Haselnussprotein sowie Casein [1].

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, 8, 16, 47].

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 Leucin, freigesetzt. Leucin 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.

Leucin wird überwiegend aktiv und elektrogen im Natrium-Cotransport in die Enterozyten (Mukosazellen) des Dünndarms aufgenommen. Etwa 30 bis 50 % des absorbierten Leucins wird bereits in den Enterozyten ab- und umgebaut [16]. Der Transport von Leucin 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 Leucin, Isoleucin, Valin und Methionin, werden im Gegensatz zu nichtessentiellen Aminosäuren wesentlich schneller absorbiert [2, 8, 16, 47]. Die Aufspaltung der Nahrungseiweiße und körpereigenen 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 [16].

Proteinabbau

Leucin 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. Ammoniak kann durch eine Hemmung des Energiestoffwechsels und pH-Wert-Verschiebungen zu schwerwiegenden Zellschädigungen führen [41]. 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 untoxisch ist und über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden wird [1, 16].

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, 8, 16, 47].

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, 179-181. 2. Auflage
    Novagenics Verlag 2004
  2. Bender D.A.
    Introduction to Nutrition and Metabolism. 2002
    Taylor and Francis Ltd., London, Neuauflage September 2007
  3. Bernadini P., Fischer J.E.
    Amino acid imbalance and hepatic encephalopathy.
    Ann. Rev. Nutr. 2: 419-454, 1982
  4. Berry H.K., Brunner R.L., Hunt M.M. et al.
    Valine, isoleucine, and leucine. A new treatment for phenylketonuria.
    Am J Dis Child 144: 539-543, 1990
  5. Blomstrand E., Hassmén P., Ek S. et al.
    Influence of ingesting a solution of branched-chain amino acids on perceived exertion during exercise.
    Acta Physiol Scand 159: 41-49, 1997
  6. Blomstrand E., Hassmén P., Ekblom B., et al.
    Administration of branched-chain amino acids during sustaind exercise-effects on performance and on plasma concentration of some amino acids.
    Eur J Appl Physiol 63: 83-88, 1991
  7. Böhles H.
    Angeborene Stoffwechselerkrankungen. In: Bielalski H.K.: Ernährungsmedizin,
    Thieme Verlag, 1995
  8. Bowman B.A., Russel R.M. (eds.)
    Present Knowledge in Nutrition. 9th ed. ca. 09/2006.
    International Life Sciences Institute, Washington, D.C., 1578811988
  9. Chromiak J.A., Antonio J.
    Use of amino acids as growth hormone-releasing agents by athletes.
    Nutrition 18, 7-8: 657-61, 2002
  10. Davis J.M., Welsh R.S., De Volve K.L., Alderson N.A.
    Effects of branched-chain amino acids and carbohydrate on fatigue during intermittend, high-intensity running.
    Int J Sports Med 20: 309-314; 1999
  11. De Palo E.F., Gatti R., Cappellin E., Schiraldi C., De Palo C.B., Spinella P.
    Plasma lactate, GH and GH-binding protein levels in exercise following BCAA supplementation in athletes.
    Amino acids 20, 1: 1-11, 2001
  12. Egberts E.H. et al.
    Verzweigtkettige Aminosäuren bei der Behandlung der latenten portosystemischen Enzephalopathie.
    Z Ernährungswiss 25: 9-28, 1986
  13. Freyssenet D., Berthon P., Denis C. et al.
    Effect of a 6-week endurance training programme and branched-chain amino acid supplementation on histomorphometric characteristics of aged human muscle.
    Arch Physiol Biochem 104: 157-162, 1996
  14. Gerok W.
    Therapie mit differenzierten Aminosäuregemischen bei hepatischer Enzephalopathie.
    Arzneimitteltherapie 4, 3: 72ff, 1986
  15. Groff J.L., Gropper S.S., Hunt S.M.
    Advanced nutrition and human metabolism, 2nd ed.
    West Publishing, 1995
  16. Hahn A., Ströhle A., Wolters M.
    Ernährung - Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. 46-65.
    Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart 2004
  17. Harper A.E. et al.
    Branched-chain amino acid metabolism.
    Ann Rev Nutr 4: 405-454, 1984
  18. Hassmén P., Blomstrand E., Ekblom B., Newsholme E.A.
    Branched-chain amino acid supplementation during 30-km competitive run: mood and cognitive performance.
    Nutrition 10: 405-410, 1994
  19. Hatfield F.C.
    Ultimate Sports Nutrition. 68.
    Contemporary Books, Chicago 1984
  20. Hoffmann G.F. et al.
    Phenylketonurie.
    Pädiatrische Praxis 48: 41-54, 1994/5
  21. Johnston C.S., Day C.S., Swan P.D.
    Thermic effect of high-protein diets.
    FASEBJ 15(4): a755.6., 2000
  22. Juhl J.H.
    Fibromyalgia and the serotonin pathway.
    Alternative medicine review: a jounal of clinical therapeutic 3, 5: 367-375, 1998
  23. Kapatos G. et al.
    Biosynthesis of Biopterin by Rat Brain.
    Journal of neurochemistry. 39: 1152-1162, 1982
  24. Kato M., Miwa Y., Tajika M. et al.
    Preferential use of branched-chain amino acids as an energy substrate in patients with liver cirrhosis.
    Internal Med 37: 429-434, 1998
  25. Kettelhut I.C. et al.
    Endocrine regulation of protein breakdown in skeletal muscle.
    Diabetes/Metabolism Rev 4: 751-772, 1988
  26. Kim W.H., Park H., Yun C., Cho H., Kim S., Paik W.K., Jeon S.H., Lee J.H.
    Mixture of N-carbamoyl-L-glutamate plus L-arginine can protect rats with liver cirrhosis from acute ammonia intoxication.
    Journal of hepatology 35, 6: 719-25, 2001
  27. Kuntz E. (Hrsg.)
    Die hepatische Enzephalopathie. 3. Ornithin-Aspartat Workshop Gravenbruch.
    Universitätsverlag Jena GmbH, 1991
  28. Lambert M.I., Hefer J.A., Millar R.P., Macfarlane P.W.
    Failure of commercial oral amino acid supplements to increase serum growth hormone concentrations in male body-builders.
    International journal of sport nutrition 3, 3: 298-305, 1993
  29. Lemon P.W.R. et al.
    Protein requirements and muscle mass/strength changes during intensive training in novice bodybuilders.
    J Appl Physiol 73: 767-775, 1992
  30. Lemon P.
    Is increased dietary protein necessary or beneficial for individuals with a physically active lifestyle.
    Nutr Rev 54: S169-S175, 1996
  31. Lemon P.R., Mullin J.P.
    Effect of initial muscle glycogen level on protein catabolism during exercise.
    J Appl Physiol 48: 624-629, 1980
  32. Löffler G., Petrides P.E.
    Biochemie und Pathobiochemie. 5. Auflage,
    Springer Verlag 1997
  33. Longhi et al.
    Nutrition control in PKU children on restricted diet: The trace elements.
    Abstracts of the Third International Symposium on Inborn Errors of Metabolism in Humans, München 1984
  34. Madsen K., MacLean D.A., Kiens B. et al.
    Effects of glucose, glucose plus branched-chain amino acids, or placebo on bike performance over 100km.
    J Appl Physiol 81: 2644-2650, 1996
  35. Maes M., Verkerk R., Delmeire L., van Gastel A., van Hunsel F., Scharpé S.
    Serotonergic markers and lowered plasma branched-chain-amino acid concentrations in fibromyalgia.
    Psychiatry research 97, 1: 11-20, 2000
  36. May M.E., Buse M.G.
    Effects of branched-chain amino acids on protein turnover.
    Diabetes/Metabolism Rev 5: 227-245, 1989
  37. Mittleman K.D., Ricci M.R., Bailey S.P.
    Branched-chain amino acids prolong exercise during heat stress in men and women.
    Med Sci Sports Exerc 30: 83-91, 1998
  38. Mourier A. et al.
    Combined effect of caloric restriction and branched-chain amino acid supplementation on body compostition and exercise perfomance in elite wrestlers.
    Int J Sports Med 18: 47-55, 1997
  39. Nissen S. et al.
    Effect of Leucine metabolite B-hydroxy-B-methylbutyrate on muscle metabolism during resistance-exercise training.
    J Appl Physiol 81: 2095-2104, 1996
  40. Pisi E., Marchesini G.
    Mechanisms and consequences of the impaired trans-sulphuration pathway in liver disease: Part 2. Clinical consequences and potential for pharmacological intervention in cirrhosis.
    Drugs 40, Suppl 3: 65-72, 1990
  41. Reglin F.
    Bausteine des Lebens - Aminosäuren in der Orthomolekularen Medizin. 51-64, 144-145, 155-157, 192-193.
    Ralf Reglin Verlag Köln, 2003
  42. Reuss F.
    Die verzweigtkettigen Aminosäuren in der Ernährung und Sportmedizin.
    Fitness News 2, 1989
  43. Richardson M.A., Bevans M.L., Weber J.B. et al.
    Branched chain amino acids decrease tardive dyskinesia symptoms.
    Psychopharmacology 143: 358-364, 1999
  44. Schmidt Dr. med. E. , Schmidt N.
    Leitfaden Mikronährstoffe. 321-322.
    Urban & Fischer Verlag; München, Februar 2004
  45. Schena F., Guerrini F., Tregnaghi P. et al.
    Branched-chain amino acid supplementation during trekking at high altitude. The effects on loss of body mass, body composition, and muscle power.
    Eur J Appl Physiol 65: 394-398; 1992
  46. Scholz H.
    Mineralstoffe und Spurenelemente. 136.
    Paracelsus Verlag
  47. 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
  • Seite empfehlen: