LEUCIN: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN, BIOSYNTHESE - BIOLOGIE - 2025

Das Leucin ist eine der 22 Aminosäuren, die Proteine ​​in lebenden Organismen bilden. Dies gehört zu einer der 9 essentiellen Aminosäuren, die nicht vom Körper synthetisiert werden und mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, die über die Nahrung aufgenommen wird.

Leucin wurde erstmals 1818 vom französischen Chemiker und Apotheker JL Proust beschrieben, der es "Falloxid" nannte. Später stellten Erlenmeyer und Kunlin es aus α-Benzoylamido-β-isopropylacrylsäure her, deren Summenformel C6H13NO2 lautet.

Chemische Struktur der Aminosäure Leucin (Quelle: Clavecin über Wikimedia Commons)

Leucin war der Schlüssel bei der Entdeckung der Translationsrichtung von Proteinen, da seine hydrophobe Struktur es dem Biochemiker Howard Dintzis ermöglichte, den Wasserstoff von Kohlenstoff 3 radioaktiv zu markieren und die Richtung zu beobachten, in der Aminosäuren in die Peptidsynthese von Proteinen eingebaut werden Hämoglobin.

Proteine, die als Leucin- "Reißverschlüsse" oder "Verschlüsse" bekannt sind, sind neben "Zinkfingern" die wichtigsten Transkriptionsfaktoren in eukaryotischen Organismen. Leucin-Reißverschlüsse zeichnen sich durch ihre hydrophoben Wechselwirkungen mit DNA aus.

Im Allgemeinen werden Proteine, die reich an Leucin sind oder aus verzweigtkettigen Aminosäuren bestehen, nicht in der Leber metabolisiert, sondern gehen direkt zu den Muskeln, wo sie schnell für die Proteinsynthese und Energieerzeugung verwendet werden.

Leucin ist eine verzweigtkettige Aminosäure, die für die Biosynthese von Proteinen und Aminosäuren in Milch erforderlich ist, die in den Brustdrüsen synthetisiert werden. Große Mengen dieser Aminosäure sind in freier Form in der Muttermilch enthalten.

Unter allen Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen, sind Leucin und Arginin am häufigsten und beide wurden in den Proteinen aller Königreiche nachgewiesen, aus denen der Baum des Lebens besteht.

Eigenschaften

Leucin ist als essentielle verzweigtkettige Aminosäure bekannt und teilt die typische Struktur mit den anderen Aminosäuren. Es zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass seine Seitenkette oder R-Gruppe zwei linear gebundene Kohlenstoffe aufweist und die letzte an ein Wasserstoffatom und zwei Methylgruppen gebunden ist.

Es gehört zur Gruppe der ungeladenen polaren Aminosäuren, die Substituenten oder R-Gruppen dieser Aminosäuren sind hydrophob und unpolar. Diese Aminosäuren sind hauptsächlich für hydrophobe Wechselwirkungen innerhalb und zwischen Proteinen verantwortlich und neigen dazu, die Struktur von Proteinen zu stabilisieren.

Alle Aminosäuren mit einem zentralen Kohlenstoff, der chiral (α-Kohlenstoff) ist, dh vier verschiedene gebundene Substituenten aufweist, können in der Natur in zwei verschiedenen Formen gefunden werden; Somit gibt es D- und L-Leucin, wobei letzteres für Proteinstrukturen typisch ist.

Beide Formen jeder Aminosäure haben unterschiedliche Eigenschaften, sind an unterschiedlichen Stoffwechselwegen beteiligt und können sogar die Eigenschaften der Strukturen verändern, zu denen sie gehören.

Zum Beispiel hat Leucin in L-Leucin-Form einen leicht bitteren Geschmack, während es in seiner D-Leucin-Form sehr süß ist.

Die L-Form einer Aminosäure ist für den Säugetierkörper leichter zu metabolisieren. L-Leucin wird leicht abgebaut und zum Aufbau und Schutz von Proteinen verwendet.

Struktur

Leucin besteht aus 6 Kohlenstoffatomen. Der allen Aminosäuren gemeinsame zentrale Kohlenstoff ist an eine Carboxylgruppe (COOH), eine Aminogruppe (NH2), ein Wasserstoffatom (H) und eine Seitenkette oder R-Gruppe aus 4 Kohlenstoffatomen gebunden.

Kohlenstoffatome innerhalb von Aminosäuren können mit griechischen Buchstaben identifiziert werden. Die Nummerierung beginnt mit dem Kohlenstoff der Carbonsäure (COOH), während die Annotation mit dem griechischen Alphabet mit dem zentralen Kohlenstoff beginnt.

Leucin hat als Substituentengruppe in seiner R-Kette eine Isobutyl- oder 2-Methylpropylgruppe, die durch den Verlust eines Wasserstoffatoms unter Bildung eines Alkylradikals entsteht; Diese Gruppen erscheinen als Verzweigungen in der Aminosäurestruktur.

Eigenschaften

Leucin ist eine Aminosäure, die als ketogene Vorstufe für andere am Zitronensäurezyklus beteiligte Verbindungen dienen kann. Diese Aminosäure stellt eine wichtige Quelle für die Synthese von Acetyl-CoA oder Acetoacetyl-CoA dar, die Teil der Bildungswege von Ketonkörpern in Leberzellen sind.

Es ist bekannt, dass Leucin für Insulinsignalwege essentiell ist, an der Initiierung der Proteinsynthese beteiligt ist und den Proteinverlust durch Abbau verhindert.

Typischerweise bestehen die inneren Strukturen von Proteinen aus hydrophoben Aminosäuren wie Leucin, Valin, Isoleucin und Methionin. Solche Strukturen werden normalerweise für Enzyme konserviert, die unter lebenden Organismen üblich sind, wie im Fall von Cytochrom C.

Leucin kann Stoffwechselwege in den Zellen der Brustdrüsen aktivieren, um die Synthese von Laktose, Lipiden und Proteinen zu stimulieren, die als Signalmoleküle bei der Regulation der Energiehomöostase von Jungtieren bei Säugetieren dienen.

Leucinreiche Domänen sind ein wesentlicher Bestandteil spezifischer DNA-bindender Proteine, die im Allgemeinen strukturelle Dimere in supergewickelter Form sind und als "Leucin-Zipper-Proteine" bekannt sind.

Diese Proteine ​​weisen als charakteristisches Merkmal ein regelmäßiges Muster wiederholter Leucine zusammen mit anderen hydrophoben Aminosäuren auf, die für die Regulierung der Bindung von Transkriptionsfaktoren an DNA und zwischen verschiedenen Transkriptionsfaktoren verantwortlich sind.

Leucin-Zipper-Proteine ​​können Homo- oder Heterodimere bilden, die es ihnen ermöglichen, an bestimmte Regionen von Transkriptionsfaktoren zu binden, um ihre Paarung und ihre Wechselwirkung mit den von ihnen regulierten DNA-Molekülen zu regulieren.

Biosynthese

Alle verzweigtkettigen Aminosäuren, einschließlich Leucin, werden hauptsächlich in Pflanzen und Bakterien synthetisiert. In Blütenpflanzen steigt die Produktion von Leucin signifikant an, da es ein wichtiger Vorläufer für alle Verbindungen ist, die für das Aroma von Blumen und Früchten verantwortlich sind.

Einer der Faktoren, denen die große Häufigkeit von Leucin in den verschiedenen Bakterienpeptiden zugeschrieben wird, ist, dass 6 verschiedene Codons des genetischen Codecodes für Leucin (UUA-UUG-CUU-CUC-CUA-CUG) ebenfalls zutreffen für Arginin.

Leucin wird in Bakterien in fünf Schritten synthetisiert, wobei eine mit Valin verwandte Ketosäure als Ausgangspunkt verwendet wird.

Dieser Prozess wird allosterisch reguliert, so dass bei einem Überschuss an Leucin in der Zelle die am Stoffwechselweg beteiligten Enzyme gehemmt werden und die Synthese gestoppt wird.

Biosyntheseweg

Die Leucin-Biosynthese in Bakterien beginnt mit der Umwandlung eines Ketosäurederivats von Valin, 3-Methyl-2-oxobutanoat in (2S) -2-Isopropylmalat, dank der Wirkung des Enzyms 2-Isopropylmalto-Synthase, die verwendet zu diesem Zweck Acetyl-Coa und Wasser.

Das (2S) -2-Isopropylmalat verliert ein Wassermolekül und wird durch 3-Isopropylmalatdehydratase in 2-Isopropylmaleat umgewandelt. Anschließend fügt dasselbe Enzym ein weiteres Wassermolekül hinzu und wandelt das 2-Isopropylmaleat in (2R-3S) -3-Isopropylmalat um.

Diese letzte Verbindung wird einer Oxidoreduktionsreaktion unterzogen, die die Beteiligung eines Moleküls von NAD + verdient, mit dem das (2S) -2-Isopropyl-3-oxosuccinat hergestellt wird, was unter Beteiligung des Enzyms 3- möglich ist. Isopropylmalatdehydrogenase.

Das (2S) -2-Isopropyl-3-oxosuccinat verliert spontan ein Kohlenstoffatom in Form von CO2 und erzeugt 4-Methyl-2-oxopentanoat, das durch die Wirkung einer verzweigtkettigen Aminosäuretransaminase (speziell Leucin-Transaminase) und bei gleichzeitiger Freisetzung von L-Glutamat und 2-Oxoglutarat produziert es L-Leucin.

Degradierung

Die Hauptaufgabe von Leucin besteht darin, als Signal zu fungieren, das der Zelle mitteilt, dass genügend Aminosäuren und Energie vorhanden sind, um mit der Synthese von Muskelproteinen zu beginnen.

Der Abbau von verzweigtkettigen Aminosäuren wie Leucin beginnt mit der Transaminierung. Dieser und die beiden nachfolgenden enzymatischen Schritte werden im Fall von Leucin, Isoleucin und Valin durch dieselben drei Enzyme katalysiert.

Die Transaminierung der drei Aminosäuren erzeugt die α-Ketosäurederivate davon, die einer oxidativen Decarboxylierung unterzogen werden, um Acyl-CoA-Thioester herzustellen, die α, β-dehydriert sind, um α, β-ungesättigte Acyl-CoA-Thioester zu ergeben.

Während des Katabolismus von Leucin wird der entsprechende α, β-ungesättigte Acyl-CoA-Thioester verwendet, um Acetoacetat (Acetoessigsäure) und Acetyl-CoA über einen Weg herzustellen, an dem der Metabolit 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA beteiligt ist. (HMG-CoA), ein Zwischenprodukt bei der Biosynthese von Cholesterin und anderen Isoprenoiden.

Katabolischer Weg von Leucin

Durch die Bildung des von Leucin abgeleiteten α, β-ungesättigten Acyl-CoA-Thioesters weichen die katabolen Wege für diese Aminosäure sowie für Valin und Isoleucin erheblich voneinander ab.

Der α, β-ungesättigte Acyl-CoA-Thioester von Leucin wird stromabwärts von drei verschiedenen Enzymen verarbeitet, die als (1) 3-Methylcrotonyl-CoA-Carboxylase, (2) 3-Methylglutaconyl-CoA-Hydratase und (3) 3-Hydroxy bekannt sind -3-Methylglutaryl-CoA-Lyase.

In Bakterien sind diese Enzyme für die Umwandlung von 3-Methylcrotonyl-CoA (abgeleitet von Leucin) in 3-Methylglutaconyl-CoA, 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA und Acetoacetat bzw. Acetyl-CoA verantwortlich.

Leucin, das im Blut verfügbar ist, wird zur Synthese von Muskel- / Myofibrillenproteinen (MPS) verwendet. Dies wirkt als aktivierender Faktor in diesem Prozess. Außerdem interagiert es direkt mit Insulin und beeinflusst die Insulinversorgung.

Leucinreiche Lebensmittel

Der Verbrauch von Proteinen, die reich an Aminosäuren sind, ist für die Zellphysiologie lebender Organismen wesentlich, und Leucin ist keine Ausnahme unter den essentiellen Aminosäuren.

Aus Molke gewonnene Proteine ​​gelten als die reichsten an L-Leucinresten. Alle proteinreichen Lebensmittel wie Fisch, Huhn, Eier und rotes Fleisch versorgen den Körper jedoch mit großen Mengen Leucin.

Maiskörner haben einen Mangel an den Aminosäuren Lysin und Tryptophan, haben sehr starre Tertiärstrukturen für die Verdauung und sind aus ernährungsphysiologischer Sicht wenig wertvoll, weisen jedoch einen hohen Gehalt an Leucin und Isoleucin auf.

Die Früchte von Hülsenfrüchten sind reich an fast allen essentiellen Aminosäuren: Lysin, Threonin, Isoleucin, Leucin, Phenylalanin und Valin, aber sie enthalten wenig Methionin und Cystein.

Leucin wird als Nahrungsergänzungsmittel für Spitzensportler in Tabletten extrahiert, gereinigt und konzentriert und als Medikament vermarktet. Die Hauptquelle für die Isolierung dieser Aminosäure entspricht entfettetem Sojamehl.

Es gibt ein Nahrungsergänzungsmittel, das von Sportlern zur Muskelregeneration verwendet wird und als BCAA (Branched Chain Amino Acids) bekannt ist. Dies liefert hohe Konzentrationen an verzweigtkettigen Aminosäuren: Leucin, Valin und Isoleucin.

Vorteile seiner Aufnahme

Leucinreiche Lebensmittel helfen bei der Kontrolle von Fettleibigkeit und anderen Stoffwechselerkrankungen. Viele Ernährungswissenschaftler weisen darauf hin, dass Lebensmittel, die reich an Leucin und Nahrungsergänzungsmitteln auf Basis dieser Aminosäure sind, zur Regulierung von Appetit und Angst bei Erwachsenen beitragen.

Alle an Leucin reichen Proteine ​​stimulieren die Muskelproteinsynthese; Es wurde gezeigt, dass eine Erhöhung des Anteils an aufgenommenem Leucin im Vergleich zu den anderen essentiellen Aminosäuren die Abschwächung der Proteinsynthese in der Muskulatur älterer Patienten umkehren kann.

Sogar Menschen mit schweren Makulastörungen, die gelähmt sind, können den Verlust von Muskelmasse und Kraft mit der richtigen oralen Ergänzung von Leucin stoppen, zusätzlich zur Anwendung systemischer Muskelwiderstandsübungen.

Leucin, Valin und Isoleucin sind wesentliche Bestandteile der Masse, aus der der Skelettmuskel von Wirbeltieren besteht. Daher ist ihre Anwesenheit für die Synthese neuer Proteine ​​oder für die Reparatur bestehender Proteine ​​von entscheidender Bedeutung.

Mangelstörungen

Mängel oder Missbildungen des α-Ketosäuredehydrogenase-Enzymkomplexes, der beim Menschen für die Metabolisierung von Leucin, Valin und Isoleucin verantwortlich ist, können schwere psychische Störungen verursachen.

Darüber hinaus gibt es einen pathologischen Zustand im Zusammenhang mit dem Metabolismus dieser verzweigtkettigen Aminosäuren, der als "Ahornsirup-Urin-Krankheit" bezeichnet wird.

Bisher wurden keine nachteiligen Auswirkungen eines übermäßigen Leucinkonsums nachgewiesen. Es wird jedoch eine maximale Dosis von 550 mg / kg täglich empfohlen, da keine Langzeitstudien zu einer übermäßigen Exposition von Geweben gegenüber dieser Aminosäure durchgeführt wurden.

Verweise

1. Álava, MDC, Camacho, ME & Delgadillo, J. (2012). Muskelgesundheit und Sarkopenieprävention: die Wirkung von Protein, Leucin und ß-Hydroxy-ß-methylbutyrat. Journal of Bone and Mineral Metabolism, 10 (2), 98 & ndash; 102.
2. Fennema, OR (1993). Food Chemistry (Nr. 664: 543). Acribia.
3. Massey, LK, Sokatch, JR & Conrad, RS (1976). Verzweigtkettiger Aminosäurekatabolismus in Bakterien. Bakteriologische Übersichten, 40 (1), 42.
4. Mathews, CK & Ahern, KG (2002). Biochemie. Pearson Ausbildung.
5. Mero, A. (1999). Leucin-Supplementation und intensives Training. Sports Medicine, 27 (6), 347 & ndash; 358.
6. Munro, HN (Hrsg.). (2012). Proteinproteinstoffwechsel bei Säugetieren (Band 4). Elsevier
7. Nelson, DL, Lehninger, AL & Cox, MM (2008). Lehninger Prinzipien der Biochemie. Macmillan.