LEUCINE: KENMERKEN, STRUCTUUR, FUNCTIES, BIOSYNTHESE - BIOLOGIE - 2025

De leucine is een van de 22 aminozuren die eiwitten in levende organismen vormen. Dit behoort tot een van de 9 essentiële aminozuren die niet door het lichaam worden aangemaakt en die moeten worden geconsumeerd met voedsel dat via de voeding wordt ingenomen.

Leucine werd voor het eerst beschreven in 1818 door de Franse chemicus en apotheker JL Proust, die het "caseous oxide" noemde. Later bereidden Erlenmeyer en Kunlin het uit α-benzoylamido-β-isopropylacrylzuur, waarvan de molecuulformule C6H13NO2 is.

Chemische structuur van het aminozuur Leucine (Bron: Clavecin via Wikimedia Commons)

Leucine was de sleutel tijdens de ontdekking van de translatierichting van eiwitten, aangezien de hydrofobe structuur de biochemicus Howard Dintzis in staat stelde om de waterstof van koolstof 3 radioactief te labelen en de richting te observeren waarin aminozuren worden opgenomen in de peptidesynthese van hemoglobine.

Eiwitten die bekend staan ​​als leucine "ritsen" of "sluitingen" zijn, samen met "zinken vingers", de belangrijkste transcriptiefactoren in eukaryote organismen. Leucine ritsen worden gekenmerkt door hun hydrofobe interacties met DNA.

Over het algemeen worden eiwitten die rijk zijn aan leucine of bestaan ​​uit aminozuren met vertakte ketens niet gemetaboliseerd in de lever, maar gaan ze rechtstreeks naar de spieren waar ze snel worden gebruikt voor eiwitsynthese en energieproductie.

Leucine is een aminozuur met vertakte keten dat nodig is voor de biosynthese van eiwitten en aminozuren in melk, die worden gesynthetiseerd in de melkklieren. Grote hoeveelheden van dit aminozuur zijn in vrije vorm terug te vinden in de moedermelk.

Van alle aminozuren waaruit eiwitten bestaan, zijn leucine en arginine de meest voorkomende en beide zijn aangetroffen in de eiwitten van alle koninkrijken die deel uitmaken van de boom des levens.

kenmerken

Leucine staat bekend als het essentiële aminozuur met vertakte keten, het deelt de typische structuur met de andere aminozuren. Het onderscheidt zich echter door het feit dat de zijketen of R-groep twee lineair gebonden koolstofatomen heeft, en de laatste is gebonden aan een waterstofatoom en aan twee methylgroepen.

Het behoort tot de groep van ongeladen polaire aminozuren, de substituenten of R-groepen van deze aminozuren zijn hydrofoob en niet-polair. Deze aminozuren zijn voornamelijk verantwoordelijk voor hydrofobe interacties tussen eiwitten en eiwitten en hebben de neiging de structuur van eiwitten te stabiliseren.

Alle aminozuren, met een centraal koolstofatoom dat chiraal is (α-koolstof), dat wil zeggen dat er vier verschillende substituenten aan vastzitten, kunnen in de natuur in twee verschillende vormen worden aangetroffen; er zijn dus D- en L-leucine, de laatste typisch in eiwitstructuren.

Beide vormen van elk aminozuur hebben verschillende eigenschappen, nemen deel aan verschillende metabolische routes en kunnen zelfs de kenmerken van de structuren waarvan ze deel uitmaken, wijzigen.

Zo heeft leucine in de vorm van L-leucine een licht bittere smaak, terwijl het in de vorm van D-leucine erg zoet is.

De L-vorm van elk aminozuur is gemakkelijker voor het zoogdierlichaam om te metaboliseren. L-leucine wordt gemakkelijk afgebroken en gebruikt voor de opbouw en bescherming van eiwitten.

Structuur

Leucine bestaat uit 6 koolstofatomen. De centrale koolstof, die in alle aminozuren voorkomt, is gehecht aan een carboxylgroep (COOH), een aminogroep (NH2), een waterstofatoom (H) en een zijketen of R-groep bestaande uit 4 koolstofatomen.

Koolstofatomen in aminozuren kunnen worden geïdentificeerd met Griekse letters. De nummering begint met de koolstof van het carbonzuur (COOH), terwijl de annotatie met het Griekse alfabet begint met de centrale koolstof.

Leucine heeft als substituentgroep in zijn R-keten een isobutyl- of 2-methylpropylgroep die wordt geproduceerd door het verlies van een waterstofatoom, onder vorming van een alkylradicaal; Deze groepen verschijnen als vertakkingen in de aminozuurstructuur.

Kenmerken

Leucine is een aminozuur dat kan dienen als ketogene precursor voor andere verbindingen die betrokken zijn bij de citroenzuurcyclus. Dit aminozuur vertegenwoordigt een belangrijke bron voor de synthese van acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA, die deel uitmaken van de vormingsroutes van ketonlichamen in levercellen.

Het is bekend dat leucine essentieel is in insulinesignaleringsroutes, deelneemt aan het begin van eiwitsynthese en eiwitverlies door afbraak voorkomt.

Typisch zijn de interne structuren van eiwitten samengesteld uit hydrofobe aminozuren zoals leucine, valine, isoleucine en methionine. Dergelijke structuren worden meestal bewaard voor enzymen die veel voorkomen bij levende organismen, zoals in het geval van cytochroom C.

Leucine kan metabolische routes in de cellen van de borstklieren activeren om de synthese van lactose, lipiden en eiwitten te stimuleren die dienen als signaalmoleculen bij de regulering van energiehomeostase van jonge zoogdieren.

Leucinerijke domeinen zijn een essentieel onderdeel van specifieke DNA-bindende eiwitten, die over het algemeen structurele dimeren zijn in supercoiled vorm en bekend staan ​​als "leucine zipper-eiwitten".

Deze eiwitten hebben als onderscheidend kenmerk een regelmatig patroon van herhaalde leucines samen met andere hydrofobe aminozuren die verantwoordelijk zijn voor het reguleren van de binding van transcriptiefactoren aan DNA en tussen verschillende transcriptiefactoren.

Leucine-zipper-eiwitten kunnen homo- of heterodimeren vormen waarmee ze zich kunnen binden aan specifieke regio's van transcriptiefactoren om hun koppeling en hun interactie met de DNA-moleculen die ze reguleren te reguleren.

Biosynthese

Alle vertakte aminozuren, waaronder leucine, worden voornamelijk in planten en bacteriën gesynthetiseerd. Bij bloeiende planten is er een aanzienlijke toename van de productie van leucine, omdat het een belangrijke precursor is voor alle verbindingen die verantwoordelijk zijn voor het aroma van bloemen en fruit.

Een van de factoren waaraan de grote hoeveelheid leucine in de verschillende bacteriële peptiden wordt toegeschreven, is dat 6 verschillende codons van de genetische codecode voor leucine (UUA-UUG-CUU-CUC-CUA-CUG), hetzelfde geldt ook voor arginine.

Leucine wordt in bacteriën gesynthetiseerd via een vijfstapsroute die een ketozuur gebruikt dat verwant is aan valine als uitgangspunt.

Dit proces wordt allosterisch gereguleerd, zodat wanneer er een teveel aan leucine in de cel is, het de enzymen remt die deelnemen aan het pad en de synthese stopt.

Biosynthetische route

Leucine-biosynthese in bacteriën begint met de omzetting van een ketozuurderivaat van valine, 3-methyl-2-oxobutanoaat in (2S) -2-isopropylmalaat, dankzij de werking van het enzym 2-isopropylmaltosynthase, dat gebruikt hiervoor acetyl-Coa en water.

Het (2S) -2-isopropylmalaat verliest een watermolecuul en wordt omgezet in 2-isopropylmaleaat door 3-isopropylmalaat dehydratase. Vervolgens voegt hetzelfde enzym nog een watermolecuul toe en zet het 2-isopropylmaleaat om in (2R-3S) -3-isopropylmalaat.

Deze laatste verbinding wordt onderworpen aan een oxidatiereactie die de deelname van een molecuul NAD + verdient, waarmee het (2S) -2-isopropyl-3-oxosuccinaat wordt geproduceerd, wat mogelijk is met de deelname van het enzym 3- isopropylmalaatdehydrogenase.

Het (2S) -2-isopropyl-3-oxosuccinaat verliest spontaan een koolstofatoom in de vorm van CO2, waardoor 4-methyl-2-oxopentanoaat ontstaat dat door de werking van een vertakt aminozuur transaminase (in het bijzonder leucinetransaminase) en met de gelijktijdige afgifte van L-glutamaat en 2-oxoglutaraat, produceert het L-leucine.

Degradatie

De belangrijkste rol van leucine is om te dienen als een signaal dat de cel vertelt dat er genoeg aminozuren en energie zijn om de synthese van spiereiwitten te starten.

De afbraak van aminozuren met vertakte ketens, zoals leucine, begint met transaminering. Deze en de twee daaropvolgende enzymatische stappen worden gekatalyseerd door dezelfde drie enzymen in het geval van leucine, isoleucine en valine.

De transaminering van de drie aminozuren produceert de α-ketozuurderivaten hiervan, die worden onderworpen aan oxidatieve decarboxylering om acyl-CoA-thioesters te produceren die α, β-gedehydrogeneerd zijn om α, β-onverzadigde acyl-CoA-thioesters te geven.

Tijdens het katabolisme van leucine wordt de overeenkomstige α, β-onverzadigde acyl-CoA-thioester gebruikt om acetoacetaat (acetoazijnzuur) en acetyl-CoA te produceren via een route waarbij de metaboliet 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA betrokken is. (HMG-CoA), een tussenproduct in de biosynthese van cholesterol en andere isoprenoïden.

Katabole route van leucine

Door de vorming van de α, β-onverzadigde acyl-CoA thioester afgeleid van leucine, lopen de katabole routes voor dit aminozuur en voor valine en isoleucine aanzienlijk uiteen.

De α, β-onverzadigde acyl-CoA-thioester van leucine wordt stroomafwaarts verwerkt door drie verschillende enzymen die bekend staan ​​als (1) 3-methylcrotonyl-CoA-carboxylase, (2) 3-methylglutaconyl-CoA-hydratase en (3) 3-hydroxy -3-methylglutaryl-CoA-lyase.

In bacteriën zijn deze enzymen verantwoordelijk voor de omzetting van respectievelijk 3-methylcrotonyl-CoA (afgeleid van leucine) in 3-methylglutaconyl-CoA, 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA en acetoacetaat en acetyl-CoA.

Leucine dat in het bloed aanwezig is, wordt gebruikt voor de synthese van spier- / myofibrillaire eiwitten (MPS). Dit werkt als een activerende factor in dit proces. Het heeft ook een directe interactie met insuline en beïnvloedt de toevoer van insuline.

Leucinerijk voedsel

De consumptie van proteïnen die rijk zijn aan aminozuren is essentieel voor de cellulaire fysiologie van levende organismen en leucine is geen uitzondering onder de essentiële aminozuren.

Eiwitten verkregen uit wei worden beschouwd als de rijkste aan L-leucineresiduen. Alle eiwitrijke voedingsmiddelen zoals vis, kip, eieren en rood vlees leveren echter grote hoeveelheden leucine aan het lichaam.

Maïskorrels hebben een tekort aan de aminozuren lysine en tryptofaan, hebben zeer rigide tertiaire structuren voor de spijsvertering en hebben vanuit voedingsoogpunt weinig waarde, maar ze hebben een hoog gehalte aan leucine en isoleucine.

De vruchten van vlinderbloemigen zijn rijk aan bijna alle essentiële aminozuren: lysine, threonine, isoleucine, leucine, fenylalanine en valine, maar ze bevatten weinig methionine en cysteïne.

Leucine wordt geëxtraheerd, gezuiverd en geconcentreerd in tabletten als voedingssupplementen voor topsporters en wordt op de markt gebracht als medicijn. De belangrijkste bron voor de isolatie van dit aminozuur is ontvet sojameel.

Er is een voedingssupplement dat door atleten wordt gebruikt voor spierregeneratie, bekend als BCAA (Branched Chain Amino Acids). Dit levert hoge concentraties vertakte aminozuren op: leucine, valine en isoleucine.

Voordelen van de inname

Voedingsmiddelen die rijk zijn aan leucine, helpen bij het beheersen van obesitas en andere stofwisselingsziekten. Veel voedingsdeskundigen wijzen erop dat voedingsmiddelen die rijk zijn aan leucine en voedingssupplementen op basis van dit aminozuur bijdragen aan de regulering van eetlust en angst bij volwassenen.

Alle eiwitten die rijk zijn aan leucine stimuleren de spiereiwitsynthese; Het is aangetoond dat een toename van het aandeel ingenomen leucine ten opzichte van de andere essentiële aminozuren de verzwakking van de eiwitsynthese in het spierstelsel van oudere patiënten kan omkeren.

Zelfs mensen met ernstige macula-aandoeningen die verlamd zijn, kunnen het verlies van spiermassa en kracht stoppen met de juiste orale suppletie van leucine, naast het toepassen van systemische spierweerstandsoefeningen.

Leucine, valine en isoleucine zijn essentiële componenten van de massa die de skeletspieren van gewervelde dieren vormt, dus hun aanwezigheid is essentieel voor de synthese van nieuwe eiwitten of voor het herstel van bestaande eiwitten.

Deficiëntiestoornissen

Tekorten of misvormingen van het α-ketozuur dehydrogenase-enzymcomplex, dat verantwoordelijk is voor het metaboliseren van leucine, valine en isoleucine bij mensen, kunnen ernstige psychische stoornissen veroorzaken.

Bovendien is er een pathologische aandoening die verband houdt met het metabolisme van deze aminozuren met vertakte ketens, die "Maple Syrup Urine Disease" wordt genoemd.

Tot op heden is het bestaan ​​van nadelige effecten bij overmatige consumptie van leucine niet aangetoond. Een maximale dosis van 550 mg / kg per dag wordt echter aanbevolen, aangezien er geen langetermijnonderzoeken zijn gedaan naar overmatige blootstelling van weefsels aan dit aminozuur.

Referenties

1. Álava, MDC, Camacho, ME en Delgadillo, J. (2012). Spiergezondheid en sarcopeniepreventie: het effect van proteïne, leucine en ß-hydroxy-ß-methylbutyraat. Journal of Bone and Mineral Metabolism, 10 (2), 98-102.
2. Fennema, OR (1993). Levensmiddelenchemie (nr. 664: 543). Acribia.
3. Massey, LK, Sokatch, JR, en Conrad, RS (1976). Vertakte aminozuurkatabolisme in bacteriën. Bacteriologische beoordelingen, 40 (1), 42.
4. Mathews, CK, en Ahern, KG (2002). Biochemie. Pearson Education.
5. Mero, A. (1999). Leucinesuppletie en intensieve training. Sportgeneeskunde, 27 (6), 347-358.
6. Munro, HN (Ed.). (2012). Eiwitmetabolisme van zoogdieren (Vol. 4). Elsevier
7. Nelson, DL, Lehninger, AL en Cox, MM (2008). Lehninger principes van biochemie. Macmillan.