Isoleucin – Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Isoleucin 

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 – engl.: 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].

Des Weiteren wurden die folgenden Fachbücher für die Verfassung dieses Artikels herangezogen [30, 31].

Literatur

1. Arndt K, Albers T: Handbuch Protein und Aminosäuren. 13-60, 140-161, 176-183. 2. Auflage. Novagenics Verlag 2004
2. Bender DA: Introduction to Nutrition and Metabolism. 2002. Taylor and Francis Ltd., London, Neuauflage September 2007
3. Berry HK, Brunner RL, Hunt MM et al.: Valine, isoleucine, and leucine. A new treatment for phenylketonuria. Am J Dis Child. 1990 May;144(5):539-43.
4. 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. 1997 Jan;159(1):41-9.
5. 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 Occup Physiol. 1991;63(2):83-8.
6. Bowman BA, Russel RM (eds.): Present Knowledge in Nutrition. 9th ed. ca. 09/2006. International Life Sciences Institute, Washington, D.C., 1578811988
7. Davis JM, Welsh RS, De Volve KL, Alderson NA: Effects of branched-chain amino acids and carbohydrate on fatigue during intermittend, high-intensity running. Int J Sports Med. 1999 Jul;20(5):309-14.
8. 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. 1996;104(2):157-62.
9. Groff JL, Gropper SS, Hunt SM: Advanced nutrition and human metabolism, 2nd ed. West Publishing, 1995
10. Hahn A, Ströhle A, Wolters M. Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. 4. Auflage, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 2023
11. Harper AE et al.: Branched-chain amino acid metabolism. Ann Rev Nutr Vol. 4: 409-454 (Volume publication date July 1984).doi: 10.1146/annurev.nu.04.070184.002205
12. Hassmén P, Blomstrand E, Ekblom B, Newsholme EA: Branched-chain amino acid supplementation during 30-km competitive run: mood and cognitive performance. Nutrition. 1994 Sep-Oct;10(5):405-10.
13. Hatfield FC: Ultimate Sports Nutrition. 68. Contemporary Books, Chicago 1984
14. Johnston CS, Day CS, Swan PD: Thermic effect of high-protein diets. FASEBJ 15(4): a755.6., 2000
15. Kato M, Miwa Y, Tajika M et al.: Preferential use of branched-chain amino acids as an energy substrate in patients with liver cirrhosis. Intern Med. 1998 May;37(5):429-34.
16. Kettelhut IC et al.: Endocrine regulation of protein breakdown in skeletal muscle. Diabetes/Metabolism Rev 4: 751-772, 1988. doi: 10.1002/dmr.5610040805
17. Königshoff M, Brandenburger T: Kurzlehrbuch Biochemie. 83-85. Georg Thieme Verlag 2004
18. Lemon PW et al.: Protein requirements and muscle mass/strength changes during intensive training in novice bodybuilders. J Appl Physiol (1985). 1992 Aug;73(2):767-75.
19. Lemon PW: Is increased dietary protein necessary or beneficial for individuals with a physically active lifestyle. Nutr Rev. 1996 Apr;54(4 Pt 2):S169-75.
20. Lemon PW, Mullin JP: Effect of initial muscle glycogen level on protein catabolism during exercise. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 1980 Apr;48(4):624-9.
21. Madsen K, MacLean DA, Kiens B et al.: Effects of glucose, glucose plus branched-chain amino acids, or placebo on bike performance over 100km. J Appl Physiol (1985). 1996 Dec;81(6):2644-50.
22. May ME, Buse MG: Effects of branched-chain amino acids on protein turnover. Diabetes Metab Rev. 1989 May;5(3):227-45.
23. Mittleman KD, Ricci MR, Bailey SP: Branched-chain amino acids prolong exercise during heat stress in men and women. Med Sci Sports Exerc. 1998 Jan;30(1):83-91.
24. 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. 1997 Jan;18(1):47-55.
25. Reuss F: Die verzweigtkettigen Aminosäuren in der Ernährung und Sportmedizin. Fitness News 2, 1989
26. Richardson MA, Bevans ML, Weber JB et al.: Branched chain amino acids decrease tardive dyskinesia symptoms. Psychopharmacology (Berl). 1999 Apr;143(4):358-64.
27. Schmidt E, Schmidt N: Leitfaden Mikronährstoffe. 321-322. Urban & Fischer Verlag; München, Februar 2004
28. 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 Occup Physiol. 1992;65(5):394-8.
29. Shils ME, Olson JA, Shike M, Rossi AC (Eds.): Modern Nutrition in Health and Disease. 10th ed. 2005, Williams and Wilkins, London, Munich
30. Biesalski HK, Bischoff SC, Pirlich M, Weimann A (Hrsg.): Ernährungsmedizin. Nach dem Curriculum Ernährungsmedizin der Bundesärztekammer. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2017
31. Matissek R, Hahn A: Lebensmittelchemie. 10. Auflage, Springer Spektrum Verlag, Heidelberg 2023