Metabolizam aminokiselina

Aminokiseline su „gradivni blokovi“ proteina. Proteini, prema grčkoj riječi „od primarnog značaja“, tvore čitav niz tjelesnih struktura. Primjeri ovih struktura uključuju hormone, enzime i mišićno tkivo.

Primarna funkcija proteina je rast i obnavljanje tjelesnih tkiva (anabolizam). Proteini se također mogu koristiti i kao energija putem kataboličkih (raspadanje tkiva) reakcija poput  glukoneogeneze, procesa koji stvara glukozu iz aminokiselina, laktata, glicerola ili piruvata u jetri ili bubrezima.

Naše trenutno ispitivanje proteina i aminokiselina pokrit će metabolizam proteina koje unosimo prehranom, ali i kataboličke situacije u tijelu. Da bi prije svega mogli razumjeti njihov metabolizam i tjelesni put, neophodno je upoznati njihovu molekularnu strukturu. Zato krenimo.

Struktura proteina i aminokiselina

Proteini su sastavljeni od ugljika, vodika, kisika i najvažnije – od dušika. Proteini također mogu sadržavati i sumpor, kobalt, željezo i fosfor. Ovi elementi tvore „gradivne blokove“ proteina koje nazivamo aminokiselinama. Proteinsku molekulu tvore dugi lanci aminokiselina koje su vezane jedna za drugu aminovezama  ili peptidima.

Hrana (proteini) koju jedemo sadrži različite aminokiseline ovisno o vrstama prisutnih aminokiselina. Kombinacije aminokiselina i njihovih veza praktički su bezbrojne, ali upravo ta kombinacija otkriva pravu vrijednost proteina.

Baš kao što kombinacija aminokiselina definira proteinsku vrijednost, tako i struktura individualnih aminokiselina određuje njihovu funkciju u tijelu. Aminokiselina je sastavljena od centralnog atoma ugljika, pozitivno nabijene amino grupe (NH2) na jednom kraju i negativno nabijene karboksilne grupe na drugom (COOH). Postoji još jedna grupa, takozvana R grupa ili bočni lanac, koja određuje funkciju pojedine aminokiseline. Bočni lanac varira među različitim aminokiselinama.

Našem je tijelu potrebno 20 različitih aminokiselina. Ove aminokiseline mogu se podijeliti na još mnogo skupina ovisno o njihovim fizičkim karakteristikama. Za svrhu našeg članka, podijelit ćemo ih u dvije osnovne skupine:

• Esencijalne aminokiseline (EA)
• Neesencijalne aminokiseline (NEA)

EA moramo unijeti prehranom zato što ih tijelo ne može sintetizirati u dovoljnoj mjeri koja mu je potrebna. NEA nisu neesencijalne ili nebitne kako bi možda netko pomislio, nego su to aminokiseline koje tijelo može samo sintetizirati iz drugih proteina ili neproteinskih nutrijenata, tako da nikako nisu manje važne od EA.

Hranu, odnosno proteine koji sadrže sve potrebne esencijalne aminokiseline, smatramo kompletnim proteinima. Hranu koja ne sadrži sve EA držimo kao nepotpunu, nekompletnu. Kombinacija dvaju ili više nepotpunih proteina može dati i potpuni protein, naravno, samo onda kada se poklopi da im ne nedostaje ni jedna EA.

Unos i probava

Proteini iz hrane najprije moraju biti razloženi na fragmente peptida. Ovo se razlaganje obavlja u želucu, enzimom pepsinom i u tankom crijevu, enzimima kimotripsinom i tripsinom (pankreatski enzimi).

Ovi se fragmenti peptida sada moraju razložiti na slobodne aminokiseline (nisu povezane s drugim aminokiselinama). Ovaj proces obavljaju aminopeptidi, smješteni u epitelnim stanicama tankog crijeva i karboksipeptidi iz pankreasa, odnosno gušterače.

Protein -> Peptidni fragmenti -> Slobodne aminokiseline

Tako novonastale slobodne aminokiseline ulaze u epitelne stanice preko sekundarno aktivnog transporta u paru s natrijem. Kratki lanci aminokiselina, di- ili tripeptidi, apsorbiraju se preko sekundarno aktivnog transporta u paru s gradijentom iona vodika (H+).

Ovo su različiti transporteri za specifične aminokiseline. Jednom kada se nađu u epitelnim stanicama, ovi se mali peptidi hidroliziraju (razlažu) na aminokiseline. Oba tipa apsorpcije zahtjevaju ATP. Nakon toga olakšanom difuzijom ulaze u krvotok, a iz krvotoka preko stanične membrane u stanicu. Ove aminokiseline u krvi i izvan stanične tekućine čine veliku grupu koju zovemo bazenom aminokiselina. Ovaj bazen također sadrži aminokiseline katabolizirane iz drugih tkiva i onih proizvedenih u jetri. Aminokiseline konstantno ulaze i izlaze iz ovoga bazena.

Apsorbirane aminokiseline ulaze na jedno od dva mjesta – jetru ili stanicu. One koje ulaze u jetru bit će upotrebljene za sintezu proteina ili pretvaranje u ketokiseline, posrednike nalik ugljikohidratima (procesom deaminacije).

Što je ATP?

Nukleotid, C10H16N5O13P3, koji sadrži visoko energetske fosfatne veze kojima se energija prenosi do stanica za obavljanja biomehaničkih procesa, uključujući mišićnu kontrakciju i enzimatski metabolizam.

Adenozin-trifosfat zovemo “univerzalni energetski novac”. ATP služi za pohranu i transport energije unutar stanice. Koristi se npr. za aktivni prijenos kroz staničnu membranu, za sintezu spojeva u stanici, mehanički rad i sl.
Energija ATPa oslobađa se razgradnjom ATP u ADP (adenozin-difosfat) tako što se zadnja fosfatna molekula oslobodi i time oslobodi energiju pohranjenu u energetski bogatoj fosfatnoj vezi, koja na jedan mol ATPa
pohranjuje oko 50kJ(12kcal).

Deaminacija

Budući da tijelo ne može primiti iskoristivu energiju iz dušika u aminokiselinama, dušik mora biti uklonjen prije ugljikova kostura. Tu se mogu iskoristiti ketokiseline. Deaminacija uključuje uklanjanje amino grupe iz aminokiselina. Dušik iz ovih amino grupa je prijenosnik glutamatu, koji se sada može otpustiti kao amonijak u reakciji dehidrogeneze glutamata.

Ovaj se uklonjeni dušik koristi za tvorbu uree u jetri, koja se šalje bubrezima na ekstrakciju.

Krebsov ciklus

Preostale -ketoaminokiseline mogu osigurati energiju jetri tako da se kataboliziraju u Krebsovom ciklusu, gdje se koriste za stvaranje glukoze putem glukoneogeneze, ili za sintezu masti pružajući acetil-CoA (substrat za sintezu masnih kiselina). Oni se također mogu pretvoriti u novu aminokiselinu transaminazom.

Što je Krebsov ciklus?

Kod svih biljaka i životinja, u stanicama mitohondrija se odvija serija enzimatskih reakcija, kojima se proizvode visoko energetske fosfatne komponente  koje su izvor stanične energije.

Transaminaza

Transaminaza podrazumjeva prijenos amino grupe drugim – ketokiselinama. Većina reakcija transaminaze uključuje prijenos jedne amino grupe ka-ketoglutaratu, formirajući na taj način novu ketokiselinu i glutamat.

Važna reakcija transaminaze uključuje razgranati lanac aminokiselina (BCAA), koje se primarno nalaze u mišićima. U ovoj reakciji, amino grupa iz BCAA uklanja se i prenosi-ketoglutaratu, koji tvori razgranati lanac keto kiselina (BCKA) i glutaminsku kiselinu (glutamat).

Amino grupa na glutaminskoj kiselini tada se prenosi piruvatu, koji stvara –ketoglutarat i alanin. Alanin se šalje iz mišića u jetru, gdje se amino grupa uklanja i transferira oksaloacetatu, gdje ponovno nastaje -ketoglutarat i piruvat.

Ovaj piruvat, koji se sada nalazi u jetri, može se iskoristiti za stvaranje glukoze. Ovo se naziva ciklus glukoza-alanin. Za vrijeme vježbanja ovaj se proces ubrzava. Da bismo udovoljili zahtjevima vježbanja, mišićni protein mora se razložiti kako bi dostavio potrebne BCAA za ciklus glukoza-alanin. Ovo je primjer prometa proteina.

Proteinski promet i dušična ravnoteža

Aminokiseline koje uđu u stanice koriste se za sintezu proteina. Sve stanice zahtijevaju konstantnu opskrbu proteinima jer proteini neprestano kruže, odnosno prometuju. Proteinski promet je sastavljen od dva dijela: proteinska sinteza i proteinski raspad.

Proteinski promet ->Proteinska sinteza (anabolizam) – Proteinski raspad (katabolizam)

Najveća količina tjelesnih proteina nalazi se u obliku mišića. Kada se ne zadovolje proteinske potrebe, mišići se počinju razlagati na aminokiseline koje se tada šalju u bazen aminokiselina iz kojeg se iskorištavaju prema potrebama. Ukoliko se razloži više proteina nego ih je sintetizirano, tijelo gubi proteine.

U obrnutom slučaju, kada ih je više sintetizirano nego uništeno, tijelo ne gubi proteine, nego ih koristi u određene svrhe. Bez dovoljnog unosa proteina (slaba ishrana), ako čovjek ne zadovolji potrebe proteinskog prometa, može vrlo lako i umrijeti. Međutim, raspad tkiva u ljudskom organizmu neizbježan je i zato su tijelu potrebne nove aminokiseline. Proteini iz hrane naš su primarni izvor aminokiselina. Zbog svoje iznimne važnosti kao jedan od tri glavna makronutrijenta (ugljikohidrati, masti i proteini), proteini su jedini koji imaju preporučeni dnevni unos (RDA). Trenutni RDA za odrasle je 0.83 grama proteina po kilogramu tjelesne težine.

Usprkos raspravi oko RDA i točno određenoj količini koju bi netko trebao unijeti, trebalo bi biti očito da svatko tko vježba povećava količinu proteina koju razlaže tako da mora povećati i sam unos proteina kako bi kompenzirao cijelu stvar.

Sjetite se, proteinski promet = proteinska sinteza – proteinski raspad. Ako bilo tko želi dobiti na mišićnoj masi, tada proteinski promet mora biti pozitivan, odnosno mora biti u pozitivnoj dušičnoj ravnoteži. Termin dušične ravnoteže koristi se kao mjera dušikova (proteinskog) unosa i ekstrakcije. Slovo N se koristi kao oznaka za dušik.

Dušična ravnoteža = Nt (ukupni unos) – Nu (u urinu) – Nf (U izmetu) – Ns (u znoju)

Kada je ova jednadžba jednaka nuli kaže se da je netko u dušičnoj ravnoteži. Kada je jednadžba veća od nule, tijelo je u pozitivnoj dušičnoj ravnoteži tako da se koriste dodatni proteini za sintezu novih tkiva. Kada jednadžba biva manja od nule tijelo je u negativnoj dušičnoj ravnoteži i mora iskoristiti proteine za energiju. To može dovesti do korištenja aminokiselina iz skeletnih mišića.

Tijelo ne može pohraniti proteine kao masti (adipozno tkivo) ili glukozu (glikogen), koji su vrlo lako dostupni. Bilo koji probavljeni protein iznad razine koja je potrebna za održavanje proteinskog prometa, pretvara se u glukozu ili masne kiseline.

Nadalje, tijelo mora razgraditi funkcionalno tkivo (skeletne mišiće) kada energetske potrebe to zahtijevaju, odnosno u negativnoj dušičnoj ravnoteži. U većini slučajeva, ovo ne predstavlja neku veliku prijetnju jer je proteinski sadržaj u tijelu odraslog čovjeka relativno konstantan tako da se praktički oksidira jednaka količina aminokiselina koja se dobije iz prehrambenih izvora.

Međutim, sadržaj proteina kod sportaša nije konstantan jer trening uzrokuje razlaganje proteina.

Zbog napornih treninga koje sportaši vrlo često moraju proći, mnogi liječnici i znanstvenici preporučuju dnevni unos proteina od 1.2 do 1.8 grama po kilogramu tjelesne težine.

Još uvijek nije razjašnjeno je li količina optimalna ili ne tako da ovo pitanje i dalje ostaje otvoreno za raspravu. Nečiji proteinski unos trebalo bi odrediti nakon temeljite analize mnogih čimbenika koji uključuju: način treninga, njegov intenzitet, trajanje i učestalost, ukupni kalorijski unos, ciljeve i tjelesnu kompoziciju.

Kratki pregled i zaključak

• Aminokiseline = C + NH2 + COOH + R grupa
• Probava – Protein >> Peptidni fragmenti  >> Slobodne aminokiseline
• Aminokiseline se mogu upotrijebiti za: proteinsku sintezu, proizvodnju energije, glukoneogenezu, transaminaciju, formiranje masti, ili proizvodnju uree.
• Proteinski promet = proteinska sinteza (anabolizam) – proteinski raspad (katabolizam)
• Dušična ravnoteža = Nt (ukupni unos) – Nu (u urinu) – Nf (U izmetu) – Ns (u znoju)