1 ΔΙΑΤΡΟΦΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΙΙ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ 19 Η - ΑΜΙΝΟΞΕΑ - ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ - ΔΙΑΤΡΟΦΙΚΑ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΑ

2 Λευκώματα Τα αμινοξέα, τα πεπτίδια και οι πρωτεΐνες (συνολικά οι τρεις κατηγορίες ενώσεων αναφέρονται και ως λευκώματα) είναι σημαντικά συστατικά επειδή παρέχουν στους τρεφόμενους οργανισμούς «θεμέλιους λίθους» για τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών. Τα αμινοξέα αποτελούν τις απλούστερες μονάδες από τις οποίες συντίθενται τα λευκώματα.

3 Γενική δομή του αμινοξέος

4

5 Αμινοξέα, Πεπτίδια, Πρωτεΐνες, Ένζυμα Αμινοξέα Πεπτίδια (<50 αμινοξέα) Πρωτεΐνες (>50 αμινοξέα) Διατροφή: Προμηθεύουν αμινοξέα- Πηγή C, N, S Λειτουργικότητα: δομή, αφρώδη συστήματα, πηκτές, σταθεροποίηση γαλακτωμάτων Κατάλυση: ένζυμα Δομή: διαμορφώνουν τις δομές του κρέατος, του τυριού και του ψωμιού Οργανοληπτικά χαρακτηριστικά: Χρώμα και οσμή από αντιδράσεις Maillard και από ελεύθερα πεπτίδια και αμινοξέα Πεπτιδικός δεσμός

6 Πρωτεΐνες τροφίμων Φρούτα και λαχανικά (<6%) Δημητριακά (10-15%) –Γλουτένη (γλοιαδίνη, γλουτενίνη) Όσπρια & ελαιούχοι σπόροι (8-12%) –Προϊόντα Σόγιας (32- 46%) –Άλλοι (17-36%) Γάλα (3-4%) –Καζεΐνη –Πρωτεΐνες ορού (αλβουμίνες, γλοβουλίνες) Αυγά (12%) –Κρόκος (λιποβιτελίνη, βιτελινίνη) –Ασπράδι (ωοαλβουμίνη, κοναλβουμίνη, λυσοζύμη) Κρέας (18-20%) –Σαρκοπλασμικές (μυογλοβίνη) –Μυο-ινώδεις (ακτίνη, μυοσίνη) –Συνδετικού ιστού (κολλαγόνο, ελαστίνη)

7

8 Πηγές των αμινοξέων Ορισμένα τρόφιμα είναι πλούσια σε κάποια αμινοξέα: 1). Τα όσπρια, ο αραβόσιτος σε ασπαρτικό. 2). Η ζελατίνη σε αλανίνη. 3). Τα φυστίκια σε αργινίνη. 4). Τα σπαράγγια σε ασπαραγίνη. 5). Τα τεύτλα σε γλουταμίνη. 6). Η σόγια σε γλουταμικό. 7). Ο συνδετικός ιστός σε γλυκίνη. 8). Τα αιματούχα (σπλήνα) σε ιστιδίνη. 9). Τα δημητριακά σε λευκίνη. 10). Το κρέας σε λυσίνη και μεθειονίνη. 11). Τα λούπινα σε φαινυλαλανίνη. 12). Το γάλα σε προλίνη. 13). Τα αυγά σε σερίνη. 14). Τα ζωικά σε θρεονίνη. 15). Η καζεΐνη σε τυροσίνη, τρυπτοφάνη. 16). Το γάλα, τα αυγά σε βαλίνη 17). Τα σκομβροειδή ψάρια σε ισταμίνη κ.λπ.

9 Διάσπαση και μεταβολισμός των πρωτεϊνών

10 Πέψη πρωτεϊνών

11 Η ενεργοποίηση των πρωτεασών του στομάχου και του παγκρέατος Γαστρικό υγρόΠαγκρεατικό υγρό

12 Ενζυμική εξειδίκευση των πρωτεασών του πεπτικού σωλήνα

13 Απορρόφηση αμινοξέων και ολιγοπεπτιδίων

14 Τα τριπεπτίδια απορροφούνται γρηγορότερα

15 Αμινοξέα στο αίμα και στους ιστούς

16 Η «δεξαμενή» του κυττάρου και του αίματος σε αμινοξέα, γλουταμίνη, αλανίνη Κύτταρα Πλάσμα

17 Διαχείριση αμινοξέων από το κύτταρο

18 Ρύθμιση αποδόμησης των αμινοξέων Η αποικοδόμηση των αμινοξέων ρυθμίζεται είτε ορμονικά, είτε με τη διατροφή. Η διατροφή επιδρά στα επίπεδα ορισμένων καταβολικών ενζύμων. Για παράδειγμα, στους μικροοργανισμούς, όπου έχει μελετηθεί κυρίως η ρύθμιση, ο σχηματισμός των αποικοδομητικών ενζύμων εξαρτάται συνήθως από το εάν το αμινοξύ χρειάζεται για να παραχθεί ενέργεια (Ac-coA) ή είναι πηγή ατόμων άνθρακα, ή τέλος αν χρειάζεται για ελευθερωθεί άζωτο άλλες χρήσεις (π.χ. νουκλεοτίδια).

19 Η διαχείριση των αμινομάδων στον ανθρώπινο οργανισμό Η μετατροπή των αμινοξέων σε ενώσεις που μπορούν να δώσουν ενέργεια περιλαμβάνει την απομάκρυνση των αμινομάδων, την ενσωμάτωση της αμμωνίας που προκύπτει σε ουρία που θα αποβληθεί με τα ούρα και τέλος την αξιοποίηση του σκελετού άνθρακα που απομένει, στο μεταβολισμό.

20 Οι τρανσαμινώσεις

21 Η σημασία των τρανσαμινώσεων στον ανθρώπινο οργανισμό Η απομάκρυνση των αμινομάδων συχνά περιλαμβάνει ένα βήμα τρανσαμίνωσης, δηλαδή μεταφορά της αμινομάδας σε ένα α-κετοξύ. Το σύνηθες κετοξύ αποδέκτης αμινομάδας είναι το α- κετογλουταρικό οξύ, που μετατρέπεται σε γλουταμικό οξύ. Τα ένζυμα που ελέγχουν τη μεταφορά των αμινομάδων στην τρανσαμίνωση είναι οι αμινοτρανσ- φεράσες ή τρανσαμινάσες.

22 Τρανσαμίνωση και α-κετογλουταρικό οξύ Η τρανσαμίνωση, είναι αντιστρεπτή και καταλύεται από ειδικές τρανσαμινάσες. ΑΑ + αΚG Glu + KA. To Glu που παράγεται είναι απ’ τα λίγα αμινοξέα που μπορεί να αποβάλλει απ’ ευθείας την αμινομάδα ως ΝΗ 4+ μέσω της οξειδωτικής απαμίνωσης: Glu + NAD + + H 2 O aKG + NH 4+ + NADH + H + Η αντίδραση αυτή καταλύεται από τη γλουταμική αφυδρογονάση.

23 Γλουταμικό και α-κετογλουταρικό

24 Τύχη του γλουταμικού και γλουταμίνη 1) Aντί να απαμινωθεί, μέρος του Glu μεταβιβάζει την αμινομάδα του στο πυροσταφυλικο (PYR) με τρανσαμίνωση, και έτσι φορέας της αμινομάδας γίνεται η αλανίνη (Αla). Glu + PYR aKG + Ala. H αντίδραση καταλύεται από την τρανσαμινάση της αλανίνης (ΑLT) (βλέπε παρακάτω). 2) Mέρος του Glu δεσμεύει αμμώνιο και μετατρέπεται σε γλουταμίνη (Gln) με δαπάνη ΑΤΡ. 3) Το ΝΗ 4+ από την οξειδωτική απαμίνωση του Glu απορροφάται στον κύκλο της ουρίας.

25 Η σημασία της γλουταμίνης

26 Γλουταμίνη Η γλουταμίνη είναι το κύριο αμινοξύ που συναντάται στο αίμα (συγκέντρωση ≈0,6 mM) και το μόνο που διέρχεται ευχερώς τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό. Στον εγκέφαλο, μετατρέπεται σε γλουταμικό οξύ (που δεν διέρχεται τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό) απαραίτητο για την λειτουργία του νευρικού συστήματος (νευροδιαβιβαστής και πρόδρομος του γ-αμινοβουτυρικού οξέος). Η γλουταμίνη είναι επίσης ένας σημαντικός μεταφορέας αμμωνίας προς τους νεφρούς, όπου απελευθερώνεται από το ένζυμο γλουταμινάση και απεκκρίνεται με το ούρο.

27 Διαχείριση γλουταμίνης στο ήπαρ

28 Γλουταμίνη – Ήπαρ - Νεφροί

29 Ο ρόλος της βιταμίνης Β 6 Οι αμινοτρανσφεράσες για να δράσουν χρειάζονται την 5-φωσφορική πυριδοξάλη, που είναι ένα παράγωγο της βιταμίνης Β6. Αυτή χρησιμοποιείται εξάλλου στην αποκαρβοξυλίωση των αμινοξέων και στην απομάκρυνση των πλευρικών τους ομάδων. Οι αμινοτρανσφεράσες είναι ειδικές για κάθε τύπο αμινοξέος και παράγουν το αντίστοιχο α-κετοξύ.

30 Vitamin B6 Vitamin B6 (πυριδοξίνη), υδατοδιαλυτή Απαιτείται για περισσότερα από 100 ένζυμα Ο συμπαράγοντας φωσφορική πυριδοξάλη, pyridoxyl phosphate (PLP), προκύπτει από την B6.

31 Κατάληξη αμινομάδων Oι σπουδαιότερες σχετικές αντιδράσεις στον οργανισμό είναι αυτές που αφορούν το α- κετογλουταρικό και το οξαλοξικό οξύ και από τις οποίες προκύπτει το γλουταμικό και το ασπαρτικό οξύ, αντίστοιχα. Τελικά, οι περισσότερες αμινομάδες καταλήγουν στο γλουταμικό και στο ασπαρτικό οξύ, τα οποία αλληλομετατρέπονται επίσης, μέσω της γλουταμικής-ασπαρτικής αμινοτρανσφεράσης.

32 Η ιδιαίτερη σχέση κετοξέων και αμινοξέων ↑↓

33 Γλουταμινική-Πυροσταφυλική Τρανσαμινάση Μία ομάδα αμινοτρανσφερασών των μυών (καλούνται γλουταμινική-πυροσταφυλική τρανσαμινάση ή glutamate-pyruvate transaminase ή GPT, ή alanine transaminase ή ALT), χρησιμοποιούν το πυροσταφυλικό οξύ (ένα κετοξύ) σαν αποδέκτη αμινομάδων, με αποτέλεσμα να παράγεται αλανίνη. Με την απελευθέρωση της αλανίνης στην αιματική κυκλοφορία, πρσλαμβάνεται τελικά από το ήπαρ, όπου οι τρανσαμινάσες απομακρύνουν την αμινομάδα της και προκύπτει πυροσταφυλικό οξύ το που αξιοποιείται κυρίως στην νεογλυκογένεση.

34 Κύκλος της Αλανίνης Η νέα γλυκόζη απελευθερώνεται στο αίμα και χρησιμοποιείται ξανά από τους μύες (και άλλους ιστούς βέβαια), με αποτέλεσμα να ολοκληρώνεται έτσι ο λεγόμενος «κύκλος της αλανίνης». Οι αμινομάδες της αλανίνης στο ήπαρ μετατρέπονται σε ουρία. Άρα ο «κύκλος της αλανίνης» δρα και ως μεταφορέας αζώτου από τους μύες στο ήπαρ.

35 Κύκλος αλανίνης Ο κύκλος γλυκόζης-αλανίνης είναι ένας μηχανισμός μέσω του οποίου οι σκελετικοί μύες απαλλάσσονται από περίσσεια αζώτου ενώ ταυτόχρονα αναπληρώνουν τις ενεργειακές του προμήθειες. Επιπρόσθετα, σε περιόδους νηστείας οι πρωτεΐνες των μυών καταβολίζονται πολύ εντονότερα, με τελικό αποτέλεσμα η αλανίνη που παράγεται να τροφοδοτεί (μέσω του κύκλου) τελικά με γλυκόζη, πάλι τους μύες αλλά και όλα τα όργανα.

36 Κύκλος αλανίνης-1

37 Ο κύκλος της αλανίνης ως μέρος της ομοιόστασης της ασιτίας

38 Αμινοτρανσφεράσες και διαγνωστική Η οξαλοξεική τρανσαμινάση (SGOT) είναι άλλο όνομα για την ασπαρτική αμινοτρανσφεράση (AST) και η πυροσταφυλική τρανσαμινάση (SGPT) για την τρανσφεράση της αλανίνης (ALT). Η SGOT υπάρχει σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις στο μυοκάρδιο και σε μικρότερες στο ήπαρ και τους μύες. Η τιμή της στον ορό αυξάνει στο έμφραγμα του μυοκαρδίου 3-9 ώρες μετά και φτάνει στη μέγιστη τιμή μετά από 24 ώρες. Αυξάνει, επίσης, σε παθήσεις των μυών (μυϊκή δυστροφία, μυοσίτιδα).

39 Αμινοτρανσφεράσες και διαγνωστική Η SGPT βρίσκεται σε υψηλότερες συγκεντρώσεις στο συκώτι. Μαζί με τη SGOT αποτελούν ευαίσθητους δείκτες ηπατοκυτταρικής βλάβης. Μεγάλη αύξηση στον ορό παρατηρείται στην οξεία ηπατίτιδα, ενώ μέτρια σε χρόνιες ηπατικές παθήσεις, αποφρακτικό ίκτερο (π.χ. "πέτρα στη χολή") και σε όγκους του ήπατος. Συνήθεις Φυσιολογικές τιμές: - SGOT = U/mL ορού, - SGPT = U/mL ορού.

40 Αμινοτρανσφεράσες και διαγνωστική

41 Οι απαμινώσεις και ο κύκλος της ουρίας

42 Η οξειδωτική απαμίνωση Ο άνθρωπος μετατρέπει την αμμωνία σε ουρία. Η ουρία συντίθεται κυρίως στο ήπαρ (μέσω του βιοχημικού κύκλου της ουρίας), το οποίο της εκκρίνει προς το αίμα, μέσω του οποίου φέρεται στους νεφρούς για να αποβληθεί. Η συνολική αντίδραση του κύκλου είναι η παρακάτω:

43 urea arginine NH 2 + NH 3 + H 2 N-C-NH-CH 2 CH 2 CH 2 CH-CO 2 - H2OH2O argininosuccinate - O 2 C-CH=CH-CO 2 - fumarate - O 2 C-CH 2 CH-NH 3 + CO 2 - Asp The urea cycle - O 2 C-CH 2 CH-NH-C-NH-CH 2 CH 2 CH 2 CH-CO 2 - NH 3 + CO 2 - NH 2 + O H 2 N-C-NH 2 NH 3 + ATP AMP + PP i HCO 3 - NH ATP 2 ADP + P i carbamoyl phosphate ornithine citrulline H 2 N-CH 2 CH 2 CH 2 CH-CO 2 - NH 3 + H 2 N-C-NH-CH 2 CH 2 CH 2 CH-CO 2 - O PiPi H 2 N-C-O-P-O - O O-O- O mitochondria cytosol

44

45 Ιδιαιτερότητες του μεταβολισμού των αμινοξέων

46 Κατανομή του μεταβολισμού των αμινοξέων στους διάφορους ιστούς Τα περισσότερα αμινοξέα μεταβολίζονται κυρίως στο ήπαρ. Όμως, τα αλκυλο-αμινοξέα (ή αμινοξέα διακλαδισμένης αλυσίδας) όπως βαλίνη, λευκίνη και ισολευκίνη, μεταβολίζονται κατά προτεραιότητα στους σκελετικούς μύες. Επίσης, τα ακυλο-αμινοξέα, όπως το ασπαρτικό οξύ, η ασπαραγίνη, το γλουταμικό οξύ και η γλουταμίνη, μεταβολίζονται αρχικά στον εντερικό βλεννογόνο.

47 Κατανομή του μεταβολισμού των αμινοξέων στους διάφορους ιστούς Αν για παράδειγμα μελετήσουμε πειραματικά τον μεταβολισμό της πρωτεΐνης μετά από νηστεία μίας ολόκληρης ημέρας και στην συνέχεια την κατανάλωση mM από αμινοξέα (αυτό είναι εφικτό μέσω της κατανάλωσης μίας άπαχης μπριζόλας 530 γραμμαρίων), η αναμενόμενη μεταβολική κατανομή των αμινοξέων αυτών στο σώμα φαίνεται στην επόμενη διαφάνεια:

48 Μεταβολισμός μετά από νηστεία μίας ημέρας

49 Μεταβολισμός αμινοξέων Παρατηρήστε ότι η πλειοψηφία της αλανίνης που έρχεται στο ήπαρ προέρχεται από τους μύες και το έντερο, έχοντας παραχθεί από το άζωτο των αμινοξέων και το πυροσταφυλικό οξύ, ώστε να κρατηθεί σε χαμηλά επίπεδα η αμμωνία στο αίμα. Οι μύες και το έντερο προσλαμβάνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας από τη διάσπαση αμινοξέων.

50 Ήπαρ Σχεδόν όλη η ενέργεια από τα αμινοξέα που μεταβολίζονται στο ήπαρ μετατρέπεται σε γλυκόζη (ελάχιστο ΑΤΡ παράγεται στο ήπαρ), η οποία θα κατευθυνθεί κυρίως στο κεντρικό νευρικό σύστημα για να το τροφοδοτήσει με ενέργεια. Η πλειονότητα του αζώτου που θα διακινηθεί από τους ιστούς στο ήπαρ (στον πίνακα από τους μύες και το έντερο προς το ήπαρ) θα ακολουθήσει τον κύκλο της αλανίνης ή θα προέλθει από τη γλουταμίνη.

51 Αμινοξέα διακλαδισμένης αλυσίδας (branched-chain amino acids ή BCAAs) Πειραματικές μελέτες που δείχνουν ότι τα BCAAs μπορούν να προάγουν τον αναβολισμό στους ιστούς, έχουν οδηγήσει σε αυξημένο ενδιαφέρον σε σχέση με την παροχή BCAAs στο σιτηρέσιο. Επιπρόσθετα από την όποια άμεση επίδραση έχουν τα BCAAs στον μεταβολισμό των πρωτεϊνών πολλοί ερευνητές θεωρούν ότι εμφανίζουν και έμμεσες θετικές δράσεις (βλέπε επόμενη διαφάνεια).

52 Αμινοξέα διακλαδισμένης αλυσίδας (branched-chain amino acids ή BCAAs) Έτσι, με βάση το γεγονός ότι τα BCAAs υφίστανται τρανσαμίνωση (αποδίδουν αμινομάδες) στους μύες, μπορούν να δρουν ως πρόδρομοι της γλουταμίνης, η οποία έχει αναβολικές ιδιότητες επειδή διεγείρει την έκκριση της αυξητικής ορμόνης. Είναι δυνατόν επίσης να επηρεάζουν την πρόσληψη τρυπτοφάνης, άρα και την παραγωγή σεροτονίνης από τον εγκέφαλο, λόγω του ανταγωνισμού μεταξύ των BCAAs και των αρωματικών αμινοξέων σε ότι αφορά τη διακίνησή τους στον εγκέφαλο.

53

54

55 Η προλίνη στο πλάσμα 1, glutaminase; 2, pyrroline-5-carboxylate synthase; 3, ornithine aminotransferase; 4, ornithine transcarbamoylase; 5, argininosuccinate synthetase; 6, argininosuccinate lyase; 7, spontaneous reaction; 8, pyrroline-5-carboxylate reductase; 9, arginase; 10, carbamoyl-phosphate synthetase; 11, N-acetylglutamate synthetase. * * Γλυκονεογένεση

56 Γλυκίνη στο πλάσμα Η γλυκίνη είναι το πιο απλό από τα αμινοξέα και ένα από τα κυριότερα συστατικά στα υγρά του σώματος. Χρησιμεύει στη βιοσύνθεση των πουρινών και πορφυρινών. Η συγκέντρωση της γλυκίνης στο πλάσμα εξαρτάται από την κατάσταση θρέψης και την διάρκεια της νηστείας. Υψηλές συγκεντρώσεις της γλυκίνης στα ούρα παρατηρούνται σε: Κυστινουρία, γλυκινουρία, υπερπρολιναιμία, μη κετωτική υπεργλυκιναιμία, ιμινογλυκινουρία, αμινοοξυουρία, υπογλυκαιμία, κύηση και σε άτομα με σοβαρά εγκαύματα. Φυσιολογικές τιμές αίματος: 0,9 - 4,16 mg/dL, ή μmol/L.

57 Ταυρίνη Ελεύθερο αμινοξύ που βρίσκεται στον ανθρώπινο οργανισμό (μύες, εγκέφαλο, καρδιά, αίμα) και παράγεται στη χολή. Σημαντικό ρόλο παίζει στην πέψη του λίπους, προστασία του νευρικού συστήματος (αντιμετώπιση στρες), ρύθμιση της θερμοκρασίας σώματος και λειτουργία όσφρησης. Απώλειες ταυρίνης παρουσιάζονται σε καταστάσεις έντονου στρες και σωματικής εξάντλησης. Σε έρευνα που έγινε σε αθλητές αντοχής παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια της βαθμιαίας αύξησης της έντασης, σημαντική μείωση στα επίπεδα ταυρίνης. Μια λύση στο πρόβλημα είναι τα συμπληρώματα ταυρίνης.

58 Καταβολισμός αμινοξέων

59 Γενετικές ασθένειες κατά τον καταβολισμό αμινοξέων

60 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ Η έκταση και ο τρόπος ρύθμισης της βιοσύνθεσης των αμινοξέων ποικίλει ευρέως στα ζώα, τα φυτά, τα μικρόβια. Οι ανώτεροι οργανισμοί δεν είναι σε θέση να συνθέσουν και τα 20 αμινοξέα. Ο άνθρωπος μπορεί να συνθέσει τα 12, ενώ τα υπόλοιπα 8 πρέπει να τα παραλάβει με την τροφή του. Τα απαραίτητα αμινοξέα για τον άνθρωπο είναι: Βαλίνη, λευκίνη, ισολευκίνη, λυσίνη, θρεονίνη, μεθειονίνη, τρυπτοφάνη και φαινυλαλανίνη. Ειδικά για τα βρέφη απαραίτητη θεωρείται η ιστιδίνη, ενώ από ορισμένους επιστήμονες και η αργινίνη.

61 Η βιοσύνθεση αμινοξέων

62 Ρύθμιση της βιοσύνθεσης αμινοξέων Γενικά η ρύθμιση της βιοσύνθεσης των αμινοξέων γίνεται ή με ρύθμιση της ποσότητας του ενζύμου (ρύθμιση έκφρασης γονιδίων) τρόπος αργός, ή με ρύθμιση της ενζυμικής δραστικότητας των ενζύμων, οπότε με τροποποίηση της δομής του ενζύμου προκαλούνται ταχύτατες αλλαγές της δραστικότητάς του, όπως για παράδειγμα σε 2 sec αλλαγή δραστικότητας κατά 50%.

63

64 Η αξιοποίηση συγκεκριμένων αμινοξέων στα διατροφικά συμπληρώματα

65 Η αξιοποίηση συγκεκριμένων αμινοξέων στα διατροφικά συμπληρώματα