Лейцин (символ Leu или L ) [ 3] является незаменимой аминокислотой , которая используется в биосинтезе белков . Лейцин является α-аминокислотой, то есть он содержит α- аминогруппу (которая находится в протонированной форме −NH 3 + в биологических условиях), α- карбоновую кислотную группу (которая находится в депротонированной форме −COO − в биологических условиях) и боковую цепь изобутильной группы , что делает его неполярной алифатической аминокислотой. Он необходим для человека, то есть организм не может синтезировать его: он должен быть получен из рациона. Источниками питания человека являются продукты, содержащие белок, такие как мясо , молочные продукты, соевые продукты, а также бобы и другие бобовые. Он кодируется кодонами UUA, UUG, CUU, CUC, CUA и CUG. Лейцин назван в честь греческого слова «белый»: λευκός ( leukós , «белый»), из-за его обычного внешнего вида в виде белого порошка, свойства, которое он разделяет со многими другими аминокислотами . [4]
Подобно валину и изолейцину , лейцин является аминокислотой с разветвленной цепью . Основными конечными продуктами метаболизма лейцина являются ацетил-КоА и ацетоацетат ; следовательно, это одна из двух исключительно кетогенных аминокислот , а лизин является другой. [5] Это самая важная кетогенная аминокислота у людей. [6]
Лейцин и β-гидрокси β-метилмасляная кислота , второстепенный метаболит лейцина , проявляют фармакологическую активность у людей и, как было показано, способствуют биосинтезу белка посредством фосфорилирования механистической мишени рапамицина (mTOR). [7] [8]
Как пищевая добавка , L-лейцин имеет номер E641 и классифицируется как усилитель вкуса . [9]
Совет по продовольствию и питанию (FNB) Института медицины США установил рекомендуемые нормы потребления (RDA) незаменимых аминокислот в 2002 году. Для лейцина для взрослых в возрасте 19 лет и старше — 42 мг/кг массы тела в день. [10]
В качестве пищевой добавки лейцин, как было обнаружено, замедляет деградацию мышечной ткани за счет увеличения синтеза мышечных белков у старых крыс. [12] Однако результаты сравнительных исследований противоречивы. Долгосрочное добавление лейцина не увеличивает мышечную массу или силу у здоровых пожилых мужчин. [13] Необходимы дополнительные исследования, предпочтительно основанные на объективной случайной выборке общества. Такие факторы, как выбор образа жизни, возраст, пол, диета, физические упражнения и т. д., должны быть учтены в анализе, чтобы изолировать эффекты дополнительного лейцина как отдельного вещества или при приеме с другими аминокислотами с разветвленной цепью (BCAA). До тех пор пищевой дополнительный лейцин не может быть связан как основная причина мышечного роста или оптимального поддержания для всей популяции.
И L-лейцин, и D-лейцин защищают мышей от эпилептических припадков . [14] D-лейцин также прекращает припадки у мышей после начала судорожной активности, по крайней мере, так же эффективно, как диазепам, и без седативного эффекта. [14] Снижение потребления L-лейцина с пищей уменьшает ожирение у мышей. [15] Высокий уровень лейцина в крови связан с резистентностью к инсулину у людей, мышей и грызунов. [16] Это может быть связано с эффектом лейцина на стимуляцию сигнализации mTOR . [17] Диетическое ограничение лейцина и других BCAA может обратить вспять вызванное диетой ожирение у мышей дикого типа за счет увеличения расхода энергии и может ограничить набор жировой массы у гиперфагических крыс. [18] [19]
Токсичность лейцина, наблюдаемая при декомпенсированной болезни кленового сиропа , вызывает делирий и неврологические нарушения и может быть опасной для жизни. [20]
Высокое потребление лейцина может вызвать или усугубить симптомы пеллагры у людей с низким уровнем ниацина , поскольку он препятствует превращению L-триптофана в ниацин. [21]
Лейцин в дозе, превышающей 500 мг/кг/день, наблюдался при гипераммониемии . [22] Таким образом, неофициально допустимый верхний уровень потребления (UL) лейцина для здоровых взрослых мужчин может быть предложен на уровне 500 мг/кг/день или 35 г/день при острых диетических состояниях. [22] [23]
Лейцин — это диетическая аминокислота , способная напрямую стимулировать синтез миофибриллярного мышечного белка . [24] Этот эффект лейцина обусловлен его ролью активатора механистической мишени рапамицина (mTOR), [8] серин -треониновой протеинкиназы , которая регулирует биосинтез белка и рост клеток . Активация mTOR лейцином опосредована через Rag GTPases , [25] [26] [27] связывание лейцина с лейцил-тРНК-синтетазой , [25] [26] связывание лейцина с сестрином 2 , [28] [29] [30] и, возможно, другие механизмы.
Метаболизм лейцина происходит во многих тканях человеческого организма ; однако большая часть пищевого лейцина метаболизируется в печени , жировой ткани и мышечной ткани . [36] Жировая и мышечная ткани используют лейцин для образования стеролов и других соединений. [36] Совместное использование лейцина в этих двух тканях в семь раз больше, чем в печени. [36]
У здоровых людей примерно 60% пищевого L -лейцина метаболизируется в течение нескольких часов, при этом примерно 5% ( в диапазоне 2–10% ) пищевого L -лейцина преобразуется в β-гидрокси β-метилмасляную кислоту (HMB). [37] [38] [35] Около 40% пищевого L -лейцина преобразуется в ацетил-КоА , который впоследствии используется в синтезе других соединений. [35]
Подавляющее большинство метаболизма L -лейцина изначально катализируется ферментом аминотрансферазой аминокислот с разветвленной цепью , производя α-кетоизокапроат (α-KIC). [37] [35] α-KIC в основном метаболизируется митохондриальным ферментом дегидрогеназой α-кетокислот с разветвленной цепью , которая преобразует его в изовалерил-КоА . [37] [35] Изовалерил-КоА впоследствии метаболизируется изовалерил-КоА-дегидрогеназой и преобразуется в MC-КоА , который используется в синтезе ацетил-КоА и других соединений. [35] При дефиците биотина HMB может синтезироваться из MC-CoA через еноил-CoA-гидратазу и неизвестный фермент тиоэстеразу , [31] [32] [39] , которые преобразуют MC-CoA в HMB-CoA и HMB-CoA в HMB соответственно. [32] Относительно небольшое количество α-KIC метаболизируется в печени цитозольным ферментом 4-гидроксифенилпируватдиоксигеназой (KIC-диоксигеназа), которая преобразует α-KIC в HMB. [37] [35] [40] У здоровых людей этот второстепенный путь, включающий преобразование L -лейцина в α-KIC, а затем в HMB, является преобладающим путем синтеза HMB. [37] [35]
Небольшая часть метаболизма L -лейцина – менее 5% во всех тканях, за исключением яичек , где на его долю приходится около 33% – изначально катализируется лейцинаминомутазой , производя β-лейцин , который впоследствии метаболизируется в β-кетоизокапроат (β-KIC), β-кетоизокапроил-КоА, а затем в ацетил-КоА серией неохарактеризованных ферментов. [35] [41]
Метаболизм HMB катализируется неохарактеризованным ферментом, который преобразует его в β-гидрокси β-метилбутирил-КоА ( HMB-CoA ). [31] [35] HMB-CoA метаболизируется либо еноил-КоА-гидратазой , либо другим неохарактеризованным ферментом, образуя β-метилкротонил-КоА ( MC-CoA ) или гидроксиметилглутарил-КоА ( HMG-CoA ) соответственно. [37] [35] Затем MC-CoA преобразуется ферментом метилкротонил-КоА-карбоксилазой в метилглутаконил-КоА ( MG-CoA ), который впоследствии преобразуется в HMG-CoA метилглутаконил-КоА- гидратазой . [37] [35] [41] Затем HMG-CoA расщепляется на ацетил-CoA и ацетоацетат с помощью HMG-CoA -лиазы или используется в производстве холестерина через мевалонатный путь . [37] [35]
Лейцин является незаменимой аминокислотой в рационе животных, поскольку у них отсутствует полный ферментный путь для его синтеза de novo из потенциальных соединений-предшественников. Следовательно, они должны потреблять его, обычно как компонент белков. Растения и микроорганизмы синтезируют лейцин из пировиноградной кислоты с помощью ряда ферментов: [42]
Синтез небольшой гидрофобной аминокислоты валина также включает начальную часть этого пути.
Лейцин — это аминокислота с разветвленной цепью (BCAA), поскольку она имеет алифатическую боковую цепь, которая не является линейной.
Рацемический лейцин был [ когда? ] подвергнут циркулярно поляризованному синхротронному излучению , чтобы лучше понять происхождение биомолекулярной асимметрии. Было вызвано энантиомерное усиление на 2,6%, что указывает на возможное фотохимическое происхождение гомохиральности биомолекул . [43]
Механизмы действия HMB обычно считаются связанными с его влиянием как на синтез мышечного белка, так и на распад мышечного белка (рисунок 1) [2, 3]. HMB, по-видимому, стимулирует синтез мышечного белка посредством повышения регуляции комплекса млекопитающих/механистического мишени рапамицина 1 (mTORC1), сигнального каскада, участвующего в координации инициации трансляции синтеза мышечного белка [2, 4]. Кроме того, HMB может оказывать антагонистическое действие на путь убиквитин-протеасомы, систему, которая разрушает внутриклеточные белки [5, 6]. Данные также свидетельствуют о том, что HMB способствует миогенной пролиферации, дифференциации и слиянию клеток [7]. ... Было показано, что экзогенное введение HMB-FA усиливает внутримышечную анаболическую сигнализацию, стимулирует синтез мышечного белка и ослабляет распад мышечного белка у людей [2].
Стимуляция MPS посредством передачи сигналов mTORc1 после воздействия HMB согласуется с доклиническими исследованиями (Eley et al. 2008). ... Более того, наблюдалось четкое расхождение в амплитуде фосфорилирования для 4EBP1 (на Thr37/46 и Ser65/Thr70) и p70S6K (Thr389) в ответ как на Leu, так и на HMB, причем последний демонстрировал более выраженное и устойчивое фосфорилирование. ... Тем не менее, поскольку общий ответ MPS был схожим, это различие клеточной сигнализации не трансформировалось в статистически различимые анаболические эффекты в нашем первичном измерении результата MPS. ... Интересно, что хотя перорально принимаемый HMB не вызывал повышения уровня инсулина в плазме, он вызывал снижение MPB (−57%). Обычно постпрандиальное снижение MPB (~50%) приписывается азотсберегающим эффектам инсулина, поскольку зажим инсулина при постабсорбтивных концентрациях (5 мкЕД мл
−1
) при непрерывной инфузии аминокислот (18 г ч
−1
) не подавлял MPB (Greenhaff et al. 2008), поэтому мы решили не измерять MPB в группе Leu из-за ожидаемой гиперинсулинемии (рис. 3C). Таким образом, HMB снижает MPB аналогично инсулину, но независимо от него. Эти результаты согласуются с сообщениями об антикатаболических эффектах HMB, подавляющих MPB в доклинических моделях, посредством ослабления протеасомно-опосредованного протеолиза в ответ на ЛПС (Eley et al. 2008).
Значительное увеличение концентрации аммиака в крови выше нормальных значений, концентрации лейцина в плазме и экскреции лейцина с мочой наблюдалось при потреблении лейцина >500 мг · кг
−1
· д
−1
. Окисление l-[1-
13
C]-лейцина, выраженное в виде окисления метки-трассера в дыхании (F
13
CO
2
), окисление лейцина и окисление α-кетоизокапроновой кислоты (KIC) привели к разным результатам: плато в F
13
CO
2
наблюдалось после 500 мг · кг
−1
· д
−1
, не наблюдалось четкого плато при окислении лейцина, а окисление KIC, по-видимому, достигло плато после 750 мг · кг
−1
· д
−1
. На основе плазменных и мочевых переменных можно предположить, что верхний предел для лейцина у здоровых взрослых мужчин составляет 500 мг · кг
−1
· д
−1
или ~35 г/д в качестве осторожной оценки при острых диетических состояниях.
верхний предел потребления лейцина у здоровых пожилых людей может быть установлен аналогично молодым мужчинам на уровне 500 мг кг-1 день-1 или ~35 г/день для человека весом 70 кг
активность MCC ухудшает катализ существенного этапа митохондриального катаболизма лейцина BCAA. Метаболические нарушения переводят метилкротонил-КоА в 3-гидроксиизовалерил-КоА в реакции, катализируемой еноил-КоА-гидратазой (22, 23). Накопление 3-гидроксиизовалерил-КоА может ингибировать клеточное дыхание либо напрямую, либо через воздействие на соотношения ацил-КоА:свободный КоА, если дальнейший метаболизм и детоксикация 3-гидроксиизовалерил-КоА не происходят (22). Перенос в карнитин 4-карнитин-ацил-КоА-трансферазами, распределенными в субклеточных отсеках, вероятно, служит важным резервуаром для ацильных фрагментов (39–41). 3-гидроксиизовалерил-КоА, вероятно, детоксифицируется карнитин-ацетилтрансферазой, производящей 3HIA-карнитин, который транспортируется через внутреннюю митохондриальную мембрану (и, следовательно, эффективно из митохондрий) через карнитин-ацилкарнитин-транслоказу (39). Предполагается, что 3HIA-карнитин либо напрямую деацилируется гидролазой до 3HIA, либо подвергается второму обмену КоА с повторным образованием 3-гидроксиизовалерил-КоА с последующим высвобождением 3HIA и свободного КоА тиоэстеразой.
Энергетическое топливо: в конечном итоге большая часть Leu расщепляется, обеспечивая около 6,0 ккал/г. Около 60% потребленного Leu окисляется в течение нескольких часов ... Кетогенез: значительная часть (40% от потребленной дозы) преобразуется в ацетил-КоА и тем самым способствует синтезу кетонов, стероидов, жирных кислот и других соединений
В заключение следует отметить, что лечение HMB явно представляется безопасной эффективной стратегией против саркопении и, в более общем плане, против мышечной атрофии, поскольку HMB улучшает мышечную массу, мышечную силу и физическую работоспособность. Похоже, что HMB способен воздействовать на три из четырех основных механизмов, участвующих в мышечной детренированности (оборот белка, апоптоз и регенеративный процесс), тогда как предполагается, что он сильно влияет на четвертый (митохондриальная динамика и функции). Более того, HMB стоит недорого (~30–50 долларов США в месяц при дозировке 3 г в день) и может предотвратить остеопению (Bruckbauer и Zemel, 2013; Татара, 2009; Татара и др., 2007, 2008, 2012) и снизить сердечно-сосудистые риски (Nissen и др., 2000). По всем этим причинам HMB следует регулярно использовать при состояниях, связанных с мышечной атрофией, особенно у пожилых людей. ... 3 г CaHMB, принимаемые три раза в день (по 1 г каждый раз), являются оптимальной дозировкой, которая обеспечивает постоянную биодоступность HMB в организме (Wilson и др., 2013)