ลักษณะของลิวซีนโครงสร้างหน้าที่การสังเคราะห์ทางชีวภาพ - ชีววิทยา - 2026

leucineเป็นหนึ่งในกรดอะมิโน 22 constituting โปรตีนในสิ่งมีชีวิต เป็นกรดอะมิโนที่จำเป็น 1 ใน 9 ชนิดที่ร่างกายไม่สังเคราะห์ขึ้นและต้องบริโภคร่วมกับอาหารที่รับประทานเข้าไปในอาหาร

Leucine ได้รับการอธิบายครั้งแรกในปี พ.ศ. 2361 โดย JL Proust นักเคมีและเภสัชกรชาวฝรั่งเศสซึ่งเรียกมันว่า "caseous oxide" ต่อมา Erlenmeyer และ Kunlin ได้เตรียมมันจากกรดα-benzoylamido-β-isopropylacrylic ซึ่งมีสูตรโมเลกุลคือ C6H13NO2

โครงสร้างทางเคมีของกรดอะมิโนลิวซีน (ที่มา: Clavecin ผ่าน Wikimedia Commons)

Leucine เป็นกุญแจสำคัญในการค้นพบทิศทางการแปลของโปรตีนเนื่องจากโครงสร้างที่ไม่ชอบน้ำทำให้ Howard Dintzis นักชีวเคมีติดฉลากไฮโดรเจนของคาร์บอน 3 และสังเกตทิศทางที่กรดอะมิโนรวมอยู่ในการสังเคราะห์เปปไทด์ของ เฮโมโกลบิน.

โปรตีนที่เรียกว่า leucine "รูดซิป" หรือ "ปิด" เป็นปัจจัยการถอดความที่สำคัญที่สุดในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต Leucine รูดซิปมีลักษณะที่มีปฏิสัมพันธ์กับดีเอ็นเอที่ไม่ชอบน้ำ

โดยทั่วไปโปรตีนที่อุดมไปด้วยลิวซีนหรือประกอบด้วยกรดอะมิโนสายโซ่ที่แตกแขนงจะไม่ถูกเผาผลาญที่ตับ แต่จะไปที่กล้ามเนื้อโดยตรงซึ่งจะถูกนำไปใช้อย่างรวดเร็วในการสังเคราะห์โปรตีนและการผลิตพลังงาน

ลิวซีนเป็นกรดอะมิโนโซ่กิ่งที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพของโปรตีนและกรดอะมิโนในนมซึ่งสังเคราะห์ในต่อมน้ำนม กรดอะมิโนชนิดนี้จำนวนมากสามารถพบได้ในรูปแบบอิสระในน้ำนมแม่

ในบรรดากรดอะมิโนทั้งหมดที่ประกอบเป็นโปรตีนลิวซีนและอาร์จินีนมีมากที่สุดและทั้งสองได้รับการตรวจพบในโปรตีนของอาณาจักรทั้งหมดที่ประกอบกันเป็นต้นไม้แห่งชีวิต

ลักษณะเฉพาะ

Leucine เป็นที่รู้จักกันในชื่อกรดอะมิโนสายโซ่ที่จำเป็นซึ่งมีโครงสร้างร่วมกับกรดอะมิโนอื่น ๆ อย่างไรก็ตามมันมีความแตกต่างจากข้อเท็จจริงที่ว่าโซ่ด้านข้างหรือกลุ่ม R มีคาร์บอนพันธะเชิงเส้นสองตัวและอันสุดท้ายถูกผูกมัดกับอะตอมของไฮโดรเจนและกับกลุ่มเมธิลสองกลุ่ม

มันอยู่ในกลุ่มของกรดอะมิโนโพลาร์ที่ไม่มีประจุสารทดแทนหรือกลุ่ม R ของกรดอะมิโนเหล่านี้คือไม่ชอบน้ำและไม่มีขั้ว กรดอะมิโนเหล่านี้มีหน้าที่ส่วนใหญ่ในปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนที่ไม่ชอบน้ำและมีแนวโน้มที่จะทำให้โครงสร้างของโปรตีนคงที่

กรดอะมิโนทั้งหมดที่มีคาร์บอนกลางซึ่งเป็น chiral (α carbon) นั่นคือมีสารทดแทนที่แตกต่างกันสี่ชนิดติดอยู่สามารถพบได้ในสองรูปแบบที่แตกต่างกันในธรรมชาติ ดังนั้นจึงมี D- และ L-leucine ซึ่งเป็นโครงสร้างโปรตีนชนิดหลัง

กรดอะมิโนทั้งสองรูปแบบมีคุณสมบัติแตกต่างกันมีส่วนร่วมในวิถีการเผาผลาญที่แตกต่างกันและยังสามารถปรับเปลี่ยนลักษณะของโครงสร้างที่เป็นส่วนหนึ่งได้

ตัวอย่างเช่นลิวซีนในรูปของแอล - ลิวซีนมีรสขมเล็กน้อยในขณะที่ในรูปแบบ D-leucine มีรสหวานมาก

รูปแบบ L ของกรดอะมิโนใด ๆ จะง่ายกว่าสำหรับร่างกายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในการเผาผลาญ L-leucine สามารถย่อยสลายได้ง่ายและใช้ในการสร้างและปกป้องโปรตีน

โครงสร้าง

Leucine ประกอบด้วยคาร์บอน 6 อะตอม คาร์บอนกลางซึ่งมีอยู่ทั่วไปในกรดอะมิโนทั้งหมดติดอยู่กับหมู่คาร์บอกซิล (COOH) หมู่อะมิโน (NH2) อะตอมไฮโดรเจน (H) และโซ่ข้างหรือกลุ่ม R ประกอบด้วยคาร์บอน 4 อะตอม

อะตอมของคาร์บอนภายในกรดอะมิโนสามารถระบุได้ด้วยตัวอักษรกรีก การกำหนดหมายเลขเริ่มต้นจากคาร์บอนของกรดคาร์บอกซิลิก (COOH) ในขณะที่คำอธิบายประกอบที่มีอักษรกรีกเริ่มต้นจากคาร์บอนกลาง

ลิวซีนเป็นกลุ่มทดแทนในสาย R ของมันคือกลุ่มไอโซบิวทิลหรือ 2 เมธิลโพรพิลที่เกิดจากการสูญเสียอะตอมของไฮโดรเจนโดยมีการก่อตัวของอนุมูลอัลคิล กลุ่มเหล่านี้ปรากฏเป็นกิ่งก้านในโครงสร้างกรดอะมิโน

คุณสมบัติ

Leucine เป็นกรดอะมิโนที่สามารถทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของคีโตเจนิกสำหรับสารประกอบอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับวงจรกรดซิตริก กรดอะมิโนนี้เป็นแหล่งสำคัญสำหรับการสังเคราะห์ acetyl-CoA หรือ acetoacetyl-CoA ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางการสร้างคีโตนในเซลล์ตับ

Leucine เป็นที่ทราบกันดีว่ามีความสำคัญในวิถีการส่งสัญญาณอินซูลินมีส่วนร่วมในการเริ่มต้นการสังเคราะห์โปรตีนและป้องกันการสูญเสียโปรตีนจากการย่อยสลาย

โดยปกติโครงสร้างภายในของโปรตีนประกอบด้วยกรดอะมิโนที่ไม่ชอบน้ำเช่นลิวซีนวาลีนไอโซลูซีนและเมไทโอนีน โครงสร้างดังกล่าวมักได้รับการอนุรักษ์สำหรับเอนไซม์ที่พบบ่อยในสิ่งมีชีวิตเช่นในกรณีของ Cytochrome C

ลิวซีนสามารถกระตุ้นวิถีการเผาผลาญในเซลล์ของต่อมน้ำนมเพื่อกระตุ้นการสังเคราะห์แลคโตสไขมันและโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลสัญญาณในการควบคุมสภาวะสมดุลของพลังงานของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

โดเมนที่อุดมด้วยลิวซีนเป็นส่วนสำคัญของโปรตีนที่จับกับดีเอ็นเอโดยเฉพาะซึ่งโดยทั่วไปแล้วตัวหรี่โครงสร้างในรูปแบบ supercoiled และรู้จักกันในชื่อ "โปรตีนซิปลิวซีน"

โปรตีนเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะเป็นรูปแบบปกติของ leucines ซ้ำ ๆ ร่วมกับกรดอะมิโนที่ไม่ชอบน้ำอื่น ๆ ซึ่งมีหน้าที่ควบคุมการเชื่อมโยงของปัจจัยการถอดความกับ DNA และระหว่างปัจจัยการถอดความที่แตกต่างกัน

โปรตีน Leucine zipper สามารถสร้าง homo- หรือ heterodimers ที่ช่วยให้พวกมันสามารถจับกับพื้นที่เฉพาะของปัจจัยการถอดความเพื่อควบคุมการจับคู่และปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของ DNA ที่พวกมันควบคุม

การสังเคราะห์

กรดอะมิโนสายโซ่ที่แตกแขนงทั้งหมดรวมทั้งลิวซีนส่วนใหญ่ถูกสังเคราะห์ในพืชและแบคทีเรีย ในพืชดอกมีการผลิตลิวซีนเพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจากเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญสำหรับสารประกอบทั้งหมดที่ทำให้เกิดกลิ่นหอมของดอกไม้และผลไม้

ปัจจัยหนึ่งที่ทำให้เกิด leucine จำนวนมากในเปปไทด์ของแบคทีเรียที่แตกต่างกันคือ 6 codons ที่แตกต่างกันของรหัสพันธุกรรมสำหรับ leucine (UUA-UUG-CUU-CUC-CUA-CUG) ก็เช่นกัน สำหรับอาร์จินีน

Leucine ถูกสังเคราะห์ในแบคทีเรียโดยใช้เส้นทางห้าขั้นตอนที่ใช้กรดคีโตที่เกี่ยวข้องกับวาลีนเป็นจุดเริ่มต้น

กระบวนการนี้ได้รับการควบคุมโดย allosterically ดังนั้นเมื่อมี leucine มากเกินไปภายในเซลล์จะยับยั้งเอนไซม์ที่มีส่วนร่วมในทางเดินและหยุดการสังเคราะห์

วิถีสังเคราะห์ทางชีวภาพ

การสังเคราะห์ทางชีวภาพของ Leucine ในแบคทีเรียเริ่มต้นด้วยการเปลี่ยนอนุพันธ์ของ ketoacid ของ valine, 3-methyl-2-oxobutanoate เป็น (2S) -2-isopropylmalate เนื่องจากการกระทำของเอนไซม์ 2-isopropylmalto synthase ซึ่ง ใช้ acetyl-Coa และน้ำเพื่อจุดประสงค์นี้

(2S) -2-isopropyl malate สูญเสียโมเลกุลของน้ำและเปลี่ยนเป็น 2-isopropylmaleate โดย 3-isopropyl malate dehydratase ต่อจากนั้นเอนไซม์ชนิดเดียวกันจะเพิ่มโมเลกุลของน้ำอีกโมเลกุลหนึ่งและเปลี่ยน 2-isopropylmaleate เป็น (2R-3S) -3-isopropylmalate

สารประกอบสุดท้ายนี้อยู่ภายใต้ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่ได้รับการมีส่วนร่วมของโมเลกุลของ NAD + ซึ่งเกิด (2S) -2-isopropyl-3-oxosuccinate ซึ่งเป็นไปได้ด้วยการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ 3- ไอโซโพรพิลมาเลตดีไฮโดรจีเนส

(2S) -2-isopropyl-3-oxosuccinate สูญเสียอะตอมของคาร์บอนไปในรูปของ CO2 โดยธรรมชาติสร้าง 4-methyl-2-oxopentanoate ซึ่งโดยการกระทำของ transaminase กรดอะมิโนโซ่กิ่ง (โดยเฉพาะ leucine transaminase) และด้วยการปลดปล่อย L-glutamate และ 2-oxoglutarate ร่วมกันทำให้เกิด L-leucine

การปลด

บทบาทหลักของลิวซีนคือทำหน้าที่เป็นสัญญาณบอกเซลล์ว่ามีกรดอะมิโนและพลังงานเพียงพอที่จะเริ่มสังเคราะห์โปรตีนในกล้ามเนื้อ

การแตกตัวของกรดอะมิโนสายโซ่ที่แตกแขนงเช่นลิวซีนเริ่มต้นด้วยการทรานส์ฟอร์ม ขั้นตอนนี้และขั้นตอนของเอนไซม์ที่ตามมาอีกสองขั้นตอนจะถูกเร่งโดยเอนไซม์สามตัวเดียวกันในกรณีของลิวซีนไอโซลูซีนและวาลีน

การทรานสฟอร์มของกรดอะมิโนทั้งสามจะทำให้เกิดอนุพันธ์ของกรดα-keto ซึ่งอยู่ภายใต้การออกซิเดชั่น decarboxylation เพื่อผลิต acyl-CoA thioesters ที่เป็นα, β-dehydrogenated เพื่อให้ได้α, β-nonaturated acyl-CoA thioesters

ในระหว่างการเร่งปฏิกิริยาของ leucine จะใช้α, β-Unsaturated acyl-CoA thioester เพื่อผลิต acetoacetate (acetoacetic acid) และ acetyl-CoA ผ่านทางเดินที่เกี่ยวข้องกับ metabolite 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) ซึ่งเป็นตัวกลางในการสังเคราะห์ทางชีวภาพของคอเลสเตอรอลและไอโซพรีนอยด์อื่น ๆ

วิถี catabolic ของ leucine

จากการก่อตัวของα, β-ไธโอเอสเตอร์ acyl-CoA ที่ไม่อิ่มตัวที่ได้มาจากลิวซีนทางเดินของ catabolic สำหรับกรดอะมิโนนี้และสำหรับวาลีนและไอโซลิวซีนแตกต่างกันมาก

α, β-ไม่อิ่มตัว acyl-CoA thioester ของ leucine ได้รับการประมวลผลขั้นปลายโดยเอนไซม์สามชนิดที่เรียกว่า (1) 3-methylcrotonyl-CoA carboxylase, (2) 3-methylglutaconyl-CoA hydratase และ (3) 3-hydroxy -3-methylglutaryl-CoA ไลเอส

ในแบคทีเรียเอนไซม์เหล่านี้มีหน้าที่ในการเปลี่ยน 3-methylcrotonyl-CoA (มาจาก leucine) เป็น 3-methylglutaconyl-CoA, 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA และ acetoacetate และ acetyl-CoA ตามลำดับ

Leucine ที่มีอยู่ในเลือดใช้สำหรับการสังเคราะห์โปรตีนในกล้ามเนื้อ / myofibrillar (MPS) สิ่งนี้ทำหน้าที่เป็นปัจจัยกระตุ้นในกระบวนการนี้ นอกจากนี้ยังทำปฏิกิริยาโดยตรงกับอินซูลินซึ่งมีผลต่อการจัดหาอินซูลิน

อาหารที่อุดมด้วย Leucine

การบริโภคโปรตีนที่อุดมไปด้วยกรดอะมิโนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสรีรวิทยาของเซลล์ของสิ่งมีชีวิตและ leucine ก็ไม่มีข้อยกเว้นสำหรับกรดอะมิโนที่จำเป็น

โปรตีนที่ได้รับจากเวย์ถือเป็นสารตกค้างที่มี L-leucine มากที่สุด อย่างไรก็ตามอาหารที่มีโปรตีนสูงเช่นปลาไก่ไข่และเนื้อแดงให้ลิวซีนจำนวนมากต่อร่างกาย

เมล็ดข้าวโพดขาดกรดอะมิโนไลซีนและทริปโตเฟนมีโครงสร้างตติยภูมิที่เข้มงวดมากสำหรับการย่อยอาหารและมีคุณค่าทางโภชนาการเพียงเล็กน้อยอย่างไรก็ตามมีลิวซีนและไอโซลิวซีนสูง

ผลไม้ของพืชตระกูลถั่วอุดมไปด้วยกรดอะมิโนที่จำเป็นเกือบทั้งหมด: ไลซีน, ธ รีโอนีน, ไอโซลูซีน, ลิวซีน, ฟีนิลอะลานีนและวาลีน แต่มีเมทไธโอนีนและซีสเทอีนต่ำ

Leucine สกัดทำให้บริสุทธิ์และเข้มข้นในเม็ดเป็นผลิตภัณฑ์เสริมอาหารสำหรับนักกีฬาระดับสูงและวางตลาดเป็นยา แหล่งที่มาหลักในการแยกกรดอะมิโนนี้สอดคล้องกับแป้งถั่วเหลืองที่ผ่านการสลายไขมัน

มีผลิตภัณฑ์เสริมอาหารที่นักกีฬาใช้เพื่อการฟื้นฟูกล้ามเนื้อเรียกว่า BCAA (Branched Chain Amino Acids) ให้กรดอะมิโนโซ่กิ่งที่มีความเข้มข้นสูง ได้แก่ ลิวซีนวาลีนและไอโซลิวซีน

ประโยชน์ของการบริโภค

อาหารที่อุดมด้วยลิวซีนช่วยควบคุมโรคอ้วนและโรคเกี่ยวกับการเผาผลาญอื่น ๆ นักโภชนาการหลายคนชี้ให้เห็นว่าอาหารที่อุดมไปด้วยลิวซีนและผลิตภัณฑ์เสริมอาหารที่มีกรดอะมิโนนี้มีส่วนช่วยในการควบคุมความอยากอาหารและความวิตกกังวลในผู้ใหญ่

โปรตีนทั้งหมดที่อุดมไปด้วยลิวซีนกระตุ้นการสังเคราะห์โปรตีนในกล้ามเนื้อ แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขึ้นของสัดส่วนของลิวซีนที่กินเข้าไปเมื่อเทียบกับกรดอะมิโนที่จำเป็นอื่น ๆ สามารถย้อนกลับการลดทอนของการสังเคราะห์โปรตีนในกล้ามเนื้อของผู้ป่วยสูงอายุได้

แม้แต่คนที่มีความผิดปกติของจอประสาทตาอย่างรุนแรงที่เป็นอัมพาตก็สามารถหยุดการสูญเสียมวลกล้ามเนื้อและความแข็งแรงได้ด้วยการเสริมลิวซีนในช่องปากที่ถูกต้องนอกเหนือจากการใช้แบบฝึกหัดการต่อต้านกล้ามเนื้อในระบบ

ลิวซีนวาลีนและไอโซลูซีนเป็นส่วนประกอบสำคัญของมวลที่ประกอบเป็นกล้ามเนื้อโครงร่างของสัตว์มีกระดูกสันหลังดังนั้นการมีอยู่จึงมีความสำคัญต่อการสังเคราะห์โปรตีนใหม่หรือเพื่อซ่อมแซมสิ่งที่มีอยู่

ความผิดปกติของการขาด

ความบกพร่องหรือความผิดปกติของเอนไซม์α-ketoacid dehydrogenase complex ซึ่งมีหน้าที่ในการเผาผลาญลิวซีนวาลีนและไอโซลิวซีนในมนุษย์อาจทำให้เกิดความผิดปกติทางจิตอย่างรุนแรง

นอกจากนี้ยังมีพยาธิสภาพที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญของกรดอะมิโนสายโซ่ที่แตกแขนงเหล่านี้ซึ่งเรียกว่า "โรคปัสสาวะเมเปิลไซรัป"

จนถึงปัจจุบันยังไม่มีการแสดงผลข้างเคียงจากการบริโภคลิวซีนมากเกินไป อย่างไรก็ตามแนะนำให้ใช้ปริมาณสูงสุด 550 มก. / กก. ต่อวันเนื่องจากไม่มีการศึกษาระยะยาวเกี่ยวกับการได้รับกรดอะมิโนนี้ในเนื้อเยื่อมากเกินไป

อ้างอิง

1. Álava, MDC, Camacho, ME, & Delgadillo, J. (2012). สุขภาพของกล้ามเนื้อและการป้องกัน sarcopenia: ผลของโปรตีนลิวซีนและß-hydroxy-ß-methylbutyrate Journal of Bone and Mineral Metabolism, 10 (2), 98-102.
2. Fennema หรือ (1993) เคมีอาหาร (เลขที่ 664: 543). Acribia
3. Massey, LK, Sokatch, JR และ Conrad, RS (1976) การย่อยสลายกรดอะมิโนแบบโซ่กิ่งในแบคทีเรีย บทวิจารณ์ทางแบคทีเรีย, 40 (1), 42.
4. Mathews, CK, & Ahern, KG (2002). ชีวเคมี. การศึกษาของเพียร์สัน.
5. เมโร, A. (1999). การเสริม Leucine และการฝึกอบรมอย่างเข้มข้น เวชศาสตร์การกีฬา, 27 (6), 347-358.
6. Munro, HN (Ed.). (2012) การเผาผลาญโปรตีนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (ฉบับที่ 4) เอลส์
7. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008) หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger Macmillan