Франческо С. Диогуарди

1 Отдел за клинично хранене по вътрешни болести, Университет в Милано, Via Pace 9, 20122 Милано, Италия

2 Via Sannio 28, 20137 Милано, Италия

Резюме

Въведение

През 1944 г. Шрьодингер предлага, че животът може да се основава на законите на физиката [1]. Оттогава се предлагат много опити за определяне на живота. Всички опити обаче получиха сериозна критика, но поне има общо съгласие по три характеристики, характерни за всички живи системи: самовъзпроизвеждане (позволяващо запазване на информацията), мутация (позволяваща еволюция) и метаболизъм (позволяваща избор на система за определена функция) [2].

От грубата гледна точка на изследователя относно ролята на аминокиселините (АА) в човешкия метаболизъм, животът е огромната енергийна цена за поддържане на концентрирани количества атоми, най-вече въглерод, кислород, водород и азот. Тези атоми са затворени в ограничената среда, която ние идентифицираме като клетки, тъкани, органи и организми. Науките за живота са изучаването на сложната организация, която позволява поддържането на непрекъснато производство на тази енергия. При бозайниците енергията се получава най-вече от разграждането на въглерод-въглеродните връзки, присъстващи в някои хранителни вещества. Такива хранителни вещества трябва да се въвеждат в достатъчно големи количества и по този начин се идентифицират като макро-хранителни вещества (от древногръцки - макро = големи, големи). Органичните молекули, особено AA, са присъствали на земята много преди животът да се развие [3] и в крайна сметка животът е станал възможен чрез адаптиране на дейностите и функциите според хранителните възможности, налични в околната среда. За разлика от други организми като растенията, бозайниците не притежават генетичната способност да използват неорганичен азот за поддържане на живота. По този начин ние зависим от постоянното снабдяване с азот за растеж, развитие и оцеляване [4].

Скелетни мускули като резервоар за аминокиселини

Следователно състояния, придружени от дисбаланс между предлагането и нуждите, в крайна сметка водят до изчерпване на основния резервоар АА в тялото, скелетните мускули [5, 6].

Саркопенията, загубата и кахексията са клиничната демонстрация, че АА са важни субстрати за първия приоритет на живота - производството на енергия. Адекватното хранене, от друга страна, би могло да осигури достатъчно количество въглехидрати и липиди, за да се спести прекомерното разграждане на АА за енергиен метаболизъм и да осигури достатъчно незаменими аминокиселини (EAA) за насърчаване и поддържане на синтеза [7]. В този контекст значимостта на концепцията, че само EAA насърчават и поддържат мускулния синтез [8], не може да бъде подчертана достатъчно по отношение на пълнотата на неговите последици [9]. Наличността на EAA контролира баланса между синтеза и разграждането на човешкия мускул, наличността на EAA е ограничителният фактор за поддържане на синтеза на нови протеини. Съотношението между разграждането и синтеза е от основно значение за поддържане на ефективни базирани на протеини дейности и функции, а промяната на размерите на предлагането на АА дълбоко променя този баланс [10].

Ролята на незаменимите аминокиселини в мускулния метаболизъм

Концентрациите на АА в човешките клетки се регулират от експресията на АА транспортери, които се контролират и регулират чрез увеличаване на наличността на ЕАА [11]. Наличието на всички EAA в адекватни стехиометрични съотношения не е единственият ограничаващ фактор за синтеза на протеини, но EAA също са сигнални молекули и модулатори на генната експресия. По този начин, продължителното добавяне на EAAs увеличава базалната и пост-инсулиновата стимулация на ключовите сигнали на пътя инсулин/AKT/mTOR и се подтиква да възстанови реакцията към пост-деградация на инсулин IRS1 в мускулите на застаряващи плъхове [12]. Друга характеристика, съпътстваща стареенето, загуба на митохондрии, е обърната чрез добавяне на EAA чрез активиране на зависимата от Sirt-1 митохондриална биогенеза [13]. Тази характеристика е успоредна с подобрено снабдяване с кислород чрез възстановяване на експресията на ендотелната азотна оксидна синтаза в ключови тъкани като бъбреците [14]. Като следствие от тези ефекти, хроничните добавки на EAA удължават живота в сравнение с нормалната диета или ограничението на калориите ad libitum [13].

При хора различни проучвания показват, че EAA са ефективни за насърчаване на протеиновия синтез независимо от възрастта [15] и за намаляване на мускулния катаболизъм дори при продължителна почивка в леглото при възрастни хора [16]. Диетичното добавяне на EAA също е било успешно при други патологични състояния, характеризиращи се с наличието на синдром на изхабяване на саркопения, като при хронична обструктивна белодробна болест, при което добавките на EAA подобряват протеиновия синтез, физическата сила и артериалния pO2 [17].

Възелът за изчисляване на нуждите от азот чрез синтез на урея

Важно е да се обсъдят потенциални грешки, които могат да произтичат от изчисляването на нуждите от азот, независимо от изискванията за EAA [7, 18]. Изчисляването на азотния баланс осигурява златния стандарт за оценка на съответствието на търсенето и предлагането на азот [19]. Широко прието е изчисляването на азотния баланс чрез използване на синтез на урея и анализ на връзката между пероралния прием на протеин и екскрецията на урея в урината. В този контекст азотният (N) баланс (B) се изчислява по формулата:

Това е доста обезпокоителен момент, тъй като Алисън идентифицира референтния протеин овалбумин през 1956 г., подходящ да осигури на хората адекватни количества EAA, и всички ентерални или парентерални хранителни състави оттогава използват стехиометрични съотношения на АА, подобни на тези, съдържащи се в референтния протеин . Всъщност Алисън беше много предвидлив и той също подчерта факта, че овалбуминът съдържа несъществени АА (като аргинин), които са доста високи, но вероятно необходими най-вече, за да се спестят ЕАА за основни органи от яйценосните. В действителност, несъществени AA могат да се използват за по-малко важни структури като пера [22].

Освен това EAA не са необходими, всички в еднакво количество. Като пример дневните нужди за левцин и тези за триптофан не са еднакви. Следователно може да се изчисли, че само пет EAA отговарят на 70% от общите нужди на EAA за азот: левцин, изолевцин, валин, хистидин и лизин [23]. В различни проучвания, занимаващи се с протеинови или АА ефекти, формулировка на АА като тази, представена на фиг. 1, се използва за извършване на протоколи за оценка на възможните диабетогенни ефекти на аминокиселините [24]. Тази формулировка имитира съдържанието на овалбумин АА. Ако изчислим броя на молекулите, съдържащи се в молекулното тегло на който и да е АА, предоставен от тази формулировка (т.е. стехиометричното съотношение) само за три несъществени АА като аргинин, аланин и глутамин, както и броя на молекулите на тези пет ЕАА които покриват 70% от човешките нужди, имаме драматичното усещане, че предоставяме огромен брой молекули, които не са подходящи за насърчаване на протеинови синтези [8]. Въпреки това, всички те пряко или косвено (например, като се използват за енергия) допринасят първо за аргинин, а след това за синтез на урея [25]. Аргининът също участва в развитието на инсулинова резистентност чрез въвеждане на азот [26, 27].

използване

Типична формулировка на аминокиселини, използвана в различни клинични проучвания, формулировка, вдъхновена към съдържанието на аминокиселини в овалбумин. Пропорции на базата на 100 mg, L-форми. Тази формула съдържа както незаменими (EAA), така и несъществени аминокиселини (NEAA). Преобладават несъществени аминокиселини върху есенциални. Но ако теглото ще се трансформира в брой молекули, съдържанието само на две несъществени аминокиселини, аланин и аргинин (аланин, 230 mmol; аргинин, 66 mmol; сума, 296 mmol) е значително по-добро от това на пет основни аминокиселини, които са необходими за покриване на 70% от нуждите на човека от азот (левцин, 56 mmol; изолевцин, 39 mmol; валин, 50 mmol; хистидин, 33,5 mmol; лизин, 38 mmol; сума, 219,5 mmol). Аланинът и аргининът имат значителни смущения в метаболизма на глюкозния окислител

При пациенти с хронично бъбречно заболяване, добавките на EAA се оказват по-ефективни от подобни на овалбумин състави за насърчаване на синтеза на висцерални протеини, без да променят производството на урея [28]. Подобни находки са наблюдавани при пациенти с диабет, засегнати от хронична сърдечна недостатъчност [29, 30], и при пациенти в интензивно отделение след неврохирургия [31]. Следователно, ние винаги трябва да се запитаме дали повишаването на екскрецията на урея е признак за подобрен азотен баланс, или ако такива увеличения просто отразяват неадекватна наличност на EAA като част от прекомерното несъществено снабдяване с АА, т.е. несъответствието на доставките изисквания и нужди.

Токсичност на аминокиселините

Съдържащите сяра АА са незаменими за цял живот. Сред тях метионинът е единственият, който се счита за основен. За да се предотврати излишният синтез на Hcys, две до три молекули цистеин за всяка доставена молекула метионин биха били най-добрият начин да се отговори на телесните изисквания и аспектите на безопасността [44]. Аргининът е един от несъществените АА, които могат да станат „условно есенциални“, т.е. да не се синтезират в адекватни количества по време на силно взискателни патологични състояния. Това е необходимият субстрат за производството на NO, но проучването VINTAGE показа, че екзогенното хронично снабдяване е потенциално вредно при пациенти след миокарден инфаркт [45]. Острото приложение обаче предизвиква повишено производство на NO, дори ако се счита, че ендотелните вътреклетъчни концентрации на аргинин са в голяма степен достатъчни за пълно насищане на NO синтеза, феномен, известен като „парадоксът на аргинина“ [46].

Заключителни бележки

EAA са незаменими за поддържане на живота при нормални и патологични условия. Модификациите на генетичната експресия, предизвикани от увеличаване на предлагането на EAA, предполагат благоприятни ефекти от хронично модифициране на съотношението с несъществени AA.

Следователно допълването на диетата с EAA е ефективен метод за увеличаване на ефективността на доставката на азот и поддържане целостта на най-големия резервоар от аминокиселини, скелетни мускули, като същевременно оптимизира синтеза на урея. Предложението за квалифициран клиницист може да бъде да се вземе предвид възможността да се използва добавка от 1–1,5 g/10 kg -1 ден -1 с EAA при всеки пациент с плазмен албумин по-нисък от 3,5 g/L -1, тъй като те са сумите, използвани с успех в публикувани клинични проучвания. Пациентите, които не реагират на такива добавки в рамките на 2-3 седмици или с влошени стойности на албумин, или тези, които имат стойности на албумин под 3,2 g/L -1, трябва да бъдат насочени към интензивното лечение на клиничния диетолог. За общоклинични и прогностични цели нямаме по-добър метод за разбиране на достатъчното количество EAA, освен мониторинг на синтеза на висцерални протеини.

Благодарности

Авторът на този ръкопис удостоверява, че спазва Принципите на етичното публикуване в Journal of Cachexia, Sarcopenia и Muscle [53]. Авторът иска да благодари на д-р Стефан фон Хелинг и г-жа Катрин Вайс за ползотворни дискусии и полезни предложения.

Конфликт на интереси Авторът служи като консултант с хонорари за Professional Dietetics s.r.l, Милано, Италия.

Свободен достъп Тази статия се разпространява при условията на некоммерческия лиценз Creative Commons Attribution, който позволява всякакво нетърговско използване, разпространение и възпроизвеждане на какъвто и да е носител, при условие че оригиналните автори и източник са кредитирани.