Eiweißaminosäuren – welche Rolle spielen die biogenen Aminosäuren und wo können sie eingesetzt werden?

Biogene Aminosäuren sind Aminosäuren, die im menschlichen Körper natürlich vorkommen und einen Teil der Proteine bilden. Es gibt 20 grundlegende Proteinaminosäuren, die für das korrekte Funktionieren vieler Körperfunktionen unerlässlich sind. Sie spielen auch eine wichtige Rolle in der Kosmetikindustrie, bei der Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln und in Futtermittelzusatzstoffen. Warum sind Eiweißaminosäuren so wichtig, welche biogenen Aminosäuren unterscheiden wir und in welchen Bereichen werden sie verwendet?

Was sind Eiweißaminosäuren?

Proteinaminosäuren sind eine Gruppe organischer chemischer Verbindungen, aus denen Proteine bestehen. Nach verschiedenen Klassifizierungen gibt es 20-23 von ihnen, während bei den Nicht-Protein-Aminosäuren mehr als 300 unterschieden werden.

Die Proteinaminosäuren verbinden sich in einer bestimmten Reihenfolge (die durch die DNA des betreffenden Organismus bestimmt wird) über Peptidbindungen zu Peptiden und Proteinen.

Die grundlegenden Proteinaminosäuren sind: Alanin, Cystein, Asparagin- und Glutaminsäure, Phenylalanin, Glycin, Histidin, Isoleucin, Lysin, Leucin, Methionin, Asparagin, Prolin, Glutamin, Arginin, Serin, Threonin, Valin, Tryptophan und Tyrosin. Außerdem werden häufig Selenocystein und Pyrolysin genannt, die ebenfalls Proteine bilden können, aber der Mechanismus ihres Einbaus in die Struktur dieser Verbindungen ist anders.

Zu den Nicht-Protein-Aminosäuren gehören z. B. GABA, L-DOPA, Taurin oder Triiodthyronin.

Eigenschaften von Eiweißaminosäuren

Eiweißaminosäuren kommen in der Natur im Körper lebender Organismen vor. Sie enthalten eine basische Aminogruppe und eine saure Carboxylgruppe. Unter physiologischen pH-Bedingungen liegen sie daher meist in ionischer Form vor und bilden ein so genanntes Zwitter-Ion oder eine dipolare Verbindung, die ionisierte Gruppen mit entgegengesetzten Ladungen enthält.

In dieser Form haben Aminosäuren die typischen Eigenschaften von Salzen – sie kommen in kristalliner Form vor, haben einen hohen Schmelzpunkt, sind wasserlöslich und unlöslich in Kohlenwasserstoffen.

Proteinaminosäuren sind von der Molekularstruktur her α-Aminosäuren mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom in L-Konfiguration (außer Glycin) – die D-Konfiguration findet sich in Mikroorganismen oder Pflanzen. Biogene Aminosäuren haben eine Seitenkette, die polar oder unpolar sein kann, und können enthalten: einen aromatischen Ring, eine aliphatische Kette, einen Schwefel, eine Hydroxylgruppe und eine zusätzliche Amin- oder Carboxylgruppe.

Einteilung der Proteinaminosäuren

Alle Proteinaminosäuren können auf verschiedene Weise unterteilt werden. Kriterien für die Einteilung sind z. B.:

• die Polarität der Seitenkette;
• die chemische Natur (neutral, sauer oder basisch);
• die Möglichkeit der Biosynthese im menschlichen Körper (endogene oder exogene Aminosäuren);
• den Abbauweg und das Hauptabbauprodukt der Aminosäure (ketogene und glucogene Aminosäuren, deren Endprodukte Ketonkörper bzw. Glucose sind).

Die Unterteilung in endogene und exogene Aminosäuren ist am relevantesten, da es sich bei den exogenen Aminosäuren um so genannte essenzielle Aminosäuren handelt, die der menschliche Körper nicht selbst herstellen kann und die ihm daher mit der Nahrung zugeführt werden müssen. Denn Aminosäuren sind im Körper nicht nur für den Aufbau von Proteinen (d.h. Muskeln, Hormonen, Enzymen und Neurotransmittern), sondern auch für die Energiegewinnung, den Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel, die Zellregeneration und den Hormonstoffwechsel verantwortlich und sorgen so für ein reibungsloses Funktionieren des Körpers.

Zu den exogenen Aminosäuren gehören: Lysin, Methionin, Threonin, Leucin, Isoleucin, Valin, Tryptophan und Phenylanalin. Relativ exogene Aminosäuren, d. h. vom Körper selbst produziert, aber nicht in ausreichender Menge, sind Arginin und Histidin. Tyrosin und Cystein hingegen sind Aminosäuren, die vom menschlichen Körper synthetisiert werden, allerdings aus anderen essenziellen Aminosäuren.

Verwendung von Eiweißaminosäuren

Industriell hergestellte Eiweißaminosäuren finden in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung. Das bekannteste Aminosäurederivat ist Mononatriumglutamat, das als Geschmacksverstärker verwendet wird. Viele Aminosäuren werden häufig als Zusatzstoffe in Tierfutter oder Nahrungsergänzungsmitteln verwendet.

Lebensmittelindustrie

Einige Eiweißaminosäuren werden als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet. Von besonderer Bedeutung ist hier Mononatriumglutamat, das Salz der Glutaminsäure. Es wird hauptsächlich als Geschmacks- und Aromaverstärker verwendet und ist Bestandteil von Fertigsuppen, Soßen, Konserven und Gewürzmischungen. Der durch Mononatriumglutamat erzeugte Geschmack wird als Umami bezeichnet.

Darüber hinaus werden viele essenzielle Aminosäuren als Zutaten in Spezialnahrung und klinischen Nahrungsmitteln für mangelernährte Patienten und Menschen mit besonderen Ernährungsbedürfnissen verwendet.

Futter- und Düngemittelzusatzstoffe

Methionin und Lysin werden hauptsächlich als Futtermittelzusatzstoffe verwendet, um ihren Nährwert zu erhöhen. Sie können auch organischen Futtermitteln zugesetzt werden. Die Anreicherung von Futtermitteln mit Aminosäuren ermöglicht es dem Tier, die Nahrung besser zu verwerten und alle notwendigen Proteine in seinem Körper zu produzieren. Dies ist besonders wichtig bei Milchvieh oder Geflügel – der Zusatz von Methionin oder Lysin ermöglicht eine höhere Milch- und Eierproduktion und ein effizienteres Wachstum der Muskelmasse des Tieres.

Threonin ist ebenfalls eine wichtige Aminosäure, die den Tieren als Futtermittelzusatz verabreicht wird, insbesondere zur Linderung von Darmentzündungen und Energiestoffwechselstörungen. Sie hat eine positive Wirkung auf das Verdauungs- und Immunsystem.

Methionin wird auch als Ergänzungsfuttermittel für Hunde verabreicht, um das Risiko von Nierensteinen zu verringern. In der Landwirtschaft wird Methionin auch als ungiftiges Schädlingsbekämpfungsmittel gegen bestimmte Raupen eingesetzt, die die Orangenkulturen befallen. Lysin kann auch als Düngemittelzusatz verwendet werden, um das Pflanzenwachstum zu fördern und den Nährwert zu verbessern.

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Medikamente und Nahrungsergänzungsmittel

Eiweißhaltige Aminosäuren, insbesondere verzweigtkettige Aminosäuren wie Leucin, Valin und Isoleucin, können sich bei sportlicher Betätigung positiv auswirken. Denn diese Aminosäuren unterstützen den Aufbau von Muskelmasse und die Muskelregeneration und verringern das Ermüdungsgefühl.

Darüber hinaus sind viele Aminosäuren in Nahrungsergänzungsmitteln enthalten, die das Nervensystem unterstützen, bei Schlafproblemen und gedrückter Stimmung helfen, das Immunsystem stärken und bei der Bekämpfung von Kreislauferkrankungen oder Verdauungsproblemen helfen. Auch in Arzneimitteln können Aminosäuren eine unterstützende Rolle spielen, z. B. wird Leucin als Dispersionsmittel in Inhalationspräparaten verwendet.

Tryptophan wird in Arzneimitteln und Nahrungsergänzungsmitteln zur Behandlung von Depressionen und Schlaflosigkeit eingesetzt, da es in 5-Hydroxytryptophan und dann in Serotonin umgewandelt wird.

Eine interessante Aminosäure, die in Nahrungsergänzungsmitteln verwendet wird, ist Taurin, eine nicht-proteinhaltige Aminosäure, die aus Methionin und Cystein besteht und natürlich im menschlichen Körper vorkommt. Diese Aminosäure wirkt sich positiv auf die Sehfunktion aus, senkt den Blutdruck, schützt die Leber, fördert den Fettabbau und erhöht die Energie, weshalb sie in Energydrinks verwendet wird.

Kosmetische Industrie

In der Kosmetikindustrie spielen Proteinaminosäuren eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Hautpflegeprodukten, insbesondere für das Gesicht. Sie sind häufig in Anti-Aging-Cremes enthalten, die die Haut stärken und mit Feuchtigkeit versorgen und die Epidermis weicher und geschmeidiger machen sollen, indem sie Wasserdefizite in den Hautzellen ausgleichen. Auf diese Weise wirken unter anderem Threonin und Prolin, aber auch Glycin oder Lysin. Diese Aminosäuren sind Vorstufen für die Produktion von Kollagen, das der Haut ihre Elastizität und Festigkeit verleiht. Neben Gesichtscremes und Lotionen finden sich biogene Aminosäuren auch in Masken, Peelings sowie Haarshampoos und -spülungen

Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung und in der chemischen Industrie

Einige der Eiweißaminosäuren finden in der wissenschaftlichen Forschung breite Anwendung, z. B. bei der Erforschung der Alterung oder des Eiweißstoffwechsels. Aus Phenylalanin kann im Labor Amphetamin gewonnen werden.

Darüber hinaus sind Aminosäuren von zentraler Bedeutung für die Biotechnologie – sie dienen als Substrate in Fermentationsprozessen, die zur Herstellung von Enzymen, Antibiotika und anderen biologisch aktiven Verbindungen durchgeführt werden.

In der chemischen Industrie können Aminosäuren für die Synthese von Polymeren, Kunststoffen und Spezialchemikalien verwendet werden.

Der Markt für biogene Aminosäuren

Derzeit werden Proteinaminosäuren auf verschiedene Weise hergestellt. Sie können chemisch und enzymatisch synthetisiert werden, wobei die Synthese durch bakterielle Fermentation (z. B. durch das Bakterium Corynebacterium glutamicum) überwiegt. Glutaminsäure und ihre Salze werden beispielsweise durch Fermentation hauptsächlich aus Sojabohnen gewonnen.

Die jährliche Glutamatproduktion lag 2005 bei 1,7 Millionen Tonnen, während sie 2018 bereits 4,7 Millionen Tonnen betrug, wovon mehr als 75 % in China hergestellt wurden. Glutaminsäure und ihre Salze machen den größten Anteil der produzierten biogenen Aminosäuren aus. Auf dem Podium stehen auch Methionin und Lysin, deren Synthese zusammen mit der Glutaminsäureproduktion 90-95 % der weltweiten biogenen Aminosäurenproduktion ausmacht. Die Produktion von Aminosäuren erreichte im Jahr 2016 7 Millionen Tonnen und nimmt stetig zu – man spricht von einem Anstieg von bis zu 7 % pro Jahr.