Asam amino rantai cabang leusin, isoleusin, dan valin adalah asam amino esensial dengan jalur metabolisme unik. Tidak seperti asam amino lain, katabolisme BCAA dimulai di otot rather than the liver, dan mereka memiliki fungsi pengatur penting dalam sintesis protein, sekresi insulin, dan metabolisme energi.

Struktur dan Sifat Esensial

Valin memiliki rantai samping isopropil, leusin memiliki rantai samping isobutil, dan isoleusin memiliki rantai samping sek-butil yang mengandung pusat kiral. Ketiganya esensial pada manusia dan harus diperoleh dari protein makanan. Mereka sangat melimpah di jaringan otot, produk susu, telur, dan kacang-kacangan, merupakan sekitar 20% dari asupan protein makanan.

Katabolisme

Katabolisme BCAA dimulai dengan langkah umum pertama yang dikatalisis oleh transaminase rantai cabang. Enzim ini mentransfer gugus amino ke alfa-ketoglutarat, menghasilkan glutamat dan asam alfa-keto rantai cabang yang sesuai. BCAT ada dalam dua bentuk: bentuk sitosolik tersebar luas, sementara bentuk mitokondria sangat diekspresikan di otot rangka, otak, dan plasenta. Tidak seperti transaminasi asam amino lainnya, katabolisme BCAA awal terjadi terutama di jaringan ekstrahepatik, khususnya otot rangka.

Langkah kedua adalah dekarboksilasi oksidatif dari asam alfa-keto rantai cabang oleh kompleks dehidrogenase asam alfa-keto rantai cabang, yang secara struktural mirip dengan piruvat dehidrogenase. Langkah komitmen ireversibel ini menghasilkan turunan asil-KoA rantai cabang yang selanjutnya dimetabolisme oleh jalur yang berbeda. BCKAD diatur oleh fosforilasi, dengan kinase BCKAD menginaktivasi kompleks dan fosfatase BCKAD mengaktifkannya. Aktivitas BCKAD rendah di otot memungkinkan gugus amino yang berasal dari BCAA digunakan untuk sintesis alanin dan glutamin.

Metabolisme Leusin

Leusin bersifat ketogenik, menghasilkan asetoasetat dan asetil-KoA. Setelah transaminasi dan dekarboksilasi, isovaleril-KoA mengalami dehidrogenasi dan karboksilasi untuk membentuk beta-metilkrotonil-KoA, yang diubah menjadi beta-hidroksi-beta-metilglutaril-KoA oleh HMG-CoA lyase. HMG-KoA dibelah menjadi asetoasetat dan asetil-KoA, yang memasuki siklus asam sitrat atau digunakan untuk sintesis badan keton.

Metabolisme Isoleusin

Isoleusin bersifat glukogenik dan ketogenik. Katabolismenya menghasilkan asetil-KoA, propionil-KoA, dan asetoasetat. Propionil-KoA diubah menjadi suksinil-KoA, zat antara glukogenik, melalui jalur yang memerlukan biotin dan vitamin B12. Nasib ganda ini membuat isoleusin bersifat glukogenik dan ketogenik.

Metabolisme Valin

Valin bersifat murni glukogenik. Katabolismenya menghasilkan propionil-KoA, yang diubah menjadi suksinil-KoA untuk glukoneogenesis. Jalur propionil-KoA memerlukan karboksilasi yang bergantung pada biotin dan penataan ulang yang bergantung pada vitamin B12, membuat metabolisme valin sensitif terhadap defisiensi vitamin ini.

Regulasi Sintesis Protein

Leusin adalah aktivator kuat sintesis protein melalui jalur pensinyalan mTOR. Leusin berikatan dengan sestrin2, melepaskan inhibisi kompleks GATOR2, yang pada gilirannya mengaktifkan mTORC1. mTORC1 memfosforilasi p70 S6 kinase dan 4E-BP1, mendorong inisiasi translasi dan biogenesis ribosom. Sinyal anabolik ini sangat penting untuk mempertahankan massa otot dan menjelaskan popularitas suplemen BCAA di kalangan atlet.

Leusin juga menghambat proteolisis dengan mengurangi autofagi dan aktivitas ubiquitin-proteasom. Kombinasi peningkatan sintesis protein dan penurunan degradasi membuat metabolisme BCAA menjadi penentu kunci keseimbangan protein otot. Leusin juga merangsang sekresi insulin dari sel beta pankreas, meningkatkan penyerapan glukosa oleh otot dan mendorong anabolisme protein bersih.

Penyakit Urine Sirup Maple

Penyakit urine sirup maple akibat defisiensi dehidrogenase asam alfa-keto rantai cabang, menyebabkan akumulasi BCAA dan asam alfa-keto yang sesuai dalam darah dan urine. Bau manis khas dalam urine dan kotoran telinga memberi nama penyakit ini. MSUD yang tidak diobati menyebabkan kerusakan neurologis, kejang, koma, dan kematian pada masa bayi. Pengobatan melibatkan pembatasan diet BCAA dan pemantauan metabolisme yang cermat. Insidensinya sekitar 1 dari 185.000 di seluruh dunia tetapi lebih tinggi pada populasi tertentu, seperti komunitas Mennonite di mana mutasi pendiri pada gen BCKAD lazim.

BCAA pada Penyakit Metabolik

Kadar BCAA yang tinggi terkait dengan resistensi insulin, obesitas, dan diabetes tipe 2. Hubungannya kompleks. BCAA dapat berkontribusi pada resistensi insulin dengan mengaktifkan mTORC1, yang memfosforilasi IRS-1 pada residu serin, mengganggu pensinyalan insulin. Atau, BCAA yang meningkat dapat mencerminkan gangguan katabolisme akibat disfungsi mitokondria pada obesitas. Suplementasi BCAA telah dipelajari untuk berbagai kondisi, dengan bukti yang mendukung manfaat pada penyakit hati, pemborosan otot, dan pemulihan olahraga, sementara kekhawatiran ada tentang risiko metabolisme potensial.