Understanding Proteins: Structure, Function, and Digestion

1. Lesson 4 Protein Nutrition

2. Proteins are large biomolecules, or macromolecules, consisting of one or more long chains of amino acid residue.

3. What Are Proteins? Large molecules Made up of chains of amino acids Are found in every cell in the body Are involved in most of the body’s functions and life processes The sequence of amino acids is determined by DNA

4. Structure of Proteins Made up of chains of amino acids; classified by number of amino acids in a chain Peptides: fewer than 50 amino acids Dipeptides: 2 amino acids Tripeptides: 3 amino acids Polypeptides: more than 10 amino acids Proteins: more than 50 amino acids Typically 100 to 10,000 amino acids linked together Chains are synthesizes based on specific bodily DNA Amino acids are composed of carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen

5. Structural Differences Between Carbohydrates, Lipids, and Proteins

6. Amino Acid

7. Peptide Bonds Link Amino Acids Form when the acid group (COOH) of one amino acid joins with the amine group (NH2) of a second amino acid Formed through condensation Broken through hydrolysis

8. Condensation and Hydrolytic Reactions Figure 6.3

9. Essential, Nonessential, and Conditional Essential – must be consumed in the diet Nonessential – can be synthesized in the body Conditionally essential – cannot be synthesized due to illness or lack of necessary precursors Premature infants lack sufficient enzymes needed to create arginine

11. Structure of the Protein Four levels of structure Primary structure Secondary structure Tertiary structure Quaternary structure Any alteration in the structure or sequencing changes the shape and function of the protein

12. Denaturing Alteration of the protein’s shape and thus functions through the use of Heat Acids Bases Salts Mechanical agitation Primary structure is unchanged by denaturing

13. Denaturing a Protein Figure 6.5

14. Quick Review Proteins are chains of combination of amino acids Amino acids contain carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sometimes sulfur Unique amino acids consist of a central carbon with a carboxyl group, a hydrogen, a nitrogen-containing amine group, and a unique side chain There are 20 side chains and 20 unique amino acids 9 essential amino acids 11 nonessential amino acids At time these become conditionally essential Amino acids link together with peptide bonds by condensation and break apart by hydrolysis

15. Quick Review Attractions and interactions between the side chains cause the proteins to fold into precise three-dimensional shapes Protein shape determines its function Proteins are denatured and their shapes changed by Heat Acids Bases Salts Mechanical agitation

16. Protein Digestion: STEP 1 Figure 6.6

17. Protein Digestion: STEP 2 Figure 6.6

18. Protein Digestion: STEP 3 Figure 6.6

19. Protein Digestion: STEP 4 Figure 6.6

20. Protein Digestion in the GI Tract

21. Amino Acid and Peptide Absorption • Intestinal cells have various transport proteins at both the luminal side and the blood side to give AAs and peptides access to the circulation • Transporters can carry • Free AAs • Di- and tripeptides • For example, can transport carnosine, a dipeptide • Nonprotein AAs • For example, can transport creatine from intestine to blood Lumen Intestinal cell Blood Transporters Amino acids Peptidases Oligopeptides TripeptidesDipeptides Cellular membrane

24. Fast Versus Slow Digestion of Proteins • Proteins are digested at different rates • Similar to glycemic index concept for carbohydrates • Whey versus casein • Whey is rapidly digested and results in quick rise in plasma AAs (fast protein) • Casein forms a curd and takes longer to empty from the stomach (slow protein) • Less dramatic, but more sustained rise in plasma AAs after consumption • Soy protein • Digested faster than whole milk protein, which contains both whey + casein • Overall, more like a fast protein, but slower than whey

25. Transcription of DNA for Making Cellular Proteins • Transcription of DNA • Makes the template (mRNA) for synthesizing proteins • Sequence of mRNA bases (A, C, G, & U) arranged in units of 3 that “code” for specific amino acids Nucleus DNA Rough ER mRNA

26. Translation of DNA for Making Cellular Proteins • Translation of mRNA • Actual building of new proteins by the ribosome • tRNA brings a specific AA to the ribosome, which matches the mRNA template and adds the AA to a growing peptide chain Tyr Phe Gln Peptide bond Amino acid …….. Met Cys tRNAs A A A G U U A U A U A C A C A Rough ER U G U A U G U A U U U U C A A mRNA at ribosome Initiator codon Ribosome Direction of ribosome movement

27. Protein Turnover • There is a constant flux between making new muscle protein and breaking down old muscle protein • Known as “protein turnover” • Goal for increasing muscle size is for muscle protein synthesis to exceed breakdown Muscleprotein Musclebreakdown Musclesynthesis Aminoacids Blood Amino acids

28. Fast- Versus Slow-Digested Proteins in Protein Turnover • In general, milk proteins are superior to soy for stimulating protein synthesis • Whey (fast protein) stimulates protein synthesis to a greater extent than casein (slow protein) and soy (moderate-fast protein) • Casein reduces muscle protein breakdown better than whey protein • Mixed protein sources provide benefits of all

29. Branched Chain Amino Acids (BCAAs) CH2 H3C • BCAAs are • Unlike other amino acids, most BCAA metabolism occurs in skeletal muscle • Liver lacks first 2 enzymes in the pathway that break down BCAAs • Leucine is also unique among AAs in its ability to stimulate synthesis of new muscle proteins CH2 H3C CH- CH-CH2- CH- H3C H3C H H H CH3 Leucine Isoleucine Valine C C C COO- COO- COO- NH3+ NH3+ NH3+

30. How Does the Body Use Protein? Functions of protein Provide structural and mechanical support Maintain body tissues Functions as enzymes and hormones Help maintain acid base balance Transport nutrients Assist the immune system Serve as a source of energy when necessary

31. How Much Protein Do You Need? Healthy, nonpregnant adults Should consume enough to replace what is used every day The goal is nitrogen balance Pregnant woman, people recovering from surgery or injury, and growing children Should consume enough to build new tissue

32. Nitrogen Balance and Imbalance Figure 6.12

33. Dietary Protein Complete protein contains all the essential amino acids needed to build new proteins. Animal sources of protein tend to be complete Incomplete proteins sources lack one or more essential amino acids that the body can't make from scratch or create by modifying another amino acid These usually come from fruits, vegetables, grains, and nuts.

34. Protein in Foods • Eating foods of high-quality protein is the best assurance to get all the essential amino acids. • Complementary proteins can also supply all the essential amino acids. • A diet inadequate in any of the essential amino acids limits protein synthesis. • The quality of protein is measured by its amino acid content, digestibility, and ability to support growth.

35. Protein in Foods • Protein Quality • Digestibility • Depends on protein’s food source • Animal proteins are 90-99% absorbed. • Plant proteins are 70-90% absorbed. • Soy and legumes are 90% absorbed. • Other foods consumed at the same time can change the digestibility

36. Protein in Foods • Protein Quality • Amino Acid Composition • The liver can produce nonessential amino acids. • Cells must dismantle to produce essential amino acids if they are not provided in the diet. • Limiting amino acids are those essential amino acids that are supplied in less than the amount needed to support protein synthesis. • Reference Protein is the standard by which other proteins are measured. (Egg White) • Based on their needs for growth and development, preschool children are used to establish this standard.

37. Protein in Foods • Protein Quality • High-Quality Proteins • Contains all the essential amino acids • Animal foods contain all the essential amino acids. • Plant foods are diverse in content and tend to be missing one or more essential amino acids. • Complementary Proteins • Combining plant foods that together contain all the essential amino acids • Used by vegetarians

38. Not All Protein Is Created Equal High quality protein Is digestible Contains all essential amino acids Provides sufficient protein to synthesize nonessential amino acids It helps to be aware of: Amino acid score Limiting protein Protein digestibility corrected amino acid score (PDCAAS) Biological value of protein rates absorption and retention of protein for use

39. Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score เป็นค่าความสามารถในการย่อยโปรตีนเพื่อให้ได้ปริมาณกรดอะมิโนแก่ร่างกาย เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ต่อร่างกายต่อไป PDCAAS เป็นค่ามาตรฐานในการตรวจสอบคุณภาพโปรตีนที่ผ่านการยอมรับ เพื่อชี้วัดคุณภาพโปรตีนโดยมีค่าสูงสุดเท่ากับ 1.0 หรือ 100% ซึ่งอาหารที่ได้โปรตีนที่มีค่าเท่ากับ 1.0 ได้แก่ นม และ ไข่

40. Biological Value of Protein (BV) / คุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน ค่า BV เป็นอีกวิธีการหนึ่งที่ใช้ประเมินคุณภาพของโปรตีน เป็นการวัดว่าเมื่อกินโปรตีนชนิดนั้นเข้าสู่ร่างกาย จะมีไนโตรเจนเหลืออยู่ในร่างกายเท่าใด ในการรักษาสภาพหรือเพื่อการเจริญเติบโตของร่างกาย และมีสุขภาพดีเปรียบเทียบกับปริมาณไนโตรเจนที่ร่างกายดูดซึมเข้าไป ซึ่งการวัดคุณค่าทางชีวภาพจะกระทำการทดสอบในสัตว์ทดลอง และสามารถกระทำการทดสอบกับคนก็ได้ ผู้ทดลองหรือสัตว์ทดลองจะได้รับอาหารที่ไม่มีไนโตรเจน (nitrogen-free diet) เป็นระยะเวลาประมาณ 7-10 วัน หลังจากนั้นให้สัตว์ทดลองกินอาหารที่มีโปรตีนที่ถูกทดสอบ ให้มีปริมาณโปรตีนเท่ากับความต้องการของร่างกายเป็นระยะเวลาที่เท่ากัน เก็บอุจจาระและปัสสาวะในแต่ละวัน นำมาวิเคระห์หาปริมาณไนโตรเจนที่ขับออกมาในอุจจาระและปัสสาวะ ตลอดระยะเวลาที่ทำการทดลองทั้งระหว่างที่กินอาหารที่ปราศจากไนโตรเจนและอาหารที่มีโปรตีนตัวอย่าง แล้วนำมาคำนวณหาผลต่างของปริมาณไนโตรเจนในอุจจาระและปัสสาวะ นำค่าปริมาณไนโตรเจนที่ขับออกมาในอุจจาระและปัสสาวะมาเปรียบเทียบกัน ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนแปลงปริมาณไนโตรเจนที่ขับออกมาในอุจจาระและปัสสาวะระหว่างที่ได้รับอาหารทั้งสองชนิด คำนวณหาคุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน

41. คุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน          =           I-(F-F0)-(U-U0)    x  100 I - (F - F0) เมื่อ I   = ปริมาณไนโตรเจนทั้งหมดที่ได้รับ F   =ปริมาณไนโตรเจนในอุจจาระขณะที่กินอาหารที่มีโปรตีนตัวอย่าง F0   =   ปริมาณไนโตรเจนในอุจจาระที่มาจากภายในร่างกาย (endogenous)  เมื่อกินอาหารที่ไม่มีไนโตรเจน   U  =    ปริมาณไนโตรเจนในปัสสาวะขณะที่กินอาหารที่มีโปรตีนตัวอย่าง U0 =    ปริมาณไนโตรเจนในปัสสาวะที่มาจากภายในร่างกายเมื่อกินอาหารที่ไม่มี ไนโตรเจน

42. คุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน = ไนโตรเจนที่เหลืออยู่ในร่างกาย x 100 ไนโตรเจนที่ถูกดูดซึมเข้าสู่ร่างกาย ไนโตรเจนที่เหลืออยู่ในร่างกาย  = ไนโตรเจนที่ร่างกายได้รับ – ไนโตรเจนในอุจจาระ ปัสสาวะและเหงื่อ ไนโตรเจนที่ถูกดูดซึมเข้าสู่ร่างกาย = ไนโตรเจนที่ร่างกายได้รับ – ไนโตรเจนในอุจจาระ

43. Amino acid score เป็นค่าที่ใช้เปรียบเทียบปริมาณกรดอะมิโนจำเป็น (essential amino acid) ในอาหาร กับกรดอะมิโนชนิดเดียวกันที่มีอยู่ในโปรตีนอ้างอิง (เช่น ไข่) อัตราส่วนของกรดอะมิโนจำเป็นชนิดใดมีค่าน้อยที่สุด ตัวเลขนั้นคือ amino acid score ของอาหารนั้น และเรียกกรดอะมิโนจำเป็นที่มีค่าน้อยที่สุด ว่า limiting amino acid กรดอะมิโนจำเป็นที่วิเคราะห์ได้มีหน่วยเป็นมิลลิกรัมต่อกรัมของโปรตีน แล้วนำชนิดและปริมาณของกรดอะมิโนจำเป็นในโปรตีนตัวอย่างมาเปรียบเทียบกับโปรตีนของไข่ทั้งฟอง ซึ่งกำหนดให้มี chemical score เป็น 100 เนื่องจากไข่ขาวจัดเป็นโปรตีนที่สมบูรณ์ที่สุด คือมีกรดอะมิโนจำเป็นทั้งชนิดและปริมาณมากกว่าที่ร่างกายต้องการ หรือนำไปเปรียบเทียบกับโปรตีนอ้างอิง (ideal reference protein) แล้วคำนวณออกมาดังสมการ

44. Chemical score ของโปรตีนตัวอย่าง = ปริมาณของกรดอะมิโนจำเป็นแต่ละชนิด x 100 ปริมาณกรดอะมิโนจำเป็นชนิดเดียวกันที่มีในโปรตีนอ้างอิง  Amino acid score     = มิลลิกรัมของกรดอะมิโนจำกัดต่อกรัมของโปรตีนที่ทดสอบ x 100 มิลลิกรัมของกรดอะมิโนจำกัดชนิดเดียวกันต่อกรัมของโปรตีนอ้างอิง

45. โปรตีนในอาหารที่จะนำมาวิเคราะห์หาค่า chemical score จะต้องทำให้บริสุทธิ์และไฮโดรไลซ์ให้สมบูรณ์ เพื่อจะได้ทราบถึงชนิดและปริมาณของกรดอะมิโนจำเป็นที่เป็นองค์ประกอบอยู่ในโปรตีนนั้นๆ แล้วคำนวณหา กรดอะมิโนจำเป็นชนิดที่มีเปอร์เซ็นต์ chemical score ต่ำที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับไข่หรือโปรตีนอ้างอิง เรียกว่า กรดอะมิโนจำกัด (limiting amino acid) ชนิดแรกของโปรตีนนั้น กรดอะมิโนจำเป็นที่มีเปอร์เซ็นต์ chemical score ถัดไปจะเป็น กรดแอมิโนจำกัดชนิดที่สอง

46. ตารางกรดอะมิโนจำกัดของโปรตีนในอาหารบางชนิดตารางกรดอะมิโนจำกัดของโปรตีนในอาหารบางชนิด ที่มา : Davison et al. (1973)

47. Protein efficiency ratio (PER) เป็นวิธีการทางชีววิทยาที่ใช้ประเมินคุณภาพของโปรตีน ค่านี้เป็นอัตราส่วนของน้ำหนักตัวที่เพิ่มขึ้นต่อปริมาณของโปรตีนที่สัตว์ทดลองได้รับขณะที่กำลังเจริญเติบโต เมื่อเปรียบเทียบกับโปรตีนมาตรฐาน สัตว์ทดลองที่นิยมใช้ คือ ลูกหนู จึงเป็นการวัดน้ำหนักของลูกหนูที่เพิ่มขึ้นระหว่างการเจริญเติบโตต่อกรัมของโปรตีนที่ลูกหนูกินเข้าไป หากโปรตีนมีค่า PER สูง แสดงว่าเป็นโปรตีนที่มีคุณภาพดี เช่น โปรตีนไข่ขาวเป็นโปรตีนที่มีคุณภาพดีที่สุด มีค่า PER 4.2 ส่วนโปรตีนที่มีค่า PER ต่ำจัดเป็นโปรตีนที่มีคุณภาพต่ำ เช่น โปรตีนในข้าวเจ้ามีค่า PER 2.2 และข้าวสาลีมีค่า PER 1.5

48. Protein Quality Complete proteins Contain all nine essential amino acids Usually animal source are complete proteins Are considered higher quality Incomplete proteins Low in one or more essential amino acid Usually plant sources are incomplete

49. Protein Needs Protein intake recommendations 10–35% of total daily kilocalories Adults over 18 0.8 g/kg daily American College of Sports Medicine, the American Dietetic Association, and other experts advocate 50–100% more protein for competitive athletes participating in endurance exercise or resistance exercise Typically this population eats more and therefore gets additional protein

50. Quick Review Protein quality is determined by digestibility and types and amounts of amino acids Animal protein is more easily digested and complete Plant proteins are typically incomplete, except soy Plant proteins can be complemented with proteins from other plant sources or animal source to improve their quality Adults should consume 0.8 g/kg/d of protein Men and women in the United States tend to over consume protein