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Bachelor in Gesundheitswissenschaften und Technologie an der ETH, FS 2024 Ernährung - Proteine Wolfgang Langhans Professor emeritus Labor für Physiologie und Verhalten D-HEST, ETH Zürich  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der E...

Bachelor in Gesundheitswissenschaften und Technologie an der ETH, FS 2024 Ernährung - Proteine Wolfgang Langhans Professor emeritus Labor für Physiologie und Verhalten D-HEST, ETH Zürich  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der Ernährung ▪ Bedarf und biologische Wertigkeit ▪ Gesunde Diäten – was ist mit Protein? ▪ Proteine, die Probleme machen ▪ Verdauung der Proteine ▪ Absorption ▪ Proteinstoffwechsel - Schwerpunkt Leber Langhans - Protein | 21.04.2024 | 2 Zusammensetzung des menschlichen Körpers ▪ Körper: 15-20% Protein, davon ca. 50% in Skelettmuskulatur ▪ Einzige Stickstoffträger, die der Körper verwerten kann ▪ Wichtigste biochemische Funktionsträger ▪ Bausubstanzen (Kollagen ≈1/3 der gesamten Proteinmasse), Funktions- (Enzyme) und Informationsträger (Hormone) Erkennungsmoleküle (Antikörper, Rezeptoren) ▪ Auch als Energieträger (12-15% des Energieumsatzes (gesteigert beim Fasten). Langhans - Protein | 21.04.2024 | 3  Proteine – Funktionen Kommunikation Aktin Myosin Plasmaproteine für Enzyme Freie Fettsäuren und Biokatalyse Steroidhormone https://grafs-bio-seiten.de/kap-2-3/ Langhans - Protein | 21.04.2024 | 4  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der Ernährung ▪ Bedarf und biologische Wertigkeit ▪ Gesunde Diäten – was ist mit Protein? ▪ Proteine, die Probleme machen ▪ Verdauung der Proteine ▪ Absorption ▪ Proteinstoffwechsel – Schwerpunkt Leber Langhans - Protein | 21.04.2024 | 5  Protein in der Ernährung Proteinbedarf: ≈ 0.83 g/kg Körpermasse (gesunde Erwachsene ) Referenzwerte: Gruppen Step 1 (admin.ch) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 6  Biologische Wertigkeit ▪ Schätzung dafür, wie effizient ein Nahrungsprotein in körpereigenes Protein umgesetzt werden kann. ▪ Bedeutend bei adäquater Energieversorgung ▪ Abhängig von der Relation seiner Aminosäuren zum Bedarfsmuster an den einzelnen Aminosäuren. ▪ Besondere Bedeutung kommt dabei den essenziellen Aminosäuren zu ▪ Als Referenzwert dient Vollei. (Kofranyi und Wirths, 1987) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 7  Biologische Wertigkeit ▪ Mit der Abnahme der Wertigkeit eines Proteins steigt der Bedarf. ▪ Durch Kombination idealer Proteine kann der Bedarf reduziert werden. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 8  Die essenziellen proteinogenen Aminosäuren Es gibt 8 essenzielle Aminosäuren, welche mit der Nahrung aufgenommen werden müssen: Merksatz: Phenomenale Isolde trüpt metunter Leutnant Valentins lysterne Thräume. (+ Arginin und Histidin bei Kindern, Histidin bei Erwachsenen „semiessenziell“) http://www.seilnacht.com/Lexikon/amino.html Langhans - Protein | 21.04.2024 | 9  Amino Acid Score / Aminosäureindex Quotient aus tatsächlichem und benötigtem Anteil einer bestimmten Aminosäure in einem Lebensmittel Essenzielle Aminosäuren Aminosäureindex: im Englischen auch als “Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score” (PDCAAS) bezeichnet! Langhans - Protein | 21.04.2024 | 10  Parameter zur Beurteilung der Proteinqualität Faktoren die in die Beurteilung einfliessen: ▪ Chemische Zusammensetzung des Proteins ▪ Gehalt der essenziellen Aminosäuren ▪ Verfügbarkeit der Aminosäuren ▪ Spezies und Umweltbedingungen Cave: All das berücksichtigt oder misst NICHT die physiologische Wirkung in-vivo! Das Resultat: Der Proteinbedarf wird eher unterschätzt! Langhans - Protein | 21.04.2024 | 11  Die (theoretische) Lösung: (Wolfe et al., Experimental and Molecular Medicine 54:1323-1331, 2022) (Dank an Dr. Paolo Colombani, “Notabene Nutrition”) Wird in der Praxis kaum gemacht… Langhans - Protein | 21.04.2024 | 12 Proteingehalt einiger Lebensmittel https://www.fitforfun.de/abnehmen/gesund-essen/eiweisslieferanten-diese-lebensmittel- enthalten-viel-protein-_aid_14125.html Langhans - Protein | 21.04.2024 | 13 Proteingehalt pflanzlicher Lebensmittel Langhans - Protein | 21.04.2024 | 14  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der Ernährung ▪ Bedarf und biologische Wertigkeit ▪ Gesunde Diäten – was ist mit Protein? ▪ Proteine, die Probleme machen ▪ Verdauung der Proteine ▪ Absorption ▪ Proteinstoffwechsel – Schwerpunkt Leber Langhans - Protein | 21.04.2024 | 15 Fünf generelle Prinzipien einer gesunden Ernährung 1. Adäquate Menge von Protein 2. Wenig «stark verarbeitete» Lebensmittel 3. Hoher Pflanzenanteil 4. Wenig gesättigte Fettsäuren, Zucker und Kochsalz 5. Ausgewogen (balanciert) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 16  Was ist mit Fleisch? ▪ Genuss ▪ Gesundheit ▪ Umwelt ▪ Tierwohl Langhans - Protein 21.04.2024 17 https://www.t-online.de/leben/essen-und-trinken/id_81232184/steaks-co-ist-die-rote-fluessigkeit-aus-dem-fleisch-blut-.html Fleisch und Mineralstoffe - Eisen https://www.pinterest.ch/pin/342062534170366314/ Langhans - Protein | 21.04.2024 | 18 Fleisch und Vitamine – Vitamin B12 Fleisch ist auch eine gute Quelle für Zink, Phosphat, Niacin, Vitamin B6, Cholin und Riboflavin. Manches Fleisch ist auch reich an Vitamin K. Fleisch ist eine wichtige Quelle für Protein, Mineralstoffe, Spurenelemente und Vitamine. http://nutritionlab.co/vitamin-b12-foods / | |  Fleischverzehr in CH > Empfehlung Empfehlung: ca. 2-3 Portionen (100-120 g) → 360 g Fleisch/Woche Mittlerer Verzehr in CH: ca. 135 g/Tag = 945 g Fleisch/Woche… (2017) X X X X Langhans - Protein | 21.04.2024 | 20  Gesunde Ernährung für Mensch und Umwelt “Soll” “Ist” (Nature 600:22-26, 2021) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 21  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der Ernährung ▪ Bedarf und biologische Wertigkeit ▪ Gesunde Diäten – was ist mit Protein? ▪ Proteine, die Probleme machen ▪ Verdauung der Proteine ▪ Absorption ▪ Proteinstoffwechsel – Schwerpunkt Leber Langhans - Protein | 21.04.2024 | 22  Zöliakie Gluten = Gruppe von Samenspeicherproteinen in Getreide! ▪ Autoimmunerkrankung, die bei empfänglichen Individuen auftritt, wenn Gluten in der Nahrung ist. ▪ → Entzündung des Dünndarms, mit unterschiedlichen Auswirkungen, Schmerzen und Durchfall. ▪ Die einzige wirksame Behandlung ist eine glutenfreie Ernährung! ▪ Empfänglichkeit sehr stark genetisch determiniert. Die wesentlichen Faktoren sind sogenannte DQ- Gene, die im MHC-Komplex lokalisiert sind. Diese Gene sind essenziell, aber nicht die einzige Erklärung. ▪ ≈40% aller Menschen haben diese prädisponierenden Gene. Grosse Frage, warum https://mappingignorance.org/2016/11/25/recycling-data-unveils-genomic-regions-related-celiac-disease/ bekommen einige Menschen Zöliakie und die anderen nicht…? | |  Zöliakie-induzierte Irritationen im Dünndarm ▪ Im Dünndarm wird Gluten zu Gluteninen und Prolaminen abgebaut. ▪ Bei Zöliakie dringt die Prolaminkomponente, das Gliadin, in die Lamina Propria ein (1) und wird dort durch Glutaminasen abgebaut (2). ▪ Die daraus resultierenden Gliadin-Peptide werden von antigen-präsentierenden Zellen aufgenommen (3). ▪ Die folgenden Immunreaktionen zerstören die Schleimhaut, was die Absorption von Nährstoffen behindert (4) ▪ Das Resultat sind Müdigkeit, Schmerz, Durchfall, faulig riechender, fettiger Stuhl, Gewichtsverlust, etc. (The Scientist, 2017) | |  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der Ernährung ▪ Bedarf und biologische Wertigkeit ▪ Gesunde Diäten – was ist mit Protein? ▪ Proteine, die Probleme machen ▪ Verdauung der Proteine ▪ Absorption ▪ Proteinstoffwechsel – Schwerpunkt Leber Langhans - Protein | 21.04.2024 | 25  Proteinverdauung Nahrung 70-100 g/d Langhans - Protein | 21.04.2024 | 26  Pankreasproteasen ▪ Als inaktive Proenzyme sezerniert. Hauptzellen (Magen) sezernieren Pepsinogene → zu Pepsin aktiviert; Pepsin = Endopeptidase (greift innere und keine terminalen Bindungen an), bevorzugt Peptidbindungen, an denen aromatische oder grosse neutrale Aminosäuren beteiligt sind; Pepsin → 10–15% Proteinverdauung ▪ Pankreasproteasen (s.o.) entscheidend: Zunächst Trypsinogen sezerniert, im Jejunum durch Enteropeptidase (Protease im Bürstensaum) zu Trypsin gespalten. Trypsin aktiviert weiteres Trypsinogen sowie die anderen vier Pankreasproteasen. Die Charakteristika s.o. Luminale Verdauung: 70% des Proteins zu Oligopeptiden und 30% zu Aminosäuren. | |  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der Ernährung ▪ Bedarf und biologische Wertigkeit ▪ Gesunde Diäten – was ist mit Protein? ▪ Proteine, die Probleme machen ▪ Verdauung der Proteine ▪ Absorption ▪ Proteinstoffwechsel – Schwerpunkt Leber Langhans - Protein | 21.04.2024 | 28 Orte der Nährstoffresorption Langhans - Protein | 21.04.2024 | 29  Aufnahme von Di- und Tripeptiden in die Enterozyten ▪ Aufnahme an BM durch einen H+-Peptidsymporter (PepT1) ▪ koppelt Energie des einwärts gerichteten H+- und Ladungs- gradienten an Peptidtransport ▪ Dieser wird durch die Na+/K+- ATPase in der basolateralen Membran aufgebaut (nicht dargestellt) «tertiär aktive» Aufnahme Langhans - Protein | 21.04.2024 | 30  Aufnahme von Aminosäuren in die Enterozyten ▪ Mindestens sieben Transportsysteme ▪ Die vorherrschenden sind System B und B0+; unterscheiden sich nur dadurch, dass B0+ neben neutralen Aminosäuren auch einige basische Aminosäuren und Cystin transportiert. ▪ Beide sind Na+-gekoppelt und dadurch sekundär aktiv. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 31  Basolaterale Abgabe von Aminosäuren ▪ Kleine Peptide in Enterozyten zu AS abgebaut ▪ AS-Abgabe über die basolaterale Membran: Mehrere AS- Transporter beteiligt. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 32  Ernährung - Proteine ▪ Vorkommen und Bedeutung für den Organismus ▪ Proteine in der Ernährung ▪ Bedarf und biologische Wertigkeit ▪ Gesunde Diäten – was ist mit Protein? ▪ Proteine, die Probleme machen ▪ Verdauung der Proteine ▪ Absorption ▪ Proteinstoffwechsel – Schwerpunkt Leber Langhans - Protein | 21.04.2024 | 33  Wichtige Stoffwechselfunktionen der Leber Kohlenhydratstoffwechsel Lipidstoffwechsel Proteinstoffwechsel ▪ Glykogenspeicherung und ▪ Fettsäureoxidation und ▪ Proteinsynthese Glucosefreisetzung Ketogenese ▪ Protein- und Aminosäureabbau ▪ Umwandlung von Galactose und ▪ Fettsäuresynthese ▪ Nukleinsäureabbau Fructose in Glucose (De-novo Lipogenese!) ▪ Harnstoffbildung ▪ Gluconeogenese ▪ Triglyzeridsynthese ▪ Bildung unterschiedlicher ▪ Cholesterinsynthese Substanzen aus Intermediär- ▪ Cholesterinabbau produkten des KH-Stoffwechsels ▪ Unabdingbar für die Aufrechterhaltung eines normalen Blutglucosespiegels (Glucosepuffer- Funktion der Leber). ▪ Wichtig für einen Grossteil des Fettstoffwechsels (ungefähr 80% des Cholesterins und ein Grossteil des Fetts werden in der Leber synthetisiert). De-novo Lipogenese praktisch nur in der Leber ▪ Essenziell für den Abbau von Aminosäuren und die Ausscheidung von Ammoniak. Ca. 90% der Plasmaproteine (Ausnahme: Gamma-Globuline) werden in der Leber synthetisiert (15-50 g/Tag) | | Wichtige Proteine, die in der Leber synthetisiert werden (Auswahl !) Pape, Kurtz, Silbernagl, Physiologie, 8. unveränderte Auflage 2018 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 35  Proteinsynthese und Proteinabbau Proteinsynthese Proteinabbau ▪ Dauerhaft hohe Variabilität in ▪ Reguliert durch Hormone, Geweben Energiestatus und Immunmodulatoren (Zytokine) ▪ Reguliert durch Hormone, Aminosäuren (Leucin!) und ▪ Wichtig für die Energie- Energiestatus homöostase und Gluconeogenese ▪ Hochenergetisch - benötigt 5 ATP pro Peptidbindung ▪ Ca. 20% des Gesamt- energieumsatzes wird für die Peptidsynthese verbraucht | |  Der Abbau von Proteinen und Aminosäuren - Allgemeines ▪ Proteinabbau → Aminosäuren, die an mehreren Stellen Verwendung finden; durch die Verdauung von Nahrung und durch die gezielte Degradation über das Ubiquitin-System in der Zelle ▪ Aminosäuren sind Bausteine für Proteine und Vorstufen für andere (häufig stickstoffhaltige) Verbindungen wie z.B. Nucleotidbasen ▪ Aminosäureabbau vorwiegend in der Leber ▪ Aminosäuren können nicht als Energiespeicher dienen, sondern werden direkt in den Energiestoffwechsel eingeschleust (Hierarchie der Nährstoffoxidation) ▪ In Energieübertragungswegen keine Stickstoffverbindungen; deshalb muss die Aminogruppe entfernt werden – durch Transaminierung und oxidative Desaminierung ▪ Ammoniak (NH3) ist toxisch und muss rasch entgiftet werden (Harnstoff-Zyklus) ▪ Einschleusung der meisten Aminosäuren in den Energiestoffwechsel über Harnstoff- Zyklus (siehe Biochemie) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 37  Hauptabbauwege der Aminosäuren 1) 3) 2) https://www.yumpu.com/de/document/view/6223307/rolle-der-aminosauren-im-stoffwechsel-s-uni-sbd/3 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 38  Die beiden wichtigsten Aminotransferasen ▪ hohe Konzentration dieser Enzyme in Leber, Muskulatur, Myocard und Gehirn ▪ Isoformen in Cytosol und Mitochondrien – Diagnostik! https://www.yumpu.com/de/document/view/6223307/rolle-der-aminosauren-im-stoffwechsel-s-uni-sbd/3 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 39 Periphere Gewebe transferieren Stickstoff zur Leber Extrahepatische Transaminierungen: GLDH → Glutamat → Glutamin- Synthetase → Glutamin (wichtig auch besonders im Gehirn): Glutamin ist DER Transporter von Amino-Stickstoff zu Leber und Niere. https://www.yumpu.com/de/document/view/6223307/rolle-der-aminosauren-im-stoffwechsel-s-uni-sbd/3 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 40 Zusammenspiel von Muskel und Leber – Alanin und Glutamin ▪ Glucose-Alanin-Zyklus besondere Bedeutung im arbeitenden Muskel bzw. beim Fasten (Proteinabbau). ▪ Muskelzellen nutzen die Alanin- Aminotransferase-Rückreaktion → Alanin aus Pyruvat. Alanin = Aminosäure mit der zweithöchsten Plasmakonzentration ▪ ALT = Alanin-Amino-Transferase in Leber transferiert Stickstoff vom Alanin zum α- Ketoglutarat → Harnstoffzyklus und Pyruvat für Gluconeogenese ▪ Extrahepatische Transaminierungen: Glutamat → Glutamin-Synthetase → Glutamin ▪ Gln hauptsächlich aus Asp und Glu erzeugt = Transporter für Kohlenstoffgerüste aus der Proteolyse Langhans - Protein | 21.04.2024 | 41  Hepatischer Stoffwechsel nach einer Mahlzeit ▪ Anstieg der portalen Glucosekonzentration → Leber nimmt einen Teil der Glucose auf (an hohe KM der Glucokinase denken!!!) und speichert sie als Glykogen. ▪ Leber wandelt insbesondere die Fructose auch in Fettsäuren um! ▪ «de-novo-»Lipogenese (nicht zu verwechseln mit der Triglyceridsynthese!!!) fast nur in Leber, unter normalen Bedingungen eher gering, steigt aber bei Überschuss von Kohlenhydraten (Zucker!). ▪ Aus dem Darm resorbierte Triglyceride werden in den Chylomikronen auf dem Lymphweg an der Leber vorbeigeleitet. ▪ Aminosäuren werden für Proteinsynthese verwendet. ▪ Beim Um- und Abbau von Aminosäuren entsteht im Harnstoffzyklus Harnstoff | |  Gluconeogenetische Leber bei Nahrungskarenz ▪ Baut Glykogen ab (Glykogenolyse) und wandelt Lactat/Pyruvat, Glycerin, Aminosäuren sowie Propionat in Glucose um (Gluconeogenese). ▪ Gesteigerte Fettsäureoxidation, um den Energiebedarf für die Gluconeogenese zu decken. ▪ Durch gesteigerte Fettsäureoxidation entstehen Ketonkörper. ▪ Beachte: Die Hepatozyten decken unter ALLEN Bedingungen bis zu 70% ihres eigenen Energiebedarfs durch Fettsäureoxidation. ▪ Muskelprotein wird abgebaut und die Aminosäuren (bevorzugt die glucoplastischen) werden für die Gluconeogenese verwendet. | |  Stoffwechselphasen bei Nahrungskarenz Glukoneogenetisch Protein-sparend Post-absorptiv AS aus Proteinabbau liefern Proteinabbau wird auf Minimum Das Gehirn und andere Gewebe Glukose für das Gehirn; gedrosselt, alle Gewebe verbrennen verbrauchen primär Glukose aus andere Gewebe verbrennen vorwiegend Fettsäuren, das Gehirn der hepatischen Glykogenolyse Fettsäuren und Ketonkörper Glukose und Ketonkörper ≈1 Tag ≈8 Tage Rate des Prozesses 100% Lipolyse/Ketogenese 75% 50% Glukoneogenese 25% Glykogenolyse Stunden Tage https://derangedphysiology.com/main/required-reading/endocrinology-metabolism-and- nutrition/Chapter%20318/physiological-adaptation-prolonged-starvation MODIFIED Hunger- und Sättigungsmechanismen | 21.04.2024 | 44  Stoffwechsel in der glukoneogenetischen Phase (Menge in 24 h) Triglyzeride vom Muskelprotein Fettgewebe 176 g 75 g Freie Fettsäuren 160 g Glyzerin 16 g Aminosäuren 75 g ! 120 g 40 g Leber Glukoneogenese Notfallreserve O2 von Glykogen H2O Freie Fettsäuren 120 g Ketone 60 g Laktat 36 g Glukose 180 g Erythrozyten, Knochenmark, Nierenmark, peripheres Herzmuskel Nervensystem 36 g 144 g Skelettmuskel Nierenrinde Zentralnervensystem Gewebe, die Fettsäuren und Gewebe mit Gewebe mit aerober Ketonkörper oxidieren anaerober Glykolyse Glykolyse https://derangedphysiology.com/main/required-reading/endocrinology-metabolism-and- Hunger- und Sättigungsmechanismen | 21.04.2024 | 45 nutrition/Chapter%20318/physiological-adaptation-prolonged-starvation MODIFIED  Energiespeicher und Nährstoffpool quantitativ (70 kg) Nährstoffe gesamt Körper- ≈13 g zirkulierende Nährstoffe zusammensetzung ≈150 g Leberglykogen = 600 kcal ▪ Nur etwa 50% des Proteins sind ≈300 g Muskelglykogen = 1’200 kcal Muskelprotein! ≈7 kg Protein = 28’000 kcal Zirkulation ▪ Ein 20-jähriger (70 kg, Grundumsatz etwa 1’800 kcal) verbrennt die in seinem Wasser 60-65% ≈14 kg Fett = 130’000 kcal Blutvolumen (≈8% der Körpermasse = Prozent 5-6 L) enthaltenen 90 kcal in weniger als 90 min! Fett ≈6 g TG = 60 kcal ▪ Diese müssen daher kontinuierlich 15-20% ersetzt werden. Protein 15-20% ▪ Etwa 2/3 des Glykogens befindet sich im Minerals. Muskel und kann für die Aufrecht- erhaltung des Blutglukosespiegels nicht ≈6 g Glukose = 24 kcal benützt werden. ≈0.8 g FFS = 7 kcal https://derangedphysiology.com/main/required-reading/endocrinology-metabolism-and- nutrition/Chapter%20318/physiological-adaptation-prolonged-starvation MODIFIZIERT! Total: ≈160’000 kcal / in Zirkulation: ≈90 kcal Hunger- und Sättigungsmechanismen | 21.04.2024 | 46  Keys et al. (1950) Die Biologie des Fastens (“Das Minnesota-Experiment”) 32 junge Männer (Kriegsdienstverweigerer) BMI = 22.2 (1) 3 Monate baseline, 3492 kcal/d (14.6 MJ) (2) 6 Monate semi-starvation Diät, 1570 kcal/d (6.15 MJ) & viel physische Aktivität (22 Meilen marschieren/d) (3) 3 Monate Rehabilitation Resultate: Psychologisches Profil 24% Gewichtsverlust Depressiv, reizbar, ängstlich Grundumsatz um 40% reduziert Obsessiv bezüglich Essen und Kochen Physische Zeichen von Hungern Wenig Sozialkontakte (Haarverlust, etc.) Geringes Interesse an Aktivitäten Reduzierte Arbeitskapazität Aufmerksamkeits- und Konzentrationsdefizite Ernährung - Nährstoffe - Energiehomöostase | 21.04.2024 | 47  Wie “weight cycling” dicker macht… der Jojo-Effekt Reanalyse der Daten des berühmten Minnesota Fasten- Experiments (32 Männer, die 24 Wochen Halbfasten, 12 ▪ Beim Abnehmen bestimmen individuelle Faktoren wieviel Wochen kontrollierte Ernährung und 8 Wochen ad lib Körperfett und wieviel fettfreie Masse mobilisiert Ernährung durchliefen). werden, um den Energiebedarf zu decken. ▪ Eine adaptive Reduktion des Grundumsatzes bleibt auch während der nachfolgenden Erholungs- und Gewichtszunahmephase bestehen, wodurch die Zunahme beschleunigt wird. Insbesondere die Zubildung von Fett. ▪ Die kompensatorische Hyperphagie während dieser Phase wird nicht nur durch den Verlust von Fettmasse, sondern auch durch den Verlust fettfreier Körpermasse angetrieben. ▪ Durch diese Mechanismen wird das Körperfett schneller wieder aufgebaut als die fettfreie Körpermasse; die Hyperphagie persistiert aber, bis auch die fettfreie Körpermasse wiederhergestellt ist. ▪ Dies geschieht auf Kosten einer erhöhten Zubildung von Körperfett. (Jacquet et al., Int. J. Obes. 2020; https://doi.org/10.1038/s41366-020-0547-1) Ernährung - Nährstoffe - Energiehomöostase | 21.04.2024 | 48 Konzept des «Collateral Fattening» (Dulloo et al., Eur. J. Clin. Nutr. 71:353-357, 2017) Ernährung - Nährstoffe - Energiehomöostase | 21.04.2024 | 49  Lehrziele: Die Studierenden können… ▪ Das Vorkommen, die Bedeutung und die Funktion von Proteinen im Organismus erklären. ▪ Den Begriff «Biologische Wertigkeit» eines Proteins erklären. ▪ Die Bedeutung von Aminosäuren, Protein und Fleisch in der Ernährung diskutieren. ▪ Die pathophysiologischen Mechanismen der Zöliakie in groben Zügen erklären. ▪ Die Mechanismen der Verdauung der Proteine und der Absorption von Aminosäuren und kleinen Peptiden erklären. ▪ Die wichtigsten Fakten zum Proteinstoffwechsel in der Leber erklären. ▪ Erklären, welchen Einfluss das Fasten auf den Proteinstoffwechsel hat und was die Grundlage des so genannten «Jojo-Effekts» ist. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 50  Ende der Vorlesung ▪ Der Prüfungsstoff endet hier! ▪ Die folgenden Folien enthalten zusätzliche/ weiterführende Information für Studierende, die an einem Thema besonders interessiert sind. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 51  Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur von Proteinen ▪ Die Tertiärstruktur lässt sich nicht mit einfachen Motiven beschreiben. Die Struktur des Proteins erscheint auf den ersten Blick willkürlich. ▪ Die Aminosäuresequenz ist von der DNA festgelegt. Das Protein nimmt normalerweise die Struktur des energetisch günstigsten Zustands ein. Ausnahmen sind Enzyme mit variablen Zentren. ▪ Die Tertiärstruktur ergibt sich aus der Summe der „intramolekularen“ Kräfte: van der Waals- Kräfte, H-Brücken, elektrostatische WW und https://www.mpg.de/483834/pressemitteilung200402171 Disulfidbrücken. ▪ Bei der Tertiärstruktur spricht man von der Wirkung der intramolekularen Kräfte. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 52  Quartärstruktur Die Quartärstruktur eines Proteins ergibt sich aus der Zusammenlagerung mehrerer tertiär strukturierte Polypeptidketten Bsp. Hämoglobin – von der primär- zur Quartärstruktur http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/proteine/proteinaufbau.vlu/Page/vsc/de/ch/8/bc/proteine/aminos_u_einl eit/struktur1.vscml.html Langhans - Protein | 21.04.2024 | 53 Hämoglobin-Struktur (Nobelpreis in Chemie 1962) Proteid (Quartärstruktur) ▪ Die vier gefalteten Ketten fügen sich zu einem kugelförmigen Molekül zusammen. ▪ Vier Häm-Gruppen, von denen jede ein „Eisen-Atom“ enthält, das ein Sauerstoff- Molekül binden kann, passen die aktiven Zentren. ▪ Die aktiven Zentren sind von Kohlenwasserstoffresten der AS eingefasst. Eine solche unpolare Umgebung verhindert die Elektronen- übertragung zwischen Sauerstoff und Fe2+ und ermöglicht die für den Sauerstoff- transport notwendige Komplexbildung. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 54  Bedeutung und Vorkommen von Proteinen Vorkommen/Gehalt (%): ▪ Muskeln: 20% (Aktin, Myosin, Myoglobin) ▪ Blut: 21% (Hämoglobin) ▪ Knochen: 30% (Keratine) ▪ Haare: 90 – 100% (Keratine) ▪ Eiklar: 12 – 13% (Ovalbumin, Conalbumin) ▪ Kuhmilch: 3% (Albumine, Casein) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 55  Nomenklatur der Proteine ▪ Einfache Proteine: ausschließlich aus -AS verbunden durch Peptidbindungen: ▪ Globuline: Teilchenförmig aufgebaut, häufig für Transport (Bsp. Albumin) ▪ Scleroproteine: Löslich in starken Säuren und Basen (Kreatin in Haaren, Knorpel und Knochen) – Fibrilläre Struktur ▪ Zusammengesetzte Proteine ▪ Proteide: Proteine mit einem nicht-proteinhaltigem Molekül (prosthetische Gruppe) z.B. Hämoglobin ▪ Glykoproteine: Proteine mit einem Kohlenhydratanteil, z.B. manche Hormone (FSH, LH) oder Muzin Langhans - Protein | 21.04.2024 | 56  Globuline (Albumin) ▪ Globuläre Form: Gruppe von tierischen u. Albumin Monomer pflanzlichen Proteinen ▪ Eigenschaften: Das Serum-Albumin z.B., Protein von elliptischer Gestalt, einem Molekulargewicht von ca. 66 kDa und mit einem hohen Anteil an schwefelhaltigen Aminosäuren. ▪ Der isoelektrische Punkt liegt bei 4.6. Albumine weisen ein ampholytisches Verhalten auf. ▪ Funktionen: Transport von Fettsäuren und Steroidhormonen, aber auch für den kolloidosmotischen Druck des Plasmas. https://de.wikipedia.org/wiki/Albumin#/media/File:ALB_structure.png Langhans - Protein | 21.04.2024 | 57  Skleroproteine https://flexikon.doccheck.com/de/Kollagen ▪ bilden durch ihre Tertiärstrukturen Fibrillen ▪ diese sogenannten Gerüsteiweisse sind z.B. Kollagen, Keratin u. Elastin. ▪ Keratine (cysteinhaltig) in Haar, Schafwolle, Horn und Seidenfibroin ▪ Kollagen (cysteinhaltig) in Haut und Stützgewebe Die Tertiärstruktur der Kollagenmoleküle besteht aus helikalen Proteinketten (Prokollagen), von denen jeweils drei Moleküle sich in Form einer Tripelhelix umeinander winden und auf diese Weise Fasern ausbilden (Tropokollagen) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 58  Flexitarian means choosing mostly plant- based foods, with moderate amounts of fish, poultry, dairy, and eggs, and small amounts of red meat. It’s a way to reduce meat intake without giving it up completely. No foods are forbidden, although it’s always optimal to limit added sugars and highly processed foods. https://health.usnews.com/best-diet Langhans - Protein | 21.04.2024 | 59 Ultra-processed diets cause excess calorie intake and weight gain Highlights ▪ 20 inpatient adults received ultra-processed and unprocessed diets for 14 days each ▪ Diets were matched for presented calories, sugar, fat, fiber, and macronutrients ▪ Ad libitum intake was about 500 kcal/day more on the ultra-processed versus unprocessed diet ▪ Body weight changes were highly correlated with diet differences in energy intake Mechanisms ??????? ▪ Different speed of eating/eating rate? ▪ Disconnect of gut-brain communication? ▪ Protein leverage hypothesis? (Hall et al., Cell Metabolism 30:67–77, 2019) | |  Meat – the «engine» of evolution Social Eating structure meat Better Height ⇑ organization Intelligence ⇑ Hunting Better success weapons Langhans - Protein | 21.04.2024 | 61 Neanderthals were carnivores https://www.fr.de/wissen/neandertaler-fleischfresser-11602789.html Langhans - Protein | 21.04.2024 | 62  Jaws and denture of herbivores and carnivores Herbivores ▪ No fangs / large molars instead ▪ Long, pointed jaws, often substantial gap between molars and incisors ▪ Teeth grow continuously (hypsodont teeth) ulrike albrecht / www.barhuf.info Carnivores ▪ Large fangs / no molars ▪ Long, pointed jaws / no gap between molars and incisors ▪ Teeth don’t grow after the change of teeth (brachyodont teeth) soebe / GNU Lizenz für freie Dokumentation Langhans - Protein | 21.04.2024 | 63  Jaws and denture of humans ▪ Small canines and molars ▪ Jaws round, no gap between molars and incisors ▪ Teeth don’t grow after the change of teeth (brachyodont teeth) http://www.lesa21.de/lernen/z/zahn/index.html ⇨ Occasional carnivore (= omnivore, flexitarian) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 64  Foraging capabilities Herbivore ▪ No hunting capabilities (vision in darkness, speed for hunting, …) ▪ No claws / no denture to kill ▪ Do not kill intentionally https://www.pexels.com/de-de/foto/afrika-baume-draussen-equid-789626/ Carnivore ▪ Amazing hunting capabilities (vision in darkness, speed for hunting, …) ▪ Claws / Denture for killing ▪ Routinely hunt and kill other animals. http://gepard-hps-langenthal.weebly.com/verhalten.html Langhans - Protein | 21.04.2024 | 65  Humans as «flexitarians» Flexitarians do not need hunting capabilities because they do not depend on meat. They obtain their prey occasionally, by coincidence. They don‘t have to be as fast or faster as their prey. https://www.focus.de/gesundheit/ernaehrung/gesundessen/di skussion-um-vegetarische-ernaehrung-fleisch-essen-ist- gesund-verzicht-aber-auch_id_3649003.html Langhans - Protein | 21.04.2024 | 66 Differences in the mammalian gastric mucosa https://www.cram.com/flashcards/gi-secretions-i-oral-gastric-and-pancreatic-5474741 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 67 Morphology of carnivore and herbivore digestive systems Dog Horse Carnivore Cow ▪ Short intestine ▪ Efficient digestion / short transit time ▪ Can not digest fiber ▪ Needs meat Herbivore ▪ Long intestine ▪ «Fermentation chamber» for fiber ▪ Long transit time ▪ Can hardly digest meat https://colosan-saluvet.de/information-zu-rind-schaf-ziege-neuweltkameliden/ Langhans - Protein | 21.04.2024 | 68  Human digestive system ▪ Relatively long intestine ▪ Intermediate transit time ▪ Can digest fiber, but much less than herbivores ▪ Can easily digest meat https://krank.de/anatomie/darm/ ⇨ We are flexitarians = occasional meat eaters! Langhans - Protein | 21.04.2024 | 69  Diet Obesity and Genes = Diogenes study protocol 932 Families randomized to 5 groups: Normal protein (NP) High protein (HP, 5.4% more energy from protein than NP; about 1.3 g/kg BW)) in combination with High glycemic index (HGI) Low glycemic index (LGI, 5.1% lower GI than HGI) → 1) HP-HGI; 2) HP-LGI; 3) NP-HGI; 4) NP-LGI; 5) Control 800 kcal/d ~11 kg weight loss (Aller et al., Int. J. Obes. 38:1511–1517, 2014; doi:10.1038/ijo.2014.52) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 70  High protein diets are well accepted (Astrup et al., International Journal of Obesity 39:721–726, 2015; doi:10.1038/ijo.2014.216) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 71 Effects of normal and high protein diets on body weight ▪ Both LGI and HP reduced weight regain significantly, and the combination of LGI and HP exerted an additive effect that completely prevented weight regain during the 6 months following the initial weight loss. ▪ The HP-LGI diet also had consistent beneficial effects on blood pressure, blood lipids and inflammation in both parents and children. ▪ The overweight and obese children in the LGI- HP group lost body fat spontaneously without adverse effect of growth or risk factors. ▪ After 1 year, mainly the HP effects were maintained. ▪ Putative genes have been identified that suggest this diet to be particularly effective in 67% of the population. (Astrup et al., International Journal of Obesity 39:721–726, 2015; doi:10.1038/ijo.2014.216) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 72 The weight reducing effect of protein is supposedly related to ▪ Greater thermic effect of protein than of other macronutrients (remember hierarchy of nutrient utilization!) ▪ Greater satiety effect – supposedly due to rapid leucine sensing in the brain (see later) and the stimulation of satiating peptides from the GI tract ▪ During weight loss high protein diets preserve lean body mass, the major determinant of resting energy expenditure. ▪ High protein diets stimulate hepatic ketogenesis (because of the massive stimulation of gluconeogenesis!), which is thermogenic. Besides, ketone bodies appear to have a satiating effect. ▪ A high protein, low-carbohydrate breakfast vs. a medium-protein, high- carbohydrate breakfast has been shown to reduce activation of reward circuitries in the brain before later meals. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 73 The results from the DioGenes randomized trial have been translated into popular books that, in an educational way, explain how a slight increase in dietary protein and corresponding reduction in total carbohydrates, plus focus on LGI carbohydrates, help weight loss and maintenance. This book has been published in Danish, Norwegian, Dutch, Spanish and in September 2014 in English. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 74  Potential risk factors of high protein intake ? (center for obesity and diabetes surgeons) Has been discussed for many years but seems to be ? relevant only with very high protein intakes and in people/patients with compromised kidney functions. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 75  Recommendations Federal Office of Public Health Protein intake in obesity and in diabetes ▪ Consumption of relatively higher amounts of protein in obesity (up to 1.3 g/kg b.wt./d) resulted in greater weight loss or in less weight regain after voluntary weight loss than for lower amounts of protein in studies lasting up to one year. High protein diets maintained fat-free mass (i.e. muscle mass) and increased calcium balance, resulting in preservation of bone mineral content. ▪ The consumption of dietary proteins is frequently insufficient during massive weight loss, e.g., after obesity surgery (i.e., gastric bypass). ▪ A relatively high amount of protein (up to approx 1.3 g/kg b.wt./d) in the diet may be of particular importance in obese diabetic or hyperlipidemic subjects. Dietary protein has no significant negative effects on blood glucose control, on serum lipids or on other cardiovascular risk factors. However, dietary protein intake should not be excessive, and there are insufficient long-term data (beyond 2 yrs) of such eating habits. Increased protein intakes are contraindicated in elderly or obese subjects with renal impairment. Protein intake and bone health ▪ Several studies point to a positive effect of relatively high protein intake (up to 1.5 g/kg b.wt./d) on bone mineral density or content and on hip fracture risk. However, excessive amounts of dietary protein (i.e., more than 2.0 g/kg b.wt./d) associated with low calcium intake (i.e., less than 600 mg/d) may have adverse effects on bone health. Further information: Federal Office of Public Health, Consumer Protection Directorate, Food Safety Division, phone +47 31 322 05 08, [email protected] Proteins in Human Nutrition: Recommendations This document is also available in French, German and Italian. Bern, april 2011 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 76  Casein-induced enterocolitis syndrome (FPIES) (FPIES: Food Protein-Induced Enterocolitis Syndrome) (Caubet et al., J. Allergy Clin Immunol 139, 2017) ▪ Characterized by repetitive vomiting, typically 1-4 h after ingestion, often followed by diarrhea. ▪ Pathophysiology not clearly defined and requires further characterization. Considered part of a spectrum of allergic diseases that predominantly affect the gut. ▪ Lower secretion of IL-10 might play a role in tolerance acquisition for this disorder | |  Income and eating habits Increases in income (per capita GDP) increase daily demand for: www.rw3fitness.com www.gone-ta-pott.com www.bartjesrecepten.nl danieljamesfitnessblog.com a) Meat protein b) «Empty» calories c) Total calories (Tilman and Clark, Nature 515:518-522, 2014) (courtesy of M. Morillas Arcos) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 78 Life cycle GHG emissions of different foods/diets Red Meat (Tilman and Clark, Nature 515:518-522, 2014) (courtesy of M. Morillas Arcos) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 79  Projected increase in GHG emissions and land use BUT: 7 Only about 3 billion ha of the earth’s surface are suitable for crop production, 6 and a major part of the area that is not Projected already used is beneath tropical forests… 5 increase by 2050 → It won’t work! 4 3 Projected increase 2 by 2050 1 2009 2009 0 (Tilman and Clark, Nature 515:518-522, 2014) Global Global http://faostat.fao.org (FAO, 2013) GHG emissions Land use (Gt CO2/year) (Billion ha) (courtesy of M. Morillas Arcos) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 80 Gap between dietary patterns in 2016 and reference diet intakes of food We have to change our eating habits substantially (much less meat and fewer easily digestible CHO) (Willett et al., Lancet 393:447-492, 2019) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 81 Vegetarians do not necessarily live healthier… Langhans - Protein | 21.04.2024 | 82  Vegetarians do not necessarily live healthier… Meat with lots Vegetarians of vegetables Little meat Lots of meat and fruit Allergies 30.0% 18.2% 20.3% 16.7% Inkontinence 2.1% 3.9% 2.7% 6.4% Cancer 4.8% 3.3% 1.2% 1.8% Psychiatric diseases 9.4% 4.8% 5.8% 4.5% Langhans - Protein | 21.04.2024 | 83  Casein-induced enterocolitis syndrome (FPIES) (FPIES: Food Protein-Induced Enterocolitis Syndrome) (Caubet et al., J. Allergy Clin Immunol 139, 2017) ▪ FPIES is characterized by profuse repetitive vomiting that typically occurs 1 to 4 hours after ingestion of the offending food and can be followed later by diarrhea. ▪ The pathophysiology of FPIES has not been clearly defined and requires further characterization. FPIES is considered part of a spectrum of allergic diseases that predominantly affect the gut, representing the more severe end of the spectrum. ▪ Lower secretion of IL-10 might play a central role in tolerance acquisition for this disorder Langhans - Protein | 21.04.2024 | 84  Protein Metabolism C. Ophardt, 2003 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 85 Proteinumsatz ▪ Stickstoffausscheidung: ≈54 mg/kg KG (≈Proteinverlust von 0,35 g/kg KG) = "absolutes Eiweissminimum«. ▪ WHO definiert als minimalen Proteinbedarf 0,45 g/kg KG. Unter Berücksichtigung der Wertigkeit des aufgenommenen Proteins und der Verdaulichkeit der Nahrung → Proteinbedarf gesunder erwachsener Personen = 0,8 g/kg KG ▪ Glutamin (≈20% des extrazellulären Aminosäurepools) = Aminosäure mit der höchsten Konzentration im Blutplasma. ▪ Nicht nur als Baustein für Proteinsynthese, sondern auch als Energieträger (Bsp. Enterozyten). ▪ Glutamin auch im Tripeptid Glutathion (GSH, Glutaminsäure, Cystein, Glycin). GSH als Antioxidans ubiquitär in Zellen und Körperflüssigkeiten. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 86  Der Harnstoffzyklus ▪ Beim Aminosäurestoffwechsel fällt Ammoniak an, das durch 5 Reaktionen zu Harnstoff umgewandelt wird. ▪ Der Harnstoffzyklus ist der wichtigste Ausscheidungweg für Stickstoff (Ammoniak ist ein Zellgift). Aufgrund der Enzymausstattung kann der Harnstoffzyklus nur in Leberzellen vollständig ablaufen (2 Reaktionen in Mitochondrien, 3 im Zytosol) ▪ Die ersten beiden laufen in Mitochondrien ab (Enzyme: CPS1, OTC), die folgenden im Zytoplasma (Enzyme: ASS1, ASL, ARG1). ▪ Die Biosynthese eines Harnstoffmoleküls erfordert ATP, ist also energieaufwändig - aber wesentlich, damit sich kein Rückstau von (in höherer Konzentration toxischen) Stickstoffträgern im Körper ergibt. ▪ Der Harnstoffzyklus dient nicht nur der Stickstoffentsorgung des Körpers, sondern ist auch für die Biosynthese verschiedener Moleküle dienlich, wie NO, Kreatin oder biogene Amine. ▪ Die Harnstoff-Biosynthese ist reguliert und kann sich anpassen: Bei hoher Proteinzufuhr kommt es zur Induktion von Enzymen des Harnstoffzyklus, d.h. die Kapazität zur Stickstoffausscheidung nimmt zu. ▪ Symptome bei Störungen des Harnstoffzyklus: Hyperammonämie, (Nach Blair NF, Cremer PD, Tchan MC. Pract Neurol 15: 45-48, 2015) Enzephalopathien, respiratorische Alkalose Langhans - Protein | 21.04.2024 | 87 Aminosäuren und zugehörige alpha-Ketosäuren ▪ sind am häufigsten an Umbaureaktionen beteiligt ▪ Sind intrazellulär in hoher Konzentration (10-bis 50-fach erhöht gegenüber Plasma) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 88  Glucogenic and ketogenic amino acids ▪ Am häufigsten an Umbaureaktionen beteiligt: ▪ Alanin ▪ Glycin ▪ Asparagin ▪ Asparaginsäure ▪ Glutaminsäure ▪ Glutamin ▪ Intrazellulär in hoher Konzentration (10-bis 50- fach erhöht gegenüber Plasma) ▪ Amino acids classified as being “glucogenic” or “ketogenic” ▪ Catabolism of glucogenic amino acids (red boxes) produces either pyruvate or one of the intermediates in the Krebs Cycle. ▪ Catabolism of ketogenic amino acids produces acetyl CoA or acetoacetyl CoA (yellow boxes). https://www.yumpu.com/de/document/view/6223307/rolle-der-aminosauren-im-stoffwechsel-s-uni-sbd/3 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 89 Glucosehomöostase - Herkunft der Glucose (siehe Kohlenhydrate!) ▪ Resorptive Phase: 3-4 h ▪ Postabsorptive Phase: 4-14 h ▪ Frühe Fastenphase: 14-28 h ▪ Intermediäre Fastenphase 28 h – 16 d ▪ Gluconeogenese braucht Energie ▪ Leber deckt Energiebedarf zu ca. 70% durch Fettsäure- oxidation ▪ Steigerung der Gluconeoge- nese in der frühen Fasten- phase → Erhöhung der Ketogenese http://fblt.cz/en/skripta/ii-premena-latek-a-energie-v-bunce/9-odbouravani-a-synteza-glukozy/ Langhans - Protein | 21.04.2024 | 90 Glykogenstoffwechsel (siehe Kohlenhydrate!) ▪ Glykogenspeicher ca. 450 g (≈150 g in der Leber, ≈300 g im Skelettmuskel) ▪ Hepatozyten (aber nicht Muskelzellen!) haben Glucose-6-Phosphatase → können Glucose freisetzen und ans Blut abgeben ▪ Muskelglykogen vergleichsweise geringe Schwankungen (≈200-300 g) und dient nur Eigenbedarf ▪ Glykogenbildung dient auch osmotischem Schutz der Zellen Langhans - Protein | 21.04.2024 | 91  mTOR pathway in protein synthesis mTOR = mammalian target of rapamycin Langhans - Protein | 21.04.2024 | 92  Zunahme der Muskelmasse durch Training Die Zunahme der Muskelmasse durch Training basiert auf einer unmittelbaren Steigerung der Proteinsynthese nach der Belastung sowie einer Effizienzsteigerung der Proteinsynthese als Resultat einer vermehrten Biosynthese der Ribosomen bei mehrfacher längerer Belastung. (Figueiredo, Am J Physiol 317:R709–R718, 2019) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 93  Glutamine in the enterocyte ▪ As one of the rapidly dividing cells, enterocytes consume primarily glutamine. ▪ Can use exogenous glutamine from the diet and endogenous glutamine from the blood ▪ Glutaminase responsible for glutamine hydrolysis, converting it into glutamate and NH4+ as an important step to the tricarboxylic acid cycle. (Cruzat et al. Nutrients 2018, 10, 1564; doi:10.3390/nu10111564) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 94  Protein homeostasis ▪ Protein is essential for growth, reproduction, and survival → all species evolved mechanisms to ensure quantitatively and qualitatively adequate protein intake. ▪ Lack or abundance of single amino acids can have profound acute and chronic effects on eating and food preference. In addition, within a certain range, dietary protein content is a determinant of total energy intake. ▪ Moderately low-protein diets → increase in energy intake, to match minimum requirements for nitrogen and essential amino acids (EAA). Conversely, high-protein diets reduce energy intake. ▪ Targets a protein intake of approximately 15% and supports the idea that protein intake is regulated by homeostatic mechanisms. Langhans - Protein | 21.04.2024 | 95  Central detection of amino acid availability and eating APC: anterior piriform cortex GCN2: general control non-derepressible-2 MBH: mediobasal hypothalamus mTOR: mammalian target of rapamycin (Heley and Blouet, Frontiers in Endocrinology, doi: 10.3389/fendo.2016.00148) NTS: nucleus tractus solitarii Langhans - Protein | 21.04.2024 | 96  Low protein diets and fibroblast growth factor-21 (FGF21) GCN2: general control non-derepressible-2 mTOR: mammalian target of rapamycin PVN: paraventricular nucleus eIF2: eukaryotic initiation factor 2α; (Solon-Biet et al., Cell Metabolism 24:555–565, 2016) Beta-Klotho: transmembrane protein required for FGF21 signaling ChREBP: Carbohydrate-responsiv element-binding protein ATF4,5: Activating transcription factor-4,5 Langhans - Protein | 21.04.2024 | 97  Peripheral and central effects of leucine Peripheral Central ↓ Energy yielding substrates ( glucose utilization and fatty acid oxidation) Leptin Leptin   - - AMP-  mTOR   Kinase Ghrelin Leucine   Food intake Langhans - Protein | 21.04.2024 | 98 FGF21 acts on hypothalamic neurons to reduce sugar intake ▪ FGF21 signals to ventromedial hypothalamic (VMH) Vglut2+ (vesicular glutamate transporter) neurons to reduce sugar intake and sweet-taste preference. ▪ FGF21 markedly enhances glucose sensitivity of b-klotho (KLB) neurons in the VMH. (Jensen-Cody et al., Cell Metabolism 32:1–14, 2020) Langhans - Protein | 21.04.2024 | 99