Các axit amin chuỗi nhánh (BCAA) đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa cân bằng nội môi năng lượng, chuyển hóa dinh dưỡng, sức khỏe đường ruột, khả năng miễn dịch và bệnh tật ở người và động vật. Là loại axit amin thiết yếu (EAA – Essential Amino Acids ) dồi dào nhất, BCAA không chỉ là chất nền để tổng hợp các hợp chất nitơ, chúng còn đóng vai trò là các phân tử tín hiệu điều chỉnh quá trình chuyển hóa glucose, lipid và tổng hợp protein, sức khỏe đường ruột và khả năng miễn dịch thông qua mạng tín hiệu đặc biệt, đặc biệt là phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B/đích của đường dẫn tín hiệu rapamycin (PI3K/AKT/mTOR) ở động vật có vú.
1. Giới thiệu về BCAA
Các axit amin chuỗi nhánh (BCAA), cụ thể là isoleucine, leucine và valine, là các axit amin thiết yếu không được tổng hợp ở động vật có vú, nhưng có vai trò quan trọng trong các chức năng sinh lý và chuyển hóa.
Sữa, thịt đỏ, thịt gia cầm và các sản phẩm từ sữa là những nguồn cung cấp BCAA chính trong chế độ ăn.
BCAA kích thích việc xây dựng protein trong cơ bắp và có thể làm giảm sự phân hủy cơ bắp. BCAA được sử dụng để giảm chức năng não ở những người mắc bệnh gan tiến triển và rối loạn vận động thường do thuốc chống loạn thần gây ra. Chúng cũng thường được sử dụng để cải thiện thành tích thể thao, ngăn ngừa mệt mỏi, giảm suy nhược cơ và các mục đích khác.
2. Vai trò của BCAA trong chuyển hóa dinh dưỡng
a. Chuyển hóa glucose và lipid
Ngoài vai trò là EAA dinh dưỡng để tổng hợp protein, BCAA còn là phân tử tín hiệu tham gia vào quá trình chuyển hóa dinh dưỡng. Mô mỡ đóng vai trò chính trong cân bằng nội môi glucose và lipid thông qua việc lưu trữ các chất dinh dưỡng dư thừa và phân giải mỡ, đồng thời cũng có vai trò duy trì sự cân bằng của BCAA. Lượng chất dinh dưỡng dư thừa hoặc béo phì gây ra cả hai vấn đề làm tăng quá trình dị hóa BCAA và ức chế quá trình oxy hóa axit béo tương ứng trong cơ xương và mô mỡ.
Nghiên cứu trước đây đã chứng minh khả năng tiềm tàng của mô mỡ trong việc điều hòa các BCAA lưu hành trong cơ thể thông qua sự điều hòa phối hợp của các enzyme mô mỡ BCAA. Một nghiên cứu khác báo cáo rằng việc giảm cụ thể mức BCAA trong chế độ ăn uống có tác dụng có lợi đối với sức khỏe trao đổi chất ở chuột non, đang phát triển, chẳng hạn như cải thiện khả năng dung nạp glucose, làm chậm quá trình tăng khối lượng chất béo một cách vừa phải và nhanh chóng đảo ngược tình trạng béo phì do chế độ ăn.
Việc bình thường hóa trọng lượng được điều chỉnh bằng cách tăng tiêu hao năng lượng, nhưng không phải bằng cách hạn chế calo hoặc tăng hoạt động, và cảm ứng tạm thời của sự cân bằng năng lượng điều chỉnh yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi hormone 21 (FGF21) đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này. Glutamine dưới dạng các chất chuyển hóa Leu đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình tế bào khác nhau, như cân bằng năng lượng, quá trình chết theo chương trình và tăng sinh tế bào; nó có thể kích hoạt con đường oxy hóa β của axit béo trong các tế bào HepG2. Kết quả này cho thấy thiếu hụt glutamine có thể kích hoạt con đường oxy hóa-axit béo để điều chỉnh chuyển hóa lipid.
BCAA có thể điều hòa quá trình chuyển hóa glucose và lipid thông qua con đường phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)-AKT (còn được gọi là protein kinase B, PKB). PI3K, với tư cách là một nhân tố hạt nhân, tham gia vào nhiều quá trình sinh học và đóng vai trò quan trọng trong các chức năng của tế bào bao gồm miễn dịch, tăng trưởng và sống sót trong các con đường truyền tín hiệu của tế bào.
Phân tích đường dẫn tín hiệu chỉ ra rằng Ile làm trung gian cho sự hấp thu glucose của PI3K, nhưng không phụ thuộc vào mTOR. Ile ngăn ngừa sự gia tăng nồng độ glucose trong huyết tương, kích thích sự hấp thu glucose trong cơ xương và cũng có tác dụng ngăn ngừa sự phát triển của bệnh béo phì nội tạng và tăng insulin máu. So với Leu và Val, Ile làm giảm đáng kể mức glucose huyết tương trong thử nghiệm dung nạp glucose đường uống ở chuột bình thường.
Sự thiếu hụt BCAAs làm thay đổi đáng kể quá trình chuyển hóa lipid trong mô mỡ trắng. Sự thiếu hụt Leu có thể ngăn chặn quá trình tạo mỡ ở gan và tăng huy động chất béo trong mô mỡ trắng (WAT), và sự thiếu hụt Val hoặc Ile có tác dụng tương tự trong việc giảm khối lượng chất béo.
Việc bổ sung Leu trong chế độ ăn uống có thể ức chế sự kích hoạt của protein kinase được kích hoạt bằng AMP (AMPK), đây là một cảm biến tín hiệu để duy trì cân bằng nội môi năng lượng. Nồng độ BCAA thấp ngăn chặn quá trình tổng hợp axit béo và cải thiện quá trình oxy hóa β của axit béo bằng cách điều chỉnh biểu hiện gen tạo mỡ ở gan gà mái thịt và quá trình điều chỉnh này có thể được thực hiện thông qua con đường AMPK-mTOR-FoxO1.
Tỷ lệ BCAA tối ưu (Leu:Ile:Val = 1:0,75:0,75–1:0,25:0,25) được bổ sung trong chế độ ăn hạn chế protein (17% CP) có thể làm tăng mức độ mRNA của protein tách rời 3 (UCP3) trong quá trình oxy hóa-glycolytic cơ xương. Sự phong phú của UCP3 có liên quan chặt chẽ đến quá trình chuyển hóa glucose trong cơ xương và UCP3 ảnh hưởng đến sự hấp thu glucose thông qua sự chuyển vị của chất vận chuyển glucose 4 (GLUT4).
Ngoài ra, axit α-keto chuỗi nhánh (BCKA), một chất chuyển hóa của BCAA, ức chế quá trình hô hấp của ty thể và chuyển hóa năng lượng trong tế bào thần kinh, nhưng có thể bảo vệ ty thể và quá trình sản xuất năng lượng chống lại tổn thương oxy hóa. β-hydroxy-β-methylbutyrate (HMB) cũng có thể điều chỉnh chuyển hóa lipid, nhưng thiếu kết quả chi tiết hỗ trợ. Hơn nữa, việc bổ sung glutamine (chất chuyển hóa BCAAs) vào chế độ điều trị liraglutide ở chuột mắc bệnh tiểu đường giúp tăng cường sản xuất insulin và do đó kiểm soát đường huyết, có liên quan đến sự điều hòa tăng biểu hiện của chất vận chuyển axit amin trung tính phụ thuộc natri-2 (vận chuyển glutamine để điều hòa insulin và tiết glucagon) trong tuyến tụy.
Các kết quả tiếp theo chỉ ra rằng các tỷ lệ BCAA khác nhau có thể điều chỉnh quá trình tổng hợp, vận chuyển, oxy hóa, phân giải mỡ và bài tiết adipokine của axit béo, có liên quan đến sự biểu hiện của gen đối với chức năng mô mỡ như AMPKα, mTOR, điều chỉnh thông tin phiên mã im lặng 1 (SIRT1) và peroxisome proliferator-activated receptor-g coactivator-1α (PGC-1α).
Những hiệu ứng này có thể được điều biến thông qua con đường AMPK-mTOR, trục Sirt1-AMPK-PGC-1α và sinh học ty thể. Yếu tố giống Krüppel 15 (KLF15), một yếu tố phiên mã, đóng vai trò chính trong việc điều chỉnh chuyển hóa đường huyết, lipid và AA của nhiều tế bào, đặc biệt là trong chuyển hóa BCAA. Một nghiên cứu gần đây cho thấy rằng nồng độ cao của BCAAs đã ức chế biểu hiện KLF15 trong khi việc thiếu BCAAs gây ra biểu hiện KLF15.
b. Tổng hợp protein
BCAAs kích thích sự tổng hợp protein trong các chế phẩm in vitro của cơ xương, trong đó Leu đóng vai trò quan trọng nhất, và tác dụng kích thích này được trung gian bằng cách điều hòa tăng quá trình bắt đầu dịch mã mRNA bao gồm TSC2, Rheb và raptor trong con đường mTOR. Tuy nhiên, insulin có thể cần thiết cho sự kích thích tổng hợp protein in vivo do Leu gây ra trong cơ xương.
Ngoài cơ xương, Leu còn tăng cường tổng hợp protein trong các mô khác như mô mỡ. Ile hoặc Val một mình không có hiệu quả như một chất điều chỉnh dinh dưỡng tổng hợp protein trong cơ xương. Leu dùng đường uống kích thích tín hiệu mTOR và thúc đẩy quá trình phosphoryl hóa cả 4E-BP1 và S6K1, nhưng không làm tăng tốc độ tổng hợp protein toàn bộ ở gan.
Bổ sung Leu liều thấp giúp tăng cường giảm mỡ và kích thích hiệu quả quá trình tổng hợp protein cơ bắp ở những con chuột bị hạn chế ăn. Bổ sung một lượng Leu cao (5,0 g tổng số) trong đồ uống đa lượng hỗn hợp có hàm lượng protein thấp (6,25 g) có thể kích thích tổng hợp protein cơ myofibrillar hiệu quả như một liều lượng protein cao (25 g) ở nam giới.
Bổ sung Leu có thể kích thích quá trình tổng hợp protein cơ bắp bằng cách kích hoạt đường truyền tín hiệu mTOR, đặc biệt là Leu, chất được sản xuất thông qua quá trình phân giải protein lysosomal có thể kích hoạt mTORC1. Leu cũng tăng tổng hợp protein cơ bắp bằng cách kích thích dịch mã.
Hơn nữa, một ấn phẩm gần đây đã báo cáo rằng việc bổ sung BCAAs trong chế độ ăn ít protein có thể làm tăng dòng AAs ròng trên cơ xương trong cơ thể. Dòng AAs ròng tăng cao này có liên quan đến sự gia tăng nồng độ BCAAs trong huyết tương động mạch và tiêm bắp và các chất chuyển hóa tĩnh mạch bao gồm BCKA và axit béo tự do, đồng thời cũng liên quan đến việc giảm hàm lượng 3-methylhistidinein trong cơ bắp tay.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng Leu có các hoạt động sinh hóa quan trọng liên quan đến việc kích thích tổng hợp protein, ức chế sự thoái hóa protein, tăng cường hoạt động của protein và sự sẵn có của các yếu tố mở đầu nhân thực cụ thể. BCAA, đặc biệt là Leu, điều hòa một phần chức năng của protein trong quá trình dịch mã mRNA thông qua kích hoạt đường dẫn tín hiệu mTOR bao gồm quá trình phosphoryl hóa S6K1, protein liên kết 4E 1 (4E-BP1) và tổ hợp yếu tố mở đầu nhân thực 4E (eIF4E).
Một cuộc điều tra cho thấy rằng quá trình tổng hợp protein myofibrillar trong cơ bắp cao hơn 22% khi chỉ uống BCAA (nghĩa là không ăn đồng thời EAA, protein nguyên vẹn hoặc các chất dinh dưỡng đa lượng khác) sau đó là khi uống giả dược và có trạng thái phosphoryl hóa S6K1 và PRAS40 cao hơn thông qua kích hoạt tế bào con đường truyền tín hiệu mTOR sau bài tập thể lực ở người.
Các chất chuyển hóa BCAAs như BCKA, HMB và glutamine đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein. Một nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng BCKA có thể làm giảm đáng kể biểu hiện protein của thành phần mTORC2 (rictor) trong tế bào cơ tim.
Chất chuyển hóa Leu HMB làm tăng đáng kể quá trình tổng hợp protein cơ bắp và giảm sự phân hủy protein cơ bắp, và một liều uống lớn (~3 g) Ca-HMB (muối canxi của HMB) kích thích mạnh mẽ (gần như tối đa) quá trình đồng hóa cơ xương thông qua mTORC1. HMB kích thích quá trình tổng hợp protein thông qua việc điều chỉnh lại các con đường truyền tín hiệu mTOR, và HMB hiệu quả hơn nhiều so với Leu trong việc tăng tổng hợp protein thông qua hệ thống mTOR trong ống cơ L6 của chuột. Hơn nữa, truyền tĩnh mạch HMB với liều lượng tăng dần ở heo con sơ sinh trong một giờ dẫn đến kích hoạt mTOR và tăng tổng hợp protein cơ bắp.
Bổ sung HMB cũng làm tăng quá trình đồng hóa protein cơ xương ở trẻ sơ sinh bằng cách kích thích tổng hợp protein và tăng sinh tế bào vệ tinh. Một nghiên cứu mới báo cáo rằng HMB giúp tăng cường khối lượng cơ xương bằng cách tăng tổng hợp protein hoặc/và làm giảm sự thoái hóa protein, đồng thời cải thiện quá trình đồng hóa protein trong cơ bằng cách tăng quá trình phosphoryl hóa các phân tử đồng hóa protein.
Avers và cộng sự đã báo cáo rằng việc sử dụng HMB trên mô hình chuột Wistar của bệnh suy mòn do ung thư đã làm tăng đáng kể p70S6K và mTOR được phosphoryl hóa, và sự gia tăng đáng kể 4-E-BP1 được phosphoryl hóa đã giảm bớt ở những con chuột được tiêm tế bào AH-130 bằng cách điều trị bằng HMB. Các kết quả tương tự về sự phân hủy protein bị ảnh hưởng gián tiếp bởi BCAAs đã được báo cáo. BCAA đại diện cho nguồn nitơ chính cho glutamine, có chức năng quan trọng trong việc tăng cường tổng hợp AA và hoạt động như một “con thoi nitơ” giữa các cơ quan.
Tài liệu tham khảo
1. Nie C, He T, Zhang W, Zhang G, Ma X. Branched Chain Amino Acids: Beyond Nutrition Metabolism. Int J Mol Sci. 2018 Mar 23;19(4):954.
Website: https://inrd.vn/
Fanpage: https://www.facebook.com/inrd2022
