بیست درصد بدن انسان از پروتئین تشکیل شده است. پروتئین تقریبا در تمام فرایندهای بیولوژیک بدن نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند، و آمینو اسید (اسید آمینه) مواد تشکیل دهنده‌ی این پروتئین‌ها هستند.
بخش بزرگی از سلول‌ها، ماهیچه‌ها، و بافت‌های بدن‌مان از اسیدهای آمینه تشکیل شده‌اند؛ یعنی آن‌ها بسیاری از کارکردهای مهم بدن را در اختیار دارند، از جمله ایجاد ساختار سلولی. هم‌چنین اسیدهای آمینه در انتقال و ذخیره‌ی مواد مغذی در بدن نقش کلیدی بازی می‌کنند. آمینو اسیدها بر کارکرد اندام‌ها، غدد، زردپی‌ها (تاندون‌ها)، و عروق خونی تاثیر می‌گذارند. علاوه بر این‌ها، آمینو اسیدها برای التیام زخم‌ها و ترمیم بافت‌ها، به ویژه در ماهیچه‌ها، استخوان‌‌ها، پوست، و مو، و هم‌چنین دفع تمام انواع مواد زائد تولید شده در فرایند سوخت و ساز (متابولیسم) بدن بسیار ضروری هستند.
اهمیت آمینو اسیدها برای تن‌درستی انسان در حال افزایش است
میریون جونز، خبرنگار مشهور بی‌بی‌سی، گزارش داد، بر خلاف باورهای سال‌های گذشته، بسیاری از پزشکان، در حال حاضر، تایید کرده‌اند تجویز آمینو اسیدها (از طریق مکمل‌های غذایی) می‌تواند تاثیرات مثبتی روی آدم‌ها داشته باشد.
جونز و اردمن تغییرات ایجاد شده را در نظرات پزشکی، این گونه توضیح می‌دهند: “متاسفانه، در جهان بیرون عوامل بی‌شماری مشغول به کار هستند تا از دریافت میزان کامل و متعادل این موادِ بسیار مهم جلوگیری کنند. از جمله‌ی این عوامل می‌توان به آلودگی هوای ناشی از سوختن سوخت‌های فسیلی، استفاده از هورمون‌ها برای پرورش دام‌ها، استفاده‌ی بیش از اندازه از کودها در کشاورزی، و حتی عادت‌هایی نظیر سیگار کشیدن یا نوشیدن الکل اشاره کرد، که همگی می‌توانند از استفاده‌ی کامل بدن از آنچه می‌خوریم، جلوگیری کنند. بدتر این‌که، مقدار زیادی از مواد مغذی موجود در غذاهای‌مان در فرایند فرآوری محصولات غذایی، واقعا پیش از مصرف، از بین می‌روند … با تامین مواد مغذی برای بدن، به صورت بهینه، اسیدهای آمینه می‌توانند به جایگزینی مواد مغذی از دست رفته‌ی بدن کمک کنند؛ و در این فرایند، باعث بهبود سطح سلامتی و سر زندگی شوند.”
مطالعه‌ای که به تازگی توسط دانشمندان آلمانی به عمل آمده، نشان داده است، آدم‌های مسن، به طور ویژه، بیش از سایرین در معرض ابتلا به سوء تغذیه قرار دارند. “چنان‌چه بدن دچار فقدان حداقلِ انرژی و مواد مغذی شود، نمی‌تواند از پس کارکردهای جسمی و روانی بر بیاید. بدون وجود ویتامین‌های ضروری، پروتئین‌ها (آمینو اسیدها)، عناصر کم مقدار و مواد معدنی، خطر ایجاد ضعف و ناتوانی، و اختلالات سوخت و سازی (متابولیک) افزایش می‌یابد و متعاقبا، دچار عواقب جدی و سختی خواهیم شد.”
مخرن آمینو اسیدها باید مناسب باشد
جونز معتقد است، تقریبا همه‌ی بیماری‌های ناشی از زندگی شهری و متمدن، در نتیجه‌ی وجود عدم تعادل در سوخت و ساز (متابولیسم) ایجاد می‌شوند. مخزن آمینو اسید نیز مشترکا می‌تواند مسئول رسیدن به تعادل در سوخت و ساز بدن‌مان باشد.
مخزن آمینو اسید عبارت است از مجموع میزان آمینو اسیدهای موجود در بدن انسان. اندازه‌ی این مخزن در بدن یک مرد بزرگسال حدود ۱۲۰ الی ۱۳۰ گرم است. چنان‌چه در رژیم غذایی‌مان پروتئین وجود داشته باشد، این پروتئین در مجاری معده و روده به اسیدهای آمینه‌ی مجزا تجزیه می‌شود و سپس، این اسیدهای آمینه به صورت یک پروتئین جدید با یکدیگر ترکیب می‌شوند. این فرایند بیولوژیکی پیچیده، زیست ساخت یا بیوسنتز نامیده می‌شود. کل مخزن آمینو اسید در طول یک روز، سه الی چهار مرتبه تغییر شکل می‌دهد یا “عوض می‌شود.” این مسئله به این معنی است که آمینو اسیدهای بیش‌تری باید به بدن برسند؛ بخشی از طریق زیست ساخت (بیوسنتز)، و نیز بخشی به وسیله‌ی رژیم غذایی یا مصرف مکمل‌های غذایی مناسب.
هدف اصلی این است که مخزن آمینو اسید کامل باشد، و ترکیب صحیح آن حفظ شود. چنان‌چه یک یا چند آمینو اسید به مقدار کافی وجود نداشته باشند، تولید پروتئین ضعیف می‌شود و سوخت و ساز نیز ممکن است به صورت محدود انجام شود.
تنها افراد سالخورده دچار این مشکل نمی‌شوند، بلکه آدم‌های جوان نیز ممکن است تحت تاثیر پیامدهای منفی تامین محدود مواد مغذی قرار بگیرند. این پیامدها عبارت هستند از مشکلات وزنی، ریزش مو، مشکلات پوستی، اختلالات خواب، نوسانات خلقی و / یا اختلالات نعوظ؛ هم‌چنین این پیامدها ممکن است شامل آرتروز، دیابت، عدم تعادل در دستگاه قلب و عروق (افزایش سطح کلسترول، افزایش فشار خون) یا حتی اختلالات مربوط به یائسگی شوند.
۲۰ آمینو اسید و نقش آن‌ها در ساختار پروتئین
آمینو اسیدها در طول شکل‌گیری پروتئین به صورت زنجیره‌ی پلی‌پپتید بر روی ریبوزوم به یکدیگر متصل می‌شوند. در این فرایند، پیوند پپتیدی، پیوند کووالانسی میان دو باقی‌مانده‌ی آمینو اسید، شکل می‌گیرد. ۲۰ آمینو اسید مختلف، به رایج‌ترین شکل، در طبیعت وجود دارند. هر یک از آن‌ها دارای خصوصیت‌های خاصی هستند که توسط زنجیر جانبی تعریف می‌شود، که نقش منحصر به فرد هر یک از آن‌ها را در ساختار یک پروتئین تعیین می‌کند. آمینو اسید بر اساس گرایش زنجیر جانبی به ایجاد اتصال به حلال قطبی نظیر آب، ممکن است به صورت آب گریز (گرایش پایین به ایجاد اتصال با آب)، قطبی یا باردار (دارای اتصال فعال و مناسب با آب) دسته‌بندی شود. باقی‌مانده‌های آمینو اسیدِ باردار شامل لیزین (+)، آرژینین (+)، آسپارتات (-)، و گلوتامات (-) می‌شوند. آمینو اسیدهای قطبی عبارت هستند از سرین، ترئونین، آسپاراژین، گلوتامین، هیستیدین، و تیروزین. اسیدهای آمینه‌ی آب گریز نیز شامل آلانین، والین، لوسین، ایزولوسین، پرولین، فنیل‌آلانین، تریپتوفان، سیستئین، و متیونین می‌شوند. شاید به نظر برسد این دسته‌بندی بر اساس نوع زنجیر جانبی آمینو اسید باشد. با وجود این، گلیسین، یکی از آمینو اسیدهای رایج، زنجیر جانبی ندارد، و به همین دلیل، مستقیما در هیچ یک از دسته‌های فوق قرار نگرفته است. عموما، گلیسین غالبا در سطح پروتئین، درون نواحی حلقوی یا مارپیچی (بدون ساختار ثانویه) یافت می‌شود، و در این نواحی انعطاف‌پذیری بالایی را به زنجیره‌ی پلی‌پپتید می‌بخشد. همین مسئله نشان می‌دهد این آمینو اسید بیشتر به آب گریزی گرایش دارد. از سویی دیگر، پرولین عموما غیر قطبی است و اکثرا درون پروتئین پنهان می‌شود، اگر چه مانند گلیسین، غالبا در نواحی حلقوی یافت می‌شود. پرولین، بر خلاف گلیسین، با تحمیل برخی زوایای پیچشی بر بخش ساختار، به زنجیره‌ی پلی‌پپتید سختی و استحکام می‌بخشد. گلیسین و پرولین غالبا درون یک خانواده‌ی پروتئین حفظ می‌شوند، زیرا آن‌ها برای حفظ یک تاشدگی پروتئین ویژه ضروری هستند.
در ادامه به ۲۰ رایج‌ترین آمینو اسیدهای موجود در پروتئین‌ها، و نام‌‌های اختصاری تک حرفی و سه حرفی‌شان اشاره می‌کنیم:
۱. باردار (زنجیرهای جانبی غالبا پل‌های نمکی ایجاد می‌کنند):
الف. آرژینین – Arg – R
ب. لیزین – Lys – K
پ. اسید آسپارتیک – Asp – D
ت. اسید گلوتامیک – Glu – E
۲. قطبی (معمولا در پیوندهای هیدروژنی، به صورت دهنده یا گیرنده‌ی پروتون شرکت می‌کنند):
الف. گلوتامین – Gln – Q
ب. آسپاراژین – Asn – N
پ. هیستیدین – His – H
ت. سرین – Ser – S
ث. ترئونین – Thr – T
ج. تیروزین – Tyr – Y
چ. سیستئین – Cys – C
ح. تریپتوفان – Trp – W
آب گریز (به طور معمول درون هسته‌ی پروتئین پنهان است):
الف. آلانین – Ala – A
ب. ایزولوسین – Ile – I
پ. لوسین – Leu – L
ت. متیونین – Met – M
ث. فنیل‌آلانین – Phe – F
ج. والین – Val – V
چ. پرولین – Pro – P
ح. گلیسین – Gly – G
بیشتر مولکول‌های پروتئین دارای یک هسته‌ی آب گریز هستند که با حلال و سطح قطبیِ محیط در تماس نیست (اگرچه پروتئین پوسته‌ای از یک الگوی متفاوت پیروی می‌کند). هنگامی که باقی‌مانده‌های آمینو اسید آب گریز تشکیل هسته می‌دهند، آمینو اسیدهای قطبی و باردار، به دلیل توانایی‌شان در تشکیل پیوند هیدروژنی، ترجیح می‌دهند سطح مولکول را بپوشانند و در تماس با حلال قرار بگیرند. برای تشکیل یک پیوند هیدروژنی، باید دو اتم الکترونگاتیو با یک هیدروژن مشابه واکنش دهند. این هیدروژن به صورت کوالانسی به یکی از اتم‌ها می‌چسبد (که به آن پیوند هیدروژن دهنده می‌گویند)، ولی به صورت الکترواستاتیکی به اتم دیگر واکنش می‌دهد (پیوند هیدروژنی گیرنده). در پروتئین‌ها اساسا تمام گروه‌هایی که دارای قابلیت تشکیل پیوندهای هیدروژنی هستند، معمولا با یکدیگر، یا با مولکول‌های آب پیوند هیدروژنی بر قرار می‌کنند. مولکول‌های آب، به دلیل ساختار الکترونی‌شان، ممکن است دو پیوند هیدروژنی را بگیرند، و دو پیوند را بدهند، بنابراین به طور هم‌زمان مجموعا با ۴ پیوند هیدروژنی درگیر هستند. هم‌چنین، مولکول‌های آب ممکن است از طریق ایجاد پیوندهای هیدروژنی با گروه‌های زنجیر اصلی و زنجیر جانبی در پروتئین‌ها و حتی اتصال گروه‌های مختلف پروتئینی به یکدیگر، در پایدارسازی ساختار پروتئین نیز نقش داشته باشند. به علاوه، آب غالبا درگیرِ پیوند لیگاند با پروتئین‌ها، و میانجی‌گری واکنش‌های لیگاند با اتم‌های زنجیر جانبی یا زنجیر اصلی قطبی یا باردار است.
آمینو اسیدهای باردار مثبت و منفی غالبا تشکیل پل‌های نمکی می‌دهند. این واکنش‌ها ممکن است برای پایدارسازی ساختار سه بعدی پروتئین مهم باشد – برای مثال بر روی سطح پروتئین‌های ارگانیسم‌های گرما دوست غالبا شبکه‌ی گسترده‌ای از پل‌های نمکی وجود دارد، که به قابلیت استحکام این پروتئین‌ها در مقابل حرارت کمک می‌کنند، و از واسرشتن آن‌ها در دمای بالا پیشگیری می‌کنند.
موقعیت مورد علاقه‌ی آمینو اسیدهای مختلف در مولکول‌های پروتئین را می‌توان با محاسبه‌ی محدوده‌ای که یک اسید آمینه در ساختار پروتئین پنهان می‌شود یا در معرض حلال قرار می‌گیرد، مشخص کرد.
علاوه بر این‌که آمینو اسیدهای آب گریز غالبا درون هسته‌ی ساختار پروتئین پنهان هستند، بخش کوچک‌تری از گروه‌های قطبی نیز به همین صورت، در این ساختار پنهان هستند. باقی‌مانده‌های باردار تا درجه‌ی بسیار بالایی در معرض حلال قرار دارند.