Lesson 4 Protein Nutrition - PowerPoint Presentation

Slide1

Lesson 4

Protein Nutrition

Slide2

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

Slide3

What Are Proteins?

Large moleculesMade up of chains of amino acidsAre found in every cell in the bodyAre involved in most of the body

’s functions and life processesThe sequence of amino acids is determined by DNA

Slide4

Structure of Proteins

Made up of chains of amino acids; classified by number of amino acids in a chain

Peptides: fewer than 50 amino acidsDipeptides: 2 amino acidsTripeptides: 3 amino acidsPolypeptides: more than 10 amino acidsProteins: more than 50 amino acids

Typically 100 to 10,000 amino acids linked togetherChains are synthesizes based on specific bodily DNAAmino acids are composed of carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen

Slide5

Structural Differences Between

Carbohydrates, Lipids, and Proteins

Slide6

Amino Acid

Slide7

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

Slide8

Condensation and Hydrolytic Reactions

Figure 6.3

Slide9

Essential, Nonessential, and Conditional

Essential – must be consumed in the diet

Nonessential – can be synthesized in the bodyConditionally essential – cannot be synthesized due to illness or lack of necessary precursorsPremature infants lack sufficient enzymes needed to create arginine

Slide10

Slide11

Structure of the Protein

Four levels of structurePrimary structure

Secondary structureTertiary structure Quaternary structure

Any alteration in the structure or sequencing changes the shape and function of the protein

Slide12

Denaturing

Alteration of the protein’s shape and thus functions through the use of Heat

AcidsBasesSaltsMechanical agitationPrimary structure is unchanged by denaturing

Slide13

Denaturing a Protein

Figure 6.5

Slide14

Quick Review

Proteins are chains of combination of amino acids

Amino acids contain carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sometimes sulfurUnique amino acids consist of a central carbon with a carboxyl group, a hydrogen, a nitrogen-containing amine group, and a unique side chainThere are 20 side chains and 20 unique amino acids

9 essential amino acids11 nonessential amino acidsAt time these become conditionally essentialAmino acids link together with peptide bonds by condensation and break apart by hydrolysis

Slide15

Quick Review

Attractions and interactions between the side chains cause the proteins to fold into precise three-dimensional shapes

Protein shape determines its functionProteins are denatured and their shapes changed byHeatAcidsBasesSaltsMechanical agitation

Slide16

Protein Digestion: STEP 1

Figure 6.6

Slide17

Figure 6.6

Protein Digestion: STEP 2

Slide18

Figure 6.6

Protein Digestion: STEP 3

Slide19

Figure 6.6

Protein Digestion: STEP 4

Slide20

Protein Digestion in the GI Tract

Slide21

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 circulationTransporters can carry

Free AAsDi- and tripeptidesFor example, can transport carnosine, a dipeptide Nonprotein AAsFor example, can transport creatine from intestine to blood

Lumen

Amino acids

Oligopeptides

Tripeptides

Dipeptides

Intestinal cell

Blood

Cellular membrane

Peptidases

Transporters

Slide22

Slide23

Slide24

Fast Versus Slow Digestion of Proteins

Proteins are digested at different rates

Similar to glycemic index concept for carbohydratesWhey 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 consumptionSoy protein

Digested faster than whole milk protein, which contains both whey + caseinOverall, more like a fast protein, but slower than whey

Slide25

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

mRNA

Rough ER

Slide26

Translation of DNA for Making Cellular Proteins

mRNA at ribosome

A

U

G

U A C

Met

tRNAs

Rough ER

Initiator codon

U G U

A C A

Cys

……..

Peptide bond

U A U

A U A

Tyr

Ribosome

Direction of ribosome movement

U U U

C A A

A A A

G U U

Phe

Gln

Amino acid

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

Slide27

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

Muscle

synthesis

Muscle

protein

Muscle

breakdown

Amino

acids

Amino acids

Blood

Slide28

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 proteinMixed protein sources provide benefits of all

Slide29

Branched Chain Amino Acids (BCAAs)

BCAAs are

Unlike other amino acids, most BCAA metabolism occurs in skeletal muscleLiver 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

H

3

C

H

3

C

CH-

H

3

C

H

3

C

CH-CH

2

-

CH

2

CH

2

CH-

CH

3

C

COO

-

NH

3

+

H

C

COO

-

NH

3

+

H

C

COO

-

NH

3

+

H

Leucine

Isoleucine

Valine

Slide30

How Does the Body Use Protein?

Functions of proteinProvide structural and mechanical supportMaintain body tissues

Functions as enzymes and hormonesHelp maintain acid base balanceTransport nutrientsAssist the immune systemServe as a source of energy when necessary

Slide31

How Much Protein Do You Need?

Healthy, nonpregnant adultsShould consume enough to replace what is used every dayThe goal is nitrogen balance

Pregnant woman, people recovering from surgery or injury, and growing childrenShould consume enough to build new tissue

Slide32

Nitrogen Balance and Imbalance

Figure 6.12

Slide33

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.

Slide34

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.

Slide35

Protein in Foods

Protein QualityDigestibility

Depends on protein’s food sourceAnimal 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

Slide36

Protein in Foods

Protein Quality

Amino Acid CompositionThe 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.

Slide37

Protein in Foods

Protein Quality

High-Quality ProteinsContains all the essential amino acidsAnimal 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 acidsUsed by vegetarians

Slide38

Not All Protein Is Created Equal

High quality proteinIs digestible

Contains all essential amino acidsProvides sufficient protein to synthesize nonessential amino acidsIt 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

Slide39

Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score

เป็นค่าความสามารถในการย่อยโปรตีนเพื่อให้ได้ปริมาณกรดอะมิโนแก่ร่างกาย เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ต่อร่างกายต่อไป

PDCAAS เป็นค่ามาตรฐานในการตรวจสอบคุณภาพโปรตีนที่ผ่านการยอมรับ เพื่อชี้วัดคุณภาพโปรตีนโดยมีค่าสูงสุดเท่ากับ 1.0 หรือ 100% ซึ่งอาหารที่ได้โปรตีนที่มีค่าเท่ากับ 1.0 ได้แก่ นม และ ไข่

Slide40

Biological Value of Protein (BV) /

คุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน

ค่า BV เป็นอีกวิธีการหนึ่งที่ใช้ประเมินคุณภาพของโปรตีน เป็นการวัดว่าเมื่อกินโปรตีนชนิดนั้นเข้าสู่ร่างกาย จะมีไนโตรเจนเหลืออยู่ในร่างกายเท่าใด ในการรักษา

สภาพหรือเพื่อการเจริญเติบโตของร่างกาย และมีสุขภาพดีเปรียบเทียบกับปริมาณไนโตรเจนที่ร่างกายดูดซึมเข้าไป ซึ่งการวัดคุณค่าทางชีวภาพจะกระทำการทดสอบในสัตว์ทดลอง และสามารถกระทำการทดสอบกับคนก็ได้ ผู้ทดลองหรือสัตว์ทดลองจะได้รับอาหารที่ไม่มีไนโตรเจน (nitrogen-free diet)

เป็นระยะเวลาประมาณ 7-10 วัน หลังจากนั้นให้สัตว์ทดลองกินอาหารที่มีโปรตีนที่ถูกทดสอบ ให้มีปริมาณโปรตีนเท่ากับความต้องการของร่างกายเป็นระยะเวลาที่เท่ากัน เก็บอุจจาระและปัสสาวะในแต่ละวัน นำมาวิเคระห์หาปริมาณไนโตรเจนที่ขับออกมาในอุจจาระและปัสสาวะ ตลอดระยะเวลาที่ทำการทดลองทั้งระหว่างที่

กินอาหารที่ปราศจากไนโตรเจนและอาหารที่มีโปรตีนตัวอย่าง แล้วนำมาคำนวณหาผลต่างของปริมาณไนโตรเจนในอุจจาระและปัสสาวะ นำค่าปริมาณไนโตรเจนที่ขับออกมาในอุจจาระและปัสสาวะมาเปรียบเทียบกัน ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนแปลงปริมาณไนโตรเจนที่ขับออกมาในอุจจาระและปัสสาวะระหว่างที่ได้รับอาหารทั้งสองชนิด คำนวณหาคุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน

Slide41

                                                                                    

เมื่อ           I   =   ปริมาณไนโตรเจนทั้งหมดที่ได้รับ

                F   =   ปริมาณไนโตรเจนในอุจจาระขณะที่กินอาหารที่มีโปรตีนตัวอย่าง                F0   =   ปริมาณไนโตรเจนในอุจจาระที่มาจากภายในร่างกาย

(endogenous)  เมื่อกินอาหารที่ไม่มีไนโตรเจน                                    U   =    ปริมาณไนโตรเจนในปัสสาวะขณะที่กินอาหารที่มีโปรตีนตัวอย่าง                U0

=    ปริมาณไนโตรเจนในปัสสาวะที่มาจากภายในร่างกายเมื่อกินอาหารที่ไม่มี ไนโตรเจน                                             คุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน          =           I-(F-F0)-(

U-U0)    x  100 I - (F - F0)    

Slide42

คุณค่าทางชีวภาพของโปรตีน = ไนโตรเจนที่เหลืออยู่ในร่างกาย

x 100 ไนโตรเจน

ที่ถูกดูดซึมเข้าสู่ร่างกายไนโตรเจนที่เหลืออยู่ในร่างกาย 

= ไนโตรเจนที่ร่างกายได้รับ – ไนโตรเจนในอุจจาระ ปัสสาวะและเหงื่อ                                                                                                                                                  ไนโตรเจนที่ถูกดูดซึมเข้าสู่ร่างกาย = ไนโตรเจนที่ร่างกายได้รับ – ไนโตรเจนในอุจจาระ

Slide43

Amino acid score

เป็นค่าที่ใช้เปรียบเทียบปริมาณกรดอะมิโนจำเป็น (essential

amino acid) ในอาหาร กับกรดอะมิโนชนิดเดียวกันที่มีอยู่ในโปรตีนอ้างอิง (เช่น ไข่) อัตราส่วนของกรดอะมิโนจำเป็นชนิดใดมีค่าน้อยที่สุด ตัวเลขนั้นคือ amino acid score ของอาหารนั้น และเรียก

กรดอะมิโนจำเป็นที่มีค่าน้อยที่สุด ว่า limiting amino acidกรดอะมิโนจำเป็นที่วิเคราะห์ได้มีหน่วยเป็นมิลลิกรัมต่อกรัมของโปรตีน แล้วนำชนิดและปริมาณของกรดอะมิโนจำเป็นในโปรตีนตัวอย่างมาเปรียบเทียบกับโปรตีนของไข่ทั้งฟอง ซึ่งกำหนดให้มี

chemical score เป็น 100 เนื่องจากไข่ขาวจัดเป็นโปรตีนที่สมบูรณ์ที่สุด คือมีกรดอะมิโนจำเป็นทั้งชนิดและปริมาณมากกว่าที่ร่างกายต้องการ หรือนำไปเปรียบเทียบกับโปรตีนอ้างอิง (ideal reference protein) แล้วคำนวณออกมาดังสมการ

Slide44

 Amino acid score    

=  มิลลิกรัมของกรดอะมิโน

จำกัดต่อกรัมของโปรตีนที่ทดสอบ x 100               มิลลิกรัมของกรดอะมิโนจำกัดชนิดเดียวกันต่อกรัมของโปรตีนอ้างอิง

Chemical score ของโปรตีนตัวอย่าง = ปริมาณของกรดอะมิโนจำเป็นแต่ละชนิด x 100

ปริมาณกรดอะมิโนจำเป็นชนิดเดียวกันที่มีในโปรตีนอ้างอิง

Slide45

โปรตีนในอาหารที่จะนำมาวิเคราะห์หาค่า chemical score

จะต้องทำให้บริสุทธิ์และไฮโดรไลซ์ให้สมบูรณ์ เพื่อจะได้ทราบถึงชนิดและปริมาณของกรดอะมิ

โนจำเป็นที่เป็นองค์ประกอบอยู่ในโปรตีนนั้นๆ แล้วคำนวณหา กรดอะมิโนจำเป็นชนิดที่มีเปอร์เซ็นต์ chemical score ต่ำที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับไข่หรือโปรตีนอ้างอิง เรียกว่า กรดอะมิโนจำกัด (limiting amino acid)

ชนิดแรกของโปรตีนนั้น กรดอะมิโนจำเป็นที่มีเปอร์เซ็นต์ chemical score ถัดไปจะเป็น กรดแอมิโนจำกัดชนิดที่สอง

Slide46

อาหาร

กรดอะมิ

โนจำกัดไข่เนื้อหมู

เนื้อวัวน้ำนมคนน้ำนมวัวปลาข้าวเจ้าแป้งสาลีข้าวโพดมันฝรั่งถั่ว

มันสำปะหลังแป้งถั่วลิสงแป้งถั่วเหลืองเมล็ดงาไม่มี เป็นโปรตีนที่สมบูรณ์

ที่สุดกรดแอมิโนที่มีกำมะถันกรดแอมิโนที่มีกำมะถันกรดแอมิโนที่มีกำมะถันกรดแอมิโนที่มีกำมะถันทริพโตเฟนไลซีนไลซีน

ทริพโตเฟน

กรดแอมิโนที่มีกำมะถัน

กรดแอมิโนที่มีกำมะถัน

กรดแอมิโนที่มีกำมะถัน

กรดแอมิโนที่มีกำมะถัน

กรดแอมิโนที่มีกำมะถัน

ไลซีน

 

ที่มา

 : 

Davison et al. (1973)

 

ตาราง

  

กรดอะมิ

โนจำกัดของโปรตีนในอาหารบางชนิด

Slide47

Protein efficiency ratio (PER)

เป็นวิธีการทางชีววิทยาที่ใช้ประเมินคุณภาพของโปรตีน ค่านี้เป็นอัตราส่วนของน้ำหนักตัวที่เพิ่มขึ้นต่อปริมาณของ

โปรตีนที่สัตว์ทดลองได้รับขณะที่กำลังเจริญเติบโต 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

Slide48

Protein Quality

Complete proteins Contain all nine essential amino acids

Usually animal source are complete proteinsAre considered higher qualityIncomplete proteins Low in one or more essential amino acidUsually plant sources are incomplete

Slide49

Protein Needs

Protein intake recommendations10–35% of total daily kilocalories

Adults over 18 0.8 g/kg dailyAmerican College of Sports Medicine, the American Dietetic Association, and other experts advocate50–100% more protein for competitive athletes participating in endurance exercise or resistance exercise

Typically this population eats more and therefore gets additional protein

Slide50

Quick Review

Protein quality is determined by digestibility and types and amounts of amino acids

Animal protein is more easily digested and completePlant proteins are typically incomplete, except soyPlant proteins can be complemented with proteins from other plant sources or animal source to improve their qualityAdults should consume 0.8 g/kg/d of proteinMen and women in the United States tend to over consume protein

Slide51

Best Sources of Protein

Proteins are abundant inDairy foodsMeats

PoultryMeat alternatives such as dried beans, peanut butter, nuts, and soy3 oz serving of cooked meat, poultry, or fish Provides 21–25 grams of proteinAbout 7 g/ozAbout the size of a deck of cardsAdequate amount for one meal

Slide52

Best Sources of Protein

Figure 6.14

Slide53

Quick Review

A well-balanced diet can meet daily protein needsBest source of protein are animal products

EggsLean meatsLow-fat or fat-free dairy productsPlant proteins such as soy, grains, and vegetables supply substantial proteinsMost people consume adequate protein from their diet and do not need protein supplements

Slide54

Protein Bars

Are marketed as convenient and portableCan beHigh in saturated fat and/or sugarLow in fiber

ExpensiveA peanut butter sandwich is portable and lower in saturated fat and sugar and higher in fiber than some protein bars

Slide55

Eating Too Much Protein

Risk of heart diseaseRisk of kidney stonesRisk of calcium loss from bonesRisk of colon cancer

Displacement of other nutrient-rich, disease preventing foods

Slide56

Eating Too Little Protein

Protein-energy malnutrition (PEM)Protein is used for energy rather than its other functions in the bodyOther important nutrients are in short supply

More prevalent in infants and children17,000 children die each day as a result

Slide57

Too Little Protein

Without adequate proteinCells lining the GI tract are not sufficiently replaced as they slough offDigestive function is inhibited

Absorption of food is reducedIntestinal bacteria gets into the blood and causes septicemiaImmune system is compromised due to malnutrition and cannot fight infection

Slide58

Types of PEM: Kwashiorkor

Severe protein deficiency

Generally result of a diet high in grains and deficient in proteinSymptoms range fromEdema in legs, feet, and stomachMuscle tone and strength diminish

Hair is brittle and easy to pull outAppear pale, sad, and apatheticProne to infection, rapid heart rate, excess fluid in lungs, pneumonia, septicemia, and water and electrolyte imbalances

Slide59

Results from a severe deficiency in kilocalories

Frail, emaciated appearanceWeakened and appear apathetic

Many cannot stand without supportLook oldHair is thin, dry, and lacks sheen

Body temperature and blood pressure are lowProne to dehydration, infections, and unnecessary blood clotting

Types of PEM: Kwashiorkor

Slide60

Types of PEM:

Marasmic Kwashiorkor

Chronic deficiency in kilocalories and proteinHave edema in legs and armsHave a “skin and bones” appearance

With treatment the edema subsides and appearance becomes more like someone with marasmus

Slide61

Quick Review

High-protein diet may play a role in increasing risk of heart disease, kidney problems, and calcium loss from bonesConsuming too much protein from animal sources increase saturated fat intake

Too much protein can displace whole grains, fruits, and vegetables, which have been shown to reduce many chronic diseasesLow-protein diet can lead to loss of bone massPEM is caused by inadequate protein and/or kilocalorie intakeKwashiorkor – severe protein deficiencyMarasmus – severe kilocalorie deficiency

Slide62

Putting It All Together

Majority of daily kilocalories should come

from carbohydrate-rich foodsFat intake should be no more than about one-third of daily kilocaloriesProtein should provide the rest of the daily kilocalories

Slide63

Putting It All Together

Best plan for a healthful diet

Eat an abundance of Grains (at least ½ whole grains)VegetablesFruitsEat modest amounts ofCommercially made bakery and snack itemsVegetables with creamy sauces or added butter

SweetsChoose low-fat dairy products, lean meat, poultry, and fish to minimize the intake of heart-unhealthy saturated fats

Slide64

Metabolic Fate of Amino Acids

Figure 6.7