Lecture 6A/ Chapter 6 Protein (pages 173 to 203)

Guest Lecturer for 2104Shannan Grant, MSc, RD, PhD Candidate

TheChemist’sViewofProteins• A protein is a compound composed of carbon (C),  hydrogen (H), oxygen (O), and nitrogen (N) atoms. 

• Proteins are like carbohydrates (CHO) and lipids.BUT

• Proteins also contain a N atom.

• Amino acids:  the building blocks of proteins.• Amino group• Acid group• H atom• Distinctive side group

AminoAcidStructure(FIG6.1)

ExamplesofAminoAcids(FIG6.2)

GettingtoKnow…AminoAcids• Essential Amino Acids

• cannot make at all or cannot make enough • 9 essential amino acids exist • must be supplied by the diet (dietary) • NOTE: Table 6.1. (text) lists essential amino acids

• Non‐essential Amino Acids• can make as long as the following ingredients are present: 

• Nitrogen (amino group) • Fragments from carbohydrate and fat (rest of the structure) 

• Conditionally Essential Amino Acids• What do you think? 

There are 20 amino acids

HowdoAminoAcidsFormProteins?

Figure 6.3. Formation of Dipeptide

Condensation

ProteinStructure:UnravelingtheMystery• Primary structure

• Sequence of amino acids or chemical bonds• Secondary structure 

• Electrical attractions within the polypeptide• Shape  The chain can twist into a helical shape• Shape give the protein strength

• Tertiary structure • A side group can be hydrophilic or hydrophobic• The resulting “tangles” provide stability

• Quaternary structure • Two or more polypeptides• Example (Figure 6.5. The Structure of Hemoglobin)

• 4 associated polypeptide chains 

Shape => Function

ProteinsintheHumanBody

ProteinSynthesis• We are unique because our proteins are unique.

• Amino acids sequence  determined by genes

• Diet plays a role• Adequate intake• Nutri‐genomics or Nutritional Genomics 

• Are we what we eat? Can we modify our risk with lifestyle? http://www.ctv.ca/CTVNews/Health/20111012/fruit‐vegetable‐diet‐genetic‐heartdisease‐111012/

• “Highlight 6” (Pages 198 to 199 only; including definitions)

ProteinSynthesiscontinued• Transcription 

• Deoxyribonucleic acid (DNA) => template to make Messenger Ribonucleic acid (mRNA)

• mRNA carries the code/”message” to ribosome• Ribosomes are “protein factories “; moves along mRNA

• Translation • mRNA specifies sequence of amino acids (“manager”)• Transfer (tRNA); amino acid specific

• Sequencing Errors  Communication break‐down• Example: Sickle Cell Anemia; Valine replaced Glutamic  Acid 

Know Figure 6.7. Protein Synthesis

RolesofProteins• Structural (e.g. collagen)

• Building blocks for most body structures• Replacement of dead or damaged cells

• Enzymes (e.g. proteases, lipases) • Break down, build up, and transform substances • Catalysts for reactions

Figure 6.9. Enzyme Action

RolesofProteins– continued…• Hormones (e.g. insulin, parathyroid hormone, table 6.2.) 

• Messenger molecules; transported in blood to target tissues• Regulators of fluid balance  

• When inadequate; Edema• Acid‐base regulators

• Tight control of bloods acid‐base balance• Prevention on acidosis and alkalosis

• Transporters (e.g. glucose transporters, hemoglobin) • Active transport system (Fig. 6.10: An example of transport protein)

• Antibodies (e.g. immunoglobin)• Defend body against disease

• Gluconeogenesis• Insufficient dietary intake of energy and carbohydrate• Energy and glucose at the expense of lean body tissue

DietaryProtein• Protein Quality

• Two factors influence protein quality:1. Digestibility

• Source (Flesh foods, type of plant foods etc.)• Other foods eaten 

2. Amino acid composition• 9 essential amino acids, N‐containing amino groups and energy• Limiting amino acid  we cannot make partial proteins

• High Quality Protein (sometimes called “complete”)• A dietary protein containing all the essential amino acids that humans require. • Animal proteins (flesh foods), soy protein

Quality and Quantity are both important!

DietaryProteincontinued• Limiting Amino Acids

• An essential amino acid found in the shortest supply relative to the amounts needed for protein synthesis in the human body. Four amino acids are the most likely to be limiting: Lysine, Methionine (soy is lacking), Threonine, Tryptophan. 

• Complementary ProteinsFigure. 6.15. 

Vegetarian/vegan diets can provide more than 

enough protein

ProteinDigestionandAbsorption• Mouth and Salivary Gland

• Crushed and moistened in the mouth

• Stomach• Protein Hydrolysis (break‐down) 

• Hydrochloric (HCl) acid uncoils the protein and converts pepsinogen into pepsin

Protein ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> Smaller polypeptides

Key definitions to know: Hydrolysis, denatures,  pro‐enzyme, and digestive enzymes (Page 177).

Pepsin and HCl

ProteinDigestionandAbsorption• Several pancreatic and intestinal proteases (Fig 6.6) hydrolyze polypeptides passed from the stomach.

Polypeptides ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> Tri‐peptides Di‐peptides

• Enzymes on the surface of the small intestinal cells hydrolyze these peptides so that the intestinal cells can absorb the amino acids. 

• When absorbed proteins are either: used for energy, synthesis (structure, facilitate, regulate) or transported to the liver. 

See Fig. 6.6. Protein Digestion in the GI Tract

Intestinal “‐ases”

ProteinQuantity• How do we know if we are getting enough? 

• Canadian Food Guide/ Dietary Reference Intakes• Acceptable Macronutrient Distribution Range (AMDR)

Ref: Institute of Medicine

IOM; DRI for Protein: http://www.nap.edu/openbook.php?isbn=0309085373Health Canada; DRI for Protein: http://www.hc‐sc.gc.ca/fn‐an/nutrition/reference/index‐eng.php

FadDiets• Manipulation of the macronutrient distribution

• Most high protein diets are in fact low carb diets and in turn low in fibre and B vitamins and high in cholesterol.

Examples: Atkins, The Zone Diet, Protein Power…

FAD: A phenomenon that becomes popular for a very short time. 

Malnutrition• Malnutrition 

• Exists in developing and non‐developing countries • No longer a malady of the starving

• Absorptive, hyper‐caloric diets

• Protein‐Energy Malnutrition (PEM)• Deprived of energy, protein or both• Acute PEM  wasting• Chronic PEM  Stunting

ClinicalClassificationofPEM• Marasmus

• Chronic PEM• Clinical presentation  skin and bones• results from severe deprivation, or impaired absorption, of energy, protein, vitamins and minerals.

• Kwashiorkor• Acute PEM• Clinical presentation  edema (swollen belly)• results from inadequate protein intake and infections 

Treatment: rehydration and personalized nutritional intervention  or medical nutrition therapy (MNT)

DietaryProteinandHumanHealth• Can one have too much of a good thing?Yes…?

• Heart disease, cancer, osteoporosis, overweight and obesity and kidney disease

OR• Have diets high in saturated and/or overall fat, low in fibre, low in antioxidants, high in salt have been implicated?

• Substituting vegetable protein and lean flesh products may improve clinical indicators of the above conditions. 

Clinicians must learn how to critically appraise literatureFoods and nutrient perspective  

DietaryProteinandHumanHealthContinued(Page191‐192)

• Overweight and Obese• Low carbohydrate diets

• Adequacy?• Satiety

• Osteoporosis• ↑ protein intake results in increased excretion of Ca• Ratio of protein to Ca may be important• Is animal protein more detrimental? 

Howmuchshouldyouhave?• Dietary Reference Intakes (DRI)

• AMDR• Cautionary note

• RDA/ AI*• 0.80 g/kg body weight/ day

• Currently no Tolerable Upper Intake

• RDA = recommended dietary allowance,  AI = Adequate intakes (see the end of the text for more information on DRIs). 

• Know how to calculate recommended protein intakes (page 193).

Areyougettingenough?• Canadian Food Guide • Space on Your Plate• Food Labels• Registered Dietitian

• http://www.dietitians.ca/

• Canadian Nutrient File • http://webprod3.hc‐sc.gc.ca/cnf‐fce/index‐eng.jsp

ProteinSupplements• Protein powders

• Often used by athletes and “dieters” • Work builds muscle, not supplements• A balanced healthy diet is sufficient

• Energy needs will ↑ as activity/ demand ↑• Intake beyond needs will be stored

Example: Whey ProteinA by‐product of cheese production; the watery part of the milk that separates from the curds. 

ProteinSupplements‐ continued• Amino acid supplements

• Single amino acids do not occur naturally in food• May be harmful

• Side effects may include: diarrhea, deficiency, toxicity

Example: Branched‐chain amino acids are leucine, isoleucine, and valine; falselyPromoted as supplements for exercisingmuscles. 

APreviewofProteinMetabolismThe following concepts will be key to your understanding of protein metabolism in chapter 7:• Protein Turnover• Amino acid pool• Nitrogen balance/ imbalance• Deamination

• Keto acid

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION!Questions, please.