ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, БИОСИНТЕЗ - БИОЛОГИЯ - 2024

Глутаминовая кислота является одним из 22 аминокислот, входящих в состав белков во всех живых существах и одной из наиболее распространенных в природе. Поскольку человеческое тело имеет внутренние пути биосинтеза, это не считается важным.

Вместе с аспарагиновой кислотой глутаминовая кислота относится к группе отрицательно заряженных полярных аминокислот и, согласно двум существующим системам номенклатуры (из трех или одной буквы), она обозначается как « Glu » или как « E ».

Структура аминокислоты глутаминовой кислоты (Источник: Hbf878 через Wikimedia Commons)

Эта аминокислота была открыта в 1866 году немецким химиком Риттерсхаузеном, когда он изучал гидролизованный пшеничный глютен, отсюда и название «глутаминовая». После открытия его присутствие было определено у значительной части живых существ, поэтому считается, что он выполняет важные функции для жизни.

L-глутаминовая кислота считается одним из важнейших посредников в передаче возбуждающих сигналов в центральной нервной системе позвоночных животных, а также необходима для нормальной функции мозга, а также для когнитивного развития, памяти и Обучение.

Некоторые из его производных также выполняют важные функции на промышленном уровне, особенно в отношении кулинарных приготовлений, поскольку они помогают улучшить вкус пищи.

характеристики

Несмотря на то, что глутамат (ионизированная форма глутаминовой кислоты) не является незаменимой аминокислотой для человека, он имеет важное значение для питания животных и, как предполагалось, имеет гораздо более высокую питательную ценность, чем другие незаменимые аминокислоты.

Этой аминокислоты особенно много в головном мозге, особенно во внутриклеточном пространстве (цитозоле), что обеспечивает существование градиента между цитозолем и внеклеточным пространством, которое ограничено плазматической мембраной нервных клеток.

Поскольку он выполняет множество функций в возбуждающих синапсах и выполняет свои функции, воздействуя на определенные рецепторы, его концентрация поддерживается на контролируемых уровнях, особенно во внеклеточной среде, поскольку эти рецепторы обычно «выглядывают» из клеток.

Местами наибольшей концентрации глутамата являются нервные окончания, однако его распределение определяется энергетическими потребностями клеток по всему телу.

В зависимости от типа клетки, когда глутаминовая кислота попадает в клетку, она может быть направлена ​​в митохондрии для энергетических целей или может быть перераспределена по синаптическим пузырькам, и оба процесса используют определенные внутриклеточные транспортные системы.

Структура

Глутаминовая кислота, как и остальные аминокислоты, представляет собой α-аминокислоту, которая имеет центральный атом углерода (который является хиральным), α-углерод, к которому присоединены четыре другие группы: карбоксильная группа, аминогруппа, атом водорода и группу заместителя (боковая цепь или группа R).

Группа R глутаминовой кислоты дает молекуле вторую карбоксильную группу (-COOH), а ее структура - -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- в его ионизированной форме), поэтому сумма атомов общее количество углерода в молекуле равно пяти.

Эта аминокислота имеет относительную массу 147 г / моль, а константа диссоциации (pKa) ее R-группы составляет 4,25. Он имеет изоэлектрическую точку 3,22, а средний индекс присутствия белка составляет около 7%.

Поскольку при нейтральном pH (около 7) глутаминовая кислота ионизируется и имеет отрицательный заряд, она классифицируется в группе отрицательно заряженных полярных аминокислот, группе, в которую также входит аспарагиновая кислота (аспартат в его ионизированной форме ).

Характеристики

Глутаминовая кислота или ее ионизированная форма, глутамат, выполняет множество функций не только с физиологической точки зрения, но также с промышленной, клинической и гастрономической точки зрения.

Физиологические функции глутаминовой кислоты

Одна из самых популярных физиологических функций глутаминовой кислоты в организме большинства позвоночных - это ее роль в качестве возбуждающего нейромедиатора в головном мозге. Было установлено, что более 80% возбуждающих синапсов взаимодействуют с помощью глутамата или одного из его производных.

Среди функций синапсов, которые используют эту аминокислоту во время передачи сигналов, - распознавание, обучение, память и другие.

Глутамат также связан с развитием нервной системы, инициацией и устранением синапсов, а также с миграцией, дифференцировкой и гибелью клеток. Это важно для связи между периферическими органами, такими как пищеварительный тракт, поджелудочная железа и кости.

Кроме того, глутамат выполняет функции как в процессах синтеза белков и пептидов, так и в синтезе жирных кислот, в регуляции клеточных уровней азота и в контроле анионного и осмотического баланса.

Он служит предшественником различных промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса), а также других нейротрансмиттеров, таких как ГАМК (гамма-аминомасляная кислота). В свою очередь, он является предшественником синтеза других аминокислот, таких как L-пролин, L-аргинин и L-аланин.

Клинические приложения

Различные фармацевтические подходы в основном полагаются на рецепторы глутаминовой кислоты в качестве терапевтических мишеней для лечения психических заболеваний и других патологий, связанных с памятью.

Глутамат также использовался в качестве активного агента в различных фармакологических препаратах, разработанных для лечения инфаркта миокарда и функциональной диспепсии (проблемы с желудком или расстройство желудка).

Промышленное применение глутаминовой кислоты

Глутаминовая кислота и ее производные находят разнообразное применение в различных отраслях промышленности. Например, мононатриевая соль глутамата используется в пищевой промышленности в качестве приправы.

Эта аминокислота также является исходным материалом для синтеза других химических веществ, а глутаминовая поликислота - это природный анионный полимер, который является биоразлагаемым, съедобным и нетоксичным для человека или окружающей среды.

В пищевой промышленности он также используется в качестве загустителя и в качестве «смягчителя» горечи различных продуктов.

Он также используется в качестве криопротектора, в качестве «отверждаемого» биологического адгезива, в качестве носителя лекарства, для создания биоразлагаемых волокон и гидрогелей, способных, среди прочего, поглощать большие количества воды.

Биосинтез

Все аминокислоты являются производными гликолитических промежуточных продуктов, цикла Кребса или пентозофосфатного пути. Глутамат, в частности, получают из глутамина, α-кетоглутарата и 5-оксопролина, происходящих из цикла Кребса.

Путь биосинтеза этой аминокислоты довольно прост, и его этапы можно найти почти во всех живых организмах.

Метаболизм глутамата и азота

В метаболизме азота именно через глутамат и глутамин аммоний включается в различные биомолекулы организма, а в результате реакций трансаминирования глутамат обеспечивает аминогруппы большинства аминокислот.

Таким образом, этот путь включает ассимиляцию ионов аммония в молекулы глутамата, которая протекает в двух реакциях.

Первый этап этого пути катализируется ферментом, известным как глютамин синтетаза, который присутствует практически во всех организмах и участвует в восстановлении глутамата и аммиака с образованием глутамина.

У бактерий и растений глутамат вырабатывается из глутамина ферментом, известным как глутаматсинтаза.

У животных это происходит в результате трансаминирования α-кетоглутарата, которое происходит во время катаболизма аминокислот. Его основная функция у млекопитающих - превращать свободный токсичный аммиак в глутамин, который переносится кровью.

В реакции, катализируемой ферментом глутаматсинтазой, α-кетоглутарат подвергается процессу восстановительного аминирования, в котором глутамин участвует в качестве донора группы азота.

Хотя он встречается в гораздо меньшей пропорции, глутамат также вырабатывается у животных в результате одностадийной реакции между α-кетоглутаратом и аммонием (NH4), которая катализируется ферментом L-глутаматдегидрогеназой, который встречается практически во всех странах. живые организмы.

Указанный фермент связывается с митохондриальным матриксом, и реакцию, которую он катализирует, можно примерно записать следующим образом, где НАДФН обеспечивает восстанавливающую способность:

α-кетоглутарат + NH4 + NADPH → L-глутамат + NADP (+) + вода

Метаболизм и деградация

Глутаминовая кислота используется клетками организма для различных целей, среди которых синтез белка, энергетический обмен, фиксация аммония или нейротрансмиссия.

Глутамат, взятый из внеклеточной среды в некоторых типах нервных клеток, может быть «переработан» путем преобразования его в глутамин, который выделяется во внеклеточные жидкости и поглощается нейронами, чтобы снова превратиться в глутамат, который известен как цикл глутамина . -глутамат .

При попадании в организм с пищей, включенной в рацион, всасывание глутаминовой кислоты в кишечнике обычно заканчивается ее преобразованием в другие аминокислоты, такие как аланин, процесс, опосредованный клетками слизистой оболочки кишечника, которые также используют ее в качестве источника энергии.

С другой стороны, печень отвечает за ее преобразование в глюкозу и лактат, из которых химическая энергия извлекается в основном в форме АТФ.

О существовании различных ферментов, метаболизирующих глутамат, сообщалось у разных организмов, таких как глутаматдегидрогеназы, глутамат-аммонийлиазы и глутаминазы, и многие из них были вовлечены в болезнь Альцгеймера.

Продукты, богатые глутаминовой кислотой

Глутаминовая кислота присутствует в большинстве продуктов, потребляемых человеком, и некоторые авторы утверждают, что для человека весом 70 кг суточное потребление глутаминовой кислоты, полученной с пищей, составляет около 28 г.

Среди продуктов, наиболее богатых этой аминокислотой, есть продукты животного происхождения, среди которых выделяются мясо (коровы, свиньи, овцы и т. Д.), Яйца, молочные продукты и рыба. Продукты растительного происхождения, богатые глутаматом, включают семена, зерна, спаржу и другие продукты.

В дополнение к различным типам продуктов питания, естественно богатых этой аминокислотой, ее производным, мононатриевая соль глутамата используется в качестве добавки для улучшения или усиления вкуса многих блюд и пищевых продуктов, подвергшихся промышленной обработке.

Преимущества его приема

Глутамат, добавляемый в различные кулинарные препараты, помогает «вызвать» вкус и улучшить вкусовые ощущения в полости рта, что, по-видимому, имеет важное физиологическое и питательное значение.

Клинические испытания показали, что прием глутаминовой кислоты может иметь потенциальное применение при лечении «расстройств» или патологий полости рта, связанных со вкусом и «гипосаливацией» (низкое образование слюны).

Точно так же глутаминовая кислота (глутамат) является питательным веществом, имеющим большое значение для поддержания нормальной активности клеток слизистой оболочки кишечника.

Было показано, что поставка этой аминокислоты крысам, подвергшимся химиотерапевтическому лечению, увеличивает иммунологические характеристики кишечника в дополнение к поддержанию и усилению активности и функций слизистой оболочки кишечника.

В Японии, с другой стороны, медицинские диеты, основанные на продуктах, богатых глутаминовой кислотой, были разработаны для пациентов, подвергающихся «чрескожной эндоскопической гастрономии», то есть их нужно кормить через желудочный зонд, который соединен через стенку. брюшная полость.

Эта аминокислота также используется для возбуждения аппетита у пожилых пациентов с хроническим гастритом, которые обычно не имеют аппетита.

Наконец, исследования, связанные с пероральным введением глутаминовой кислоты и аргинина, предполагают, что они участвуют в положительной регуляции генов, связанных с адипогенезом в мышечной ткани и липолизом в жировой ткани.

Расстройства дефицита

Поскольку глутаминовая кислота служит предшественником при синтезе различных типов молекул, таких как аминокислоты и другие нейротрансмиттеры, генетические дефекты, связанные с экспрессией ферментов, связанных с ее биосинтезом и переработкой, могут иметь последствия для здоровья организма любого животного.

Например, фермент декарбоксилаза глутаминовой кислоты отвечает за преобразование глутамата в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), нейротрансмиттер, необходимый для ингибирования нервных реакций.

Таким образом, баланс между глутаминовой кислотой и ГАМК имеет первостепенное значение для поддержания контроля корковой возбудимости, поскольку глутамат действует в основном в синапсах возбуждающих нервов.

В свою очередь, поскольку глутамат участвует в ряде функций мозга, таких как обучение и память, его дефицит может вызвать дефекты в этих классах когнитивных процессов, которые требуют его в качестве нейротрансмиттера.

Ссылки

1. Ариёси, М., Катане, М., Хамасе, К., Миёси, Ю., Накане, М., Хосино, А.,… Матоба, С. (2017). D-глутамат метаболизируется в митохондриях сердца. Научные отчеты, 7 (август 2016), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Баррет, Г. (1985). Химия и биохимия аминокислот. Нью-Йорк: Чепмен и Холл.
3. Данболт, Северная Каролина (2001). Поглощение глутамата. Успехи нейробиологии, 65, 1–105.
4. Фоннум Ф. (1984). Глутамат: нейромедиатор в головном мозге млекопитающих. Журнал нейрохимии, 18 (1), 27–33.
5. Гараттини, С. (2000). Международный симпозиум по глутамату. Глутаминовая кислота, двадцать лет спустя.
6. Грэм, Т. Е., Сгро, В., Братья, Д., и Гибала, М. Дж. (2000). Проглатывание глутамата: пулы свободных от мышц и плазмы аминокислот людей в состоянии покоя. Американский журнал физиологии - эндокринологии и метаболизма, 278, 83–89.
7. Ху, CJ, Цзян, QY, Zhang, T., Yin, YL, Li, FN, Su, JY,… Kong, XF (2017). Пищевые добавки с аргинином и глутаминовой кислотой усиливают экспрессию ключевых липогенных генов у растущих свиней. Журнал зоотехники, 95 (12), 5507–5515.
8. Джонсон, JL (1972). Глутаминовая кислота как синаптический передатчик в нервной системе. Обзор. Исследование мозга, 37, 1–19.
9. Кумар, Р., Викрамачакраварти, Д., и Пал, П. (2014). Производство и очистка глутаминовой кислоты: критический обзор в сторону интенсификации процесса. Химическая инженерия и обработка: интенсификация процессов, 81, 59–71.
10. Mourtzakis, M., & Graham, TE (2002). Проглатывание глутамата и его эффекты в покое и во время физических упражнений у человека. Журнал прикладной физиологии, 93 (4), 1251-1259.
11. Нил, Э. (2010). Биологические процессы производства водорода. Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии, 123 (июль 2015 г.), 127–141. https://doi.org/10.1007/10
12. Окумото, С., Функ, Д., Тровато, М., и Форлани, Г. (2016). Аминокислоты семейства глутамата: функции, выходящие за рамки первичного метаболизма. Границы науки о растениях, 7, 1–3.
13. Олубодун, Д.О., Зулкифли, И., Фарджам, А.С., Хаир-Беджо, М., и Касим, А. (2015). Добавление глутамина и глутаминовой кислоты улучшает продуктивность цыплят-бройлеров в жарких и влажных тропических условиях. Итальянский журнал зоотехники, 14 (1), 25–29.
14. Умбаргер, Х. (1978). Биосинтез аминокислот и его регуляция. Энн. Rev. Biochem. , 47, 533-606.
15. Валш, Х. (1951). Глутаминовая кислота и церебральная функция. Успехи в химии белков, 6, 299–341.
16. Еламанчи, С.Д., Джаярам, ​​С., Томас, Дж.К., Гундимеда, С., Хан, А.А., Сингхал, А.,… Говда, Х. (2015). Карта путей метаболизма глутамата. Журнал клеточной коммуникации и передачи сигналов, 10 (1), 69–75.