stringtranslate.com

Глютаминовая кислота

Глутаминовая кислота (обозначение Glu или E ; [4] анионная форма известна как глутамат ) — α- аминокислота , которая используется практически всеми живыми существами в биосинтезе белков . Это несущественное питательное вещество для человека, а это означает, что человеческий организм может синтезировать достаточное его количество для его использования. Это также наиболее распространенный возбуждающий нейромедиатор в нервной системе позвоночных . Он служит предшественником синтеза ингибирующей гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) в ГАМКергических нейронах.

Его молекулярная формула C.
5ЧАС
9НЕТ
4. Глутаминовая кислота существует в двух оптически изомерных формах; правовращающую L -форму обычно получают гидролизом клейковины или из сточных вод свекловичного производства сахара или путем ферментации. [5] [ нужна полная ссылка ] Его молекулярную структуру можно идеализировать как HOOC-CH( NH
2)−( СН
2) 2 -COOH, с двумя карбоксильными группами -COOH и одной аминогруппой - NH
2. Однако в твердом состоянии и слабокислых водных растворах молекула принимает электрически нейтральную структуру цвиттер-иона — OOC−CH( NH+
3)−( СН
2) 2 -СООН. Он кодируется кодонами GAA или GAG.

Кислота может потерять один протон своей второй карбоксильной группы с образованием сопряженного основания , одноотрицательного аниона глутамата — OOC-CH( NH+
3)−( СН
2) 2 -СОО - . Эта форма соединения преобладает в нейтральных растворах. Нейромедиатор глутамат играет основную роль в активации нейронов . [6] Этот анион придает пище пикантный вкус умами и содержится в глутаматных ароматизаторах, таких как глутамат натрия . В Европе классифицируется как пищевая добавка Е620 . В сильнощелочных растворах двуотрицательный анион − OOC−CH( NH
2)−( СН
2) 2 −COO − преобладает. Радикал , соответствующий глутамату, называется глутамилом .

Химия

Ионизация

Глутамат моноанион.

При растворении глутаминовой кислоты в воде аминогруппа ( − NH
2) может получить протон ( H+
), и/или карбоксильные группы могут терять протоны в зависимости от кислотности среды.

В достаточно кислой среде обе карбоксильные группы протонируются и молекула становится катионом с единственным положительным зарядом HOOC−CH( NH+
3)−( СН
2) 2 -СООН. [7]

При значениях pH примерно от 2,5 до 4,1 [7] карбоновая кислота, близкая к амину, обычно теряет протон, и кислота становится нейтральным цвиттер-ионом - OOC-CH( NH+
3)−( СН
2) 2 -СООН. Это также форма соединения в кристаллическом твердом состоянии. [8] [9] Изменение состояния протонирования происходит постепенно; обе формы находятся в равных концентрациях при pH 2,10. [10]

При еще более высоком pH другая группа карбоновой кислоты теряет свой протон, и кислота почти полностью существует в виде аниона глутамата — OOC-CH( NH+
3)−( СН
2) 2 −COO − , в целом с одним отрицательным зарядом. Изменение состояния протонирования происходит при pH 4,07. [10] Эта форма, в которой оба карбоксилата лишены протонов, доминирует в физиологическом диапазоне pH (7,35–7,45).

При еще более высоком pH аминогруппа теряет дополнительный протон, и преобладающим видом является дважды отрицательный анион — OOC-CH( NH
2)−( СН
2) 2 -СОО - . Изменение состояния протонирования происходит при pH 9,47. [10]

Оптическая изомерия

Глутаминовая кислота хиральна ; существуют два зеркальных энантиомера : d (-) и l (+). Форма l более широко распространена в природе, но форма d встречается в некоторых особых контекстах, таких как бактериальная капсула и клеточные стенки бактерий ( которые производят ее из формы l с помощью фермента глутаматрацемазы ) и печень млекопитающих . . [11] [12]

История

Хотя они встречаются в природе во многих продуктах питания, вклад глутаминовой кислоты и других аминокислот во вкус был научно выявлен только в начале 20 века. Вещество было обнаружено и идентифицировано в 1866 году немецким химиком Карлом Генрихом Риттхаузеном , который обрабатывал пшеничную клейковину (в честь которой она была названа) серной кислотой . [13] В 1908 году японский исследователь Кикунаэ Икеда из Токийского императорского университета идентифицировал коричневые кристаллы, оставшиеся после выпаривания большого количества бульона комбу , как глутаминовую кислоту. Эти кристаллы на вкус воспроизводили невыразимый, но неоспоримый вкус, который он обнаруживал во многих продуктах, особенно в морских водорослях. Профессор Икеда назвал этот вкус умами . Затем он запатентовал метод массового производства кристаллической соли глутаминовой кислоты — глутамата натрия . [14] [15]

Синтез

Биосинтез

Промышленный синтез

Глутаминовая кислота производится в самых больших масштабах среди всех аминокислот, с предполагаемым годовым объемом производства около 1,5 миллионов тонн в 2006 году . (также известный как Brevibacterium flavum ), наиболее широко используемый для производства. [18] Выделение и очистка могут быть достигнуты путем концентрирования и кристаллизации ; он также широко доступен в виде гидрохлоридной соли. [19]

Функция и использование

Метаболизм

Глутамат является ключевым соединением в клеточном метаболизме . У людей пищевые белки расщепляются в процессе пищеварения на аминокислоты , которые служат метаболическим топливом для других функциональных ролей в организме. Ключевым процессом деградации аминокислот является трансаминирование , при котором аминогруппа аминокислоты переносится на α- кетокислоту , обычно катализируемую трансаминазой . Реакцию можно обобщить следующим образом:

R 1 -аминокислота + R 2 -α- кетокислота ⇌ R 1 -α-кетокислота + R 2 -аминокислота

Очень распространенной α-кетокислотой является α- кетоглутарат , промежуточный продукт цикла лимонной кислоты . Трансаминирование α-кетоглутарата дает глутамат. Образующаяся в результате продукт α-кетокислота также часто бывает полезна и может служить топливом или субстратом для дальнейших процессов метаболизма. Примеры следующие:

Аланин + α-кетоглутарат ⇌ пируват + глутамат.
Аспартат + α-кетоглутарат ⇌ оксалоацетат + глутамат

И пируват, и оксалоацетат являются ключевыми компонентами клеточного метаболизма, участвуя в качестве субстратов или промежуточных продуктов в фундаментальных процессах, таких как гликолиз , глюконеогенез и цикл лимонной кислоты .

Глутамат также играет важную роль в избавлении организма от избытка или отходов азота . Глутамат подвергается дезаминированию — окислительной реакции, катализируемой глутаматдегидрогеназой , [16] следующим образом:

глутамат + H 2 O + НАДФ + → α-кетоглутарат + НАДФН + NH 3 + H +

Аммиак (как аммоний ) выводится затем преимущественно в виде мочевины , синтезируемой в печени . Таким образом, трансаминирование может быть связано с дезаминированием, что позволяет эффективно удалять азот из аминогрупп аминокислот через глутамат в качестве промежуточного продукта и, наконец, выводить из организма в виде мочевины.

Глутамат также является нейромедиатором (см. ниже), что делает его одной из наиболее распространенных молекул в мозге. Злокачественные опухоли головного мозга, известные как глиома или глиобластома, используют это явление, используя глутамат в качестве источника энергии, особенно когда эти опухоли становятся более зависимыми от глутамата из-за мутаций в гене IDH1 . [20] [21]

Нейромедиатор

Глутамат является наиболее распространенным возбуждающим нейромедиатором в нервной системе позвоночных . [22] В химических синапсах глутамат хранится в везикулах . Нервные импульсы вызывают выброс глутамата из пресинаптической клетки. Глутамат действует на ионотропные и метаботропные ( связанные с G-белком ) рецепторы. [22] В противоположной постсинаптической клетке рецепторы глутамата , такие как рецептор NMDA или рецептор AMPA , связывают глутамат и активируются. Благодаря своей роли в синаптической пластичности глутамат участвует в когнитивных функциях мозга , таких как обучение и память . [23] Форма пластичности, известная как долговременная потенциация, происходит в глутаматергических синапсах в гиппокампе , неокортексе и других частях мозга. Глутамат работает не только как передатчик «точка-точка» , но и посредством перекрестных синаптических помех между синапсами, при которых суммирование глутамата, высвобождаемого из соседнего синапса, создает внесинаптическую передачу сигналов/объема . [24] Кроме того, глутамат играет важную роль в регуляции конусов роста и синаптогенезе во время развития мозга, как первоначально описано Марком Мэттсоном .

Несинаптические глутаматергические сигнальные цепи мозга

Было обнаружено, что внеклеточный глутамат в мозге дрозофилы регулирует кластеризацию постсинаптических рецепторов глутамата посредством процесса, включающего десенсибилизацию рецепторов. [25] Ген, экспрессируемый в глиальных клетках , активно транспортирует глутамат во внеклеточное пространство , [25] в то время как в прилежащем ядре , стимулирующем метаботропные глутаматные рецепторы группы II, было обнаружено, что этот ген снижает внеклеточные уровни глутамата. [26] Это повышает вероятность того, что этот внеклеточный глутамат играет «эндокринную» роль как часть более крупной гомеостатической системы.

предшественник ГАМК

Глутамат также служит предшественником синтеза ингибирующей гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) в ГАМК-ергических нейронах. Эта реакция катализируется глутаматдекарбоксилазой (ГАД), которая наиболее распространена в мозжечке и поджелудочной железе . [ нужна цитата ]

Синдром скованного человека — это неврологическое расстройство, вызванное антителами против GAD, приводящее к снижению синтеза ГАМК и, следовательно, к нарушению двигательных функций, таких как ригидность мышц и спазмы. Поскольку поджелудочная железа имеет обильный ГТР, в поджелудочной железе происходит прямое иммунологическое разрушение, и у пациентов развивается сахарный диабет. [ нужна цитата ]

Усилитель вкуса

Глутаминовая кислота, являющаяся составной частью белка, присутствует в продуктах, содержащих белок, но ее можно почувствовать только в несвязанной форме. Значительное количество свободной глутаминовой кислоты присутствует в самых разных продуктах, включая сыры и соевый соус , а глутаминовая кислота отвечает за умами , один из пяти основных вкусов человеческого чувства вкуса . Глутаминовая кислота часто используется в качестве пищевой добавки и усилителя вкуса в форме ее натриевой соли , известной как глутамат натрия (MSG).

Питательное вещество

Все мясо, птица, рыба, яйца, молочные продукты и комбу являются отличными источниками глутаминовой кислоты. Некоторые богатые белком растительные продукты также служат источниками. От 30% до 35% глютена (большая часть белка в пшенице) составляет глутаминовая кислота. Девяносто пять процентов поступающего с пищей глутамата метаболизируется клетками кишечника за первый проход. [27]

Рост растений

Ауксигро – препарат для роста растений, содержащий 30% глутаминовой кислоты.

ЯМР-спектроскопия

В последние годы [ когда? ] было проведено много исследований по использованию остаточной диполярной связи (RDC) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Производное глутаминовой кислоты, поли-γ-бензил-L-глутамат (PBLG), часто используется в качестве выравнивающей среды для контроля масштаба наблюдаемых диполярных взаимодействий. [28]

Роль глутамата в старении

Фармакология

Препарат фенциклидин (более известный как PCP или «ангельская пыль») неконкурентно антагонизирует глутаминовую кислоту в отношении рецептора NMDA . По тем же причинам декстрометорфан и кетамин обладают сильным диссоциативным и галлюциногенным действием. Острая инфузия препарата эглуметад (также известного как эглумегад или LY354740), агониста метаботропных рецепторов глутамата 2 и 3 , приводила к заметному уменьшению йохимбин -индуцированной стрессовой реакции у шляпных макак ( Macaca radiata ); хроническое пероральное введение эглуметада этим животным привело к заметному снижению исходного уровня кортизола (приблизительно на 50 процентов) по сравнению с контрольными субъектами, не получавшими лечения. [29] Также было продемонстрировано, что эглуметад действует на метаботропный глутаматный рецептор 3 (GRM3) клеток надпочечников человека , подавляя альдостеронсинтазу , CYP11B1 и выработку стероидов надпочечников (т.е. альдостерона и кортизола ). [30] Глутамат не легко проходит через гематоэнцефалический барьер , а вместо этого транспортируется с помощью транспортной системы с высоким сродством. [31] [32] Его также можно превратить в глютамин .

Токсичность глутамата можно снизить с помощью антиоксидантов , а психоактивное начало каннабиса , тетрагидроканнабинол (ТГК), а также непсихоактивное начало каннабидиол (КБД) и другие каннабиноиды блокируют нейротоксичность глутамата с аналогичной эффективностью и, таким образом, являются мощными антиоксидантами. [33] [34]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «L-глутаминовая кислота». Национальная медицинская библиотека . Проверено 24 июня 2023 г.
  2. ^ Белиц, Х.-Д.; Грош, Вернер; Шиберле, Питер (27 февраля 2009 г.). Пищевая химия. Спрингер. ISBN 978-3540699330.
  3. ^ «Структуры аминокислот». cem.msu.edu. Архивировано из оригинала 11 февраля 1998 года.
  4. ^ «Номенклатура и символика аминокислот и пептидов». Совместная комиссия IUPAC-IUB по биохимической номенклатуре. 1983. Архивировано из оригинала 29 августа 2017 года . Проверено 5 марта 2018 г.
  5. ^ Третий новый международный словарь английского языка Вебстера без сокращений, третье издание, 1971.
  6. ^ Роберт Сапольски (2005), Биология и поведение человека: неврологические истоки индивидуальности (2-е издание); Учебная компания . стр. 19–20 Путеводителя.
  7. ^ ab Альберт Нойбергер (1936), «Константы диссоциации и структуры глутаминовой кислоты и ее эфиров». Биохимический журнал , том 30, выпуск 11, статья CCXCIII, стр. 2085–2094. ПМК  1263308.
  8. ^ Роданте, Ф.; Марросу, Г. (1989). «Термодинамика вторых процессов диссоциации протонов девяти α-аминокислот и третьих процессов ионизации глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты и тирозина». Термохимика Акта . 141 : 297–303. дои : 10.1016/0040-6031(89)87065-0.
  9. ^ Леманн, Могенс С.; Кетцле, Томас Ф.; Гамильтон, Уолтер К. (1972). «Прецизионное нейтронографическое определение структуры белков и компонентов нуклеиновых кислот. VIII: кристаллическая и молекулярная структура β-формы аминокислоты-глутаминовой кислоты». Журнал кристаллической и молекулярной структуры . 2 (5): 225–233. дои : 10.1007/BF01246639. S2CID  93590487.
  10. ^ abc Уильям Х. Браун и Лоуренс С. Браун (2008), Органическая химия (5-е издание). Cengage Обучение. п. 1041. ISBN 0495388572 , 978-0495388579 . 
  11. ^ Национальный центр биотехнологической информации, «D-глутамат». База данных соединений PubChem , CID=23327. Доступ 17 февраля 2017 г.
  12. ^ Лю, Л.; Ёсимура, Т.; Эндо, К.; Кисимото, К.; Фучики, Ю.; Мэннинг, Дж. М.; Эсаки, Н.; Сода, К. (1998). «Компенсация ауксотрофии D-глутамата Escherichia coli WM335 геном аминотрансферазы D-аминокислот и регуляция экспрессии murI». Бионауки, биотехнологии и биохимия . 62 (1): 193–195. дои : 10.1271/bbb.62.193 . ПМИД  9501533.
  13. ^ RHA Плиммер (1912) [1908]. РХА Плиммер; Ф. Г. Хопкинс (ред.). Химический состав белка. Монографии по биохимии. Том. Часть I. Анализ (2-е изд.). Лондон: Longmans, Green and Co. p. 114 . Проверено 3 июня 2012 г.
  14. ↑ Рентон, Алекс (10 июля 2005 г.). «Если глутамат натрия так вреден для вас, почему у всех в Азии не болит голова?». Хранитель . Проверено 21 ноября 2008 г.
  15. ^ "Кикунаэ Икеда Глутамат натрия" . Патентное ведомство Японии . 7 октября 2002 года. Архивировано из оригинала 28 октября 2007 года . Проверено 21 ноября 2008 г.
  16. ^ Альвизе Пероза; Фульвио Зеккини (2007). Методы и реагенты для зеленой химии: Введение. Джон Уайли и сыновья. п. 25. ISBN 978-0-470-12407-9.
  17. ^ Майкл К. Фликинджер (2010). Энциклопедия промышленной биотехнологии: биопроцессы, биосепарация и клеточные технологии, набор из 7 томов. Уайли. стр. 215–225. ISBN 978-0-471-79930-6.
  18. ^ Фоли, Патрик; Керманшахи лить, Азаде; Бич, Эван С.; Циммерман, Джули Б. (2012). «Получение и синтез возобновляемых ПАВ». хим. Соц. Преподобный . 41 (4): 1499–1518. дои : 10.1039/C1CS15217C. ISSN  0306-0012. ПМИД  22006024.
  19. ^ ван Лит, SA; Навис, AC; Веррейп, К; Никлу, СП; Бьерквиг, Р; Весселинг, П; Топс, Б; Моленаар, Р; ван Ноорден, CJ; Лендерс, WP (август 2014 г.). «Глутамат как хемотаксическое топливо для клеток диффузной глиомы: они являются присосками глутамата?». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Обзоры о раке . 1846 (1): 66–74. дои : 10.1016/j.bbcan.2014.04.004. ПМИД  24747768.
  20. ^ ван Лит, SA; Моленаар, Р; ван Ноорден, CJ; Лендерс, WP (декабрь 2014 г.). «Опухолевые клетки в поисках глутамата: альтернативное объяснение повышенной инвазивности глиом с мутацией IDH1». Нейроонкология . 16 (12): 1669–1670. дои : 10.1093/neuonc/nou152. ПМК 4232089 . ПМИД  25074540. 
  21. ^ аб Мелдрам, BS (2000). «Глутамат как нейромедиатор в мозге: обзор физиологии и патологии». Журнал питания . 130 (дополнение 4S): 1007S–1015S. дои : 10.1093/jn/130.4.1007s . ПМИД  10736372.
  22. ^ Макинти, WJ; Крук, TH (1993). «Глутамат: его роль в обучении, памяти и старении мозга». Психофармакология . 111 (4): 391–401. дои : 10.1007/BF02253527. PMID  7870979. S2CID  37400348.
  23. ^ Окубо, Ю.; Секия, Х.; Намики, С.; Сакамото, Х.; Иинума, С.; Ямасаки, М.; Ватанабэ, М.; Хиросе, К.; Иино, М. (2010). «Визуализация внесинаптической динамики глутамата в мозге». Труды Национальной академии наук . 107 (14): 6526–6531. Бибкод : 2010PNAS..107.6526O. дои : 10.1073/pnas.0913154107 . ПМК 2851965 . ПМИД  20308566. 
  24. ^ ab Огюстен Х, Грожан Ю, Чен К, Шэн К, Физерстоун DE (2007). «Невезикулярное высвобождение глутамата глиальными транспортерами xCT подавляет кластеризацию глутаматных рецепторов in vivo». Журнал неврологии . 27 (1): 111–123. doi :10.1523/JNEUROSCI.4770-06.2007. ПМК 2193629 . ПМИД  17202478. 
  25. ^ Чжэн Си; Бейкер Д.А.; Шен Х; Карсон Д.С.; Каливас П.В. (2002). «Метаботропные рецепторы глутамата группы II модулируют внеклеточный глутамат в прилежащем ядре». Журнал фармакологии и экспериментальной терапии . 300 (1): 162–171. дои : 10.1124/jpet.300.1.162. ПМИД  11752112.
  26. ^ Ридс, П.Дж.; и другие. (1 апреля 2000 г.). «Кишечный метаболизм глутамата». Журнал питания . 130 (4с): 978С–982С. дои : 10.1093/jn/130.4.978S . ПМИД  10736365.
  27. ^ CM Thiele, Concepts Magn. Резон. А, 2007, 30А, 65–80
  28. ^ Коплан Дж.Д., Мэтью С.Дж., Смит Э.Л., Трост Р.К., Шарф Б.А., Мартинес Дж., Горман Дж.М., Монн Дж.А., Шопп Д.Д., Розенблюм Л.А. (июль 2001 г.). «Влияние LY354740, нового глутаматергического метаботропного агониста, на гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую ось приматов и норадренергическую функцию». Спектр ЦНС . 6 (7): 607–612, 617. doi : 10.1017/S1092852900002157. PMID  15573025. S2CID  6029856.
  29. ^ Фелисола С.Дж., Накамура Ю., Сато Ф., Моримото Р., Кикучи К., Накамура Т., Ходзава А., Ван Л., Онодера Ю., Исэ К., Макнамара К.М., Мидорикава С., Сузуки С., Сасано Х. (январь 2014 г.). «Глутаматные рецепторы и регуляция стероидогенеза в надпочечниках человека: метаботропный путь». Молекулярная и клеточная эндокринология . 382 (1): 170–177. doi : 10.1016/j.mce.2013.09.025. PMID  24080311. S2CID  3357749.
  30. ^ Смит, Квентин Р. (апрель 2000 г.). «Транспорт глутамата и других аминокислот через гематоэнцефалический барьер». Журнал питания . 130 (дополнение 4S): 1016S–1022S. дои : 10.1093/jn/130.4.1016S . ПМИД  10736373.
  31. ^ Хокинс, Ричард А. (сентябрь 2009 г.). «Гематоэнцефалический барьер и глутамат». Американский журнал клинического питания . 90 (3): 867С–874С. дои : 10.3945/ajcn.2009.27462BB. ПМК 3136011 . PMID  19571220. Эта организация не допускает чистого поступления глутамата в мозг; скорее, он способствует удалению глютамата и поддержанию низких концентраций глютамата в ECF. 
  32. ^ Хэмпсон, Эйдан Дж. (1998). «Каннабидиол и (-)Δ9-тетрагидроканнабинол являются нейропротекторными антиоксидантами». Proc Natl Acad Sci США . 95 (14): 8268–8273. дои : 10.1073/pnas.95.14.8268 . ПМК 20965 . ПМИД  9653176. 
  33. ^ Хэмпсон, Эйдан Дж. (2006). «Нейропротекторные антиоксиданты из марихуаны». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 899 (1): 274–282. doi :10.1111/j.1749-6632.2000.tb06193.x. S2CID  39496546.

дальнейшее чтение

Викискладе есть медиафайлы по теме глутаминовой кислоты .

Внешние ссылки

Поищите глутаминовую кислоту в Викисловаре, бесплатном словаре.