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 .
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]
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]
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]
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]
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:
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:
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:
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]
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 .
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.
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 ]
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).
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]
Ауксигро – препарат для роста растений, содержащий 30% глутаминовой кислоты.
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]
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]
Эта организация не допускает чистого поступления глутамата в мозг;
скорее, он способствует удалению глютамата и поддержанию низких концентраций глютамата в ECF.