Глутаминовая кислота (символ Glu или E ; [4] анионная форма известна как глутамат ) — это α- аминокислота , которая используется почти всеми живыми существами в биосинтезе белков . Это необязательное питательное вещество для людей, что означает, что организм человека может синтезировать достаточное количество для ее использования. Это также самый 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
4Глутаминовая кислота существует в двух оптически изомерных формах; правовращающая L -форма обычно получается путем гидролиза глютена или из сточных вод производства свекловичного сахара или путем ферментации. [5] [ необходима полная цитата ] Ее молекулярная структура может быть идеализирована как HOOC−CH( NH
2)−( Ч
2) 2 −COOH, с двумя карбоксильными группами −COOH и одной аминогруппой − NH
2. Однако в твердом состоянии и слабокислых водных растворах молекула принимает электронейтральную цвиттерионную структуру − OOC−CH( NH+
3)−( Ч
2) 2 −COOH. Кодируется кодонами GAA или GAG.
Кислота может потерять один протон из своей второй карбоксильной группы, образуя сопряженное основание , однозарядный отрицательный анион глутамата − OOC−CH( NH+
3)−( Ч
2) 2 −COO − . Эта форма соединения преобладает в нейтральных растворах. Нейротрансмиттер глутамат играет главную роль в нейронной активации . [6] Этот анион создает пикантный вкус умами у продуктов питания и содержится в ароматизаторах на основе глутамата, таких как глутамат натрия . В Европе он классифицируется как пищевая добавка E620 . В сильнощелочных растворах дважды отрицательный анион − OOC−CH( NH
2)−( Ч
2) 2 −COO − преобладает. Радикал, соответствующий глутамату, называется глутамил .
Однобуквенный символ E для глутамата был назначен в качестве буквы, следующей за D для аспартата , поскольку глутамат больше на одну метиленовую группу –CH 2 –. [7]
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 одним положительным зарядом, HOOC−CH( NH+
3)−( Ч
2) 2 −COOH. [8]
При значениях pH между 2,5 и 4,1 [8] карбоновая кислота, расположенная ближе к амину, обычно теряет протон, и кислота становится нейтральным цвиттерионом − OOC−CH( NH+
3)−( Ч
2) 2 −COOH. Это также форма соединения в кристаллическом твердом состоянии. [9] [10] Изменение состояния протонирования происходит постепенно; обе формы находятся в равных концентрациях при pH 2,10. [11]
При еще более высоком pH другая карбоксильная группа теряет свой протон, и кислота существует почти полностью в виде аниона глутамата − OOC−CH( NH+
3)−( Ч
2) 2 −COO − , с одним отрицательным зарядом в целом. Изменение состояния протонирования происходит при pH 4,07. [11] Эта форма с обоими карбоксилатами, не содержащими протонов, доминирует в физиологическом диапазоне pH (7,35–7,45).
При еще более высоком pH аминогруппа теряет дополнительный протон, и преобладающим видом становится дважды отрицательный анион − OOC−CH( NH
2)−( Ч
2) 2 −COO − . Изменение состояния протонирования происходит при pH 9,47. [11]
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 . [12] [13]
Хотя они встречаются в природе во многих продуктах питания, вкусовые свойства глутаминовой кислоты и других аминокислот были научно идентифицированы только в начале 20-го века. Это вещество было обнаружено и идентифицировано в 1866 году немецким химиком Карлом Генрихом Ритхаузеном , который обработал пшеничный глютен (в честь которого он и был назван) серной кислотой . [14] В 1908 году японский исследователь Кикунаэ Икеда из Токийского императорского университета идентифицировал коричневые кристаллы, оставшиеся после испарения большого количества бульона комбу , как глутаминовую кислоту. Эти кристаллы, если их попробовать, воспроизводили невыразимый, но неоспоримый вкус, который он обнаружил во многих продуктах питания, особенно в морских водорослях. Профессор Икеда назвал этот вкус умами . Затем он запатентовал метод массового производства кристаллической соли глутаминовой кислоты, глутамата натрия . [15] [16]
Глутаминовая кислота производится в самых больших масштабах среди всех аминокислот, с предполагаемым годовым производством около 1,5 миллионов тонн в 2006 году. [18] Химический синтез был вытеснен аэробной ферментацией сахаров и аммиака в 1950-х годах, при этом организм Corynebacterium glutamicum (также известный как Brevibacterium flavum ) наиболее широко использовался для производства. [19] Выделение и очистка могут быть достигнуты путем концентрирования и кристаллизации ; он также широко доступен в виде своей гидрохлоридной соли. [20]
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 в расщеплении аминокислот является трансаминирование , при котором аминогруппа аминокислоты переносится в α- кетокислоту , обычно катализируемую трансаминазой . Реакцию можно обобщить следующим образом:
Очень распространенной α-кетокислотой является α-кетоглутарат , промежуточное вещество в цикле лимонной кислоты . Трансаминирование α-кетоглутарата дает глутамат. Полученный продукт α-кетокислоты часто также полезен, он может служить топливом или субстратом для дальнейших процессов метаболизма. Вот примеры:
Пируват и оксалоацетат являются ключевыми компонентами клеточного метаболизма, выступая в качестве субстратов или промежуточных продуктов в таких фундаментальных процессах , как гликолиз , глюконеогенез и цикл лимонной кислоты .
Глутамат также играет важную роль в утилизации организмом избыточного или отработанного азота . Глутамат подвергается дезаминированию , окислительной реакции, катализируемой глутаматдегидрогеназой , [17] следующим образом:
Аммиак (в виде аммония ) затем выводится преимущественно в виде мочевины , синтезируемой в печени . Таким образом, трансаминирование может быть связано с дезаминированием, эффективно позволяя удалять азот из аминогрупп аминокислот через глутамат в качестве промежуточного продукта и в конечном итоге выводить его из организма в виде мочевины.
Глутамат также является нейротрансмиттером (см. ниже), что делает его одной из самых распространенных молекул в мозге. Злокачественные опухоли 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 . [21] [22]
Глутамат является наиболее распространенным возбуждающим нейромедиатором в нервной системе позвоночных . [23] В химических синапсах глутамат хранится в пузырьках . Нервные импульсы запускают высвобождение глутамата из пресинаптической клетки. Глутамат действует на ионотропные и метаботропные ( связанные с G-белком ) рецепторы. [23] 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, таких как обучение и память в мозге. [24] Форма пластичности, известная как долговременная потенциация, имеет место в глутаматергических синапсах в гиппокампе , неокортексе и других частях мозга. Глутамат действует не только как передатчик «точка-точка» , но и посредством синаптических перекрестных помех между синапсами, при которых суммирование глутамата, высвобождаемого из соседнего синапса, создает внесинаптическую сигнализацию/ объемную передачу . [25] Кроме того, глутамат играет важную роль в регуляции конусов роста и синаптогенеза во время развития мозга , как первоначально описал Марк Мэттсон .
Было обнаружено, что внеклеточный глутамат в мозге дрозофилы регулирует постсинаптическую кластеризацию рецепторов глутамата посредством процесса, включающего десенсибилизацию рецепторов. [26] Ген, экспрессируемый в глиальных клетках, активно переносит глутамат во внеклеточное пространство , [26] в то время как в стимулирующих прилежащее ядро метаботропных рецепторах глутамата группы II этот ген, как было обнаружено, снижает внеклеточные уровни глутамата. [27] 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). [28] ГАМК-ергические нейроны идентифицируются (в исследовательских целях) путем выявления их активности (с помощью методов авторадиографии и иммуногистохимии ) [29] , которая наиболее распространена в мозжечке и поджелудочной железе . [30]
Синдром ригидного человека — это неврологическое расстройство, вызванное антителами к GAD, что приводит к снижению синтеза ГАМК и, следовательно, к нарушению двигательной функции, такой как мышечная ригидность и спазмы. Поскольку в поджелудочной железе много GAD, в ней происходит прямое иммунологическое разрушение, и у пациентов развивается сахарный диабет . [31]
Глутаминовая кислота, являясь составной частью белка, присутствует в продуктах, содержащих белок, но ее можно почувствовать на вкус только тогда, когда она присутствует в несвязанной форме. Значительные количества свободной глутаминовой кислоты присутствуют 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 виды мяса, птицы, рыбы, яиц, молочных продуктов и комбу являются отличными источниками глутаминовой кислоты. Некоторые богатые белком растительные продукты также служат источниками. 30–35 % глютена (большая часть белка в пшенице) — это глутаминовая кислота. Девяносто пять процентов пищевого глутамата метаболизируется кишечными клетками при первом прохождении. [32]
Auxigro — препарат для роста растений, содержащий 30% глутаминовой кислоты.
В последние годы [ когда? ] было проведено много исследований по использованию остаточной дипольной 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 дипольных взаимодействий. [33]
Препарат фенциклидин (более известный как PCP или «Angel Dust») неконкурентно антагонизирует глутаминовую кислоту на уровне рецептора NMDA . По тем же причинам декстрометорфан и кетамин также обладают сильными диссоциативными и галлюциногенными эффектами. Острая инфузия препарата эглуметад (также известного как эглумегад или LY354740), агониста метаботропных глутаматных рецепторов 2 и 3 , привела к заметному снижению стрессовой реакции, вызванной йохимбином, у макак-боннет ( Macaca radiata ); хроническое пероральное введение эглуметада этим животным привело к заметному снижению базового уровня кортизола (примерно на 50 процентов) по сравнению с нелечеными контрольными субъектами. [34] Было также продемонстрировано, что эглуметад действует на метаботропный глутаматный рецептор 3 (GRM3) человеческих адренокортикальных клеток , снижая регуляцию альдостеронсинтазы , CYP11B1 , и выработку надпочечниковых стероидов (т. е. альдостерона и кортизола ). [35] Глутамат нелегко проходит через гематоэнцефалический барьер , но вместо этого транспортируется высокоаффинной транспортной системой. [36] [37] Он также может быть преобразован в глутамин .
Токсичность глутамата можно снизить с помощью антиоксидантов , а психоактивное вещество каннабиса , тетрагидроканнабинол (ТГК), и непсихоактивное вещество каннабидиол (КБД) и другие каннабиноиды , как было обнаружено, блокируют нейротоксичность глутамата с аналогичной эффективностью и, следовательно, являются мощными антиоксидантами. [38] [39]
организация не допускает чистого поступления глутамата в мозг; скорее, она способствует удалению глутамата и поддержанию низких концентраций глутамата в ECF.