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 несущественное питательное вещество для человека, что означает, что человеческий организм может синтезировать достаточно 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 глутаматных ароматизаторах , 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 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 прилежащем ядре, стимулирующем метаботропные рецепторы 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 ( Maca 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.