ГЛЮТАМІНОВА КИСЛОТА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦІЇ, БІОСИНТЕЗ - БІОЛОГІЯ - 2025

Глутамінова кислота є одним з 22 амінокислот, що входять в склад білків у всіх живих істот і однією з найбільш поширених в природі. Оскільки людський організм має внутрішні шляхи його біосинтезу, це не вважається істотним.

Разом з аспарагіновою кислотою глутамінова кислота належить до групи негативно заряджених полярних амінокислот і, згідно з двома існуючими номенклатурними системами (з трьох або однієї літери), вона позначається як " Glu " або як " E ".

Структура амінокислоти глутамінової кислоти (Джерело: Hbf878 через Wikimedia Commons)

Цю амінокислоту було відкрито в 1866 році німецьким хіміком Ріттерсхаузеном під час вивчення гідролізатів клейковини пшениці, звідси і її назва "глутамінова". Після його відкриття його присутність було визначено у значної частини живих істот, тому вважається, що вона має важливі функції для життя.

L-глутамінова кислота вважається одним з найважливіших медіаторів у передачі збуджуючих сигналів у центральній нервовій системі хребетних тварин і також необхідна для нормальної роботи мозку, а також для когнітивного розвитку, пам'яті та Навчання.

Деякі його похідні також виконують важливі функції на промисловому рівні, особливо щодо кулінарних препаратів, оскільки це сприяє посиленню смаку їжі.

характеристики

Незважаючи на те, що він не є незамінною амінокислотою для людини, глутамат (іонізована форма глутамінової кислоти) має важливе значення для харчування для росту тварин, і, як вважають, він має набагато більшу харчову цінність, ніж інші несуттєві амінокислоти.

Ця амінокислота особливо рясна в мозку, особливо у внутрішньоклітинному просторі (цитозол), що дозволяє існувати градієнт між цитозолом та позаклітинним простором, який обмежений плазматичною мембраною нервових клітин.

Оскільки він має багато функцій у збуджуючих синапсах і що він виконує свої функції, діючи на конкретні рецептори, його концентрація зберігається на контрольованих рівнях, особливо в позаклітинному середовищі, оскільки ці рецептори, як правило, «дивляться» з клітин.

Місцем найбільшої концентрації глутамату є нервові термінали, однак його розподіл обумовлюється енергетичними потребами клітин у всьому організмі.

Залежно від типу клітини, коли глутамінова кислота потрапляє в клітину, вона може бути спрямована до мітохондрій для енергетичних цілей, або може бути перерозподілена у синаптичні везикули, і обидва процеси використовують специфічні внутрішньоклітинні транспортні системи.

Будова

Глутамінова кислота, як і решта амінокислот, являє собою α-амінокислоту, яка має центральний атом вуглецю (який є хіральним), α вуглець, до якого приєднані чотири інші групи: карбоксильна група, аміногрупа, а атом водню та група-заступник (бічний ланцюг або R-група).

R-група глутамінової кислоти дає молекулі другу карбоксильну групу (-COOH), а її структура - -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- в іонізованому вигляді), тому сума атомів загальний вуглець молекули - п'ять.

Ця амінокислота має відносну масу 147 г / моль, а константа дисоціації (рКа) групи R становить 4,25. Він має ізоелектричну точку 3,22 і середній показник присутності білка становить близько 7%.

Оскільки при нейтральному рН (близько 7) глутамінова кислота є іонізованою і має негативний заряд, вона класифікується в групу негативно заряджених полярних амінокислот, до групи якої входить також аспарагінова кислота (аспартат, в її іонізованій формі) ).

Особливості

Глутамінова кислота або її іонізована форма, глутамат, виконує безліч функцій не тільки з фізіологічної точки зору, але і з промислової, клінічної та гастрономічної точки зору.

Фізіологічні функції глутамінової кислоти

Однією з найпопулярніших фізіологічних функцій глутамінової кислоти в організмі більшості хребетних є її роль збудливого нейромедіатора в мозку. Визначено, що понад 80% збудливих синапсів спілкуються за допомогою глутамату або одного з його похідних.

Серед функцій синапсів, які використовують цю амінокислоту під час сигналізації, - розпізнавання, навчання, пам’ять та інші.

Глутамат також пов'язаний з розвитком нервової системи, з ініціацією та ліквідацією синапсів, з міграцією клітин, диференціюванням та смертю клітин. Він важливий для зв'язку між периферичними органами, такими як травний тракт, підшлункова залоза та кістки.

Крім того, глутамат виконує функції як в процесах синтезу білків і пептидів, так і в синтезі жирних кислот, в регуляції клітинного рівня азоту і в контролі аніонного і осмотичного балансу.

Він служить попередником для різних проміжних сполук циклу трикарбонової кислоти (цикл Кребса), а також для інших нейромедіаторів, таких як GABA (гамма-аміномасляна кислота). У свою чергу, він є попередником синтезу інших амінокислот, таких як L-пролін, L-аргінін та L-аланін.

Клінічні застосування

Різні фармацевтичні підходи в основному покладаються на рецептори глутамінової кислоти як терапевтичні мішені для лікування психіатричних захворювань та інших патологій, пов’язаних із пам’яттю.

Глутамат також застосовувався як активний засіб у різних фармакологічних складах, призначених для лікування інфарктів міокарда та функціональної диспепсії (шлункові проблеми або нетравлення).

Промислове застосування глутамінової кислоти

Глютамінова кислота та її похідні мають різноманітне застосування в різних галузях промисловості. Наприклад, мононатрієва сіль глутамату використовується в харчовій промисловості як приправа.

Ця амінокислота є також вихідним матеріалом для синтезу інших хімічних речовин, а глутамінова полікислота є природним аніонним полімером, який є біологічно розкладаним, їстівним та нетоксичним для людини чи навколишнього середовища.

У харчовій промисловості його також використовують як загусник і як «послаблюючий» засіб від гіркоти різних продуктів.

Він також використовується як кріопротектор, як "отверждающийся" біологічний клей, як носій лікарських засобів, для конструювання біологічно розкладаються волокон та гідрогелів, здатних поглинати велику кількість води, серед інших.

Біосинтез

Всі амінокислоти отримують з гліколітичних проміжних сполук, циклу Кребса або пентозофосфатного шляху. Глутамат, зокрема, отримують з глютаміну, α-кетоглутарата та 5-оксопроліну, всі вони походять із циклу Кребса.

Біосинтетичний шлях цієї амінокислоти досить простий, і його кроки є майже у всіх живих організмах.

Метаболізм глутамату та азоту

При метаболізмі азоту, саме через глутамат і глутамін амоній включається в різні біомолекули організму, і через реакції трансамінації глутамат забезпечує аміногрупи більшості амінокислот.

Таким чином, цей шлях передбачає засвоєння іонів амонію до молекул глутамату, що відбувається в двох реакціях.

Перший крок на шляху каталізується ферментом, відомим як глютамін синтетаза, який присутній практично у всіх організмах і бере участь у відновленні глутамату та аміаку з отриманням глютаміну.

У бактерій і рослин натомість глутамат виробляється з глютаміну ферментом, відомим як глутамат-синтаза.

У тварин це виробляється внаслідок трансамінації α-кетоглутарата, що відбувається під час катаболізму амінокислот. Основна його функція у ссавців - перетворення токсичного вільного аміаку в глютамін, який транспортується кров’ю.

У реакції, катализируемой ферментом глутамат-синтазою, α-кетоглутарат проходить через процес відновного амінування, де глютамін бере участь як донор азотної групи.

Хоча це відбувається в значно меншій мірі, глутамат у тварин також продукується одноетапною реакцією між α-кетоглутаратом та амонієм (NH4), що каталізується ферментом L-глутаматдегідрогеназа, всюдисущий практично у всіх живі організми.

Згаданий фермент асоціюється з мітохондріальною матрицею, і реакцію, яку він каталізує, можна записати приблизно так, де НАДФН працює в подачі зменшувальної потужності:

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

Метаболізм і деградація

Глютамінова кислота використовується клітинами організму для різних цілей, серед яких синтез білка, енергетичний метаболізм, фіксація амонію або нейротрансмісія.

Глутамат, узятий із позаклітинного середовища в деяких типах нервових клітин, може бути "перероблений" шляхом перетворення його в глютамін, який вивільняється у позаклітинні рідини та поглинається нейронами для перетворення назад у глутамат, який відомий як глутаміновий цикл. -глютамат .

Потрапивши в їжу разом з їжею, всмоктування глутамінової кислоти в кишечнику зазвичай закінчується перетворенням її в інші амінокислоти, такі як аланін, процес, опосередкований клітинами слизової оболонки кишечника, які також використовують його як джерело енергії.

Печінка, з іншого боку, відповідає за перетворення її в глюкозу та лактат, з якого хімічна енергія видобувається головним чином у вигляді АТФ.

Повідомлялося про існування різних ферментів, що метаболізують глутамат, у різних організмів, як це стосується глутаматдегідрогеназ, глутамат-амонійних ліаз та глутаміназ, і багато з них були причетні до хвороби Альцгеймера.

Продукти, багаті глютаміновою кислотою

Глютамінова кислота присутня в більшості продуктів, які споживає людина, і деякі автори стверджують, що для людини, яка важить 70 кг, добова доза глютамінової кислоти, отриманої з раціону, становить близько 28 г.

Серед продуктів, найбагатших на цю амінокислоту, є продукти тваринного походження, де виділяються м'ясо (велика рогата худоба, свиня, овечка тощо), яйця, молочні продукти та риба. До рослинних продуктів, багатих глутаматом, належать насіння, зерна, спаржа та ін.

Крім різних видів продуктів, природним чином багатих цією амінокислотою, її похідним, мононатрієва сіль глутамату використовується як добавка для посилення або збільшення аромату багатьох страв та промислово оброблених продуктів.

Переваги його споживання

Глутамат, доданий до різних кулінарних препаратів, допомагає "індукувати" аромат і покращити відчуття смаку в ротовій порожнині, що, очевидно, має важливе фізіологічне та харчове значення.

Клінічні випробування показали, що прийом глютамінової кислоти має потенційне застосування при лікуванні "розладів" або патологій ротової порожнини, пов'язаних зі смаком та "гіпосаливацією" (низька продукція слини).

Так само глутамінова кислота (глутамат) - поживна речовина, що має велике значення для підтримки нормальної активності клітин у слизовій оболонці кишечника.

Показано, що постачання цієї амінокислоти щурам, які пройшли хіміотерапевтичне лікування, підвищує імунологічні характеристики кишечника, крім підтримки та посилення активності та функцій слизової оболонки кишечника.

У Японії, з іншого боку, лікувальні дієти на основі продуктів, багатих глютаміновою кислотою, були розроблені для пацієнтів, які проходять «черезшкірну ендоскопічну гастрономію», тобто їх слід годувати через трубочку шлунка, яка з'єднана через стінку черевні.

Ця амінокислота також використовується для збудження апетиту у пацієнтів літнього віку з хронічним гастритом, які зазвичай є непридатними.

Нарешті, дослідження, пов'язані з пероральним постачанням глутамінової кислоти та аргініну, свідчать про те, що вони беруть участь у позитивній регуляції генів, пов’язаних з адипогенезом м’язової тканини та ліполізом жирових тканин.

Розлади дефіциту

Оскільки глутамінова кислота служить попередником синтезу молекул різних типів, таких як амінокислоти та інші нейромедіатори, генетичні дефекти, пов'язані з експресією ферментів, пов’язаних з її біосинтезом та переробкою, можуть мати наслідки для здоров’я організму будь-якої тварини.

Наприклад, фермент декарбоксилаза глутамінова кислота відповідає за перетворення глутамату в гамма-аміномасляну кислоту (GABA), нейромедіатор, необхідний для гальмівних нервових реакцій.

Тому баланс між глутаміновою кислотою та ГАМК має надзвичайно важливе значення для підтримки контролю збудливості кортикальних тканин, оскільки глутамат функціонує головним чином при збудженнях нервових синапсів.

У свою чергу, оскільки глутамат бере участь у ряді функцій мозку, таких як навчання та пам’ять, його дефіцит може спричинити дефекти в цих класах пізнавальних процесів, які потребують його як нейромедіатора.

Список літератури

1. Арійосі, М., Катане, М., Хамасе, К., Мійоші, Я., Накане, М., Хошино, А.,… Матоба, С. (2017). D-глутамат метаболізується в мітохондріях серця. Наукові доповіді, 7 (серпень 2016 р.), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Баррет, Г. (1985). Хімія та біохімія амінокислот. Нью-Йорк: Чапман і Холл.
3. Данбольт, штат Північна Кароліна (2001). Поглинання глутамату. Прогрес у нейробіології, 65, 1–105.
4. Fonnum, F. (1984). Глутамат: нейромедіатор у мозку ссавців. Журнал нейрохімії, 18 (1), 27–33.
5. Гараттіні, С. (2000). Міжнародний симпозіум з глутамату. Глютамінової кислоти, через двадцять років.
6. Graham, TE, Sgro, V., Friars, D. і Gibala, MJ (2000). Прийом глютамату: Басейни амінокислот, що не містять плазму та м’язи, відпочиваючих. Американський журнал фізіології - Ендокринологія та метаболізм, 278, 83–89.
7. Hu, CJ, Jiang, QY, Zhang, T., Yin, YL, Li, FN, Su, JY,… Kong, XF (2017). Харчові добавки з аргініном та глутаміновою кислотою підсилюють експресію ключових ліпогенних генів у порослих свиней. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507–5515.
8. Джонсон, Дж. Л. (1972). Глютамінова кислота як синаптичний передавач нервової системи. Огляд. Мозкові дослідження, 37, 1–19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D., & Pal, P. (2014). Виробництво та очищення глутамінової кислоти: критичний огляд щодо інтенсифікації процесу. Хімічна інженерія та переробка: інтенсифікація процесів, 81, 59–71.
10. Mourtzakis, M., & Graham, TE (2002). Прийом глютамату та його вплив у спокої та під час фізичних навантажень у людини. Журнал прикладної фізіології, 93 (4), 1251-1259.
11. Ніл, Е. (2010). Біологічні процеси отримання водню. Успіхи в галузі біохімічної інженерії / біотехнології, 123 (липень 2015 р.), 127–141. https://doi.org/10.1007/10
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M., & Forlani, G. (2016). Амінокислоти сімейства глутаматів: Функції поза первинним метаболізмом. Межі в рослинництві, 7, 1–3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M., & Kasim, A. (2015). Глютамінові та глютамінові кислоти покращують продуктивність курей-бройлерів у жарких та вологих тропічних умовах. Італійський журнал тваринних наук, 14 (1), 25–29.
14. Умбаргер, Х. (1978). Біосинтез амінокислот та його регулювання. Енн. Преподобний Біохім. , 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). Глютамінової кислоти та мозкової функції. Успіхи хімії білків, 6, 299–341.
16. Єламанчі, С.Д., Джаярам, ​​С., Томас, Дж. К., Гундімеда, С., Хан, А. А., Сінгал, А.,… Гоуда, Х. (2015). Карта шляху метаболізму глутамату. Журнал стільникової комунікації та сигналізації, 10 (1), 69–75.