ГЛУТАМИНОВА КИСЕЛИНА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, БИОСИНТЕЗА - БИОЛОГИЯ - 2025

На глутаминова киселина е една от 22 аминокиселини, които съставят протеини във всички живи същества и един от най-широко разпространен в природата. Тъй като човешкото тяло има присъщи пътища за своята биосинтеза, то не се счита за съществено.

Заедно с аспарагиновата киселина глутаминовата киселина принадлежи към групата на отрицателно заредените полярни аминокиселини и според двете съществуващи номенклатурни системи (от три или една буква) се обозначава като " Glu " или като " E ".

Структура на глутаминовата киселина на аминокиселината (Източник: Hbf878 чрез Wikimedia Commons)

Тази аминокиселина е открита през 1866 г. от немския химик Риттерсхаузен, докато изучава хидролизиран пшеничен глутен, оттук и името му „глутаминова“. След откритието му присъствието е определено в голяма част от живите същества, така че се смята, че то има съществени функции за живота.

L-глутаминовата киселина се счита за един от най-важните медиатори в предаването на възбудителни сигнали в централната нервна система на гръбначните животни и е необходима и за нормалната мозъчна функция, както и за когнитивното развитие, паметта и Ученето.

Някои от неговите производни имат и важни функции на индустриално ниво, особено по отношение на кулинарните препарати, тъй като спомагат за засилване на вкуса на храната.

характеристики

Въпреки че не е основна аминокиселина за хората, глутаматът (йонизирана форма на глутаминова киселина) има важни хранителни последици за растежа на животните и се предполага, че има много по-висока хранителна стойност от другите несъществени аминокиселини.

Тази аминокиселина е особено изобилна в мозъка, особено във вътреклетъчното пространство (цитозол), което позволява наличието на градиент между цитозола и извънклетъчното пространство, което е ограничено от плазмената мембрана на нервните клетки.

Тъй като има много функции в възбуждащите синапси и че упражнява функциите си, като действа върху специфични рецептори, концентрацията му се поддържа на контролирани нива, особено в извънклетъчната среда, тъй като тези рецептори обикновено "гледат" извън клетките.

Местата с най-висока концентрация на глутамат са нервните терминали, но разпределението му се обуславя от енергийните нужди на клетките в цялото тяло.

В зависимост от вида на клетката, когато глутаминовата киселина навлиза в клетката, тя може да бъде насочена към митохондриите, за енергийни цели, или да бъде преразпределена към синаптични везикули и двата процеса използват специфични вътреклетъчни транспортни системи.

структура

Глутаминовата киселина, подобно на останалите аминокиселини, е α-аминокиселина, която има централен въглероден атом (който е хирален), α въглерод, към който са прикрепени четири други групи: карбоксилна група, аминогрупа, а водороден атом и заместителна група (странична верига или R група).

R групата на глутаминовата киселина дава на молекулата втора карбоксилна група (-COOH) и нейната структура е -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- в йонизирана форма), така че сумата от атоми общият въглерод на молекулата е пет.

Тази аминокиселина има относителна маса 147 g / mol, а константата на дисоциация (pKa) на нейната R група е 4,25. Той има изоелектрична точка от 3.22, а индексът за средно присъствие на протеин е около 7%.

Тъй като при неутрално pH (около 7) глутаминовата киселина е йонизирана и има отрицателен заряд, тя се класифицира в групата на отрицателно заредените полярни аминокиселини, група, в която също е включена аспарагиновата киселина (аспартат, в нейната йонизирана форма)).

Характеристика

Глутаминовата киселина или нейната йонизирана форма, глутамат, има множество функции, не само от физиологична гледна точка, но и от индустриална, клинична и гастрономична гледна точка.

Физиологични функции на глутаминовата киселина

Една от най-популярните физиологични функции на глутаминовата киселина в тялото на повечето гръбначни животни е нейната роля на възбуждащ невротрансмитер в мозъка. Определено е, че повече от 80% от възбудителните синапси комуникират с помощта на глутамат или едно от неговите производни.

Сред функциите на синапсите, които използват тази аминокиселина по време на сигнализиране, са разпознаването, ученето, паметта и други.

Глутаматът също е свързан с развитието на нервната система, с инициирането и елиминирането на синапсите и с миграцията, диференцирането и смъртта на клетките. Важно е за комуникация между периферните органи като храносмилателния тракт, панкреаса и костите.

Освен това глутаматът има функции както в процесите на синтез на протеини и пептиди, така и в синтеза на мастни киселини, в регулирането на нивата на клетъчния азот и в контрола на анионния и осмотичния баланс.

Той служи като прекурсор за различни междинни продукти от цикъла на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс), а също и за други невротрансмитери като GABA (гама-аминомаслена киселина). От своя страна, той е прекурсор в синтеза на други аминокиселини като L-пролин, L-аргинин и L-аланин.

Клинични приложения

Различните фармацевтични подходи разчитат главно на рецепторите за глутаминова киселина като терапевтични мишени за лечение на психиатрични заболявания и други патологии, свързани с паметта.

Глутаматът също се използва като активно средство в различни фармакологични състави, предназначени за лечение на инфаркти на миокарда и функционална диспепсия (стомашни проблеми или лошо храносмилане).

Промишлени приложения на глутаминова киселина

Глутаминовата киселина и нейните производни имат разнообразно приложение в различни отрасли. Например, мононатриевата сол на глутамат се използва в хранителната промишленост като подправка.

Тази аминокиселина е също изходен материал за синтеза на други химикали, а глутаминовата киселина е естествен анионен полимер, който е биоразградим, годни за консумация и нетоксичен за хората или околната среда.

В хранително-вкусовата промишленост се използва и като сгъстител и като "облекчаващ" агент от горчивината на различните храни.

Използва се и като криопротектор, като "лечимо" биологично лепило, като носител на лекарства, за проектиране на биоразградими влакна и хидрогели, способни да абсорбират големи количества вода, наред с други.

Биосинтеза

Всички аминокиселини са получени от гликолитични междинни продукти, цикъла на Кребс или пътя на пентоза фосфат. Специално глутаматът се получава от глутамин, α-кетоглутарат и 5-оксопролин, всички произведени от цикъла на Кребс.

Биосинтетичният път на тази аминокиселина е доста прост и стъпките й се намират в почти всички живи организми.

Метаболизъм на глутамат и азот

При азотния метаболизъм, чрез глутамат и глутамин, амонийът се включва в различните биомолекули на тялото и чрез трансаминационни реакции глутаматът осигурява аминогрупите на повечето аминокиселини.

По този начин този път включва асимилирането на амониеви йони към глутаматни молекули, което протича в две реакции.

Първата стъпка в пътя се катализира от ензим, известен като глутамин синтетаза, който присъства практически във всички организми и участва в редукцията на глутамат и амоняк за получаване на глутамин.

Вместо това бактериите и растенията глутамат се произвежда от глутамин от ензима, известен като глутамат синтаза.

При животни това се получава от трансаминацията на α-кетоглутарат, която се осъществява по време на катаболизма на аминокиселини. Основната му функция при бозайниците е да превръща токсичния амоняк в глутамин, който се транспортира от кръвта.

В реакцията, катализирана от ензима глутамат синтаза, α-кетоглутарат преминава през процес на редуктивно аминиране, където глутаминът участва като донор на азотната група.

Въпреки че се среща в много по-малка част, глутаматът се произвежда и при животни чрез едноетапна реакция между α-кетоглутарат и амоний (NH4), която се катализира от ензима L-глутамат дехидрогеназа, повсеместно практически във всички живи организми.

Споменатият ензим се асоциира с митохондриалната матрица и реакцията, която тя катализира, може да бъде написана приблизително по следния начин, където NADPH работи при осигуряването на намалена мощност:

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

Метаболизъм и разграждане

Глутаминовата киселина се използва от клетките на тялото, за да служи на различни цели, сред които са протеиновият синтез, енергийният метаболизъм, фиксирането на амония или невротрансмисия.

Глутаматът, взет от извънклетъчната среда в някои видове нервни клетки, може да бъде "рециклиран" чрез превръщането му в глутамин, който се освобождава в извънклетъчните течности и се поема от невроните, за да се трансформира обратно в глутамат, което е известно като глутаминов цикъл. -глутамат.

Веднъж погълнат с храната в диетата, чревната абсорбция на глутаминовата киселина обикновено завършва с превръщането й в други аминокиселини като аланин, процес, медииран от клетките на чревната лигавица, които също го използват като източник на енергия.

Черният дроб, от друга страна, е отговорен за превръщането му в глюкоза и лактат, от който химическата енергия се извлича главно под формата на АТФ.

Съобщава се за съществуването на различни метаболизиращи ензими глутамат при различни организми, такъв е случаят с глутамат дехидрогенази, глутамат-амониеви лиази и глутаминази и много от тях са замесени в болестта на Алцхаймер.

Храни, богати на глутаминова киселина

Глутаминовата киселина присъства в повечето храни, консумирани от човека, а някои автори заявяват, че за човек с тегло 70 кг, дневният прием на глутаминова киселина, получен от диетата, е около 28 g.

Сред храните, най-богати на тази аминокиселина, са тези от животински произход, където се открояват месо (говедо, прасе, овце и др.), Яйца, млечни продукти и риба. Храните на растителна основа, богати на глутамат, включват семена, зърнени храни, аспержи и други.

В допълнение към различните видове храни, естествено богати на тази аминокиселина, нейно производно, мононатриевата сол на глутамат се използва като добавка за подобряване или увеличаване на вкуса на много ястия и промишлено обработени храни.

Ползи от приема му

Глутаматът, добавен към различни кулинарни препарати, спомага за „предизвикване“ на вкуса и за подобряване усещането за вкус в устната кухина, което очевидно има важно физиологично и хранително значение.

Клиничните изпитвания показват, че поглъщането на глутаминова киселина има потенциални приложения при лечението на „разстройства“ или орални патологии, свързани с вкус и „хипосаливация“ (слабо производство на слюнка).

По същия начин глутаминовата киселина (глутамат) е хранително вещество от голямо значение за поддържането на нормалната активност на клетките в чревната лигавица.

Доставката на тази аминокиселина на плъхове, които са били подложени на химиотерапевтично лечение, е доказано, че повишава имунологичните характеристики на червата, в допълнение към поддържане и засилване на активността и функциите на чревната лигавица.

В Япония, от друга страна, медицинските диети, базирани на храни, богати на глутаминова киселина, са проектирани за пациенти, подложени на "перкутанна ендоскопска гастрономия", тоест трябва да се хранят през стомашна тръба, която е свързана през стената корема.

Тази аминокиселина се използва и за предизвикване на апетит при пациенти в напреднала възраст с хроничен гастрит, които обикновено са неспособни.

И накрая, проучванията, свързани с оралното снабдяване с глутаминова киселина и аргинин, предполагат, че те участват в положителната регулация на гените, свързани с адипогенезата в мускулната тъкан и липолизата в мастната тъкан.

Нарушения на дефицита

Тъй като глутаминовата киселина служи като прекурсор в синтеза на различни видове молекули като аминокиселини и други невротрансмитери, генетичните дефекти, свързани с експресията на ензими, свързани с нейната биосинтеза и рециклиране, могат да имат последствия за здравето на тялото на всяко животно.

Например, ензимът глутаминова киселина декарбоксилаза е отговорен за превръщането на глутамат в гама аминомаслена киселина (GABA), невротрансмитер, необходим за инхибиторните нервни реакции.

Следователно, балансът между глутаминовата киселина и GABA е от изключително значение за поддържането на контрол на кортикалната възбудимост, тъй като глутаматът функционира главно при синтапси на възбудителни нерви.

От своя страна, тъй като глутаматът участва в редица мозъчни функции като учене и памет, неговият дефицит може да причини дефекти в тези класове когнитивни процеси, които го изискват като невротрансмитер.

Препратки

1. Ariyoshi, M., Katane, M., Hamase, K., Miyoshi, Y., Nakane, M., Hoshino, A.,… Matoba, S. (2017). D-глутаматът се метаболизира в сърдечните митохондрии. Научни доклади, 7 (август 2016 г.), 1–9.
2. Барет, Г. (1985). Химия и биохимия на аминокиселините. Ню Йорк: Чапман и Хол.
3. Данболт, NC (2001). Поемане на глутамат. Напредък в невробиологията, 65, 1–105.
4. Fonnum, F. (1984). Глутамат: невротрансмитер в мозъка на бозайниците. Journal of Neurochemistry, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). Международен симпозиум по глутамат. Глутаминова киселина, двадесет години по-късно.
6. Graham, TE, Sgro, V., Friars, D., & Gibala, MJ (2000). Поглъщане на глутамат: Басейни с аминокиселини без плазма и мускули на хората в покой. Американско списание по физиология - ендокринология и метаболизъм, 278, 83–89.
7. Hu, CJ, Jiang, QY, Zhang, T., Yin, YL, Li, FN, Su, JY,… Kong, XF (2017). Хранителните добавки с аргинин и глутаминова киселина засилват експресията на ключови липогенни гени при отглеждането на свине. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507–5515.
8. Johnson, JL (1972). Глутаминова киселина като синаптичен предавател в нервната система. Преглед. Мозъчни изследвания, 37, 1–19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D., & Pal, P. (2014). Производство и пречистване на глутаминова киселина: критичен преглед към интензифицирането на процеса. Химическо инженерство и обработка: Интензификация на процесите, 81, 59–71.
10. Mourtzakis, M., & Graham, TE (2002). Поглъщането на глутамат и неговите ефекти в покой и по време на упражнения при хора. Списание за приложна физиология, 93 (4), 1251-1259.
11. Нийл, Е. (2010). Биологични процеси за производство на водород. Напредък в биохимичното инженерство / Биотехнологии, 123 (юли 2015 г.), 127–141.
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M., & Forlani, G. (2016). Аминокиселини от семейство глутамат: Функции извън първичния метаболизъм. Граници в растениезнанието, 7, 1–3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M., & Kasim, A. (2015). Добавките с глутамин и глутаминова киселина повишават ефективността на пилетата бройлери при горещо и влажно тропическо състояние. Италианско списание за наука за животните, 14 (1), 25–29.
14. Umbarger, H. (1978). Биосинтеза на аминокиселината и нейното регулиране. Ан. Преподобна Биохим., 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). Глутаминова киселина и церебрална функция. Напредък в протеиновата химия, 6, 299–341.
16. Yelamanchi, SD, Jayaram, S., Thomas, JK, Gundimeda, S., Khan, AA, Singhal, A.,… Gowda, H. (2015). Карта на пътя на метаболизма на глутамат. Списание за клетъчна комуникация и сигнализация, 10 (1), 69–75.