KYSELINA GLUTÁMOVÁ: VLASTNOSTI, FUNKCIE, BIOSYNTÉZA - BIOLÓGIE - 2024

Glutamová kyselina je jednou z 22 aminokyselín, ktoré tvoria proteíny vo všetkých živých organizmov, a jeden z najviac vyskytujúce sa v prírode. Pretože ľudské telo má vlastné biosyntézy, nepovažuje sa za nevyhnutné.

Kyselina glutámová patrí spolu s kyselinou asparágovou do skupiny negatívne nabitých polárnych aminokyselín a podľa dvoch existujúcich nomenklatúrnych systémov (s tromi alebo jedným písmenom) sa označuje ako „ Glu “ alebo „ E “.

Štruktúra aminokyseliny kyselina glutámová (Zdroj: Hbf878 prostredníctvom Wikimedia Commons)

Táto aminokyselina bola objavená v roku 1866 nemeckým chemikom Rittershausenom, keď študoval hydrolyzovaný pšeničný lepok, teda jeho názov „glutamín“. Po svojom objavení bola jeho prítomnosť určená vo veľkej časti živých bytostí, takže sa predpokladá, že má základné funkcie pre život.

Kyselina L-glutámová sa považuje za jeden z najdôležitejších mediátorov pri prenose excitačných signálov v centrálnom nervovom systéme stavovcov a je tiež nevyhnutná pre normálnu funkciu mozgu, ako aj pre kognitívny vývoj, pamäť a Učenie.

Niektoré z jeho derivátov majú tiež dôležité funkcie na priemyselnej úrovni, najmä pokiaľ ide o kulinárske prípravky, pretože pomáhajú zvyšovať chuť potravín.

vlastnosti

Napriek tomu, že glutamát (ionizovaná forma kyseliny glutámovej) nie je pre človeka esenciálnou aminokyselinou, má významné výživové dôsledky pre rast zvierat a predpokladá sa, že má oveľa vyššiu výživovú hodnotu ako iné neesenciálne aminokyseliny.

Táto aminokyselina je obzvlášť hojná v mozgu, najmä v intracelulárnom priestore (cytosol), čo umožňuje existenciu gradientu medzi cytosolom a extracelulárnym priestorom, ktorý je ohraničený plazmatickou membránou nervových buniek.

Pretože má mnoho funkcií vo excitačných synapsiách a že vykonáva svoje funkcie pôsobením na špecifické receptory, jej koncentrácia je udržiavaná na kontrolovaných hladinách, najmä v extracelulárnom prostredí, pretože tieto receptory sa obvykle "pozerajú" z buniek.

Miesta najvyššej koncentrácie glutamátu sú nervové zakončenie, jeho distribúcia je však podmienená energetickými potrebami buniek v tele.

V závislosti od typu bunky, keď kyselina glutámová vstupuje do bunky, môže byť na energetické účely nasmerovaná do mitochondrií alebo môže byť redistribuovaná na synaptické vezikuly a oba procesy využívajú špecifické intracelulárne transportné systémy.

štruktúra

Kyselina glutámová, podobne ako zvyšok aminokyselín, je a-aminokyselina, ktorá má centrálny atóm uhlíka (ktorý je chirálny), a uhlík, ku ktorému sú pripojené štyri ďalšie skupiny: karboxylová skupina, aminoskupina, a atóm vodíka a substitučná skupina (bočný reťazec alebo skupina R).

Skupina R kyseliny glutámovej dáva molekule druhú karboxylovú skupinu (-COOH) a jej štruktúra je -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- v jej ionizovanej forme), takže súčet atómov celkový uhlík molekuly je päť.

Táto aminokyselina má relatívnu hmotnosť 147 g / mol a disociačná konštanta (pKa) jej skupiny R je 4,25. Má izoelektrický bod 3,22 a priemerný index prítomnosti proteínu je okolo 7%.

Pretože pri neutrálnom pH (okolo 7) je kyselina glutámová ionizovaná a má záporný náboj, zatrieďuje sa do skupiny záporne nabitých polárnych aminokyselín, do skupiny, do ktorej je zahrnutá aj kyselina asparágová (aspartát, v jej ionizovanej forme). ).

Vlastnosti

Kyselina glutámová alebo jej ionizovaná forma, glutamát, má viac funkcií, a to nielen z fyziologického hľadiska, ale aj z priemyselného, ​​klinického a gastronomického hľadiska.

Fyziologické funkcie kyseliny glutámovej

Jednou z najpopulárnejších fyziologických funkcií kyseliny glutámovej v tele väčšiny stavovcov je jej úloha ako excitačného neurotransmitera v mozgu. Zistilo sa, že viac ako 80% excitačných synapsií komunikuje pomocou glutamátu alebo jedného z jeho derivátov.

Medzi funkcie synapsií, ktoré používajú túto aminokyselinu počas signalizácie, sú rozpoznávanie, učenie, pamäť a ďalšie.

Glutamát súvisí tiež s vývojom nervového systému, so zahájením a elimináciou synapsií a s migráciou, diferenciáciou a smrťou buniek. Je dôležitý pre komunikáciu medzi periférnymi orgánmi, ako sú napríklad zažívacie ústrojenstvo, pankreas a kosti.

Ďalej glutamát pôsobí tak v syntéze proteínov a peptidov, ako aj v syntéze mastných kyselín, pri regulácii hladín dusíka v bunkách a pri kontrole aniónovej a osmotickej rovnováhy.

Slúži ako prekurzor rôznych medziproduktov cyklu trikarboxylovej kyseliny (Krebsov cyklus) a tiež pre ďalšie neurotransmitery, ako je GABA (kyselina gama-aminomaslová). Na druhej strane je to prekurzor v syntéze iných aminokyselín, ako je L-prolín, L-arginín a L-alanín.

Klinické aplikácie

Rôzne farmaceutické prístupy sa spoliehajú hlavne na receptory kyseliny glutámovej ako terapeutické ciele pri liečbe psychiatrických chorôb a iných patologických stavov súvisiacich s pamäťou.

Glutamát sa tiež používa ako účinná látka v rôznych farmakologických formuláciách určených na liečbu infarktov myokardu a funkčnej dyspepsie (žalúdočné ťažkosti alebo tráviace ťažkosti).

Priemyselné použitie kyseliny glutámovej

Kyselina glutámová a jej deriváty majú rôzne aplikácie v rôznych priemyselných odvetviach. Napríklad monosodná soľ glutamátu sa používa v potravinárskom priemysle ako korenie.

Táto aminokyselina je tiež východiskovým materiálom pre syntézu ďalších chemikálií a glutámová polykyselina je prírodný aniónový polymér, ktorý je biologicky rozložiteľný, jedlý a netoxický pre človeka alebo životné prostredie.

V potravinárskom priemysle sa používa aj ako zahusťovadlo a ako prostriedok na odľahčenie horkosti rôznych potravín.

Používa sa tiež ako kryoprotektant, ako "liečiteľné" biologické adhezívum, ako nosič liečiv, na navrhovanie biologicky odbúrateľných vlákien a hydrogélov schopných absorbovať okrem iného veľké množstvo vody.

biosyntéza

Všetky aminokyseliny sú odvodené od glykolytických medziproduktov, Krebsovho cyklu alebo dráhy pentózofosfátu. Konkrétne sa glutamát získava z glutamínu, a-ketoglutarátu a 5-oxoprolínu, všetko odvodené z Krebsovho cyklu.

Biosyntetická cesta pre túto aminokyselinu je pomerne jednoduchá a jej kroky sa nachádzajú takmer vo všetkých živých organizmoch.

Glutamátový a dusíkový metabolizmus

Pri metabolizme dusíka je amónium začlenené do rôznych biomolekúl tela prostredníctvom glutamátu a glutamínu a prostredníctvom transaminačných reakcií glutamát poskytuje aminoskupiny väčšiny aminokyselín.

Táto cesta teda zahŕňa asimiláciu amónnych iónov k glutamátovým molekulám, ktorá prebieha v dvoch reakciách.

Prvý krok v tejto ceste je katalyzovaný enzýmom známym ako glutamín syntetáza, ktorý je prítomný prakticky vo všetkých organizmoch a podieľa sa na redukcii glutamátu a amoniaku za vzniku glutamínu.

V baktériách a rastlinách sa namiesto toho glutamát vyrába z glutamínu enzýmom známym ako glutamát syntáza.

U zvierat sa to deje z transaminácie a-ketoglutarátu, ku ktorému dochádza počas katabolizmu aminokyselín. Jeho hlavnou funkciou u cicavcov je premena toxického voľného amoniaku na glutamín, ktorý sa prenáša krvou.

V reakcii katalyzovanej enzýmom glutamát syntáza, a-ketoglutarát prechádza procesom redukčnej aminácie, kde sa glutamín zúčastňuje ako donor dusíkovej skupiny.

Aj keď sa vyskytuje v oveľa menšej miere, u zvierat sa glutamát produkuje tiež jednostupňovou reakciou medzi a-ketoglutarátom a amóniom (NH4), ktorá je katalyzovaná enzýmom L-glutamátdehydrogenáza, všadeprítomná prakticky vo všetkých živé organizmy.

Uvedený enzým sa spája s mitochondriálnou matricou a reakcia, ktorú katalyzuje, sa dá písať zhruba nasledovne, kde NADPH pracuje pri dodávaní redukčnej energie:

α-ketoglutarát + NH4 + NADPH → L-glutamát + NADP (+) + voda

Metabolizmus a degradácia

Kyselina glutámová sa používa v bunkách tela na rôzne účely, medzi ktoré patrí syntéza proteínov, energetický metabolizmus, fixácia amóniom alebo neurotransmisia.

Glutamát odobratý z extracelulárneho média v niektorých typoch nervových buniek môže byť "recyklovaný" jeho premenou na glutamín, ktorý sa uvoľňuje do extracelulárnych tekutín a absorbuje neurónmi, aby sa transformoval späť na glutamát, ktorý je známy ako glutamínový cyklus. -glutamát .

Po požití potravou v potrave sa črevná absorpcia kyseliny glutámovej vo všeobecnosti končí jej transformáciou na iné aminokyseliny, ako je alanín, proces sprostredkovaný bunkami črevnej sliznice, ktoré ho tiež používajú ako zdroj energie.

Pečeň je na druhej strane zodpovedná za jej premenu na glukózu a laktát, z ktorých sa chemická energia extrahuje hlavne vo forme ATP.

Existencia rôznych enzýmov metabolizujúcich glutamát bola opísaná v rôznych organizmoch, ako napríklad v prípade glutamátdehydrogenáz, glutamát-amóniových lyáz a glutamináz, a mnohé z nich sa podieľajú na Alzheimerovej chorobe.

Potraviny bohaté na kyselinu glutámovú

Kyselina glutámová je prítomná vo väčšine potravín konzumovaných človekom a niektorí autori tvrdia, že pre človeka s hmotnosťou 70 kg je denný príjem kyseliny glutámovej získanej z potravy okolo 28 g.

Medzi potraviny najbohatšie na túto aminokyselinu patria potraviny živočíšneho pôvodu, v ktorých vyniká mäso (hovädzí dobytok, ošípané, ovce atď.), Vajcia, mliečne výrobky a ryby. Potraviny rastlinného pôvodu bohaté na glutamát zahŕňajú semená, zrná, špargľu a ďalšie.

Okrem rôznych druhov potravín, ktoré sú prirodzene bohaté na túto aminokyselinu, jej derivát, sa monosodná soľ glutamátu používa ako prísada na zvýšenie alebo zvýšenie chuti mnohých jedál a priemyselne spracovaných potravín.

Výhody jeho príjmu

Glutamát pridaný do rôznych kulinárskych prípravkov pomáha "indukovať" chuť a zlepšuje pocit chuti v ústnej dutine, čo má zjavne dôležitý fyziologický a výživový význam.

Klinické štúdie ukázali, že požitie kyseliny glutámovej má potenciálne využitie pri liečení „porúch“ alebo orálnych patológií súvisiacich s chuťou a „hyposaliváciou“ (nízka tvorba slín).

Kyselina glutámová (glutamát) je tiež živina, ktorá má veľký význam pre udržanie normálnej aktivity buniek v črevnej sliznici.

Ukázalo sa, že dodávka tejto aminokyseliny potkanom, ktoré sa podrobili chemoterapeutickej liečbe, zvyšuje imunologické vlastnosti čreva, okrem udržiavania a zvyšovania aktivity a funkcií črevnej sliznice.

Na druhej strane v Japonsku boli lekárske diéty založené na potravinách bohatých na kyselinu glutámovú určené pre pacientov podstupujúcich „perkutánnu endoskopickú gastronómiu“, to znamená, že sa musia kŕmiť žalúdočnou trubičkou, ktorá je spojená stenou. brucha.

Táto aminokyselina sa tiež používa na vyvolanie chuti do jedla u starších pacientov s chronickou gastritídou, ktorí sú normálne nechuti.

Štúdie týkajúce sa orálneho prísunu kyseliny glutámovej a arginínu naznačujú, že sa podieľajú na pozitívnej regulácii génov súvisiacich s adipogenézou vo svalovom tkanive a lipolýzou v tukových tkanivách.

Poruchy nedostatku

Pretože kyselina glutámová slúži ako prekurzor v syntéze rôznych typov molekúl, ako sú aminokyseliny a iné neurotransmitery, genetické defekty spojené s expresiou enzýmov súvisiacich s jej biosyntézou a recykláciou môžu mať následky na zdravie tela akéhokoľvek zvieraťa.

Napríklad enzým dekarboxyláza kyseliny glutámovej je zodpovedný za konverziu glutamátu na kyselinu gama aminomaslovú (GABA), neurotransmiter nevyhnutný pre inhibičné nervové reakcie.

Preto je rovnováha medzi kyselinou glutámovou a GABA nanajvýš dôležitá pre udržanie kontroly kortikálnej dráždivosti, pretože glutamát funguje hlavne pri synapsiách excitačných nervov.

Na druhej strane, keďže glutamát je zapojený do radu mozgových funkcií, ako je učenie a pamäť, jeho nedostatok by mohol spôsobiť defekty v týchto triedach kognitívnych procesov, ktoré ho potrebujú ako neurotransmiter.

Referencie

1. Ariyoshi, M., Katane, M., Hamase, K., Miyoshi, Y., Nakane, M., Hoshino, A.,… Matoba, S. (2017). D-Glutamát je metabolizovaný v srdcových mitochondriách. Vedecké správy, 7. augusta (august 2016), 1-9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Barret, G. (1985). Chémia a biochémia aminokyselín. New York: Chapman a Hall.
3. Danbolt, NC (2001). Príjem glutamátu. Progress in Neurobiology, 65, 1-105.
4. Fonnum, F. (1984). Glutamát: neurotransmiter v mozgu cicavcov. Journal of Neurochemistry, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). Medzinárodné sympózium o glutamáte. Kyselina glutámová, o dvadsať rokov neskôr.
6. Graham, TE, Sgro, V., Friars, D., & Gibala, MJ (2000). Požitie glutamátu: Plazmatické a svalové voľné aminokyselinové súbory pokojných ľudí. American Journal of Physiology - Endokrinology and Metabolism, 278, 83–89.
7. Hu, CJ, Jiang, QY, Zhang, T., Yin, YL, Li, FN, Su, JY, … Kong, XF (2017). Doplnok stravy arginínom a kyselinou glutámovou v potrave zvyšuje kľúčovú expresiu lipogénneho génu u rastúcich ošípaných. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507 - 5515.
8. Johnson, JL (1972). Kyselina glutámová ako synaptický vysielač v nervovom systéme. Recenzia. Brain Research, 37, 1-19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D., & Pal, P. (2014). Produkcia a čistenie kyseliny glutámovej: kritický prehľad smerom k intenzifikácii procesu. Chemické inžinierstvo a spracovanie: Intenzifikácia procesu, 81, 59–71.
10. Mourtzakis, M., & Graham, TE (2002). Požitie glutamátu a jeho účinky v pokoji a počas cvičenia u ľudí. Journal of Applied Physiology, 93 (4), 1251-1259.
11. Neil, E. (2010). Biologické procesy výroby vodíka. Pokroky v biochemickom inžinierstve / biotechnológii, 123 (júl 2015), 127–141. https://doi.org/10.1007/10
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M., & Forlani, G. (2016). Aminokyseliny z rodiny glutamátov: funkcie nad rámec primárneho metabolizmu. Frontiers in Plant Science, 7, 1-3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M. a Kasim, A. (2015). Doplnok glutamínu a kyseliny glutámovej zvyšuje výkon brojlerov v horúcich a vlhkých tropických podmienkach. Italian Journal of Animal Science, 14 (1), 25–29.
14. Umbarger, H. (1978). Biosyntéza aminokyselín a jej regulácia. Ann. Biochem. , 47, 533 - 606.
15. Waelsch, H. (1951). Kyselina glutámová a mozgová funkcia. Advances in Protein Chemistry, 6, 299 - 341.
16. Yelamanchi, SD, Jayaram, S., Thomas, JK, Gundimeda, S., Khan, AA, Singhal, A., … Gowda, H. (2015). Mapa metabolizmu glutamátu. Journal of Cell Communication and Signaling, 10 (1), 69–75.