KWAS GLUTAMINOWY: CHARAKTERYSTYKA, FUNKCJE, BIOSYNTEZA - BIOLOGIA - 2025

Kwas glutaminowy jest jednym z 22 aminokwasów tworzących białka we wszystkich żywych organizmów i jest jednym z najbardziej powszechnie występujących w przyrodzie. Ponieważ organizm ludzki ma wewnętrzne szlaki biosyntezy, nie jest uważany za niezbędny.

Wraz z kwasem asparaginowym kwas glutaminowy należy do grupy ujemnie naładowanych aminokwasów polarnych i zgodnie z dwoma istniejącymi systemami nazewnictwa (trzy- lub jednoliterowe) jest oznaczany jako „ Glu ” lub „ E ”.

Struktura aminokwasu Kwas glutaminowy (źródło: Hbf878 za Wikimedia Commons)

Aminokwas ten został odkryty w 1866 roku przez niemieckiego chemika Rittershausena podczas badania hydrolizowanego glutenu pszennego, stąd jego nazwa „glutamin”. Po jego odkryciu jego obecność została stwierdzona u dużej części żywych istot, dlatego uważa się, że pełni ona podstawowe funkcje życiowe.

Kwas L-glutaminowy jest uważany za jeden z najważniejszych mediatorów w przekazywaniu sygnałów pobudzających w ośrodkowym układzie nerwowym kręgowców i jest również niezbędny do prawidłowego funkcjonowania mózgu, a także do rozwoju poznawczego, pamięci i Nauka.

Niektóre z jego pochodnych pełnią również ważne funkcje na poziomie przemysłowym, zwłaszcza w odniesieniu do preparatów kulinarnych, ponieważ pomagają wzmocnić smak potraw.

cechy

Chociaż glutaminian (zjonizowana forma kwasu glutaminowego) nie jest niezbędnym aminokwasem dla ludzi, ma istotne konsekwencje żywieniowe dla wzrostu zwierząt i sugeruje się, że ma znacznie wyższą wartość odżywczą niż inne nieistotne aminokwasy.

Aminokwas ten występuje szczególnie obficie w mózgu, zwłaszcza w przestrzeni wewnątrzkomórkowej (cytozolu), co pozwala na istnienie gradientu między cytozolem a przestrzenią zewnątrzkomórkową, którą ogranicza błona plazmatyczna komórek nerwowych.

Ponieważ pełni on wiele funkcji w synapsach pobudzających i działa poprzez działanie na określone receptory, jego stężenie jest utrzymywane na kontrolowanym poziomie, zwłaszcza w środowisku zewnątrzkomórkowym, ponieważ receptory te generalnie „wyglądają” poza komórki.

Miejscami największego stężenia glutaminianu są zakończenia nerwowe, jednak jego rozmieszczenie uwarunkowane jest zapotrzebowaniem energetycznym komórek w całym organizmie.

W zależności od rodzaju komórki, gdy kwas glutaminowy dostanie się do komórki, może być skierowany do mitochondriów w celach energetycznych lub może zostać ponownie rozprowadzony w kierunku pęcherzyków synaptycznych i oba procesy wykorzystują specyficzne systemy transportu wewnątrzkomórkowego.

Struktura

Kwas glutaminowy, podobnie jak pozostałe aminokwasy, jest α-aminokwasem, który ma centralny atom węgla (który jest chiralny), węgiel α, do którego są przyłączone cztery inne grupy: grupa karboksylowa, grupa aminowa, atom wodoru i podstawnik (łańcuch boczny lub grupa R).

Grupa R kwasu glutaminowego daje cząsteczce drugą grupę karboksylową (-COOH), a jej struktura to -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- w postaci zjonizowanej), czyli suma atomów całkowity węgiel w cząsteczce wynosi pięć.

Ten aminokwas ma masę względną 147 g / mol, a stała dysocjacji (pKa) jego grupy R wynosi 4,25. Ma punkt izoelektryczny 3,22, a średni wskaźnik obecności białka wynosi około 7%.

Ponieważ przy obojętnym pH (około 7) kwas glutaminowy jest zjonizowany i ma ładunek ujemny, zalicza się go do grupy ujemnie naładowanych aminokwasów polarnych, do której zalicza się również kwas asparaginowy (asparaginian w postaci zjonizowanej) ).

cechy

Kwas glutaminowy lub jego zjonizowana forma, glutaminian, pełni wiele funkcji, nie tylko z fizjologicznego punktu widzenia, ale także z przemysłowego, klinicznego i gastronomicznego punktu widzenia.

Fizjologiczne funkcje kwasu glutaminowego

Jedną z najpopularniejszych fizjologicznych funkcji kwasu glutaminowego w organizmie większości kręgowców jest jego rola jako pobudzającego neuroprzekaźnika w mózgu. Stwierdzono, że ponad 80% synaps pobudzających komunikuje się za pomocą glutaminianu lub jednej z jego pochodnych.

Wśród funkcji synaps, które wykorzystują ten aminokwas podczas sygnalizacji, są rozpoznawanie, uczenie się, pamięć i inne.

Glutaminian jest również związany z rozwojem układu nerwowego, inicjacją i eliminacją synaps oraz migracją, różnicowaniem i śmiercią komórek. Jest to ważne dla komunikacji między narządami obwodowymi, takimi jak przewód pokarmowy, trzustka i kości.

Dodatkowo glutaminian pełni funkcje zarówno w procesach syntezy białek i peptydów, jak i w syntezie kwasów tłuszczowych, w regulacji poziomu azotu w komórce oraz w regulacji równowagi anionowej i osmotycznej.

Służy jako prekursor dla różnych półproduktów cyklu kwasów trikarboksylowych (cykl Krebsa), a także dla innych neuroprzekaźników, takich jak GABA (kwas gamma-aminomasłowy). Z kolei jest prekursorem w syntezie innych aminokwasów, takich jak L-prolina, L-arginina i L-alanina.

Zastosowania kliniczne

Różne podejścia farmaceutyczne polegają głównie na receptorach kwasu glutaminowego jako celach terapeutycznych w leczeniu chorób psychiatrycznych i innych patologii związanych z pamięcią.

Glutaminian był również stosowany jako substancja czynna w różnych preparatach farmakologicznych przeznaczonych do leczenia zawałów mięśnia sercowego i dyspepsji czynnościowej (problemy żołądkowe lub niestrawność).

Przemysłowe zastosowania kwasu glutaminowego

Kwas glutaminowy i jego pochodne mają różnorodne zastosowania w różnych gałęziach przemysłu. Na przykład monosodowa sól glutaminianu jest stosowana w przemyśle spożywczym jako przyprawa.

Aminokwas ten jest również materiałem wyjściowym do syntezy innych chemikaliów, a polikwas glutaminowy jest naturalnym polimerem anionowym, który jest biodegradowalny, jadalny i nietoksyczny dla ludzi i środowiska.

W przemyśle spożywczym jest również używany jako zagęszczacz i środek „łagodzący” gorycz różnych potraw.

Jest również stosowany jako krioprotektant, jako „utwardzalny” klej biologiczny, jako nośnik leków, do projektowania biodegradowalnych włókien i hydrożeli, które są w stanie absorbować między innymi duże ilości wody.

Biosynteza

Wszystkie aminokwasy pochodzą z glikolitycznych produktów pośrednich, cyklu Krebsa lub szlaku pentozofosforanowego. W szczególności glutaminian jest otrzymywany z glutaminy, α-ketoglutaranu i 5-oksoproliny, które pochodzą z cyklu Krebsa.

Ścieżka biosyntezy tego aminokwasu jest dość prosta, a jej etapy znajdują się w prawie wszystkich żywych organizmach.

Metabolizm glutaminianu i azotu

W metabolizmie azotu to poprzez glutaminian i glutaminę amoniak jest włączany do różnych biomolekuł organizmu, a poprzez reakcje transaminacji glutaminian dostarcza grup aminowych większości aminokwasów.

Tym samym droga ta obejmuje asymilację jonów amonowych do cząsteczek glutaminianu, która zachodzi w dwóch reakcjach.

Pierwszy etap szlaku jest katalizowany przez enzym znany jako syntetaza glutaminy, który jest obecny w praktycznie wszystkich organizmach i bierze udział w redukcji glutaminianu i amonu do produkcji glutaminy.

Natomiast w bakteriach i roślinach glutaminian jest wytwarzany z glutaminy przez enzym znany jako syntaza glutaminianu.

U zwierząt powstaje w wyniku transaminacji α-ketoglutaranu, która zachodzi podczas katabolizmu aminokwasów. Jego główną funkcją u ssaków jest przekształcanie toksycznego amoniaku w glutaminę, która jest transportowana przez krew.

W reakcji katalizowanej przez enzym syntazę glutaminianową, α-ketoglutaran przechodzi proces redukcyjnego aminowania, w którym glutamina uczestniczy jako donor grupy azotowej.

Chociaż występuje w znacznie mniejszej proporcji, glutaminian jest również wytwarzany u zwierząt w jednostopniowej reakcji między α-ketoglutaranem i amonem (NH4), która jest katalizowana przez enzym dehydrogenazę L-glutaminianu, wszechobecny w prawie wszystkich organizmy żywe.

Wspomniany enzym wiąże się z macierzą mitochondrialną, a reakcję, którą katalizuje, można z grubsza zapisać w następujący sposób, gdzie NADPH działa w dostarczaniu mocy redukującej:

α-ketoglutaran + NH4 + NADPH → L-glutaminian + NADP (+) + woda

Metabolizm i degradacja

Kwas glutaminowy jest wykorzystywany przez komórki organizmu do różnych celów, między innymi do syntezy białek, metabolizmu energetycznego, wiązania amonu lub neurotransmisji.

Glutaminian pobrany ze środowiska pozakomórkowego w niektórych typach komórek nerwowych może być „zawrócony” przez przekształcenie go w glutaminę, która jest uwalniana do płynów pozakomórkowych i pobierana przez neurony w celu ponownego przekształcenia w glutaminian, który jest znany jako cykl glutaminowy . -glutaminian .

Po spożyciu z pożywieniem w diecie wchłanianie kwasu glutaminowego przez jelita zwykle kończy się jego przemianą w inne aminokwasy, takie jak alanina, w procesie, w którym pośredniczą komórki błony śluzowej jelit, które również wykorzystują go jako źródło energii.

Z kolei wątroba jest odpowiedzialna za przekształcanie jej w glukozę i mleczan, z których pozyskiwana jest energia chemiczna głównie w postaci ATP.

Istnieją doniesienia o istnieniu różnych enzymów metabolizujących glutaminian w różnych organizmach, na przykład w przypadku dehydrogenaz glutaminianowych, liazów glutaminianowo-amonowych i glutaminaz, a wiele z nich jest związanych z chorobą Alzheimera.

Pokarmy bogate w kwas glutaminowy

Kwas glutaminowy jest obecny w większości pokarmów spożywanych przez człowieka, a niektórzy autorzy twierdzą, że dla człowieka ważącego 70 kg dzienne spożycie kwasu glutaminowego pochodzącego z diety wynosi około 28 g.

Do pokarmów najbogatszych w ten aminokwas należą te pochodzenia zwierzęcego, w których wyróżnia się mięso (wołowe, wieprzowe, owcze itp.), Jaja, nabiał i ryby. Pokarmy roślinne bogate w glutaminian obejmują nasiona, ziarna, szparagi i inne.

Oprócz różnych rodzajów żywności naturalnie bogatej w ten aminokwas, jego pochodną, ​​monosodową sól glutaminianu stosuje się jako dodatek wzmacniający lub poprawiający smak wielu potraw i żywności przetworzonej przemysłowo.

Korzyści z jego spożycia

Glutaminian dodawany do różnych preparatów kulinarnych pomaga „wywołać” smak i poprawić odczucie smaku w jamie ustnej, co najwyraźniej ma ważne znaczenie fizjologiczne i odżywcze.

Badania kliniczne wykazały, że spożycie kwasu glutaminowego ma potencjalne zastosowania w leczeniu „zaburzeń” lub patologii jamy ustnej związanych ze smakiem i „nadmiernym wydzielaniem śliny” (niska produkcja śliny).

Podobnie, kwas glutaminowy (glutaminian) jest składnikiem odżywczym o dużym znaczeniu dla utrzymania normalnej aktywności komórek błony śluzowej jelit.

Wykazano, że dostarczanie tego aminokwasu szczurom, które przeszły leczenie chemioterapeutyczne, zwiększa właściwości immunologiczne jelita, oprócz utrzymania i wzmocnienia aktywności i funkcji błony śluzowej jelit.

Z drugiej strony w Japonii diety medyczne oparte na żywności bogatej w kwas glutaminowy zostały opracowane z myślą o pacjentach poddawanych „przezskórnej gastronomii endoskopowej”, to znaczy muszą być karmieni przez sondę żołądkową połączoną przez ścianę brzuszny.

Aminokwas ten jest również stosowany do wywoływania apetytu u starszych pacjentów z przewlekłym zapaleniem błony śluzowej żołądka, którzy zwykle nie są apetyczni.

Wreszcie badania dotyczące doustnego dostarczania kwasu glutaminowego i argininy sugerują, że biorą one udział w pozytywnej regulacji genów związanych z adipogenezą w tkance mięśniowej i lipolizą w tkance tłuszczowej.

Zaburzenia niedoboru

Ponieważ kwas glutaminowy służy jako prekursor w syntezie różnych typów cząsteczek, takich jak aminokwasy i inne neuroprzekaźniki, defekty genetyczne związane z ekspresją enzymów związanych z jego biosyntezą i recyklingiem mogą mieć konsekwencje dla zdrowia organizmu każdego zwierzęcia.

Na przykład enzym dekarboksylaza kwasu glutaminowego jest odpowiedzialny za konwersję glutaminianu do kwasu gamma-aminomasłowego (GABA), neuroprzekaźnika niezbędnego do hamowania reakcji nerwowych.

Dlatego równowaga między kwasem glutaminowym i GABA ma ogromne znaczenie dla utrzymania kontroli pobudliwości korowej, ponieważ glutaminian działa głównie w synapsach nerwów pobudzających.

Z kolei, ponieważ glutaminian jest zaangażowany w szereg funkcji mózgu, takich jak uczenie się i pamięć, jego niedobór może powodować defekty w tych klasach procesów poznawczych, które wymagają go jako neuroprzekaźnika.

Bibliografia

1. Ariyoshi, M., Katane, M., Hamase, K., Miyoshi, Y., Nakane, M., Hoshino, A.,… Matoba, S. (2017). D-glutaminian jest metabolizowany w mitochondriach serca. Scientific Reports, 7 (sierpień 2016), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Barret, G. (1985). Chemia i biochemia aminokwasów. Nowy Jork: Chapman and Hall.
3. Danbolt, NC (2001). Wychwyt glutaminianu. Progress in Neurobiology, 65, 1–105.
4. Fonnum, F. (1984). Glutaminian: neuroprzekaźnik w mózgu ssaków. Journal of Neurochemistry, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). Międzynarodowe sympozjum na temat glutaminianu. Kwas glutaminowy dwadzieścia lat później.
6. Graham, TE, Sgro, V., Friars, D. i Gibala, MJ (2000). Spożycie glutaminianu: Pule aminokwasów w osoczu i mięśniach odpoczywających ludzi. American Journal of Physiology - Endocrinology and Metabolism, 278, 83–89.
7. Hu, CJ, Jiang, QY, Zhang, T., Yin, YL, Li, FN, Su, JY,… Kong, XF (2017). Suplementacja diety argininą i kwasem glutaminowym wzmacnia ekspresję kluczowych genów lipogennych u tuczników. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507–5515.
8. Johnson, JL (1972). Kwas glutaminowy jako przekaźnik synaptyczny w układzie nerwowym. Recenzja. Brain Research, 37, 1–19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D. i Pal, P. (2014). Produkcja i oczyszczanie kwasu glutaminowego: krytyczny przegląd w kierunku intensyfikacji procesu. Inżynieria chemiczna i przetwarzanie: intensyfikacja procesów, 81, 59–71.
10. Mourtzakis, M. i Graham, TE (2002). Spożycie glutaminianu i jego skutki w spoczynku i podczas ćwiczeń u ludzi. Journal of Applied Physiology, 93 (4), 1251-1259.
11. Neil, E. (2010). Biologiczne procesy produkcji wodoru. Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology, 123 (lipiec 2015), 127–141. https://doi.org/10.1007/10
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M. i Forlani, G. (2016). Aminokwasy z rodziny glutaminianów: funkcje wykraczające poza pierwotny metabolizm. Frontiers in Plant Science, 7, 1–3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M. i Kasim, A. (2015). Suplementacja glutaminą i kwasem glutaminowym poprawia wydajność kurczaków brojlerów w gorących i wilgotnych warunkach tropikalnych. Italian Journal of Animal Science, 14 (1), 25–29.
14. Umbarger, H. (1978). Biosynteza aminokwasów i jej regulacja. Ann. Rev. Biochem. 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). Kwas glutaminowy i funkcja mózgu. Advances in Protein Chemistry, 6, 299–341.
16. Yelamanchi, SD, Jayaram, S., Thomas, JK, Gundimeda, S., Khan, AA, Singhal, A.,… Gowda, H. (2015). Mapa szlaków metabolizmu glutaminianu. Journal of Cell Communication and Signaling, 10 (1), 69–75.