Глутаминовая кислота

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Глутаминовая кислота
Glutaminsäure - Glutamic acid.svg
Глутаминовая кислота
Глутаминовая кислота
Общие
Систематическое
наименование
2-Аминопентадиовая кислота
Сокращения Глу, Glu, E
GAA,GAG
Традиционные названия Аминоглутаровая кислота, глутаминовая кислота, глутамат
Хим. формула C5H9NO4
Рац. формула C 40,82 %, H 6,17 %, N 9,52 %, O 43,5 %
Физические свойства
Состояние белый кристаллический порошок
Молярная масса 147,1293 ± 0,006 г/моль
Плотность 1,4601
1,538 (25° С)
Термические свойства
Т. плав. 160 °C
Т. кип. 205 °C
Т. разл. свыше 205 °C
Химические свойства
pKa 2,16, 4,15, 9,58
Растворимость в воде 8,64 г/100 мл
Изоэлектрическая точка 3,22
Классификация
Рег. номер CAS 56-86-0
PubChem 611
Рег. номер EINECS 200-293-7
SMILES
ChemSpider 591
Безопасность
ЛД50 12961 (мыши, перорально)
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Глутаминовая кислота (2-аминопентандиовая кислота) — алифатическая аминокислота. В живых организмах глутаминовая кислота в виде аниона глутамата присутствуют в составе белков, ряда низкомолекулярных веществ и в свободном виде. Глутаминовая кислота играет важную роль в азотистом обмене.

Глутаминовая кислота также является нейромедиаторной аминокислотой, одним из важных представителей класса «возбуждающих аминокислот»[1]. Связывание глутамата со специфическими рецепторами нейронов приводит к возбуждению последних.

Глутаминовая кислота относится к группе заменимых аминокислот и играет важную роль в организме. Ее содержание в организме составляет до 25% от всех аминокислот.

Глутамат как нейромедиатор[править | править вики-текст]

Глутамат — наиболее распространенный возбуждающий нейротрансмиттер в нервной системе позвоночных[2]. В химических синапсах глутамат запасается в пресинаптических пузырьках (везикулах). Нервный импульс запускает высвобождение глутамата из пресинаптического нейрона. На постсинаптическом нейроне глутамат связывается с постсинаптическими рецепторами, такими, как, например, NMDA-рецепторы, и активирует их. Благодаря участию последних в синаптической пластичности, глутамат вовлечен в такие когнитивные функции, как обучение и память[3]. Одна из форм синаптической пластичности, называемая долговременной потенциацией, имеет место в глутаматергических синапсах гиппокампа, неокортекса и в других частях головного мозга. Глутамат участвует не только в классическом проведении нервного импульса от нейрона к нейрону, но и в объемной нейротрансмиссии, когда сигнал передается в соседние синапсы путем суммации глутамата, высвобожденного в соседних синапсах (так называемоая экстрасинаптическая или объемная нейротрансмиссия)[4]}} В дополнение к этому, глутамат играет важную роль в регуляции конусов роста и синаптогенеза в процессе развития головного мозга, как это было описано Марком Мэтсоном.

Транспортёры[5] глутамата обнаружены на нейрональных мембранах и мембранах нейроглии. Они быстро удаляют глутамат из внеклеточного пространства. При повреждении мозга или заболеваниях они могут работать в противоположном направлении вследствие чего глутамат может накапливаться снаружи клетки. Этот процесс приводит к поступлению большого количества ионов кальция в клетку через каналы NMDA-рецепторов, что в свою очередь вызывает повреждение и даже гибель клетки — что получило название эксайтотоксичности. Механизмы клеточной смерти при этом включают:

  • повреждение митохондрий избыточно высоким внутриклеточным кальцием,
  • Glu/Ca2±опосредованной промоцией факторов транскрипции проапоптотических генов или снижением транскрипции анти-апоптотических генов.

Эксайтотоксичность, обусловленная повышенным высвобождением глутамата или его сниженным обратным захватом, возникает при ишемическом каскаде и ассоциирована с инсультом, а также наблюдается при таких заболеваниях, как боковой амиотрофический склероз, латиризм, аутизм, некоторые формы умственной отсталости, болезнь Альцгеймера[6].[7] В противоположность этому, снижение высвобождения глутамата наблюдается при классической фенилкетонурии, приводящей к нарушению экспрессии глутаматных рецепторов[8] Глутаминовая кислота участвует в реализации эпилептического припадка. Микроинъекция глутаминовой кислоты в нейроны вызывает спонтанную деполяризацию и этот паттерн напомиает пароксизмальную деполяризацию во время судорог. Эти изменения в эпилептическом очаге приводят к открытию вольтаж-зависимых кальциевых каналов, что снова стимулирует выброс глутамата и дальнейшую деполяризацию. Роли глутаматной системы в настоящее время отводится большое место в патогенезе таких психических расстройств как шизофрения и депрессия. Одной из наиболее активно изучаемых теорий этиопатогенеза шизофрении в настоящее время является гипотеза NMDA-рецепторной гипофункции: при применении антагонистов NMDA-рецепторов, таких, как фенциклиин, у здоровых добровольцев в эксперименте появляются симптомы шизофрении. В связи с этим предполагается, что гипофункция NMDA-рецепторов является одной из причин нарушений в дофаминергической передаче у больных шизофренией. Были также получены данные о том, что поражение NMDA-рецепторов иммунно-воспалительным механизмом («антиNMDA-рецепторный энцефалит») имеет клинику острой шизофрении. В этиопатогенезе эндогенной депрессии, считается, играет роль избыточная глутаматергическая нейротрансмиссия, подтверждением чему является эффективность диссоциативного анестетика кетамина при однократном применении при резистентной к лечению депрессии в эксперименте.

Роль глутаминовой кислоты переоценить трудно, она: Участвует в синтезе гистамина, серотонина и ряда других биологически активных веществ; Обезвреживает вредный продукт распада – аммиак; Является медиатором; Входит в цикл превращений углеводов и нуклеиновых кислот; Из нее синтезируется фолиевая кислота; Участвует в обмене энергии с образованием АФТ в головном мозге. В организме глутаминовая кислота входит в состав белков, она присутствует в плазме крови в свободном виде, а также как составная часть ряда низкомолекулярных веществ. Тело человека содержит запас глутаминовой кислоты, в случае ее недостаточности она прежде всего поступает туда, где необходима больше всего. Важную роль глутаминовая кислота играет в передаче нервных импульсов. Связывание ее с определенными рецепторами нервных клеток приводит к возбуждению нейронов и ускорению передачи импульсов. Таким образом, глутаминовая кислота выполняет нейромедиаторные функции. При избытке этой аминокислоты в синапсе возможно перевозбуждение нервных клеток и даже их повреждение, что ведет к заболеваниям нервной системы. В этом случае защитную функцию берут на себя глиальные клетки, которые окружают и защищают нейроны. Клетки нейроглии поглощают и обезвреживают избыток глутаминовой кислоты в головном мозге и периферических нервах. Глутаминовая аминокислота увеличивает чувствительность мышечных волокон к калию путем увеличения проницаемости клеточных мембран для него. Этот микроэлемент играет важную роль в сокращении мышц, увеличивая силу мышечного сокращения.

Глутаминовая кислота – довольно распространенный компонент спортивного питания. Это заменимая аминокислота для организма человека, причем превращения других аминокислот происходят именно через глутаминовую аминокислоту, которая играет интегрирующую роль в обмене азотистых веществ. Если в организме не хватает какой-то аминокислоты, возможна компенсация ее содержания путем превращения из тех аминокислот, которые содержатся в избытке. В том случае, если физическая нагрузка на организм очень высока, а поступление белка с пищей ограничено или не соответствует потребностям организма, происходит феномен азотистого перераспределения. В этом случае белки, входящие в структуру внутренних органов, идут на построение волокон скелетных и сердечных мышц. Поэтому в спорте глутаминовая кислота играет незаменимую роль, ведь она является промежуточным этапом в превращениях тех аминокислот, которых не хватает организму.Превращение глутаминовой кислоты в глутамин с целью нейтрализации аммиака – одна из главных ее функций. Аммиак весьма токсичен, но это неизменный продукт обмена веществ – на его долю приходится до 80% всех азотистых соединений. Чем больше нагрузка на организм, тем больше образуется токсичных продуктов азотистого распада. В спорте глутаминовая кислота берет на себя снижение уровня аммиака, связывая его в нетоксичный глутамин. Кроме того, по отзывам, глутаминовая кислота быстро восстанавливает состояние спортсменов после соревнований, так как связывает избыток лактата, который отвечает за чувство мышечной боли.У спортсменов при недостатке уровня глюкозы в момент интенсивной физической нагрузки глутаминовая кислота превращается в источник энергии – глюкозу. По отзывам, глутаминовая кислота хорошо переносится, не имеет побочных эффектов и совершенно безвредна для организма. Проведенные исследования показали, что 100 г белковой пищи содержат 25 г глутаминовой кислоты. Эта аминокислота – естественный компонент животной пищи, а отрицательные отзывы о глутаминовой кислоте несколько преувеличены.



Глутаматные рецепторы[править | править вики-текст]

Существуют ионотропные и метаботропные (mGLuR 1-8) глутаматные рецепторы.

Ионотропными рецепторами являются NMDA-рецепторы, AMPA-рецепторы и каинатные рецепторы.

Эндогенные лиганды глутаматных рецепторов — глутаминовая кислота и аспарагиновая кислота. Для активации NMDA рецепторов также необходим глицин. Блокаторами NMDA-рецепторов являются PCP, кетамин, и другие вещества. AMPA-рецепторы также блокируются CNQX,NBQX. Каиновая кислота является активатором каинатных рецепторов.

«Круговорот» глутамата[править | править вики-текст]

При наличии глюкозы в митохондриях нервных окончаний происходит дезаминирование глутамина до глутамата при помощи фермента глутаминазы. Также, при аэробном окислении глюкозы глутамат обратимо синтезируется из альфа-кетоглутарата (образуется в цикле Кребса) при помощи аминотрансферазы.

Синтезированный нейроном глутамат закачивается в везикулы. Этот процесс является протон-сопряжённым транспортом. В везикулу с помощью протон-зависимой АТФазы закачиваются ионы H+. При выходе протонов по градиенту в везикулу поступают молекулы глутамата при помощи везикулярного транспортера глутамата (VGLUTs).

Глутамат выводится в синаптическую щель, откуда поступает в астроциты, там трансаминируется до глутамина. Глутамин выводится снова в синаптическую щель и только тогда захватывается нейроном. По некоторым данным, глутамат напрямую путём обратного захвата не возвращается.[9]

Роль глутамата в кислотно-щелочном балансе[править | править вики-текст]

Дезаминирование глутамина до глутамата при помощи фермента глутаминазы приводит к образованию аммиака, который, в свою очередь, связывается со свободным протоном и экскретируется в просвет почечного канальца, приводя к снижению ацидоза. Превращение глутамата в α-кетоглутарат также происходит с образованием аммиака. Далее кетоглутарат распадается на воду и углекислый газ. Последние, при помощи карбоангидразы через угольную кислоту, превращаются в свободный протон и гидрокарбонат. Протон экскретируется в просвет почечного канальца за счет котранспорта с ионом натрия, а бикарбонат попадает в плазму.

Глутаматергическая система[править | править вики-текст]

В ЦНС находится порядка 106 глутаматергических нейронов. Тела нейронов лежат в коре головного мозга, обонятельной луковице, гиппокампе, чёрной субстанции, мозжечке. В спинном мозге — в первичных афферентах дорзальных корешков.

В ГАМКергических нейронах глутамат является предшественником тормозного медиатора, гамма-аминомасляной кислоты, образующейся с помощью фермента глутаматдекарбоксилазы.

Патологии, связанные с глутаматом[править | править вики-текст]

Повышенное содержание глутамата в синапсах между нейронами может перевозбудить и даже убить эти клетки, что приводит к таким заболеваниям, как АЛС. Для избежания таких последствий глиальные клетки астроциты поглощают избыток глутамината. Он транспортируется в эти клетки с помощью транспортного белка GLT1, который присутствует в клеточной мембране астроцитов. Будучи поглощённым клетками астроглии, глутаминат больше не приводит к повреждению нейронов.

Содержание глутамата в природе[править | править вики-текст]

Глутаминовая кислота относится к условно незаменимым аминокислотам. Глутамат в норме синтезируется организмом. Присутствие в пище свободного глутамата придает ей так называемый «мясной» вкус, для чего глутамат используют как усилитель вкуса. При этом метаболизм природного глутамата и глутамата натрия синтетического не отличается.

Содержание натурального глутамата в пище (имеется в виду пища, не содержащая искусственно добавленного глутамата натрия):

Продукт Связанный глутамат

(мг/100 г)

Свободный глутамат[10]

(мг/100 г)

Молоко коровье 819 2
Сыр пармезан 9847 1200
Яйца птицы 1583 23
Мясо цыпленка 3309 44
Мясо утки 3636 69
Говядина 2846 33
Свинина 2325 23
Треска 2101 9
Макрель 2382 36
Форель 2216 20
Зеленый горошек 5583 200
Кукуруза 1765 130
Свекла 256 30
Морковь 218 33
Лук 208 18
Шпинат 289 39
Томаты 238 140
Зеленый перец 120 32

То есть полностью исключить из рациона глутамат, как предлагают некоторые издания, достаточно проблематично.

В промышленных масштабах глутаминовую кислоту получают путем микробиологического синтеза. В химически чистом виде она имеет вид белых или бесцветных кристаллов без запаха, имеющих кислый вкус, в воде кристаллы растворяются плохо. Для лучшей растворимости глутаминовую кислоту превращают в соль натрия – глутамат.

Применение[править | править вики-текст]

Фармакологический препарат глутаминовой кислоты оказывает умеренное психостимулирующее, возбуждающее и отчасти ноотропное действие.[уточнить]

Глутаминовая кислота (пищевая добавка E620) и её соли (глутамат натрия Е621, глутамат калия Е622, диглутамат кальция Е623, глутамат аммония Е624, глутамат магния Е625) используются как усилитель вкуса во многих пищевых продуктах[11].

В пищевой промышленности глутаминовая кислота известна как пищевая добавка под названием Е620. Ее используют в качестве усилителя вкуса в ряде продуктов наряду с солями глутаминовой кислоты – глутаматами.Глутаминовую кислоту добавляют в полуфабрикаты, различные продукты быстрого приготовления, кулинарные изделия, концентраты бульонов. Она придает пище приятный мясной вкус. В медицине применение глутаминовой кислоты оказывает незначительное психостимулирующее, возбуждающее и ноотропное действие, что используют в лечении ряда заболеваний нервной системы. В середине 20 века врачи рекомендовали применение глутаминовой кислоты внутрь в случае мышечно-дистрофических заболеваний. Также ее назначали спортсменам с целью увеличения мышечной массы.

Глутаминовая кислота используется в качестве хирального строительного блока в органическом синтезе[12], в частности, дегидратация глутаминовой кислоты приводит к её лактаму ― пироглутаминовой кислоте (5-оксопролину), которая является ключевым предшественником в синтезах неприродных аминокислот, гетероциклических соединений, биологически активных соединений и т. д.[13],[14],[15].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Moloney M. G. Excitatory amino acids. // Natural Product Reports. 2002. P. 597―616.
  2. Meldrum, B. S. (2000). «Glutamate as a neurotransmitter in the brain: Review of physiology and pathology». The Journal of nutrition 130 (4S Suppl): 1007S-1015S.
  3. McEntee, W. J.; Crook, T. H. (1993). «Glutamate: Its role in learning, memory, and the aging brain». Psychopharmacology 111 (4): 391—401. DOI:10.1007/BF02253527 PMID 7870979
  4. Okubo, Y.; Sekiya, H.; Namiki, S.; Sakamoto, H.; Iinuma, S.; Yamasaki, M.; Watanabe, M.; Hirose, K.; Iino, M. (2010). «Imaging extrasynaptic glutamate dynamics in the brain». Proceedings of the National Academy of Sciences 107 (14): 6526. {{DOI|10.1073/pnas.0913154107.
  5. Shigeri, Y.; Seal, R. P.; Shimamoto, K. (2004). «Molecular pharmacology of glutamate transporters, EAATs and VGLUTs». Brain Research Reviews 45 (3): 250—265. DOI:10.1016/j.brainresrev.2004.04.004 PMID 15210307
  6. Robert Sapolsky (2005). «Biology and Human Behavior: The Neurological Origins of Individuality, 2nd edition». The Teaching Company. «see pages 19 and 20 of Guide Book»
  7. Hynd, M.; Scott, H. L.; Dodd, P. R. (2004). «Glutamate-mediated excitotoxicity and neurodegeneration in Alzheimer?s disease». Neurochemistry International 45 (5): 583—595. DOI:10.1016/j.neuint.2004.03.007 PMID 15234100
  8. Glushakov, AV; Glushakova, O; Varshney, M; Bajpai, LK; Sumners, C; Laipis, PJ; Embury, JE; Baker, SP; Otero, DH; Dennis, DM; Seubert, CN; Martynyuk, AE (2005 Feb). «Long-term changes in glutamatergic synaptic transmission in phenylketonuria». Brain : a journal of neurology 128 (Pt 2): 300-7. DOI:10.1093/brain/awh354 PMID 15634735
  9. Ашмарин И. П., Ещенко Н. Д., Каразеева Е. П. Нейрохимия в таблицах и схемах. — М.: «Экзамен», 2007
  10. If MSG is so bad for you, why doesn’t everyone in Asia have a headache? | Life and style | The Observer
  11. Садовникова М. С., Беликов В. М. Пути применения аминокислот в промышленности. //Успехи химии. 1978. Т. 47. Вып. 2. С. 357―383.
  12. Coppola G. M., Schuster H. F., Asymmetric synthesis. Construction of chiral moleculs using amino acids, A Wiley-Interscience Publication, New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, 1987.
  13. Smith M. B. Pyroglutamte as a Chiral Template for the Synthesis of Alkaloids. Chapter 4 in Alkaloids: Chemical and Biological Perspectives. Vol. 12. Ed. by Pelletier S. W. Elsevier, 1998. P. 229―287.
  14. Nájera C., Yus M. Pyroglutamic acid: a versatile building block in asymmetric synthesis. //Tetrahedron: Asymmetry. 1999. V. 10. P. 2245―2303.
  15. Panday S. K., Prasad J., Dikshit D. K. Pyroglutamic acid: a unique chiral synthon. // Tetrahedron: Asymmetry. 2009. V. 20. P. 1581―1632.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]