GLUTAMINSKA KISELINA: KARAKTERISTIKE, FUNKCIJE, BIOSINTEZA - BIOLOGIJA - 2026

Glutaminske kiseline je jedna od 22 aminokiselina koje čine proteine u svim živim bićima i jedan od najvažnijih u izobilju u prirodi. Budući da ljudsko tijelo ima svojstvene putove za svoju biosintezu, to se ne smatra neophodnim.

Zajedno s asparaginskom kiselinom, glutaminska kiselina spada u skupinu negativno nabijenih polarnih aminokiselina, a prema dva postojeća nomenklatura (od tri ili jedno slovo), označava se kao " Glu " ili " E ".

Struktura aminokiseline glutaminske kiseline (Izvor: Hbf878 putem Wikimedia Commons)

Ovu aminokiselinu otkrio je 1866. njemački kemičar Rittershausen dok je proučavao hidrolizirani pšenični gluten, otuda je i dobio naziv "glutaminska". Nakon otkrića utvrđena je njegova prisutnost u velikom dijelu živih bića, pa se smatra da ima bitne funkcije za život.

L-glutaminska kiselina smatra se jednim od najvažnijih medijatora u prijenosu ekscitacijskih signala u središnjem živčanom sustavu kralježnjaka te je također nužna za normalno funkcioniranje mozga, kao i za kognitivni razvoj, pamćenje i Učenje.

Neki njeni derivati ​​također imaju važne funkcije na industrijskoj razini, posebno u pogledu kulinarskih pripravaka, jer pomažu u poboljšanju okusa hrane.

karakteristike

Iako nije bitna aminokiselina za ljude, glutamat (ionizirani oblik glutaminske kiseline) ima važne prehrambene posljedice na rast životinja te se pretpostavlja da ima mnogo veću hranjivu vrijednost od ostalih nebitnih aminokiselina.

Ova aminokiselina posebno je bogata u mozgu, posebice u unutarćelijskom prostoru (citosol), što omogućava postojanje gradijenta između citosola i izvanćelijskog prostora, koji je ograničen plazma membranom živčanih stanica.

Budući da ima mnogo funkcija u ekscitacijskim sinapsama i da svoje funkcije izvršava djelujući na specifične receptore, njegova se koncentracija održava na kontroliranim razinama, posebno u izvanćelijskom okruženju, jer ti receptori uglavnom "gledaju" van stanica.

Mjesta najveće koncentracije glutamata su živčani terminali, međutim, njegova distribucija uvjetovana je energetskim potrebama stanica u tijelu.

Ovisno o vrsti stanice, kada glutaminska kiselina uđe u stanicu, može se usmjeriti prema mitohondrijima, u energetske svrhe, ili se može preraspodijeliti prema sinaptičkim vezikulama, a oba procesa koriste specifične unutarćelijske transportne sustave.

Struktura

Glutaminska kiselina je, kao i ostale aminokiseline, α-aminokiselina koja ima središnji ugljikov atom (koji je kiralni), α ugljik, na koji su vezane još četiri skupine: karboksilna skupina, amino skupina, a atom vodika i supstituentna skupina (bočni lanac ili R skupina).

R skupina glutaminske kiseline daje molekuli drugu karboksilnu skupinu (-COOH), a njena struktura je -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- u svom ioniziranom obliku), tako da je zbroj atoma ukupni ugljik molekule je pet.

Ta aminokiselina ima relativnu masu od 147 g / mol, a konstanta disocijacije (pKa) njezine R skupine je 4,25. Ima izoelektričnu točku 3,22, a prosječni indeks prisutnosti proteina je oko 7%.

Budući da je pri neutralnom pH (oko 7) glutaminska kiselina jonizirana i ima negativan naboj, svrstava se u skupinu negativno nabijenih polarnih aminokiselina, skupinu u koju je uključena i aspartanska kiselina (aspartat, u ioniziranom obliku)).

Značajke

Glutaminska kiselina ili njezin ionizirani oblik, glutamat, ima višestruke funkcije, ne samo s fiziološkog stajališta, već i s industrijskog, kliničkog i gastronomskog stajališta.

Fiziološke funkcije glutaminske kiseline

Jedna od najpopularnijih fizioloških funkcija glutaminske kiseline u tijelu većine kralježnjaka je njegova uloga ekscitacijskog neurotransmitera u mozgu. Utvrđeno je da više od 80% ekscitacijskih sinapse komunicira pomoću glutamata ili jednog od njegovih derivata.

Među funkcijama sinapsi koje koriste ovu aminokiselinu tijekom signalizacije su prepoznavanje, učenje, pamćenje i druge.

Glutamat je također povezan s razvojem živčanog sustava, pokretanjem i eliminacijom sinapsa te migracijom, diferencijacijom i smrti stanica. Važna je za komunikaciju između perifernih organa poput probavnog trakta, gušterače i kostiju.

Uz to, glutamat ima funkcije kako u procesu sinteze proteina i peptida, tako i u sintezi masnih kiselina, u regulaciji stanične razine dušika i u kontroli anionske i osmotske ravnoteže.

Služi kao prekursor za različite intermedijare ciklusa trikarboksilne kiseline (Krebsov ciklus), a također i za druge neurotransmitere poput GABA (gama aminobuterne kiseline). Zauzvrat, on je prekursor u sintezi drugih aminokiselina, poput L-prolina, L-arginina i L-alanina.

Kliničke primjene

Različiti farmaceutski pristupi uglavnom se oslanjaju na receptore glutaminske kiseline kao terapeutske mete za liječenje psihijatrijskih bolesti i ostalih patologija povezanih sa pamćenjem.

Glutamat se također koristi kao aktivno sredstvo u različitim farmakološkim formulacijama namijenjenim liječenju infarkta miokarda i funkcionalne dispepsije (želučani problemi ili probavne smetnje).

Industrijske primjene glutaminske kiseline

Glutaminska kiselina i njeni derivati ​​imaju različite primjene u različitim industrijama. Na primjer, mononatrijeva sol glutamata koristi se u prehrambenoj industriji kao začin.

Ova aminokiselina je također polazni materijal za sintezu drugih kemikalija, a glutaminska polikiselina je prirodni anionski polimer koji je biorazgradiv, jestiv i netoksičan za ljude ili okoliš.

U prehrambenoj industriji koristi se i kao zgušnjivač i kao sredstvo za ublažavanje gorčine različitih namirnica.

Koristi se i kao krioprotektant, kao "izlječivo" biološko ljepilo, kao nosač lijekova, za dizajn biorazgradivih vlakana i hidrogela koji mogu, između ostalog, apsorbirati velike količine vode.

biosinteza

Sve aminokiseline potječu iz glikolitičkih intermedijara, Krebsovog ciklusa ili pentoznog fosfatnog puta. Glutamat se, posebno, dobiva iz glutamina, α-ketoglutarata i 5-oksoprolina, a sve je dobiveno iz Krebsova ciklusa.

Put biosinteze ove aminokiseline je prilično jednostavan, a njezini koraci nalaze se u gotovo svim živim organizmima.

Metabolizam glutamata i dušika

U metabolizmu dušika, putem glutamata i glutamina, amonijak se ugrađuje u različite biomolekule u tijelu i, putem reakcija transaminacije, glutamat daje amino skupine većine aminokiselina.

Stoga, ovaj put uključuje asimilaciju amonijevih iona molekulama glutamata, što se odvija u dvije reakcije.

Prvi korak u tom putu katalizira enzim poznat kao glutamin sintetaza, koji je prisutan u gotovo svim organizmima i koji sudjeluje u redukciji glutamata i amonijaka da bi se stvorio glutamin.

Umjesto toga, u bakterijama i biljkama glutamat se proizvodi iz glutamina enzimom poznatim kao glutamat sintaza.

U životinja se to stvara transaminacijom α-ketoglutarata, koja se odvija tijekom katabolizma aminokiselina. Njegova glavna funkcija kod sisavaca je pretvaranje toksičnog bez amonijaka u glutamin koji prenosi krv.

U reakciji koju katalizira enzim glutamat sintaza, α-ketoglutarat prolazi kroz proces reduktivne aminacije, gdje glutamin sudjeluje kao donator dušične skupine.

Iako se pojavljuje u znatno manjem obimu, glutamat u životinja također se proizvodi reakcijom u jednom koraku između α-ketoglutarata i amonijaka (NH4), koju katalizira enzim L-glutamat dehidrogenaza, sveprisutna u gotovo svim živući organizmi.

Rečeni enzimi povezani su s mitohondrijskom matricom, a reakcija koju katalizira može se napisati otprilike na sljedeći način, gdje NADPH djeluje na opskrbi smanjenom snagom:

α-ketoglutarat + NH4 + NADPH → L-glutamat + NADP (+) + voda

Metabolizam i razgradnja

Glutaminska kiselina koristi se u tijelima tijela za različite svrhe, a među njima su sinteza proteina, metabolizam energije, fiksacija amonijaka ili neurotransmisija.

Glutamat uzet iz izvanćelijskog medija u nekim vrstama živčanih stanica može se "reciklirati" pretvarajući ga u glutamin koji se oslobađa u izvanstanične tekućine i preuzimaju ga neuroni da bi se transformirali natrag u glutamat, što je poznato i kao glutaminski ciklus. -glutamat.

Nakon gutanja s hranom u prehrani, crijevna apsorpcija glutaminske kiseline obično se završava transformacijom u druge aminokiseline poput alanina, procesa posredovanog stanicama crijevne sluznice, koji ga koriste i kao izvor energije.

Jetra je, s druge strane, odgovorna za pretvaranje u glukozu i laktat, iz kojeg se kemijska energija izvlači uglavnom u obliku ATP-a.

Zabilježeno je postojanje različitih enzima koji metaboliziraju glutamat u različitim organizmima, takav je slučaj glutamat-dehidrogenaze, glutamat-amonijeve lize i glutaminaze, a mnogi od njih upleteni su u Alzheimerovu bolest.

Hrana bogata glutaminskom kiselinom

Glutaminska kiselina prisutna je u većini namirnica koje konzumira čovjek, a neki autori tvrde da je za čovjeka težine 70 kg, dnevni unos glutaminske kiseline dobivene iz prehrane oko 28 g.

Među namirnicama koje su najbogatije ovom aminokiselinom su one životinjskog podrijetla, gdje se ističu meso (goveđe, svinjsko, ovčje itd.), Jaja, mliječni proizvodi i ribe. Hrana na bazi biljaka bogata glutamatom uključuje sjeme, žitarice, šparoge i drugo.

Pored različitih vrsta namirnica koje su prirodno bogate ovom aminokiselinom, njenim derivatom, mononatrijeva sol glutamata koristi se kao aditiv za pojačavanje ili povećanje ukusa mnogih jela i industrijski prerađene hrane.

Prednosti njegovog unosa

Glutamat koji se dodaje u različite kulinarske pripravke pomaže „inducirati“ okus i poboljšati osjet okusa u usnoj šupljini, što očito ima važan fiziološki i prehrambeni značaj.

Klinička ispitivanja pokazala su da unos glutaminske kiseline ima potencijalnu primjenu u liječenju "poremećaja" ili oralnih patologija povezanih s okusom i "hiposalivacijom" (niska proizvodnja sline).

Isto tako, glutaminska kiselina (glutamat) hranjiva je tvar od velikog značaja za održavanje normalne aktivnosti stanica u crijevnoj sluznici.

Dokazano je da opskrba ove aminokiseline štakorima koji su bili podvrgnuti kemoterapijskim tretmanima povećava imunološke karakteristike crijeva, uz održavanje i povećanje aktivnosti i funkcija crijevne sluznice.

U Japanu, s druge strane, medicinska dijeta koja se temelji na hrani bogatoj glutaminskom kiselinom dizajnirana je za pacijente koji se podvrgavaju "perkutanoj endoskopskoj gastronomiji", odnosno moraju se hraniti kroz cijev želuca koja je povezana kroz zid u trbuhu.

Ova se aminokiselina koristi i za izazivanje apetita u starijih bolesnika s kroničnim gastritisom koji su obično nesposobni.

I na kraju, istraživanja vezana za oralnu opskrbu glutaminskom kiselinom i argininom sugeriraju da su oni uključeni u pozitivnu regulaciju gena povezanih s adipogenezom u mišićnom tkivu i lipolizom u masnom tkivu.

Poremećaji nedostatka

Budući da glutaminska kiselina služi kao prekursor u sintezi različitih vrsta molekula poput aminokiselina i drugih neurotransmitera, genetske oštećenja povezana s ekspresijom enzima povezanih s njegovom biosintezom i recikliranjem mogu imati posljedice po zdravlje organizma svake životinje.

Na primjer, enzim glutaminska kiselina dekarboksilaza odgovoran je za pretvorbu glutamata u gama aminobuternu kiselinu (GABA), neurotransmiter neophodan za inhibicijske živčane reakcije.

Stoga je ravnoteža između glutaminske kiseline i GABA-e od najveće važnosti za održavanje kontrole kortikalne ekscitabilnosti, budući da glutamat djeluje uglavnom na pobudnim živčanim sinapsama.

S druge strane, budući da je glutamat uključen u niz moždanih funkcija kao što su učenje i pamćenje, njegov nedostatak mogao bi uzrokovati nedostatke u ovim klasama kognitivnih procesa koji ga zahtijevaju kao neurotransmiter.

Reference

1. Ariyoshi, M., Katane, M., Hamase, K., Miyoshi, Y., Nakane, M., Hoshino, A.,… Matoba, S. (2017). D-glutamat se metabolizira u srčanim mitohondrijama. Znanstvena izvješća, 7. (kolovoz 2016.), 1–9.
2. Barret, G. (1985). Kemija i biokemija aminokiselina. New York: Chapman i Hall.
3. Danbolt, NC (2001). Unos glutamata. Napredak u neurobiologiji, 65, 1–105.
4. Fonnum, F. (1984). Glutamat: neurotransmiter u mozgu sisavaca. Časopis za neurokemiju, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). Međunarodni simpozij o glutamatu. Glutaminska kiselina, dvadeset godina kasnije.
6. Graham, TE, Sgro, V., franjevci, D., i Gibala, MJ (2000). Gutanje glutamata: bazeni aminokiselina bez plazme i mišića ljudi koji se odmaraju. Američki časopis za fiziologiju - endokrinologija i metabolizam, 278, 83–89.
7. Hu, CJ, Jiang, QY, Zhang, T., Yin, YL, Li, FN, Su, JY,… Kong, XF (2017). Dodatak prehrani s argininom i glutaminskom kiselinom pojačava ekspresiju ključnih lipogenih gena u rastućih svinja. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507–5515.
8. Johnson, JL (1972). Glutaminska kiselina kao sinaptički odašiljač u živčanom sustavu. Recenzija. Brain Research, 37, 1-19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D., & Pal, P. (2014). Proizvodnja i pročišćavanje glutaminske kiseline: Kritični pregled prema intenziviranju procesa. Kemijsko inženjerstvo i obrada: Intenzifikacija procesa, 81, 59–71.
10. Mourtzakis, M., i Graham, TE (2002). Gutanje glutamata i njegovi učinci u mirovanju i tijekom vježbanja na ljude. Časopis za primijenjenu fiziologiju, 93 (4), 1251-1259.
11. Neil, E. (2010). Biološki procesi za proizvodnju vodika. Napredak biokemijskog inženjerstva / biotehnologije, 123 (srpanj 2015.), 127–141.
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M., & Forlani, G. (2016). Aminokiseline iz porodice glutamata: funkcioniraju izvan primarnog metabolizma. Granice u biljnoj znanosti, 7, 1–3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M., & Kasim, A. (2015). Dodatak glutamina i glutaminske kiseline poboljšava rad pilića brojlera u vrućim i vlažnim tropskim uvjetima. Talijanski časopis za znanost o životinjama, 14 (1), 25–29.
14. Umbarger, H. (1978). Biosinteza aminokiselina i njena regulacija. Ann. Vlč. Biochem., 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). Glutaminska kiselina i moždana funkcija. Napredci u kemiji proteina, 6, 299–341.
16. Yelamanchi, SD, Jayaram, S., Thomas, JK, Gundimeda, S., Khan, AA, Singhal, A.,… Gowda, H. (2015). Karta puta metabolizma glutamata. Časopis za staničnu komunikaciju i signalizaciju, 10 (1), 69–75.