Введение
Аминокислота и нейротрансмиттер, анион в его роли нейротрансмиттера.
the anion in its role as a neurotransmitter
Glutamic acid (symbol Glu or E; the anionic form is known as glutamate) is an α amino acid that is used by almost all living beings in the biosynthesis of proteins. It is a non essential nutrient for humans, meaning that the human body can synthesize enough for its use. It is also the most abundant excitatory neurotransmitter in the vertebrate nervous system. It serves as the precursor for the synthesis of the inhibitory gamma aminobutyric acid (GABA) in GABAergic neurons. Its molecular formula is Glutamic acid exists in two optically isomeric forms; the dextrorotatory form is usually obtained by hydrolysis of gluten or from the waste waters of beet sugar manufacture or by fermentation. Its molecular structure could be idealized as HOOC−CH −(CH2)2−COOH, with two carboxyl groups −COOH and one amino group −. However, in the solid state and mildly acidic water solutions, the molecule assumes an electrically neutral zwitterion structure −OOC−CH −(CH2)2−COOH. It is encoded by the codons GAA or GAG. The acid can lose one proton from its second carboxyl group to form the conjugate base, the singly negative anion glutamate −OOC−CH −(CH2)2−COO−. This form of the compound is prevalent in neutral solutions. The glutamate neurotransmitter plays the principal role in neural activation. This anion creates the savory umami flavor of foods and is found in glutamate flavorings such as MSG. In Europe, it is classified as food additive E620. In highly alkaline solutions the doubly negative anion −OOC−CH(NH2)−(CH2)2−COO− prevails. The radical corresponding to glutamate is called glutamyl. The one letter symbol E for glutamate was assigned in alphabetical sequence to D for aspartate, being larger by one methylene –CH2– group.
Глютаминовая кислота (символ Glu или E; анионная форма известна как глутамат) является α-аминокислотой, используемой почти всеми живыми организмами в биосинтезе белков. Она является незаменимой питательной субстанцией для человека, то есть человеческий организм способен синтезировать её в достаточном количестве для своих нужд. Она также является наиболее распространенным возбуждающим нейротрансмиттером в нервной системе позвоночных. Она служит предшественником для синтеза ингибирующей гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) в ГАМК-ергических нейронах. Её молекулярная формула – глутаминовая кислота существует в двух оптически изомерных формах; декстроротаторная форма обычно получается гидролизом глютена, из сточных вод производства сахарной свеклы или путем ферментации. Её молекулярную структуру можно представить как HOOC−CH −(CH2)2−COOH, с двумя карбоксильными группами −COOH и одной аминогруппой −. Однако в твердом состоянии и в слабокислых водных растворах молекула принимает электрически нейтральную цвиттерионную структуру −OOC−CH −(CH2)2−COOH. Она кодируется кодонами GAA или GAG. Кислота может терять один протон из своей второй карбоксильной группы, образуя сопряженное основание – одинарно отрицательный анион глутамата −OOC−CH −(CH2)2−COO−. Эта форма соединения преобладает в нейтральных растворах. Глутаматный нейротрансмиттер играет ключевую роль в нейронной активации. Этот анион создает пикантный вкус умами в продуктах питания и содержится в глутаматных ароматизаторах, таких как МСГ. В Европе он классифицируется как пищевая добавка E620. В сильнощелочных растворах преобладает двойной отрицательный анион −OOC−CH(NH2)−(CH2)2−COO−. Радикал, соответствующий глутамату, называется глутамилом. Однобуквенный символ E для глутамата был присвоен в алфавитном порядке после D для аспартата, поскольку он больше на одну метиленовую группу –CH2–.
the anion in its role as a neurotransmitter
Glutamic acid (symbol Glu or E; the anionic form is known as glutamate) is an α amino acid that is used by almost all living beings in the biosynthesis of proteins. It is a non essential nutrient for humans, meaning that the human body can synthesize enough for its use. It is also the most abundant excitatory neurotransmitter in the vertebrate nervous system. It serves as the precursor for the synthesis of the inhibitory gamma aminobutyric acid (GABA) in GABAergic neurons. Its molecular formula is Glutamic acid exists in two optically isomeric forms; the dextrorotatory form is usually obtained by hydrolysis of gluten or from the waste waters of beet sugar manufacture or by fermentation. Its molecular structure could be idealized as HOOC−CH −(CH2)2−COOH, with two carboxyl groups −COOH and one amino group −. However, in the solid state and mildly acidic water solutions, the molecule assumes an electrically neutral zwitterion structure −OOC−CH −(CH2)2−COOH. It is encoded by the codons GAA or GAG. The acid can lose one proton from its second carboxyl group to form the conjugate base, the singly negative anion glutamate −OOC−CH −(CH2)2−COO−. This form of the compound is prevalent in neutral solutions. The glutamate neurotransmitter plays the principal role in neural activation. This anion creates the savory umami flavor of foods and is found in glutamate flavorings such as MSG. In Europe, it is classified as food additive E620. In highly alkaline solutions the doubly negative anion −OOC−CH(NH2)−(CH2)2−COO− prevails. The radical corresponding to glutamate is called glutamyl. The one letter symbol E for glutamate was assigned in alphabetical sequence to D for aspartate, being larger by one methylene –CH2– group.
Ионизация
Когда глутаминовая кислота растворяется в воде, аминогруппа (−NH2) может присоединить протон, и/или карбоксильные группы могут отдать протоны, в зависимости от кислотности среды. В достаточно кислой среде обе карбоксильные группы протонированы, и молекула становится катионом с одним положительным зарядом, HOOC−CH −(CH2)2−COOH. При значениях pH от приблизительно 2,5 до 4,1 изменение состояния протонирования происходит постепенно; обе формы находятся в равных концентрациях при pH 2,10.
Оптический изомеризм
Глютаминовая кислота является хиральной; существуют два энантиомера, являющиеся зеркальными отражениями друг друга: (−) и (+). L-форма более широко распространена в природе, но D-форма встречается в некоторых особых случаях, таких как бактериальная капсула и клеточные стенки бактерий (которые производят её из L-формы с помощью фермента глутамат-рацемазы) и печень млекопитающих.
История
Хотя глутаминовая кислота и другие аминокислоты содержатся во многих продуктах питания в естественном виде, их вклад во вкус был научно установлен лишь в начале XX века. Это вещество было открыто и идентифицировано в 1866 году немецким химиком Карлом Генрихом Риттхаузеном, который обработал пшеничный глютен (в честь которого оно и было названо) серной кислотой. В 1908 году японский исследователь Кикунаэ Икеда из Токийского императорского университета определил, что коричневые кристаллы, оставшиеся после выпаривания большого количества бульона комбу, являются глутаминовой кислотой. При дегустации эти кристаллы воспроизводили неуловимый, но неоспоримый вкус, который он ощущал во многих продуктах, особенно в морских водорослях. Профессор Икеда назвал этот вкус «умами». Затем он запатентовал способ массового производства кристаллической соли глутаминовой кислоты – глутамата натрия.
Промышленный синтез
Глютаминовая кислота производится в наибольших объемах среди всех аминокислот, при этом, по оценкам, годовое производство в 2006 году составило около 1,5 миллиона тонн. Химический синтез был заменен аэробным брожением сахаров и аммиака в 1950-х годах, при этом Corynebacterium glutamicum (также известный как Brevibacterium flavum) является наиболее широко используемым микроорганизмом для производства. Выделение и очистка могут быть осуществлены путем концентрирования и кристаллизации; она также широко доступна в виде гидрохлорида.
Нейротрансмиттер
Глютамат является наиболее распространенным возбуждающим нейротрансмиттером в нервной системе позвоночных. В химических синапсах глутамат хранится в везикулах. Нервные импульсы запускают высвобождение глутамата из пресинаптической клетки. Глютамат воздействует на ионотропные и метаботропные (связанные с G-белком) рецепторы. Форма пластичности, известная как долговременная потенциация, происходит в глутаматергических синапсах гиппокампа, неокортекса и других областей мозга. Глютамат действует не только как точечный передатчик, но и посредством перетекания и синаптического взаимодействия между синапсами, при котором суммация глутамата, высвобождаемого из соседнего синапса, создает экстрасинаптическую сигнализацию/передачу по объему. Кроме того, глутамат играет важную роль в регуляции ростовых конусов и синаптогенеза в процессе развития мозга, как впервые было описано Марком Мэтсоном.
Несинаптические глутаматергические сигнальные схемы мозга
Было обнаружено, что внеклеточный глутамат в мозге дрозофилы регулирует постсинаптическое кластерирование глутаматных рецепторов через процесс, включающий десенсибилизацию рецепторов. Ген, экспрессируемый в глиальных клетках, активно транспортирует глутамат во внеклеточное пространство. Это позволяет предположить, что этот внеклеточный глутамат выполняет "эндокринноподобную" роль как часть более широкой гомеостатической системы.
Прекурсор ГАМК
Глютамат также является предшественником для синтеза ингибирующей гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) в ГАМК-ергических нейронах. Эта реакция катализируется глутаматдекарбоксилазой (GAD). ГАМК-ергические нейроны идентифицируются (в исследовательских целях) путем выявления их активности (методами авторадиографии и иммуногистохимии), которая наиболее выражена в мозжечке и поджелудочной железе. Синдром "человека-статуи" – это неврологическое расстройство, вызванное анти-GAD антителами, приводящее к снижению синтеза ГАМК и, как следствие, к нарушению двигательных функций, таких как мышечная ригидность и спазмы. Поскольку поджелудочная железа содержит большое количество GAD, в ней происходит прямое иммунологическое разрушение, что приводит к развитию сахарного диабета у пациентов.
Усилитель вкуса
Глютаминовая кислота, будучи компонентом белка, содержится в продуктах, богатых белком, однако ощущается как вкус только в свободной форме. Значительное количество свободной глутаминовой кислоты присутствует в самых разнообразных продуктах питания, включая сыры и соевый соус, и именно глутаминовая кислота отвечает за умами – один из пяти основных вкусов, воспринимаемых человеком. Глютаминовая кислота часто используется в качестве пищевой добавки и усилителя вкуса в форме ее натриевой соли, известной как глутамат натрия (МСГ).
Питательные вещества
Все виды мяса, птицы, рыбы, яиц, молочных продуктов и комбу – отличные источники глутаминовой кислоты. Некоторые богатые белком растительные продукты также являются источниками. 30–35% глютена (значительная часть белка пшеницы) составляет глутаминовая кислота. Девяносто пять процентов потребляемого с пищей глутамата метаболизируется клетками кишечника при первичном прохождении.
Рост растений
Auxigro — это препарат для роста растений, содержащий 30% глутаминовой кислоты.
Спектроскопия МРТ
В последние годы было проведено множество исследований, посвященных использованию остаточной диполярной связи (RDC) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Производное глутаминовой кислоты, поли-γ-бензил-L-глутамат (PBLG), часто используется в качестве ориентирующей среды для контроля величины наблюдаемых диполярных взаимодействий.
Фармакология
Фенциклидин (более известный как PCP или "ангельская пыль") неконкурентно антагонизирует глутаминовую кислоту на NMDA-рецепторе. По тем же причинам декстрометорфан и кетамин также обладают выраженными диссоциативными и галлюциногенными эффектами. Острая инфузия препарата эглуметада (также известного как эглумегат или LY354740), агониста метаботропных глутаматных рецепторов 2 и 3, привела к значительному снижению стрессовой реакции, вызванной йохимбином, у макак-капотов (Macaca radiata); хроническое пероральное введение эглуметада этим животным привело к значительному снижению базового уровня кортизола (приблизительно на 50 процентов) по сравнению с нелечеными контрольными субъектами. Также было показано, что эглуметат воздействует на метаботропный глутаматный рецептор 3 (GRM3) человеческих адренокортикальных клеток, снижая экспрессию альдостеронсинтазы, CYP11B1 и продукцию стероидов надпочечниками (то есть альдостерона и кортизола). Глутамат не легко проникает через гематоэнцефалический барьер, но транспортируется высокоаффинной транспортной системой. Он также может превращаться в глутамин. Токсичность глутамата может быть уменьшена антиоксидантами, а психоактивное вещество каннабиса, тетрагидроканнабинол (ТГК), и непсихоактивное вещество каннабидиол (КБД), а также другие каннабиноиды, блокируют нейротоксичность глутамата с сопоставимой эффективностью и, следовательно, являются мощными антиоксидантами.