Глутаминовая кислота

Введение

Глутаминовая кислота, что это?

Глутаминовая кислота (2-аминопентандиовая кислота, альфа-аминоглутаровая кислота) ациклическая, моноаминодикарбоновая аминокислота (Рис.1).

Глутаминовая, глютаминовая, или a-аминоглутаровая кислота, присутствует в организме человека как в свободной форме, так и в составе различных низкомолекулярных веществ и белков, в виде аниона глутамата.

 

                                          Рис.1 Формула глутаминовой кислоты.

 

Глутаминовая кислота также является нейромедиаторной аминокислотой, одним из важных представителей класса «возбуждающих аминокислот». Эта аминокислота играет важную роль в углеводном обмене и способствует проникновению кальция через гематоэнцефалический барьер. Глутаминовая кислота может использоваться клетками головного мозга в качестве источника энергии. Она также обезвреживает аммиак, отнимая атомы азота в процессе образования другой аминокислоты — глутамина. Этот процесс — единственный способ обезвреживания аммиака в головном мозге.

Глутамин также поддерживает нормальное кислотно-щелочное равновесие в организме и здоровое состояние желудочно-кишечного тракта, необходим для синтеза ДНК и РНК.

 

 

                             

Глутаминовая кислота как заменимая аминокислота.

Глутаминовая кислота относится к условно незаменимым аминокислотам (эти аминокислоты не являются обязательными, за исключением во время болезни и стресса). Глутамат в норме синтезируется организмом. Синтез происходит преимуществено в печени, почках, мозге и легкх. Для синтеза глутаминовой кислоты необходимо две незаменимые аминокислоты: валин и изолейцин (Рис.2 и 3).

           Рис.2 Валин 

                                                                                   Рис.3 Изолейцин

 

Помимо того, что  глутамат синтезируется в организме, он так же может попадать в наш организм вместе с пищей.

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.

Будучи заменимой  пищевой аминокислотой, она широко распространена в самых разных белках, и ее суточное потребление составляет                           не менее 5—10 г. Однако глутаминовая кислота пищевого происхождения в норме очень плохо проникает через гематоэнцефалический барьер, что предохраняет нас от серьезных сбоев в деятельности мозга.

 

В данной таблице приводится содержание натурального глутамата в пище (имеется в виду пища, не содержащая искусственно добавленного глутамата натрия):

Продукт	Связанный глутамат (мг/100 г)	Свободный глутамат[3] (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

 

Как показывают научные исследования,  что полностью исключить из рациона глутамат, достаточно проблематично.

 

 

Как уже было сказано, что  глутаминовая кислота относится к заменимым аминокислотам в организме человека, но она является жизненно необходимой кислотой, играющей важнейшую роль в процессах обмена веществ человеческого организма и животных.

Ÿ Она участвует в процессе обмена веществ в реакции переаминирования, служит в организме переносчиком аминогрупп;

Ÿ Играет важную роль в удалении из организма аммиака;

Ÿ Принимает участие в биохимических превращениях центральной нервной системы.

Ÿ В большом количестве входит в состав белого и серого вещества мозга и является единственной кислотой, интенсивно потребляемой нервными клетками при окислительных процессах в головном мозгу.

 Поэтому она применяется  в качестве медицинского препарата  в тяжелых случаях истощения  нервной системы, при усталости  и потере памяти, аммиачном отравлении  организма; ее применяют также  при детских нервных заболеваниях, эпилепсии, шизофрении и других  душевных заболеваниях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опорная схема  обмена глутаминовой кислоты (глутамата)

Глутаминовая кислота, являющаяся гликогенной, и как я уже сказал заменимой аминокислотой для человека и животных, также включается в синтез ряда специфических метаболитов, в частности глутатиона,  глутамина и гамма-аминомасляная кислоты (рис.4).

 

                         

                          Рис.4 Опорная схема обмена глутаминовой кислоты

Глутаминовая кислота занимает важное место в промежуточном обмене нескольких аминокислот. К ним относятся глутамин, пролин, аргинин гистидин (Рис.5)

 

                                                                     Рис.5

 

 

В качестве примера, я возьму, реакцию превращения глутамина в глутаминовую кислоту катализируется глутаминазой (Рис.6). Учитывая, что глутамин - главная транспортная форма аммиака глутаминаза  играет важную роль в органах, активно использующих аммиак и прежде всего в печени и почках.

 

                 Рис.6 Реакция превращения глутамина в глутаминовую кислоту

 

Теперь перейдем непосредственно  к реакциям, к основным превращениям глутамата в те или иные продукты.

 

Синтез глутамина

Образование глутамина  - реакция обеспечивающая ассимиляцию аммиака клеткой. Реакция использует АТФ для образования амидной связи (рис.7). Глутаминсинтетаза, катализирующая эту реакцию представляет аллостерический фермент, с большим числом регуляторов. Глутамин –это главная транспортная форма аммиака в крови и донор аминогруппы в синтезе многих азотсодержащих соединений.

                                                       Рис.7 Синтез глутамина

 

Реакции декарбоксилирования

Процесс отщепления карбоксильной  группы аминокислот в виде CO₂ получил название декарбоксилирования. Образующиеся продукты реакции –биогенные амины- оказывают сильное фармакологическое действие на множество физиологических функций человека и животных.

В клинической практике широко используется продукт α-декарбоксилирования глутаминовой кислоты – γ-аминомасляная кислота (ГАМК). Фермент, катализирующий эту реакцию (глутаматдекарбоксилаза), является высокоспецифичным. Кофактором фермента является пиридоксальфосфат (Рис.8) . 
 
 
                                 Рис.8 Декарбоксилирование глутаминовой кислоты

 

Интерес к ГАМК объясняется  ее тормозящим действием на деятельность ЦНС. Больше всего ГАМК и глутаматдекарбоксилазы обнаружено в сером веществе коры большого мозга, в то время как белое вещество мозга и периферическая нервная система их почти не содержат. Введение ГАМК в организм вызывает разлитой тормозной процесс в коре (центральное торможение) и у животных приводит к утрате условных рефлексов. ГАМК используется в клинике как лекарственное средство при некоторых заболеваниях ЦНС, связанных с резким возбуждением коры большого мозга. Так, при эпилепсии хороший эффект (резкое сокращение частоты эпилептических припадков) дает введение глутаминовой кислоты. Как оказалось, лечебный эффект обусловлен не самой глутаминовой кислотой, а продуктом ее декарбоксилирования – ГАМК. 
 
Реакция восстановления карбоксильной группы

 

Эту реакцию я рассмотрю  на примере глутаминовой кислоты: образующийся при этом глутамат-гамма-полуальдегид используется в различных реакциях, например, в реакции синтеза пролина из глутаминовой кислоты (рис.9).

 

 

                           Рис.9 Реакция восстановления карбоксильной группы

 

Реакции дезаминирования 

 

Реакции отщепления α-аминогруппы от АК, в результате чего образуется соответствующая α-кетокислота и выделяется молекула аммиака.

Дезаминирование бывает прямым и непрямым.

Прямое  дезаминирование  - это дезаминирование, которое происходит в 1 стадию с участием одного фермента. Прямому дезаминированию повергаются глу, гис, сер, тре, цис.

Существует 5 видов прямого дезаминирования АК:

1. окислительное;
2. неокислительное;
3. внутримолекулярное;
4. восстановительное;
5. гидролитическое.

 

В данном случае, я рассмотрю  самый активный вид прямого дезаминирования АК - окислительное. В окислительном дезаминировании первая стадия является ферментативной с образованием промежуточного продукта - иминокислоты, которая спонтанно, без участия фермента, распадается на аммиак и альфа-кетокислоту. Этот тип реакций наиболее распространен в тканях.

 

 

 

 

 

Прямое окислительное дезаминирование характерно для глутаминовой кислоты (рис.10):

 

                              

                  Рис.10 Прямое окислительное  дезаминирование глутаминовой кислоты.

 

Первая стадия катализируется ферментом глутаматдегидрогеназой (ГДГ -анаэробный фермент). Вторая стадия, как уже говорилось ранее, протекает спонтанно. Как мы видим на схеме, обе стадии обратимы.

 

Непрямое окислительное дезаминирование (трансдезаминирование) – сопряженные реакции дезаминирования и трансаминирования (Рис.11).

 

                                 Рис.11 Непрямое окислительное дезаминирование

 

Почти все природные аминокислоты сначала реагируют с альфа-кетоглутаратом в реакции трансаминирования с образованием глутамата и соответствующей кетокислоты. Глутамат далее подвергается окислительному дезаминированию под действием глутаматдегидрогеназы.

 

 

 

 

 

 

Патологии обмена глутаминовой кислоты.

            Роль глутаминовой кислоты в организме совершенно особая. Достаточно сказать, что ее удельный вес в организме составляет 25% от общего количества всех остальных как заменимых, так и незаменимых аминокислот. Хотя она и считается заменимой, в последние годы было выяснено, что для отдельных тканей человеческого организма (например, для нервной системы) глутаминовая кислота является незаменимой, и никакой другой аминокислотой не может быть восполнена. В организме существует своеобразный "фонд" глутаминовой кислоты. Она расходуется, в первую очередь, там, где она в данный момент наиболее нужна.                

Нарушение обмена глутаминовой кислоты может привести к таким заболеваниям как: анемия, глаукома, эпилепсия, хорея Хантингтона, рак поджелудочной железы, подагра, ревматоидный артрит, хроническая почечная недостаточность.

Нарушение транспорта глутаминовой кислоты (глутамата) в клетках сетчатки. (т.е. при возникновении излишков глутаминовой кислоты, она не удаляется их клеток сетчатки), приводит к такому заболеванию как глаукома.

Низкое содержание глутаминовой кислоты в организме, приводит к таким заболеваниям как хорея Хантингтона, хроническая почечная недостаточность, а повышенное содержание к ревматоидному артриту, подагре.

По результатам многочисленных экспериментов было доказано, что  в определенных концентрациях глутамат может также вызывать перевозбуждение и некроз нервных клеток, из-за чего он и входит в ряд нейротоксичных соединений.

Повышенное содержание глутамата в синапсах между нейронами может перевозбудить и даже убить эти клетки, что приводит к таким заболеваниям, как АЛС (Амиотрофический латеральный склероз), Паркинсона и Альцгеймера. Будучи поглощённым клетками астроглии, глутаминат больше не приводит к повреждению нейронов.

Ученые Мичиганского университета говорят, что повышенный уровень в мозгу нейромедиатора глутамата вызывает желание свести счеты с жизнью. Работа глутамата во многом зависит от наличия хинолиновой кислоты, которая побуждает клетки более интенсивно пользоваться этим нейромедиатором.

Говоря о глутаминовой кислоте, немало важно упомянуть мононатриевую соль глутаминовой кислоты - глутамат натрия.

 

Глутамат натрия покорил мир  прежде всего на кулинарном поприще. Благодаря открытию японского ученого Икеда Кумикаэ, выделившему глутаминовую кислоту из водоросли комбу, человечество смогло сознательно расширить спектр вкусовых ощущений. Оказалось, что эта аминокислота содержит не кислый, не горький, не сладкий и не соленый, а совсем другой, пятый вкус – умами, что в переводе с японского означает «вкусный».

В начале ХХ века японская корпорация «Ajinomoto Company Incorporated» начала производить глутамат натрия, под названием «адзиномото», т.е. душа вкуса. Так родилась пищевая добавка Е 621, без которой трудно представить сегодня пищевую промышленность и кулинарию. 

Потребление больших количеств  глутамата натрия с пищей не действует на ЦНС большинства людей, однако сообщалось, что у некоторых лиц обнаруживается повышенная чувствительность к глутамату натрия, он вызывает сенсорные и моторные нарушения. Эти симптомы известны как «синдром китайского ресторана» (СКР), так как глутамат натрия широко используется в китайской кухне. Возможно, это вызвано не столько глутаминовой кислотой, сколько дефицитом витамина В6.