GLUTAMINSÄURE: EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONEN, BIOSYNTHESE - BIOLOGIE - 2025

Die Glutaminsäure ist eine der 22 Aminosäuren, aus denen Proteine ​​in allen Lebewesen bestehen, und eine der am häufigsten vorkommenden in der Natur. Da der menschliche Körper intrinsische Wege für seine Biosynthese hat, wird er nicht als wesentlich angesehen.

Glutaminsäure gehört zusammen mit Asparaginsäure zur Gruppe der negativ geladenen polaren Aminosäuren und wird nach den beiden existierenden Nomenklatursystemen (mit drei oder einem Buchstaben) als " Glu " oder " E " bezeichnet.

Struktur der Aminosäure Glutaminsäure (Quelle: Hbf878 über Wikimedia Commons)

Diese Aminosäure wurde 1866 vom deutschen Chemiker Rittershausen bei der Untersuchung von Weizenglutenhydrolysaten entdeckt, daher der Name "Glutam". Nach seiner Entdeckung wurde seine Präsenz in einem großen Teil der Lebewesen festgestellt, so dass angenommen wird, dass es wesentliche Funktionen für das Leben hat.

L-Glutaminsäure gilt als einer der wichtigsten Mediatoren bei der Übertragung von Erregungssignalen im Zentralnervensystem von Wirbeltieren und ist auch für die normale Gehirnfunktion sowie für die kognitive Entwicklung, das Gedächtnis und das Gedächtnis erforderlich Das Lernen.

Einige seiner Derivate haben auch wichtige Funktionen auf industrieller Ebene, insbesondere im Hinblick auf kulinarische Zubereitungen, da sie dazu beitragen, den Geschmack von Lebensmitteln zu verbessern.

Eigenschaften

Obwohl Glutamat (die ionisierte Form von Glutaminsäure) keine essentielle Aminosäure für den Menschen ist, hat es wichtige Auswirkungen auf die Ernährung des Tierwachstums und es wurde vermutet, dass es einen viel höheren Nährwert als andere nicht essentielle Aminosäuren hat.

Diese Aminosäure kommt im Gehirn besonders häufig vor, insbesondere im intrazellulären Raum (Cytosol), was die Existenz eines Gradienten zwischen dem Cytosol und dem extrazellulären Raum ermöglicht, der durch die Plasmamembran von Nervenzellen begrenzt wird.

Da es viele Funktionen in exzitatorischen Synapsen hat und seine Funktionen durch Einwirkung auf bestimmte Rezeptoren ausübt, wird seine Konzentration auf kontrollierten Niveaus gehalten, insbesondere in der extrazellulären Umgebung, da diese Rezeptoren im Allgemeinen aus den Zellen "herausschauen".

Die Stellen mit der höchsten Konzentration an Glutamat sind die Nervenenden. Die Verteilung wird jedoch durch den Energiebedarf der Zellen im gesamten Körper bestimmt.

Je nach Zelltyp kann Glutaminsäure beim Eintritt in die Zelle zu Energiezwecken auf die Mitochondrien gerichtet oder auf synaptische Vesikel umverteilt werden, und beide Prozesse verwenden spezifische intrazelluläre Transportsysteme.

Struktur

Glutaminsäure ist wie der Rest der Aminosäuren eine α-Aminosäure mit einem zentralen Kohlenstoffatom (das chiral ist), dem α-Kohlenstoff, an den vier weitere Gruppen gebunden sind: eine Carboxylgruppe, eine Aminogruppe, a Wasserstoffatom und eine Substituentengruppe (Seitenkette oder R-Gruppe).

Die R-Gruppe der Glutaminsäure gibt dem Molekül eine zweite Carboxylgruppe (-COOH) und seine Struktur ist -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- in seiner ionisierten Form), also die Summe der Atome Der Gesamtkohlenstoff des Moleküls beträgt fünf.

Diese Aminosäure hat eine relative Masse von 147 g / mol und die Dissoziationskonstante (pKa) ihrer R-Gruppe beträgt 4,25. Es hat einen isoelektrischen Punkt von 3,22 und der durchschnittliche Proteinpräsenzindex liegt bei etwa 7%.

Da Glutaminsäure bei einem neutralen pH-Wert (um 7) ionisiert ist und eine negative Ladung aufweist, wird sie in die Gruppe der negativ geladenen polaren Aminosäuren eingeteilt, in der auch Asparaginsäure (Aspartat in ihrer ionisierten Form) enthalten ist ).

Eigenschaften

Glutaminsäure oder ihre ionisierte Form, Glutamat, hat mehrere Funktionen, nicht nur aus physiologischer Sicht, sondern auch aus industrieller, klinischer und gastronomischer Sicht.

Physiologische Funktionen von Glutaminsäure

Eine der beliebtesten physiologischen Funktionen von Glutaminsäure im Körper der meisten Wirbeltiere ist ihre Rolle als exzitatorischer Neurotransmitter im Gehirn. Es wurde festgestellt, dass mehr als 80% der exzitatorischen Synapsen unter Verwendung von Glutamat oder einem seiner Derivate kommunizieren.

Zu den Funktionen von Synapsen, die diese Aminosäure während der Signalübertragung verwenden, gehören Erkennung, Lernen, Gedächtnis und andere.

Glutamat hängt auch mit der Entwicklung des Nervensystems, der Initiierung und Eliminierung von Synapsen sowie mit der Migration, Differenzierung und dem Tod von Zellen zusammen. Es ist wichtig für die Kommunikation zwischen peripheren Organen wie dem Verdauungstrakt, der Bauchspeicheldrüse und den Knochen.

Zusätzlich hat Glutamat Funktionen sowohl bei den Protein- und Peptidsyntheseprozessen als auch bei der Synthese von Fettsäuren, bei der Regulierung der zellulären Stickstoffspiegel und bei der Kontrolle des anionischen und osmotischen Gleichgewichts.

Es dient als Vorstufe für verschiedene Zwischenprodukte des Tricarbonsäurezyklus (Krebszyklus) und auch für andere Neurotransmitter wie GABA (Gamma-Aminobuttersäure). Es ist wiederum ein Vorläufer bei der Synthese anderer Aminosäuren wie L-Prolin, L-Arginin und L-Alanin.

Klinische Anwendungen

Verschiedene pharmazeutische Ansätze beruhen hauptsächlich auf Glutaminsäurerezeptoren als therapeutische Ziele für die Behandlung von psychiatrischen Erkrankungen und anderen gedächtnisbedingten Pathologien.

Glutamat wurde auch als Wirkstoff in verschiedenen pharmakologischen Formulierungen zur Behandlung von Myokardinfarkten und funktioneller Dyspepsie (Magenprobleme oder Verdauungsstörungen) verwendet.

Industrielle Anwendungen von Glutaminsäure

Glutaminsäure und ihre Derivate haben vielfältige Anwendungen in verschiedenen Branchen. Beispielsweise wird das Mononatriumsalz von Glutamat in der Lebensmittelindustrie als Gewürz verwendet.

Diese Aminosäure ist auch das Ausgangsmaterial für die Synthese anderer Chemikalien, und Glutaminpolysäure ist ein natürliches anionisches Polymer, das biologisch abbaubar, essbar und für Mensch und Umwelt nicht toxisch ist.

In der Lebensmittelindustrie wird es auch als Verdickungsmittel und als "Hilfsmittel" gegen die Bitterkeit verschiedener Lebensmittel verwendet.

Es wird auch als Kryoprotektivum, als "härtbarer" biologischer Klebstoff, als Wirkstoffträger für das Design von biologisch abbaubaren Fasern und Hydrogelen verwendet, die unter anderem große Mengen Wasser absorbieren können.

Biosynthese

Alle Aminosäuren stammen von glykolytischen Zwischenprodukten, dem Krebszyklus oder dem Pentosephosphatweg. Insbesondere Glutamat wird aus Glutamin, α-Ketoglutarat und 5-Oxoprolin erhalten, die alle aus dem Krebszyklus stammen.

Der Biosyntheseweg für diese Aminosäure ist recht einfach und seine Schritte finden sich in fast allen lebenden Organismen.

Glutamat- und Stickstoffstoffwechsel

Im Stickstoffstoffwechsel wird Ammonium durch Glutamat und Glutamin in die verschiedenen Biomoleküle des Körpers eingebaut, und durch Transaminierungsreaktionen liefert Glutamat die Aminogruppen der meisten Aminosäuren.

Somit beinhaltet dieser Weg die Assimilation von Ammoniumionen an Glutamatmoleküle, die in zwei Reaktionen stattfindet.

Der erste Schritt auf diesem Weg wird durch ein Enzym namens Glutaminsynthetase katalysiert, das in praktisch allen Organismen vorhanden ist und an der Reduktion von Glutamat und Ammonium zur Herstellung von Glutamin beteiligt ist.

In Bakterien und Pflanzen wird Glutamat stattdessen aus Glutamin durch das als Glutamatsynthase bekannte Enzym hergestellt.

Bei Tieren entsteht dies durch die Transaminierung von α-Ketoglutarat, die während des Katabolismus von Aminosäuren stattfindet. Seine Hauptfunktion bei Säugetieren besteht darin, giftiges freies Ammoniak in Glutamin umzuwandeln, das vom Blut transportiert wird.

In der durch das Enzym Glutamatsynthase katalysierten Reaktion durchläuft α-Ketoglutarat einen reduktiven Aminierungsprozess, bei dem Glutamin als Donor der Stickstoffgruppe beteiligt ist.

Obwohl es in viel geringerem Maße vorkommt, wird Glutamat bei Tieren auch durch die einstufige Reaktion zwischen α-Ketoglutarat und Ammonium (NH4) erzeugt, die durch das Enzym L-Glutamat-Dehydrogenase katalysiert wird, das in praktisch allen Fällen allgegenwärtig ist lebende Organismen.

Das Enzym assoziiert mit der mitochondrialen Matrix und die Reaktion, die es katalysiert, kann grob wie folgt geschrieben werden, wobei NADPH bei der Bereitstellung von Reduktionskraft arbeitet:

α-Ketoglutarat + NH4 + NADPH → L-Glutamat + NADP (+) + Wasser

Stoffwechsel und Abbau

Glutaminsäure wird von den Körperzellen für verschiedene Zwecke verwendet, darunter Proteinsynthese, Energiestoffwechsel, Ammoniumfixierung oder Neurotransmission.

Glutamat, das in einigen Arten von Nervenzellen aus dem extrazellulären Medium entnommen wird, kann "umgewandelt" werden, indem es in Glutamin umgewandelt wird, das in extrazelluläre Flüssigkeiten freigesetzt und von Neuronen aufgenommen wird, um wieder in Glutamat umgewandelt zu werden, das als Glutaminzyklus bekannt ist. -Glutamat .

Sobald die Aufnahme von Glutaminsäure über die Nahrung aufgenommen wurde, endet die intestinale Absorption von Glutaminsäure im Allgemeinen in der Umwandlung in andere Aminosäuren wie Alanin, ein Prozess, der von den Zellen der Darmschleimhaut vermittelt wird, die sie auch als Energiequelle nutzen.

Die Leber hingegen ist für die Umwandlung in Glukose und Laktat verantwortlich, aus denen chemische Energie hauptsächlich in Form von ATP gewonnen wird.

Über die Existenz verschiedener Glutamat-metabolisierender Enzyme wurde in verschiedenen Organismen berichtet, wie dies bei Glutamat-Dehydrogenasen, Glutamat-Ammonium-Lyasen und Glutaminasen der Fall ist, und viele davon sind an der Alzheimer-Krankheit beteiligt.

Glutaminsäure-reiche Lebensmittel

Glutaminsäure ist in den meisten vom Menschen konsumierten Lebensmitteln enthalten, und einige Autoren behaupten, dass bei einem Menschen mit einem Gewicht von 70 kg die tägliche Aufnahme von Glutaminsäure aus der Nahrung etwa 28 g beträgt.

Zu den Lebensmitteln, die am reichsten an dieser Aminosäure sind, gehören Lebensmittel tierischen Ursprungs, bei denen Fleisch (Rinder, Schweine, Schafe usw.), Eier, Milchprodukte und Fisch hervorstechen. Zu den pflanzlichen Lebensmitteln, die reich an Glutamat sind, gehören Samen, Getreide, Spargel und andere.

Zusätzlich zu den verschiedenen Arten von Lebensmitteln, die von Natur aus reich an dieser Aminosäure, einem Derivat davon, sind, wird das Mononatriumsalz von Glutamat als Zusatz verwendet, um den Geschmack vieler Gerichte und industriell verarbeiteter Lebensmittel zu verbessern oder zu verbessern.

Vorteile seiner Aufnahme

Glutamat, das verschiedenen kulinarischen Zubereitungen zugesetzt wird, hilft, den Geschmack zu "induzieren" und das Geschmacksempfinden in der Mundhöhle zu verbessern, was anscheinend eine wichtige physiologische und ernährungsphysiologische Bedeutung hat.

Klinische Studien haben gezeigt, dass die Einnahme von Glutaminsäure potenzielle Anwendungen bei der Behandlung von "Störungen" oder oralen Pathologien im Zusammenhang mit Geschmack und "Hyposalivation" (geringe Speichelproduktion) hat.

Ebenso ist Glutaminsäure (Glutamat) ein Nährstoff von großer Bedeutung für die Aufrechterhaltung der normalen Aktivität von Zellen in der Darmschleimhaut.

Es wurde gezeigt, dass die Zufuhr dieser Aminosäure zu Ratten, die chemotherapeutischen Behandlungen unterzogen wurden, die immunologischen Eigenschaften des Darms erhöht und zusätzlich die Aktivität und Funktionen der Darmschleimhaut aufrechterhält und verbessert.

In Japan hingegen wurden medizinische Diäten auf der Basis von Lebensmitteln, die reich an Glutaminsäure sind, für Patienten entwickelt, die sich einer "perkutanen endoskopischen Gastronomie" unterziehen, dh sie müssen über einen Magensonde gefüttert werden, der durch die Wand verbunden ist Bauch.

Diese Aminosäure wird auch verwendet, um bei älteren Patienten mit chronischer Gastritis, die normalerweise inappetent sind, Appetit zu induzieren.

Schließlich legen Studien zur oralen Versorgung mit Glutaminsäure und Arginin nahe, dass diese an der positiven Regulation von Genen beteiligt sind, die mit der Adipogenese im Muskelgewebe und der Lipolyse im Fettgewebe zusammenhängen.

Mangelstörungen

Da Glutaminsäure als Vorstufe bei der Synthese verschiedener Arten von Molekülen wie Aminosäuren und anderen Neurotransmittern dient, können genetische Defekte, die mit der Expression von Enzymen im Zusammenhang mit ihrer Biosynthese und ihrem Recycling verbunden sind, Auswirkungen auf die Gesundheit des Körpers eines Tieres haben.

Beispielsweise ist das Enzym Glutaminsäure-Decarboxylase für die Umwandlung von Glutamat in Gamma-Aminobuttersäure (GABA) verantwortlich, einen Neurotransmitter, der für hemmende Nervenreaktionen essentiell ist.

Daher ist das Gleichgewicht zwischen Glutaminsäure und GABA für die Aufrechterhaltung der Kontrolle der kortikalen Erregbarkeit von größter Bedeutung, da Glutamat hauptsächlich an exzitatorischen Nervensynapsen wirkt.

Da Glutamat an einer Reihe von Gehirnfunktionen wie Lernen und Gedächtnis beteiligt ist, kann sein Mangel wiederum zu Defekten in diesen Klassen kognitiver Prozesse führen, die es als Neurotransmitter erfordern.

Verweise

1. Ariyoshi, M., Katane, M., Hamase, K., Miyoshi, Y., Nakane, M., Hoshino, A.,… Matoba, S. (2017). D-Glutamat wird in den Herzmitochondrien metabolisiert. Wissenschaftliche Berichte, 7 (August 2016), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Barret, G. (1985). Chemie und Biochemie der Aminosäuren. New York: Chapman und Hall.
3. Danbolt, NC (2001). Glutamataufnahme. Fortschritte in der Neurobiologie, 65, 1–105.
4. Fonnum, F. (1984). Glutamat: ein Neurotransmitter im Gehirn von Säugetieren. Journal of Neurochemistry, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). Internationales Symposium über Glutamat. Glutaminsäure, zwanzig Jahre später.
6. Graham, TE, Sgro, V., Friars, D. & Gibala, MJ (2000). Glutamataufnahme: Die plasma- und muskelfreien Aminosäurepools ruhender Menschen. 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). Eine Nahrungsergänzung mit Arginin und Glutaminsäure verbessert die wichtigste lipogene Genexpression bei wachsenden Schweinen. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507–5515.
8. Johnson, JL (1972). Glutaminsäure als synaptischer Transmitter im Nervensystem. Eine Rezension. Brain Research, 37, 1–19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D. & Pal, P. (2014). Herstellung und Reinigung von Glutaminsäure: Ein kritischer Rückblick auf die Prozessintensivierung. Chemieingenieurwesen und -verarbeitung: Prozessintensivierung, 81, 59–71.
10. M. Mourtzakis & TE Graham (2002). Glutamataufnahme und ihre Auswirkungen in Ruhe und während des Trainings beim Menschen. Journal of Applied Physiology, 93 (4), 1251-1259.
11. Neil, E. (2010). Biologische Prozesse zur Wasserstoffproduktion. Fortschritte in Bioverfahrenstechnik / Biotechnologie, 123 (Juli 2015), 127–141. https://doi.org/10.1007/10
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M. & Forlani, G. (2016). Aminosäuren der Glutamatfamilie: Funktionen jenseits des Primärstoffwechsels. Frontiers in Plant Science, 7, 1–3.
13. JO Olubodun, I. Zulkifli, AS Farjam, M. Hair-Bejo & A. Kasim (2015). Die Ergänzung mit Glutamin und Glutaminsäure verbessert die Leistung von Masthühnern unter heißen und feuchten tropischen Bedingungen. Italian Journal of Animal Science, 14 (1), 25–29.
14. Umbarger, H. (1978). Aminosäurebiosynthese und ihre Regulation. Ann. Rev. Biochem. 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). Glutaminsäure und Gehirnfunktion. Fortschritte in der Proteinchemie, 6, 299–341.
16. Yelamanchi, SD, Jayaram, S., Thomas, JK, Gundimeda, S., Khan, AA, Singhal, A.,… Gowda, H. (2015). Eine Wegkarte des Glutamatstoffwechsels. Journal of Cell Communication and Signaling, 10 (1), 69–75.