חומצה גלוטמית: מאפיינים, פונקציות, ביוסינתזה - ביולוגיה - 2025

חומצה גלוטמית היא אחת 22 חומצות אמינו המרכיבות את החלבונים בכל היצורים החיים ואחד הנפוץ ביותר בטבע. מכיוון שלגוף האנושי יש מסלולים מהותיים לביוסינתזה שלו, הוא לא נחשב חיוני.

יחד עם חומצה אספרטית, חומצה גלוטמית שייכת לקבוצת חומצות האמינו הקוטביות הטעונות לשלילה, ועל פי שתי מערכות הננומטורה הקיימות (בעלות שלוש או אות אחת) היא נקראת כ- " Glu " או כ- " E ".

מבנה החומצה האמינית גלוטמית (מקור: Hbf878 דרך ויקימדיה Commons)

חומצת אמינו זו התגלתה בשנת 1866 על ידי הכימאי הגרמני ריטרסאוזן בזמן שלמד גלוטן חיטה הידרוליזה, ומכאן שמה "גלוטמי". לאחר גילויו, נוכחותה נקבעה בחלק גדול מיצורים חיים, כך שמחשבים שיש לה תפקידים חיוניים לחיים.

חומצה ל-גלוטמית נחשבת לאחת המתווכות החשובות בהעברת אותות מעוררים במערכת העצבים המרכזית של בעלי חוליות וחזקות גם לצורך תפקוד מוח תקין, כמו גם להתפתחות קוגניטיבית, זיכרון ו הלמידה.

לחלק מהנגזרות שלה תפקידים חשובים ברמה התעשייתית, במיוחד בכל הקשור לתכשירים קולינריים, מכיוון שהוא מסייע בהעצמת טעם המזון.

מאפיינים

למרות שלא היה חומצה אמינית חיונית לבני אדם, לגלוטמט (הצורה המיוננת של חומצה גלוטמית) יש השלכות תזונתיות חשובות על גידול בעלי חיים והוצע להם ערך תזונתי גבוה בהרבה מחומצות אמינו אחרות שאינן חיוניות.

חומצה אמינית זו נמצאת בשפע במיוחד במוח, בעיקר במרחב התוך-תאי (ציטוזול), המאפשר קיום של שיפוע בין הציטוזול לחלל החוץ-תאי, אשר מתוחם על ידי קרום הפלזמה של תאי העצב.

מכיוון שיש לו פונקציות רבות בסינפסות מעוררות וכי הוא מפעיל את תפקידיו על ידי פעולה על קולטנים ספציפיים, הריכוז שלו נשמר ברמות מבוקרות, במיוחד בסביבה החוץ תאי, מכיוון שקולטנים אלו בדרך כלל "נראים" אל מחוץ לתאים.

האתרים עם הריכוז הגבוה ביותר של גלוטמט הם מסופי העצבים, עם זאת, תפוצתו מותנית על ידי צרכי האנרגיה של התאים בגוף.

תלוי בסוג התא, כאשר חומצה גלוטמית נכנסת לתא ניתן לכוון אותה אל המיטוכונדריה, למטרות אנרגיה, או לחלוקה מחודשת לכיוון שלפוחית ​​סינפטית ושני התהליכים משתמשים במערכות הובלה תוך-תאיות ספציפיות.

מִבְנֶה

חומצה גלוטמית, כמו שאר חומצות האמינו, היא חומצה α- אמינית שיש בה אטום פחמן מרכזי (שהוא כיראלי), הפחמן α, אליו מחוברות ארבע קבוצות נוספות: קבוצת קרבוקסיל, קבוצת אמינו, אטום מימן וקבוצת substituent (שרשרת צדדית או קבוצת R).

קבוצת R של חומצה גלוטמית מעניקה למולקולה קבוצת קרבוקסיל שנייה (-COOH) והמבנה שלה הוא -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- בצורתו המיוננת), כך שסכום האטומים הפחמן הכולל של המולקולה הוא חמש.

לחומצה אמינית זו יש מסה יחסית של 147 גר 'מולקולה וקבוע הדיסוציאציה (pKa) מקבוצת R שלה הוא 4.25. יש לו נקודה איזואלקטרית של 3.22 ומדד נוכחות החלבון הממוצע הוא בסביבות 7%.

מכיוון שב- pH נייטרלי (בסביבות 7), חומצה גלוטמית מיוננת ובעלת מטען שלילי, היא מסווגת בקבוצה של חומצות אמיניות קוטביות טעונות שלילית, קבוצה בה נכללת גם חומצה אספרטית (אספרטט, בצורתה המיוננת) ).

מאפיינים

לחומצה הגלוטמית או לצורתה המיוננת, גלוטמט, יש פונקציות מרובות, לא רק מנקודת מבט פיזיולוגית, אלא גם מבחינה תעשייתית, קלינית וגסטרונומית.

תפקודים פיזיולוגיים של חומצה גלוטמית

אחד התפקידים הפיזיולוגיים הפופולריים ביותר של חומצה גלוטמית בגופם של מרבית בעלי החוליות הוא תפקידו כמעביר עצבי במוח. נקבע כי למעלה מ- 80% מהסינפסות המעוררות מתקשרות באמצעות גלוטמט או אחת הנגזרות שלו.

בין תפקידי הסינפסות המשתמשים בחומצה אמינית זו במהלך האותות, ניתן לזהות הכרה, למידה, זיכרון ואחרים.

הגלוטמט קשור גם להתפתחות מערכת העצבים, להתחלה ולחיסול הסינפסות ולהגירה של תאים, בידול ומוות. זה חשוב לתקשורת בין איברים היקפיים כמו דרכי העיכול, הלבלב ועצמות.

בנוסף, לגלוטמט תפקידים הן בתהליכי סינתזת החלבון והפפטיד, כמו גם בסינתזה של חומצות שומן, בוויסות רמות החנקן הסלולרי ובבקרה על האיזון האוניוני והאוסמוטי.

זה משמש כמבשר עבור ביניים שונים במחזור החומצה הטריקארבוקסילית (מחזור קרבס) וגם עבור מעבירים עצביים אחרים כמו GABA (חומצה גמא אמינו-בוטירית). בתורו, זהו מבשר בסינתזה של חומצות אמינו אחרות כמו L-prolin, L-arginine ו- L-alanine.

יישומים קליניים

גישות תרופות שונות מסתמכות בעיקר על קולטני חומצות גלוטמיות כמטרות טיפוליות לטיפול במחלות פסיכיאטריות ובפתולוגיות אחרות הקשורות בזיכרון.

הגלוטמט שימש גם כחומר פעיל בפורמולות פרמקולוגיות שונות שנועדו לטפל באוטם שריר הלב ובדיספספסיה תפקודית (בעיות קיבה או בעיות עיכול).

יישומים תעשייתיים של חומצה גלוטמית

לחומצה הגלוטמית ולנגזרותיה יש יישומים מגוונים בתעשיות שונות. לדוגמא, מלח מונוסודיום של גלוטמט משמש בתעשיית המזון כתיבול.

חומצת אמינו זו היא גם החומר המוצא לסינתזה של חומרים כימיים אחרים ופוליא חומצה גלוטמית הינה פולימר אניוני טבעי המתכלה, אכיל ולא רעיל לבני אדם או לסביבה.

בתעשיית המזון הוא משמש גם כעיבוי וכסוכן "משכך" על מרירות המזונות השונים.

הוא משמש גם כמגן נגד קריאה, כדבק ביולוגי "ניתן לריפוי", כנושא תרופות, לעיצוב סיבים מתכלים והידרוגלים המסוגלים לספוג כמויות גדולות של מים, בין היתר.

ביוסינתזה

כל חומצות האמינו נגזרות מחומרים ביניים גליקוליטיים, ממעגל הקרבס או ממסלול הפוספט פוספט. גלוטמט, במיוחד, מתקבל מגלוטמין, α-קטוגלוטרט ו- 5-אוקסופרולין, כולם נגזרים ממחזור קרבס.

המסלול הביוסינתטי של חומצת אמינו זו הוא די פשוט והצעדים שלו נמצאים כמעט בכל האורגניזמים החיים.

מטבוליזם גלוטמט וחנקן

במטבוליזם של חנקן, באמצעות גלוטמט וגלוטמין משולבים אמוניום בביומולקולות השונות בגוף, ובאמצעות תגובות טרנסמינציה, הגלוטמט מספק את קבוצות האמינו של מרבית חומצות האמינו.

לפיכך, מסלול זה כרוך בהטמעה של יוני אמוניום למולקולות גלוטמט, שמתרחשת בשתי תגובות.

השלב הראשון במסלול מנותל על ידי אנזים המכונה גלוטמין סינתזה, שנמצא כמעט בכל האורגניזמים והוא מעורב בהפחתת הגלוטמט והאמוניה לייצור גלוטמין.

במקום זאת, בחיידקים וצמחים מיוצר הגלוטמט מגלוטמין על ידי האנזים המכונה גלוטמט סינתז.

אצל בעלי חיים, זה מופק מהטרנסמינציה של α-קטוגלוטרט, המתרחש במהלך קטבוליזם של חומצות אמינו. תפקידה העיקרי ביונקים הוא להמיר אמוניה חופשית רעילה לגלוטמין המועבר על ידי הדם.

בתגובה שמסוללת על ידי האנזים גלוטמט סינתז, α-קטוגלוטרט עוברת תהליך amination רדוקטיבי, בו גלוטמין משתתף כתורם של קבוצת החנקן.

למרות שזה מופיע במידה פחותה הרבה יותר, אצל בעלי חיים נוצר גלוטמט גם על ידי התגובה החד-שלבית בין α-קטוגלוטרט ואמוניום (NH4), שמסולז על ידי האנזים L-glutamate dehydrogenase, בכל מקום כמעט בכל אורגניזם חי.

אנזים זה קשור למטריקס המיטוכונדריאלי ואת התגובה שהוא מזרז ניתן לכתוב בערך כדלקמן, שם NADPH פועלת באספקת הפחתת כוח:

α-ketoglutarate + NH4 + NADPH → L-glutamate + NADP (+) + מים

מטבוליזם והשפלות

חומצות גלוטמי משמשות תאי הגוף לשרת מטרות שונות וביניהן סינתזת חלבון, חילוף חומרים אנרגטיים, קיבוע אמוניום או העברת עצבים.

ניתן למחזר את הגלוטמט הנלקח מהמדיום החוץ תאי בסוגים מסוימים של תאי עצב על ידי הפיכתו לגלוטמין, המשתחרר לנוזלים החוץ תאים ונלקח על ידי נוירונים כדי להפוך אותו חזרה לגלוטמט, המכונה מחזור הגלוטמין . -גלוטמט .

לאחר שנבלע במזון בתזונה, ספיגת המעיים של חומצה גלוטמית מסתיימת בדרך כלל בהפיכתה לחומצות אמינו אחרות כמו אלנין, תהליך המתווך על ידי תאי רירית המעי, שמשתמשים בו גם כמקור אנרגיה.

הכבד לעומת זאת אחראי להמרתו לגלוקוז ולקטט, שממנו מופק אנרגיה כימית בעיקר בצורה של ATP.

דווח על קיומם של אנזימים המטבולים את גלוטמט שונים בקרב אורגניזמים שונים, למשל המקרים של גלוטמט דה-הידרוגנזים, גלאזות גלוטמט-אמוניום וגלוטמינים, ורבים מהם הועברו למחלת אלצהיימר.

אוכל עשיר בחומצה גלוטמית

חומצה גלוטמית קיימת ברוב המזונות הנצרכים על ידי האדם וכמה מחברים טוענים כי עבור אדם במשקל 70 ק"ג, הצריכה היומית של חומצה גלוטמית הנגזרת מהתזונה היא כ 28 גרם.

בין המזונות העשירים בחומצה אמינית זו נמנים מזונות מן החי, בהם בולטות בשר (שור, חזיר, כבש וכו '), ביצים, חלב ודגים. מזונות מבוססי צמח עשירים בגלוטמט כוללים זרעים, דגנים, אספרגוס ואחרים.

בנוסף לסוגי המזון השונים העשירים באופן טבעי בחומצה אמינית זו, נגזרת ממנה, מלח מונוסודיום של גלוטמט משמש כתוסף כדי לשפר או להגביר את טעמם של כלים רבים ומזונות מעובדים בתעשייה.

היתרונות מצריכתו

הגלוטמט הנוסף לתכשירים קולינריים שונים עוזר "לעורר" טעם ולשפר את תחושת הטעם בחלל הפה, שלכאורה יש משמעות פיזיולוגית ותזונתית חשובה.

מחקרים קליניים הראו כי לנטילת חומצה גלוטמית יש יישומים פוטנציאליים לטיפול ב"הפרעות "או פתולוגיות דרך הפה הקשורות לטעם ו"היפוזילציה" (ייצור נמוך של רוק).

כמו כן, חומצה גלוטמית (גלוטמט) היא חומר מזין בעל חשיבות רבה לשמירה על פעילות תקינה של תאים ברירית המעי.

הוכח כי אספקת חומצת אמינו זו לחולדות אשר עברו טיפולים כימותרפיים מגבירה את המאפיינים החיסוניים של המעי, בנוסף לשמירה על פעילותה ותפקודה של רירית המעי ומשפרת אותה.

ביפן, לעומת זאת, תזונה רפואית המבוססת על מזונות עשירים בחומצה גלוטמית תוכננה לחולים שעוברים "גסטרונומיה אנדוסקופית פרוקטיבית", כלומר יש להאכילם באמצעות צינור קיבה המחובר דרך הקיר. בִּטנִי.

חומצה אמינית זו משמשת גם כדי לעורר תיאבון בקרב חולים קשישים הסובלים מדלקת קיבה כרונית אשר בדרך כלל אינם מתאימים.

לבסוף, מחקרים הקשורים לאספקת הפה של חומצה גלוטמית וארגינין מראים כי אלה מעורבים בוויסות חיובי של גנים הקשורים לאדיפוגנזה ברקמת שריר וליפוליזה ברקמות שומן.

הפרעות לקויות

מכיוון שחומצה גלוטמית משמשת כמבשר בסינתזה של מולקולות מסוגים שונים כמו חומצות אמינו ומעברים עצביים אחרים, פגמים גנטיים הקשורים לביטוי אנזימים הקשורים לביוסינתזה ומחזוריה יכולים להיות השלכות על בריאות גופו של כל בעל חיים.

לדוגמא, האנזים חומצה גלוטמית דקרבוקסילאז אחראי להמרה של גלוטמט לחומצה גמא אמינו-בוטירית (GABA), מוליך עצבי חיוני לתגובות עצביות מעכבות.

לפיכך, האיזון בין חומצה גלוטמית ל- GABA הוא בעל חשיבות עליונה לשמירה על השליטה על רגישות קליפת המוח, מכיוון שהגלוטמט מתפקד בעיקר בסינפסות עצביות מעוררות.

בתורו, מכיוון שגלוטמט מעורב בסדרה של תפקודים מוחיים כמו למידה וזיכרון, מחסורו עלול לגרום למומים בשיעורים אלה של תהליכים קוגניטיביים הדורשים זאת כמעביר עצבי.

הפניות

1. אריויושי, מ., קטאן, מ., חמאס, ק., מיושי, י., נקאן, מ., הושינו, א., … מטובה, ש. (2017). D-Glutamate מטבוליזם במיטוכונדריה בלב. דוחות מדעיים, 7 (אוגוסט 2016), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Barret, G. (1985). כימיה וביוכימיה של חומצות אמינו. ניו יורק: צ'פמן והול.
3. Danbolt, NC (2001). ספיגת גלוטמט. התקדמות בנוירוביולוגיה, 65, 1-10.
4. פונום, פ '(1984). גלוטמט: מוליך עצבי במוח היונק. Journal of Neurochemistry, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). סימפוזיון בינלאומי בנושא גלוטמט. חומצה גלוטמית, עשרים שנה אחר כך.
6. גרהם, TE, Sgro, V., Friars, D., & Gibala, MJ (2000). צריכת גלוטמט: בריכות של חומצות אמינו ללא פלזמה ושרירים של בני אדם נח. כתב העת האמריקאי לפיזיולוגיה- אנדוקרינולוגיה ומטבוליזם, 278, 83-89.
7. הוא, סי ג'יי, ג'יאנג, צ'י, ג'אנג, ט, ין, י.ל., לי, פ.נ., סו, ג'יי, … קונג, XF (2017). תוסף תזונה עם ארגינין וחומצה גלוטמית משפר את ביטוי הגנים הליפוגניים העיקריים בגידול חזירים. Journal of Science Science, 95 (12), 5507–5515.
8. Johnson, JL (1972). חומצה גלוטמית כמשדר סינפטי במערכת העצבים. ביקורת. מחקר מוח, 37, 1–19.
9. קומאר, ר., Vikramachakravarthi, D., & Pal, P. (2014). ייצור וטיהור של חומצה גלוטמית: סקירה ביקורתית לקראת התגברות התהליכים. הנדסה כימית ועיבוד: התעצמות תהליכים, 81, 59-71.
10. מורצקיס, מ., וגרהם, TE (2002). בליעת גלוטמט והשפעותיו במנוחה ובזמן האימון אצל בני אדם. Journal of Applied Physiology, 93 (4), 1251-1259.
11. Neil, E. (2010). תהליכים ביולוגיים לייצור מימן. התקדמות בהנדסה ביוכימית / ביוטכנולוגיה, 123 (יולי 2015), 127–141. https://doi.org/10.1007/10
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M., & Forlani, G. (2016). חומצות אמינו ממשפחת הגלוטמט: פונקציות מעבר לחילוף חומרים ראשוני. גבולות במדע הצמח, ז, 1-3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M., & Kasim, A. (2015). תוספות גלוטמין וחומצה גלוטמית משפרות את הביצועים של תרנגולות בטן בתנאי טרופי חם ולח. כתב העת האיטלקי למדעי החיות, 14 (1), 25–29.
14. אומברגר, ח. (1978). ביוסינתזה של חומצות אמינו וההסדרה שלה. אן. הכמרית ביוכימ. , 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). חומצה גלוטמית ותפקוד מוחי. התקדמות בכימיה של חלבונים, 6, 299–341.
16. ילמנצ'י, ס.ד., ג'ייארם, ש., תומאס, ג'יי.קיי, גונדימדה, ש., חאן, א.א., סינגהאל, א., … גודא, ח. (2015). מפת מסלולי מטבוליזם גלוטמט. כתב העת לתקשורת ותאים סלולריים, 10 (1), 69-75.