GLUTAMINEZUUR: KENMERKEN, FUNCTIES, BIOSYNTHESE - BIOLOGIE - 2024

De glutaminezuur is een van de 22 aminozuren die deel uitmaken van eiwitten in alle levende wezens en een van de meest voorkomende in de natuur. Omdat het menselijk lichaam intrinsieke routes heeft voor zijn biosynthese, wordt het niet als essentieel beschouwd.

Glutaminezuur behoort samen met asparaginezuur tot de groep van negatief geladen polaire aminozuren en wordt volgens de twee bestaande nomenclatuursystemen (van drie of één letter) aangeduid als " Glu " of als " E ".

Structuur van het aminozuur Glutaminezuur (Bron: Hbf878 via Wikimedia Commons)

Dit aminozuur werd in 1866 ontdekt door de Duitse chemicus Rittershausen terwijl hij gehydrolyseerde tarwegluten bestudeerde, vandaar de naam "glutaminezuur". Na zijn ontdekking is zijn aanwezigheid bepaald in een groot deel van de levende wezens, dus men denkt dat het essentiële functies voor het leven heeft.

L-glutaminezuur wordt beschouwd als een van de belangrijkste mediatoren bij de overdracht van prikkelende signalen in het centrale zenuwstelsel van gewervelde dieren en is ook noodzakelijk voor een normale hersenfunctie, evenals voor cognitieve ontwikkeling, geheugen en Het leren.

Sommige van zijn derivaten hebben ook belangrijke functies op industrieel niveau, vooral met betrekking tot culinaire bereidingen, omdat ze de smaak van voedsel helpen versterken.

kenmerken

Ondanks dat het geen essentieel aminozuur is voor mensen, heeft glutamaat (de geïoniseerde vorm van glutaminezuur) belangrijke voedingsimplicaties voor de groei van dieren en er wordt gesuggereerd dat het een veel hogere voedingswaarde heeft dan andere niet-essentiële aminozuren.

Dit aminozuur is vooral overvloedig aanwezig in de hersenen, vooral in de intracellulaire ruimte (cytosol), waardoor er een gradiënt bestaat tussen het cytosol en de extracellulaire ruimte, die wordt begrensd door het plasmamembraan van zenuwcellen.

Omdat het veel functies heeft in prikkelende synapsen en dat het zijn functies uitoefent door in te werken op specifieke receptoren, wordt zijn concentratie op een gecontroleerd niveau gehouden, vooral in de extracellulaire omgeving, aangezien deze receptoren over het algemeen uit de cellen "kijken".

De plaatsen met de hoogste concentratie glutamaat zijn de zenuwuiteinden, maar de distributie ervan wordt bepaald door de energiebehoeften van de cellen door het hele lichaam.

Afhankelijk van het type cel, wanneer glutaminezuur het binnenkomt, kan het worden gericht naar de mitochondriën, voor energiedoeleinden, of kan het worden herverdeeld naar synaptische blaasjes, en beide processen gebruiken specifieke intracellulaire transportsystemen.

Structuur

Glutaminezuur is, net als de rest van de aminozuren, een α-aminozuur met een centraal koolstofatoom (dat chiraal is), het α-koolstofatoom, waaraan vier andere groepen zijn gehecht: een carboxylgroep, een aminogroep, een waterstofatoom en een substituentgroep (zijketen of R-groep).

De R-groep van glutaminezuur geeft het molecuul een tweede carboxylgroep (-COOH) en de structuur is -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- in zijn geïoniseerde vorm), dus de som van atomen totale koolstof van het molecuul is vijf.

Dit aminozuur heeft een relatieve massa van 147 g / mol en de dissociatieconstante (pKa) van zijn R-groep is 4,25. Het heeft een iso-elektrisch punt van 3,22 en de gemiddelde eiwitaanwezigheidsindex is ongeveer 7%.

Omdat glutaminezuur bij een neutrale pH (rond de 7) geïoniseerd is en een negatieve lading heeft, wordt het ingedeeld in de groep van negatief geladen polaire aminozuren, een groep waarin asparaginezuur (aspartaat, in geïoniseerde vorm) ook voorkomt. ).

Kenmerken

Glutaminezuur of zijn geïoniseerde vorm, glutamaat, heeft meerdere functies, niet alleen vanuit fysiologisch oogpunt, maar ook vanuit industrieel, klinisch en gastronomisch oogpunt.

Fysiologische functies van glutaminezuur

Een van de meest populaire fysiologische functies van glutaminezuur in het lichaam van de meeste gewervelde dieren is zijn rol als prikkelende neurotransmitter in de hersenen. Er is vastgesteld dat meer dan 80% van de prikkelende synapsen communiceren met behulp van glutamaat of een van zijn derivaten.

Tot de functies van synapsen die dit aminozuur gebruiken tijdens signalering behoren herkenning, leren, geheugen en andere.

Glutamaat is ook gerelateerd aan de ontwikkeling van het zenuwstelsel, de initiatie en eliminatie van synapsen, en celmigratie, differentiatie en dood. Het is belangrijk voor de communicatie tussen perifere organen zoals het spijsverteringskanaal, pancreas en botten.

Bovendien heeft glutamaat functies zowel bij de eiwit- en peptidesyntheseprocessen als bij de synthese van vetzuren, bij de regulering van cellulaire stikstofniveaus en bij de controle van de anionische en osmotische balans.

Het dient als precursor voor verschillende tussenproducten van de tricarbonzuurcyclus (Krebs-cyclus) en ook voor andere neurotransmitters zoals GABA (gamma-aminoboterzuur). Het is op zijn beurt een voorloper bij de synthese van andere aminozuren zoals L-proline, L-arginine en L-alanine.

Klinische toepassingen

Verschillende farmaceutische benaderingen steunen voornamelijk op glutaminezuurreceptoren als therapeutische doelen voor de behandeling van psychiatrische ziekten en andere geheugengerelateerde pathologieën.

Glutamaat is ook gebruikt als een actief middel in verschillende farmacologische formuleringen die zijn ontworpen om myocardinfarcten en functionele dyspepsie (maagproblemen of indigestie) te behandelen.

Industriële toepassingen van glutaminezuur

Glutaminezuur en zijn derivaten hebben diverse toepassingen in verschillende industrieën. Zo wordt het mononatriumzout van glutamaat in de voedingsindustrie als specerij gebruikt.

Dit aminozuur is ook het uitgangsmateriaal voor de synthese van andere chemicaliën en glutaminezuur polyzuur is een natuurlijk anionisch polymeer dat biologisch afbreekbaar, eetbaar en niet giftig is voor mens en milieu.

In de voedingsindustrie wordt het ook gebruikt als verdikkingsmiddel en als "verlichter" van de bitterheid van verschillende voedingsmiddelen.

Het wordt ook gebruikt als een cryoprotectant, als een "uithardbare" biologische kleefstof, als een geneesmiddeldrager, voor het ontwerp van biologisch afbreekbare vezels en hydrogels die onder andere grote hoeveelheden water kunnen absorberen.

Biosynthese

Alle aminozuren zijn afgeleid van glycolytische tussenproducten, de Krebs-cyclus of de pentosefosfaatroute. Glutamaat wordt met name verkregen uit glutamine, α-ketoglutaraat en 5-oxoproline, allemaal afgeleid van de Krebs-cyclus.

De biosyntheseroute voor dit aminozuur is vrij eenvoudig en de stappen ervan worden in bijna alle levende organismen aangetroffen.

Glutamaat- en stikstofmetabolisme

Bij het stikstofmetabolisme wordt ammonium via glutamaat en glutamine in de verschillende biomoleculen van het lichaam opgenomen en via transaminatiereacties levert glutamaat de aminogroepen van de meeste aminozuren.

Deze route omvat dus de assimilatie van ammoniumionen tot glutamaatmoleculen, die plaatsvindt in twee reacties.

De eerste stap in de route wordt gekatalyseerd door een enzym dat bekend staat als glutaminesynthetase, dat in vrijwel alle organismen aanwezig is en betrokken is bij de reductie van glutamaat en ammoniak om glutamine te produceren.

In bacteriën en planten wordt glutamaat daarentegen geproduceerd uit glutamine door het enzym dat bekend staat als glutamaatsynthase.

Bij dieren wordt dit geproduceerd door de transaminering van α-ketoglutaraat, die plaatsvindt tijdens het katabolisme van aminozuren. De belangrijkste functie bij zoogdieren is om giftige vrije ammoniak om te zetten in glutamine, dat wordt getransporteerd door het bloed.

In de reactie die wordt gekatalyseerd door het enzym glutamaatsynthase, ondergaat α-ketoglutaraat een reductief amineringsproces, waarbij glutamine deelneemt als een donor van de stikstofgroep.

Hoewel het in een veel kleinere hoeveelheid voorkomt, wordt glutamaat ook bij dieren geproduceerd door de eenstapsreactie tussen α-ketoglutaraat en ammonium (NH4), die wordt gekatalyseerd door het enzym L-glutamaat dehydrogenase, dat alomtegenwoordig is in vrijwel alle levende organismen.

Genoemd enzym associeert met de mitochondriale matrix en de reactie die het katalyseert, kan ruwweg als volgt worden geschreven, waarbij NADPH werkt bij het leveren van reducerend vermogen:

α-ketoglutaraat + NH4 + NADPH → L-glutamaat + NADP (+) + water

Metabolisme en afbraak

Glutaminezuur wordt door de cellen van het lichaam gebruikt voor verschillende doeleinden, waaronder eiwitsynthese, energiemetabolisme, ammoniumfixatie of neurotransmissie.

Glutamaat uit het extracellulaire medium in sommige soorten zenuwcellen kan worden "gerecycled" door het om te zetten in glutamine, dat wordt afgegeven in extracellulaire vloeistoffen en wordt opgenomen door neuronen om weer te worden omgezet in glutamaat, wat bekend staat als de glutaminecyclus . -glutamaat .

Eenmaal ingenomen met voedsel in de voeding, eindigt de opname van glutaminezuur in de darmen doorgaans in de omzetting ervan in andere aminozuren zoals alanine, een proces dat wordt gemedieerd door de cellen van het darmslijmvlies, die het ook als energiebron gebruiken.

De lever daarentegen is verantwoordelijk voor de omzetting in glucose en lactaat, waaruit chemische energie voornamelijk in de vorm van ATP wordt gewonnen.

Het bestaan ​​van verschillende glutamaatmetaboliserende enzymen is gerapporteerd in verschillende organismen, zoals het geval is bij glutamaat dehydrogenases, glutamaat-ammonium liases en glutamines, en veel van deze zijn betrokken bij de ziekte van Alzheimer.

Glutaminezuurrijk voedsel

Glutaminezuur is aanwezig in de meeste voedingsmiddelen die door de mens worden geconsumeerd en sommige auteurs beweren dat voor een mens die 70 kg weegt, de dagelijkse inname van glutaminezuur uit de voeding ongeveer 28 g is.

Tot de voedingsmiddelen die het rijkst zijn aan dit aminozuur behoren die van dierlijke oorsprong, waar vlees (runderen, varkens, schapen, enz.), Eieren, zuivelproducten en vis opvallen. Plantaardig voedsel dat rijk is aan glutamaat, omvat zaden, granen, asperges en andere.

Naast de verschillende soorten voedsel die van nature rijk zijn aan dit aminozuur, een derivaat daarvan, wordt het mononatriumzout van glutamaat gebruikt als additief om de smaak van veel gerechten en industrieel bewerkte voedingsmiddelen te versterken of te versterken.

Voordelen van de inname

Glutamaat dat aan verschillende culinaire bereidingen wordt toegevoegd, helpt de smaak te "induceren" en de smaaksensatie in de mondholte te verbeteren, wat blijkbaar een belangrijke fysiologische en nutritionele betekenis heeft.

Klinische onderzoeken hebben aangetoond dat de inname van glutaminezuur potentiële toepassingen heeft bij de behandeling van "stoornissen" of orale pathologieën die verband houden met smaak en "hyposalivatie" (lage speekselproductie).

Evenzo is glutaminezuur (glutamaat) een voedingsstof die van groot belang is voor het behoud van de normale activiteit van cellen in het darmslijmvlies.

Van de levering van dit aminozuur aan ratten die chemotherapeutische behandelingen hebben ondergaan, is aangetoond dat het de immunologische eigenschappen van de darm verhoogt, naast het handhaven en versterken van de activiteit en functies van het darmslijmvlies.

In Japan daarentegen zijn medische diëten op basis van voedingsmiddelen die rijk zijn aan glutaminezuur ontwikkeld voor patiënten die een 'percutane endoscopische gastronomie' ondergaan, dat wil zeggen dat ze moeten worden gevoed via een maagslang die door de muur is verbonden. buik.

Dit aminozuur wordt ook gebruikt om de eetlust op te wekken bij oudere patiënten met chronische gastritis die normaal gesproken niet eetlust hebben.

Ten slotte suggereren studies met betrekking tot de orale toediening van glutaminezuur en arginine dat deze betrokken zijn bij de positieve regulatie van genen gerelateerd aan adipogenese in spierweefsel en lipolyse in vetweefsel.

Deficiëntiestoornissen

Aangezien glutaminezuur dient als een voorloper bij de synthese van verschillende soorten moleculen, zoals aminozuren en andere neurotransmitters, kunnen genetische defecten die verband houden met de expressie van enzymen die verband houden met de biosynthese en recycling ervan gevolgen hebben voor de gezondheid van het lichaam van elk dier.

Het enzym glutaminezuurdecarboxylase is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de omzetting van glutamaat in gamma-aminoboterzuur (GABA), een neurotransmitter die essentieel is voor remmende zenuwreacties.

Daarom is de balans tussen glutaminezuur en GABA van het grootste belang voor de handhaving van de controle van de corticale prikkelbaarheid, aangezien glutamaat voornamelijk functioneert bij prikkelende zenuwsynapsen.

Omdat glutamaat op zijn beurt betrokken is bij een reeks hersenfuncties zoals leren en geheugen, kan het tekort ervan defecten veroorzaken in deze klassen van cognitieve processen die het als neurotransmitter nodig hebben.

Referenties

1. Ariyoshi, M., Katane, M., Hamase, K., Miyoshi, Y., Nakane, M., Hoshino, A.,… Matoba, S. (2017). D-glutamaat wordt gemetaboliseerd in de mitochondriën van het hart. Scientific Reports, 7 (augustus 2016), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Barret, G. (1985). Chemie en biochemie van de aminozuren. New York: Chapman en Hall.
3. Danbolt, NC (2001). Opname van glutamaat. Vooruitgang in neurobiologie, 65, 1–105.
4. Fonnum, F. (1984). Glutamaat: een neurotransmitter in de hersenen van zoogdieren. Journal of Neurochemistry, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). Internationaal symposium over glutamaat. Glutaminezuur, twintig jaar later.
6. Graham, TE, Sgro, V., Friars, D., en Gibala, MJ (2000). Inname van glutamaat: de plasma- en spiervrije aminozuurpools van mensen in rust. 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). Voedingssupplementen met arginine en glutaminezuur versterken de belangrijkste lipogene genexpressie bij varkens in de groei. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507-5515.
8. Johnson, JL (1972). Glutaminezuur als synaptische zender in het zenuwstelsel. Een recensie. Brain Research, 37, 1–19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D., & Pal, P. (2014). Productie en zuivering van glutaminezuur: een kritische beoordeling van procesintensificatie. Chemische techniek en verwerking: procesintensificatie, 81, 59-71.
10. Mourtzakis, M., en Graham, TE (2002). Inname van glutamaat en de effecten ervan in rust en tijdens inspanning bij mensen. Journal of Applied Physiology, 93 (4), 1251-1259.
11. Neil, E. (2010). Biologische processen voor waterstofproductie. Vooruitgang in Biochemical Engineering / Biotechnology, 123 (juli 2015), 127–141. https://doi.org/10.1007/10
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M., & Forlani, G. (2016). Aminozuren van de glutamaatfamilie: functies die verder gaan dan het primaire metabolisme. Frontiers in Plant Science, 7, 1–3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M., & Kasim, A. (2015). Suppletie met glutamine en glutaminezuur verbetert de prestaties van vleeskuikens onder de warme en vochtige tropische omstandigheden. Italian Journal of Animal Science, 14 (1), 25-29.
14. Umbarger, H. (1978). Aminozuurbiosynthese en de regulering ervan. Ann. Rev. Biochem. , 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). Glutaminezuur en hersenfunctie. Vooruitgang in eiwitchemie, 6, 299-341.
16. Yelamanchi, SD, Jayaram, S., Thomas, JK, Gundimeda, S., Khan, AA, Singhal, A.,… Gowda, H. (2015). Een routekaart van het glutamaatmetabolisme. Journal of Cell Communication and Signaling, 10 (1), 69-75.