Глютаминовая кислота как аминокислота¶

Глютаминовая кислота (глутаминовая кислота, α-аминоглутаровая кислота) — одна из двадцати стандартных протеиногенных аминокислот, входящая в состав белков всех живых организмов. По химической природе представляет собой алифатическую дикарбоновую α-аминокислоту с брутто-формулой C₅H₉NO₄ и молекулярной массой около 147,13 г/моль. В физиологических условиях карбоксильные группы диссоциированы, поэтому в организме кислота существует преимущественно в виде аниона — глутамат-иона. Наряду с аспарагиновой кислотой относится к группе кислых аминокислот и играет центральную роль в азотистом обмене, а также выступает главным возбуждающим нейромедиатором центральной нервной системы.

¶Химическое строение и свойства

Молекула содержит две карбоксильные группы (–COOH) и одну аминогруппу (–NH₂) у α-углеродного атома. Благодаря наличию дополнительной карбоксильной группы в боковой цепи глютаминовая кислота проявляет выраженные кислотные свойства и при физиологическом значении pH (около 7,4) несёт отрицательный заряд. Изоэлектрическая точка находится в слабокислой области — примерно при pH 3,2.

Вещество хорошо растворимо в воде, обладает характерным вкусом умами, слабо растворимо в этаноле и практически нерастворимо в неполярных растворителях. Существует в виде двух оптических изомеров — L- и D-форм; в составе белков встречается почти исключительно L-глутаминовая кислота. При нагревании может образовывать циклический амид — пироглутаминовую кислоту.

¶Биологическая роль

Глютаминовая кислота участвует в ключевых метаболических процессах:

• Синтез белков — кодируется кодонами GAA и GAG и включается в полипептидные цепи в ходе трансляции.
• Азотистый обмен — служит донором аминогруппы в реакциях переаминирования (трансаминирования), обеспечивая связь между обменом аминокислот и углеводов.
• Обезвреживание аммиака — в мозге и печени связывает токсичный аммиак с образованием глутамина, который транспортируется кровью и выводится почками.
• Нейромедиация — глутамат является основным возбуждающим медиатором мозга, действующим через ионотропные (NMDA, AMPA, каинатные) и метаботропные рецепторы.
• Предшественник других соединений — из неё синтезируются γ-аминомасляная кислота (ГАМК), глутатион, аргинин, пролин и другие вещества.

¶Метаболизм

В клетках глютаминовая кислота образуется главным образом путём трансаминирования α-кетоглутаровой кислоты — промежуточного продукта цикла трикарбоновых кислот. Обратная реакция связывает обмен аминокислот с энергетическим метаболизмом. Ключевые ферменты — глутаматдегидрогеназа, аспартатаминотрансфераза и аланинаминотрансфераза.

В нервной ткани глутамат после высвобождения в синаптическую щель быстро захватывается астроцитами и нейронами с помощью специфических транспортёров (EAAT), что предотвращает чрезмерную активацию рецепторов и связанное с ней повреждение нейронов (эксайтотоксичность).

¶Применение

¶Пищевая промышленность

Натриевая соль глютаминовой кислоты — глутамат натрия (E621) — широко применяется как усилитель вкуса. Это одно из наиболее изученных пищевых добавок; её безопасность в допустимых дозах подтверждена рядом международных организаций. Помимо E621, используются глутамат калия (E622), кальция (E623), магния (E624) и аммония (E625).

¶Медицина

Препараты глютаминовой кислоты применяются в неврологии и психиатрии, в частности при некоторых состояниях, сопровождающихся нарушениями обмена веществ в нервной системе. Вещество используется также в составе растворов для парентерального питания и как источник азота.

¶Биотехнология и лабораторная практика

Глутамин и глутамат входят в состав многих питательных сред для культивирования клеток. В аналитической химии реакция с глютаминовой кислотой применяется в биохимических тестах.

¶Источники и получение

В природе глютаминовая кислота содержится в белках животного и растительного происхождения. Богаты ею мясо, рыба, молочные продукты, соя, грибы, помидоры, сыр и водоросли. В организме человека она синтезируется в достаточных количествах, поэтому не относится к незаменимым аминокислотам.

Промышленно кислоту получают микробиологическим синтезом с использованием бактерий Corynebacterium glutamicum, а также методами ферментативного катализа и химического синтеза. Промышленное производство глутамата натрия было налажено в Японии в первой половине XX века и с тех пор стало крупнотоннажным.

¶Значение и изучение

Открытие глютаминовой кислоты относят к 1866 году, когда немецкий химик Карл Генрих Риттхаузен выделил её из растительного белка — клейковины пшеницы. Позднее, в 1908 году, японский исследователь Кикунаэ Икэда установил, что именно глутамат обусловливает вкус умами, что положило начало промышленному применению вещества в пищевой отрасли.

Глутаматная система остаётся одним из наиболее активно изучаемых направлений нейробиологии. Нарушения глутаматергической передачи связывают с эпилепсией, болезнью Альцгеймера, шизофренией, ишемическими повреждениями мозга и рядом других патологий, что делает рецепторы глутамата перспективной мишенью для разработки лекарственных средств.