ACIDO GLUTAMMICO: CARATTERISTICHE, FUNZIONI, BIOSINTESI - BIOLOGIA - 2024

L' acido glutammico è uno dei 22 aminoacidi che compongono le proteine ​​in tutti gli esseri viventi e uno dei più abbondanti in natura. Poiché il corpo umano ha percorsi intrinseci per la sua biosintesi, non è considerato essenziale.

Insieme all'acido aspartico, l'acido glutammico appartiene al gruppo degli amminoacidi polari a carica negativa e, secondo i due sistemi di nomenclatura esistenti (di tre o una lettera), è indicato come " Glu " o come " E ".

Struttura dell'amminoacido Acido glutammico (Fonte: Hbf878 tramite Wikimedia Commons)

Questo amminoacido fu scoperto nel 1866 dal chimico tedesco Rittershausen mentre studiava gli idrolizzati del glutine di frumento, da cui il nome "glutammico". Dopo la sua scoperta, la sua presenza è stata determinata in gran parte degli esseri viventi, quindi si pensa che abbia funzioni essenziali per la vita.

L'acido L-glutammico è considerato uno dei più importanti mediatori nella trasmissione dei segnali eccitatori nel sistema nervoso centrale degli animali vertebrati ed è anche necessario per la normale funzione cerebrale, nonché per lo sviluppo cognitivo, la memoria e L'apprendimento.

Alcuni dei suoi derivati ​​hanno anche funzioni importanti a livello industriale, soprattutto per quanto riguarda le preparazioni culinarie, in quanto aiutano ad esaltare il sapore dei cibi.

caratteristiche

Nonostante non sia un amminoacido essenziale per l'uomo, il glutammato (la forma ionizzata dell'acido glutammico) ha importanti implicazioni nutrizionali per la crescita animale ed è stato suggerito che abbia un valore nutritivo molto più elevato rispetto ad altri amminoacidi non essenziali.

Questo amminoacido è particolarmente abbondante nel cervello, soprattutto nello spazio intracellulare (citosol), che consente l'esistenza di un gradiente tra il citosol e lo spazio extracellulare, che è delimitato dalla membrana plasmatica delle cellule nervose.

Poiché ha molte funzioni nelle sinapsi eccitatorie e che esercita le sue funzioni agendo su recettori specifici, la sua concentrazione è mantenuta a livelli controllati, soprattutto nell'ambiente extracellulare, poiché questi recettori generalmente "guardano" fuori dalle cellule.

I siti di maggiore concentrazione di glutammato sono i terminali nervosi, tuttavia la sua distribuzione è condizionata dal fabbisogno energetico delle cellule in tutto il corpo.

A seconda del tipo di cellula, quando l'acido glutammico vi entra, può essere diretto verso i mitocondri, a fini energetici, oppure può essere ridistribuito verso vescicole sinaptiche, entrambe utilizzano specifici sistemi di trasporto intracellulare.

Struttura

L'acido glutammico, come il resto degli amminoacidi, è un α-amminoacido che ha un atomo di carbonio centrale (che è chirale), il carbonio α, a cui sono attaccati altri quattro gruppi: un gruppo carbossilico, un gruppo amminico, un atomo di idrogeno e un gruppo sostituente (catena laterale o gruppo R).

Il gruppo R dell'acido glutammico conferisce alla molecola un secondo gruppo carbossilico (-COOH) e la sua struttura è -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- nella sua forma ionizzata), quindi la somma degli atomi il carbonio totale della molecola è cinque.

Questo amminoacido ha una massa relativa di 147 g / mol e la costante di dissociazione (pKa) del suo gruppo R è 4,25. Ha un punto isoelettrico di 3,22 e l'indice medio di presenza di proteine ​​è intorno al 7%.

Poichè a pH neutro (intorno a 7) l'acido glutammico è ionizzato e ha una carica negativa, è classificato nel gruppo degli amminoacidi polari a carica negativa, gruppo in cui è compreso anche l'acido aspartico (aspartato, nella sua forma ionizzata ).

Caratteristiche

L'acido glutammico o la sua forma ionizzata, glutammato, ha molteplici funzioni, non solo da un punto di vista fisiologico, ma anche da un punto di vista industriale, clinico e gastronomico.

Funzioni fisiologiche dell'acido glutammico

Una delle funzioni fisiologiche più popolari dell'acido glutammico nel corpo della maggior parte dei vertebrati è il suo ruolo di neurotrasmettitore eccitatorio nel cervello. È stato determinato che oltre l'80% delle sinapsi eccitatorie comunica utilizzando il glutammato o uno dei suoi derivati.

Tra le funzioni delle sinapsi che utilizzano questo amminoacido durante la segnalazione ci sono il riconoscimento, l'apprendimento, la memoria e altre.

Il glutammato è anche correlato allo sviluppo del sistema nervoso, all'inizio e all'eliminazione delle sinapsi e alla migrazione, differenziazione e morte delle cellule. È importante per la comunicazione tra organi periferici come il tratto alimentare, il pancreas e le ossa.

Inoltre, il glutammato ha funzioni sia nei processi di sintesi proteica e peptidica, sia nella sintesi degli acidi grassi, nella regolazione dei livelli di azoto cellulare e nel controllo dell'equilibrio anionico e osmotico.

Serve come precursore per diversi intermedi del ciclo dell'acido tricarbossilico (ciclo di Krebs) e anche per altri neurotrasmettitori come il GABA (acido gamma aminobutirrico). A sua volta, è un precursore nella sintesi di altri aminoacidi come L-prolina, L-arginina e L-alanina.

Applicazioni cliniche

Diversi approcci farmaceutici si basano principalmente sui recettori dell'acido glutammico come bersagli terapeutici per il trattamento di malattie psichiatriche e altre patologie legate alla memoria.

Il glutammato è stato anche utilizzato come agente attivo in diverse formulazioni farmacologiche progettate per il trattamento degli infarti del miocardio e della dispepsia funzionale (problemi gastrici o indigestione).

Applicazioni industriali dell'acido glutammico

L'acido glutammico ei suoi derivati ​​hanno diverse applicazioni in diversi settori. Ad esempio, il sale monosodico del glutammato viene utilizzato nell'industria alimentare come condimento.

Questo amminoacido è anche il materiale di partenza per la sintesi di altre sostanze chimiche e il poliacido glutammico è un polimero anionico naturale che è biodegradabile, commestibile e non tossico per l'uomo o l'ambiente.

Nell'industria alimentare è anche usato come addensante e come agente "lenitivo" dell'amarezza di diversi alimenti.

Viene anche usato come crioprotettore, come adesivo biologico "curabile", come trasportatore di farmaci, per la progettazione di fibre biodegradabili e idrogel in grado di assorbire grandi quantità di acqua, tra gli altri.

biosintesi

Tutti gli amminoacidi derivano da intermedi glicolitici, dal ciclo di Krebs o dalla via del pentoso fosfato. Il glutammato, nello specifico, è ottenuto da glutammina, α-chetoglutarato e 5-ossoprolina, tutti derivati ​​dal ciclo di Krebs.

La via biosintetica di questo amminoacido è abbastanza semplice e le sue fasi si trovano in quasi tutti gli organismi viventi.

Metabolismo del glutammato e dell'azoto

Nel metabolismo dell'azoto, è attraverso il glutammato e la glutammina che l'ammonio viene incorporato nelle diverse biomolecole del corpo e, attraverso le reazioni di transaminazione, il glutammato fornisce i gruppi amminici della maggior parte degli amminoacidi.

Pertanto, questa via prevede l'assimilazione di ioni ammonio alle molecole di glutammato, che avviene in due reazioni.

Il primo passo del percorso è catalizzato da un enzima noto come glutammina sintetasi, che è presente praticamente in tutti gli organismi ed è coinvolto nella riduzione del glutammato e dell'ammoniaca per produrre glutammina.

Nei batteri e nelle piante, invece, il glutammato è prodotto dalla glutammina dall'enzima noto come glutammato sintasi.

Negli animali, questo è prodotto dalla transaminazione dell'α-chetoglutarato, che avviene durante il catabolismo degli amminoacidi. La sua funzione principale nei mammiferi è convertire l'ammoniaca libera tossica in glutammina, che viene trasportata dal sangue.

Nella reazione catalizzata dall'enzima glutammato sintasi, l'α-chetoglutarato passa attraverso un processo di amminazione riduttiva, dove la glutammina partecipa come donatrice del gruppo azoto.

Sebbene si manifesti in misura molto minore, negli animali il glutammato è anche prodotto dalla reazione in una sola fase tra α-chetoglutarato e ammonio (NH4), che è catalizzato dall'enzima L-glutammato deidrogenasi, ubiquitario in quasi tutti organismi viventi.

Detto enzima si associa alla matrice mitocondriale e la reazione che catalizza può essere scritta approssimativamente come segue, dove NADPH funziona nel fornire potenza riducente:

α-chetoglutarato + NH4 + NADPH → L-glutammato + NADP (+) + acqua

Metabolismo e degradazione

L'acido glutammico è utilizzato dalle cellule del corpo per diversi scopi, tra cui la sintesi proteica, il metabolismo energetico, la fissazione dell'ammonio o la neurotrasmissione.

Il glutammato prelevato dal mezzo extracellulare in alcuni tipi di cellule nervose può essere "riciclato" convertendolo in glutammina, che viene rilasciata in fluidi extracellulari e assorbita dai neuroni per essere ritrasformata in glutammato, noto come ciclo della glutammina . -glutammato .

Una volta ingerito con gli alimenti nella dieta, l'assorbimento intestinale dell'acido glutammico termina generalmente nella sua trasformazione in altri aminoacidi come l'alanina, processo mediato dalle cellule della mucosa intestinale, che lo utilizzano anche come fonte di energia.

Il fegato, invece, è responsabile della sua conversione in glucosio e lattato, da cui si estrae l'energia chimica principalmente sotto forma di ATP.

L'esistenza di vari enzimi che metabolizzano il glutammato è stata segnalata in diversi organismi, come nel caso di glutammato deidrogenasi, glutammato-ammonio liasi e glutaminasi, e molti di questi sono stati implicati nella malattia di Alzheimer.

Alimenti ricchi di acido glutammico

L'acido glutammico è presente nella maggior parte degli alimenti consumati dall'uomo e alcuni autori sostengono che per un essere umano del peso di 70 kg, l'apporto giornaliero di acido glutammico derivato dalla dieta è di circa 28 g.

Tra gli alimenti più ricchi di questo amminoacido ci sono quelli di origine animale, dove spiccano carne (bovina, suina, ovina, ecc.), Uova, latticini e pesce. Gli alimenti a base vegetale ricchi di glutammato includono semi, cereali, asparagi e altri.

Oltre ai diversi tipi di alimenti naturalmente ricchi di questo amminoacido, un suo derivato, il sale monosodico del glutammato viene utilizzato come additivo per esaltare o aumentare il sapore di molte pietanze e alimenti lavorati industrialmente.

Benefici della sua assunzione

Il glutammato aggiunto a diverse preparazioni culinarie aiuta a "indurre" il gusto ea migliorare la sensazione gustativa nel cavo orale, che apparentemente ha importanti significati fisiologici e nutrizionali.

Studi clinici hanno dimostrato che l'ingestione di acido glutammico ha potenziali applicazioni nel trattamento di "disturbi" o patologie orali legate al gusto e alla "iposalivazione" (bassa produzione di saliva).

Allo stesso modo, l'acido glutammico (glutammato) è un nutriente di grande importanza per il mantenimento della normale attività delle cellule della mucosa intestinale.

L'apporto di questo amminoacido ai ratti che hanno subito trattamenti chemioterapici ha dimostrato di aumentare le caratteristiche immunologiche dell'intestino, oltre a mantenere e potenziare l'attività e le funzioni della mucosa intestinale.

In Giappone, invece, le diete mediche a base di alimenti ricchi di acido glutammico sono state pensate per i pazienti sottoposti a "gastronomia endoscopica percutanea", cioè devono essere alimentati attraverso un tubo gastrico che è collegato attraverso il muro addominale.

Questo amminoacido è anche usato per indurre l'appetito nei pazienti anziani con gastrite cronica che sono normalmente inappetenti.

Infine, studi relativi all'apporto orale di acido glutammico e arginina suggeriscono che sono coinvolti nella regolazione positiva dei geni legati all'adipogenesi nel tessuto muscolare e alla lipolisi nei tessuti adiposi.

Disturbi da carenza

Poiché l'acido glutammico funge da precursore nella sintesi di vari tipi di molecole come amminoacidi e altri neurotrasmettitori, i difetti genetici associati all'espressione di enzimi legati alla sua biosintesi e al suo riciclaggio possono avere conseguenze per la salute del corpo di qualsiasi animale.

Ad esempio, l'enzima decarbossilasi dell'acido glutammico è responsabile della conversione del glutammato in acido gamma aminobutirrico (GABA), un neurotrasmettitore essenziale per le reazioni nervose inibitorie.

Pertanto, l'equilibrio tra acido glutammico e GABA è della massima importanza per il mantenimento del controllo dell'eccitabilità corticale, poiché il glutammato funziona principalmente nelle sinapsi dei nervi eccitatori.

A sua volta, poiché il glutammato è coinvolto in una serie di funzioni cerebrali come l'apprendimento e la memoria, la sua carenza potrebbe causare difetti in questi tipi di processi cognitivi che lo richiedono come neurotrasmettitore.

Riferimenti

1. Ariyoshi, M., Katane, M., Hamase, K., Miyoshi, Y., Nakane, M., Hoshino, A.,… Matoba, S. (2017). Il D-glutammato viene metabolizzato nei mitocondri cardiaci. Scientific Reports, 7 (agosto 2016), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep43911
2. Barret, G. (1985). Chimica e biochimica degli amminoacidi. New York: Chapman e Hall.
3. Danbolt, NC (2001). Assorbimento del glutammato. Progress in Neurobiology, 65, 1–105.
4. Fonnum, F. (1984). Glutammato: un neurotrasmettitore nel cervello dei mammiferi. Journal of Neurochemistry, 18 (1), 27–33.
5. Garattini, S. (2000). Simposio internazionale sul glutammato. Acido glutammico, vent'anni dopo.
6. Graham, TE, Sgro, V., Friars, D. e Gibala, MJ (2000). Ingestione di glutammato: i pool di amminoacidi liberi dal plasma e dai muscoli degli esseri umani a riposo. 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). L'integrazione alimentare con arginina e acido glutammico migliora l'espressione genica lipogenica chiave nei suini in crescita. Journal of Animal Science, 95 (12), 5507-5515.
8. Johnson, JL (1972). Acido glutammico come trasmettitore sinaptico nel sistema nervoso. Una recensione. Brain Research, 37, 1–19.
9. Kumar, R., Vikramachakravarthi, D., & Pal, P. (2014). Produzione e purificazione dell'acido glutammico: una revisione critica verso l'intensificazione del processo. Ingegneria chimica e lavorazione: intensificazione dei processi, 81, 59–71.
10. Mourtzakis, M. e Graham, TE (2002). Ingestione di glutammato e suoi effetti a riposo e durante l'esercizio nell'uomo. Journal of Applied Physiology, 93 (4), 1251-1259.
11. Neil, E. (2010). Processi biologici per la produzione di idrogeno. Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology, 123 (luglio 2015), 127-141. https://doi.org/10.1007/10
12. Okumoto, S., Funck, D., Trovato, M., & Forlani, G. (2016). Amminoacidi della famiglia del glutammato: funzioni oltre il metabolismo primario. Frontiers in Plant Science, 7, 1–3.
13. Olubodun, JO, Zulkifli, I., Farjam, AS, Hair-Bejo, M. e Kasim, A. (2015). La supplementazione di glutammina e acido glutammico migliora le prestazioni dei polli da carne in condizioni tropicali calde e umide. Italian Journal of Animal Science, 14 (1), 25-29.
14. Umbarger, H. (1978). Biosintesi degli aminoacidi e sua regolazione. Ann. Rev. Biochem. , 47, 533-606.
15. Waelsch, H. (1951). Acido glutammico e funzione cerebrale. Advances in Protein Chemistry, 6, 299–341.
16. Yelamanchi, SD, Jayaram, S., Thomas, JK, Gundimeda, S., Khan, AA, Singhal, A.,… Gowda, H. (2015). Una mappa delle vie del metabolismo del glutammato. Journal of Cell Communication and Signaling, 10 (1), 69-75.