حمض الجلوتاميك: الخصائص والوظائف والتركيب الحيوي - مادة الاحياء - 2026

و حمض الجلوتاميك هو واحد من 22 الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات في جميع الكائنات الحية واحدة من الأكثر وفرة في الطبيعة. نظرًا لأن جسم الإنسان لديه مسارات جوهرية لتكوينه الحيوي ، فإنه لا يعتبر ضروريًا.

إلى جانب حمض الأسبارتيك ، ينتمي حمض الجلوتاميك إلى مجموعة الأحماض الأمينية القطبية سالبة الشحنة ، ووفقًا لنظامي التسمية الحاليين (من ثلاثة أو حرف واحد) ، يُشار إليه على أنه " Glu " أو " E ".

هيكل حمض الجلوتاميك من الأحماض الأمينية (المصدر: Hbf878 عبر ويكيميديا ​​كومنز)

تم اكتشاف هذا الحمض الأميني في عام 1866 من قبل الكيميائي الألماني ريترسهاوزن بينما كان يدرس جلوتين القمح المتحلل بالماء ، ومن هنا جاء اسمه "جلوتاميك". بعد اكتشافه ، تم تحديد وجوده في جزء كبير من الكائنات الحية ، لذلك يُعتقد أن له وظائف أساسية للحياة.

يعتبر حمض L-glutamic أحد أهم الوسطاء في نقل الإشارات المثيرة في الجهاز العصبي المركزي للحيوانات الفقارية ، وهو ضروري أيضًا لوظيفة الدماغ الطبيعية ، وكذلك للنمو المعرفي والذاكرة و التعليم.

كما أن لبعض مشتقاتها وظائف مهمة على المستوى الصناعي ، خاصة فيما يتعلق بتحضيرات الطهي ، حيث تساعد على تعزيز نكهة الطعام.

مميزات

على الرغم من عدم كونه من الأحماض الأمينية الأساسية للبشر ، إلا أن الغلوتامات (الشكل المتأين لحمض الجلوتاميك) له آثار غذائية مهمة على نمو الحيوان وقد اقترح أن يكون له قيمة غذائية أعلى بكثير من الأحماض الأمينية غير الأساسية الأخرى.

هذا الحمض الأميني موجود بكثرة بشكل خاص في الدماغ ، خاصة في الفضاء داخل الخلايا (العصارة الخلوية) ، مما يسمح بوجود تدرج بين العصارة الخلوية والفضاء خارج الخلية ، والذي يحده غشاء البلازما للخلايا العصبية.

نظرًا لأن لها العديد من الوظائف في المشابك الاستثارة ولأنها تمارس وظائفها من خلال العمل على مستقبلات معينة ، فإن تركيزها يتم الاحتفاظ به عند مستويات مضبوطة ، خاصة في البيئة خارج الخلية ، نظرًا لأن هذه المستقبلات عمومًا "تنظر" خارج الخلايا.

مواقع أعلى تركيز للجلوتامات هي الأطراف العصبية ، ومع ذلك ، فإن توزيعها مشروط باحتياجات الخلايا من الطاقة في جميع أنحاء الجسم.

اعتمادًا على نوع الخلية ، عندما يدخل حمض الجلوتاميك إلى الخلية ، يمكن توجيهه نحو الميتوكوندريا ، لأغراض الطاقة ، أو يمكن إعادة توزيعه نحو الحويصلات المشبكية وكلتا العمليتين تستخدمان أنظمة نقل محددة داخل الخلايا.

بناء

حمض الجلوتاميك ، مثله مثل باقي الأحماض الأمينية ، هو حمض أميني ألفا يحتوي على ذرة كربون مركزية (وهي لازوردية) ، والكربون α ، والتي ترتبط بها أربع مجموعات أخرى: مجموعة كربوكسيل ، مجموعة أمينية ، أ ذرة الهيدروجين ومجموعة بديلة (سلسلة جانبية أو مجموعة R).

تعطي مجموعة R من حمض الغلوتاميك الجزيء مجموعة كربوكسيل ثانية (-COOH) وهيكلها -CH2-CH2-COOH (-CH2-CH2-COO- في شكلها المتأين) ، وبالتالي فإن مجموع الذرات إجمالي الكربون للجزيء خمسة.

يحتوي هذا الحمض الأميني على كتلة نسبية تبلغ 147 جم / مول وثابت التفكك (pKa) لمجموعة R الخاصة به هو 4.25. لديها نقطة تساوي كهربية تبلغ 3.22 ويبلغ متوسط ​​مؤشر وجود البروتين حوالي 7 ٪.

نظرًا لأنه عند درجة الحموضة المحايدة (حوالي 7) ، يتأين حمض الجلوتاميك وله شحنة سالبة ، يتم تصنيفه ضمن مجموعة الأحماض الأمينية القطبية سالبة الشحنة ، وهي مجموعة يتم فيها أيضًا تضمين حمض الأسبارتيك (الأسبارتات ، في صورته المؤينة)).

المميزات

لحمض الجلوتاميك أو شكله المؤين ، الجلوتامات ، له وظائف متعددة ، ليس فقط من وجهة نظر فسيولوجية ، ولكن أيضًا من وجهة نظر صناعية وسريرية وتذوقية.

الوظائف الفسيولوجية لحمض الجلوتاميك

واحدة من الوظائف الفسيولوجية الأكثر شيوعًا لحمض الجلوتاميك في جسم معظم الفقاريات هو دوره كناقل عصبي مثير في الدماغ. لقد تم تحديد أن أكثر من 80 ٪ من المشابك المثيرة تتواصل باستخدام الغلوتامات أو أحد مشتقاته.

من بين وظائف نقاط الاشتباك العصبي التي تستخدم هذا الحمض الأميني أثناء الإشارة هي التعرف والتعلم والذاكرة وغيرها.

يرتبط الجلوتامات أيضًا بتطور الجهاز العصبي ، وبدء التشابك العصبي والقضاء عليه ، وهجرة الخلايا ، والتمايز ، والموت. إنه مهم للتواصل بين الأعضاء المحيطية مثل الجهاز الهضمي والبنكرياس والعظام.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الغلوتامات لها وظائف في كل من عمليات تخليق البروتين والببتيد ، وكذلك في تخليق الأحماض الدهنية ، وفي تنظيم مستويات النيتروجين الخلوي وفي التحكم في التوازن الأنيوني والتناضحي.

إنه بمثابة مقدمة لمختلف المواد الوسيطة لدورة حمض الكربوكسيليك (دورة كريبس) وأيضًا للناقلات العصبية الأخرى مثل GABA (حمض جاما أمينوبوتيريك). وهو بدوره مقدمة في تركيب الأحماض الأمينية الأخرى مثل إل-برولين ، إل-أرجينين ، إل-ألانين.

التطبيقات السريرية

تعتمد الأساليب الصيدلانية المختلفة بشكل أساسي على مستقبلات حمض الجلوتاميك كأهداف علاجية لعلاج الأمراض النفسية وغيرها من الأمراض المتعلقة بالذاكرة.

كما تم استخدام الغلوتامات كعامل نشط في تركيبات دوائية مختلفة مصممة لعلاج احتشاء عضلة القلب وعسر الهضم الوظيفي (مشاكل في المعدة أو عسر الهضم).

التطبيقات الصناعية لحمض الجلوتاميك

حمض الجلوتاميك ومشتقاته لها تطبيقات متنوعة في صناعات مختلفة. على سبيل المثال ، يستخدم ملح الجلوتامات أحادي الصوديوم في صناعة المواد الغذائية كتوابل.

هذا الحمض الأميني هو أيضًا مادة البداية لتخليق مواد كيميائية أخرى والبوليمر الجلوتاميك هو بوليمر أنيوني طبيعي قابل للتحلل الحيوي ، صالح للأكل وغير سام للإنسان أو البيئة.

في صناعة المواد الغذائية ، يتم استخدامه أيضًا كمثخن وكعامل "مخلص" لمرارة الأطعمة المختلفة.

كما أنه يستخدم كمادة واقية من التجمد ، كمادة لاصقة بيولوجية "قابلة للعلاج" ، وناقل للأدوية ، لتصميم الألياف القابلة للتحلل الحيوي والهيدروجيلات القادرة على امتصاص كميات كبيرة من الماء ، من بين أشياء أخرى.

التخليق الحيوي

جميع الأحماض الأمينية مشتقة من وسيطة حال السكر ، أو دورة كريبس ، أو مسار فوسفات البنتوز. يتم الحصول على الجلوتامات ، على وجه التحديد ، من الجلوتامين ، ألفا كيتوجلوتارات و 5 أوكسوبرولين ، وكلها مشتقة من دورة كريبس.

مسار التخليق الحيوي لهذا الحمض الأميني بسيط للغاية وخطواته موجودة في جميع الكائنات الحية تقريبًا.

أيض الجلوتامات والنيتروجين

في عملية التمثيل الغذائي للنيتروجين ، يتم دمج الأمونيوم من خلال الجلوتامات والجلوتامين في الجزيئات الحيوية المختلفة للجسم ، ومن خلال تفاعلات التحويل ، يوفر الغلوتامات المجموعات الأمينية لمعظم الأحماض الأمينية.

وبالتالي ، فإن هذا المسار ينطوي على استيعاب أيونات الأمونيوم لجزيئات الغلوتامات ، والذي يحدث في تفاعلين.

يتم تحفيز الخطوة الأولى في المسار بواسطة إنزيم يُعرف باسم إنزيم الجلوتامين سينثيتاز ، والذي يوجد فعليًا في جميع الكائنات الحية ويشارك في تقليل الجلوتامات والأمونيا لإنتاج الجلوتامين.

في البكتيريا والنباتات ، بدلاً من ذلك ، يتم إنتاج الجلوتامات من الجلوتامين بواسطة الإنزيم المعروف باسم غلوتامات سينثيز.

في الحيوانات ، يتم إنتاج هذا من نقل α-ketoglutarate ، والذي يحدث أثناء تقويض الأحماض الأمينية. وتتمثل وظيفته الرئيسية في الثدييات في تحويل الأمونيا الخالية من السمية إلى جلوتامين ، والذي ينتقل عن طريق الدم.

في التفاعل المحفز بواسطة إنزيم الغلوتامات سينثاس ، يمر α-ketoglutarate بعملية amination اختزالية ، حيث يشارك الجلوتامين كمانح لمجموعة النيتروجين.

على الرغم من أنه يحدث بدرجة أقل بكثير ، إلا أنه يتم إنتاج الغلوتامات في الحيوانات أيضًا من خلال تفاعل من خطوة واحدة بين α-ketoglutarate والأمونيوم (NH4) ، والذي يتم تحفيزه بواسطة إنزيم L-glutamate dehydrogenase ، الموجود في كل مكان تقريبًا كائنات حية.

يرتبط الإنزيم المذكور بمصفوفة الميتوكوندريا ويمكن كتابة التفاعل الذي يحفزه تقريبًا على النحو التالي ، حيث يعمل NADPH في توفير طاقة الاختزال:

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

التمثيل الغذائي والتدهور

تستخدم خلايا الجسم حمض الجلوتاميك لخدمة أغراض مختلفة ، من بينها تخليق البروتين ، أو استقلاب الطاقة ، أو تثبيت الأمونيوم ، أو النقل العصبي.

يمكن "إعادة تدوير" الغلوتامات المأخوذة من الوسط خارج الخلية في بعض أنواع الخلايا العصبية عن طريق تحويلها إلى جلوتامين ، والذي يتم إطلاقه في سوائل خارج الخلية وتناوله الخلايا العصبية ليتم تحويله مرة أخرى إلى جلوتامات ، والتي تعرف بدورة الجلوتامين. -جلوتامات.

بمجرد تناول الطعام في النظام الغذائي ، ينتهي الامتصاص المعوي لحمض الجلوتاميك عمومًا في تحوله إلى أحماض أمينية أخرى مثل الألانين ، وهي عملية تتوسط فيها خلايا الغشاء المخاطي المعوي ، والتي تستخدمها أيضًا كمصدر للطاقة.

من ناحية أخرى ، فإن الكبد مسؤول عن تحويله إلى جلوكوز ولاكتات ، حيث يتم استخراج الطاقة الكيميائية بشكل أساسي على شكل ATP.

تم الإبلاغ عن وجود العديد من إنزيمات أيض الغلوتامات في كائنات مختلفة ، مثل حالة نازعات الهيدروجين الغلوتامات والغلوتامات-الأمونيوم والغلوتامين ، والعديد منها متورط في مرض الزهايمر.

الأطعمة الغنية بحمض الجلوتاميك

يوجد حمض الجلوتاميك في معظم الأطعمة التي يستهلكها الإنسان ، ويدعي بعض المؤلفين أنه بالنسبة للإنسان الذي يزن 70 كجم ، فإن المدخول اليومي من حمض الجلوتاميك المشتق من النظام الغذائي يبلغ حوالي 28 جرامًا.

من بين الأطعمة الغنية بهذا الأحماض الأمينية تلك التي من أصل حيواني ، حيث تبرز اللحوم (الأبقار ، الخنازير ، الغنم ، إلخ) والبيض ومنتجات الألبان والأسماك. تشمل الأطعمة النباتية الغنية بالجلوتامات البذور والحبوب والهليون وغيرها.

بالإضافة إلى الأنواع المختلفة من الأطعمة الغنية بشكل طبيعي بهذا الحمض الأميني ، وهو أحد مشتقاته ، يستخدم ملح الغلوتامات أحادي الصوديوم كمضاف لتعزيز أو زيادة نكهة العديد من الأطباق والأطعمة المصنعة صناعياً.

فوائد تناوله

يساعد الغلوتامات المضافة إلى مستحضرات الطهي المختلفة على "تحفيز" التذوق وتحسين الإحساس بالذوق في تجويف الفم ، والذي يبدو أن له أهمية فسيولوجية وغذائية مهمة.

أظهرت التجارب السريرية أن تناول حمض الجلوتاميك له تطبيقات محتملة في علاج "الاضطرابات" أو أمراض الفم المتعلقة بالذوق و "نقص اللعاب" (انخفاض إنتاج اللعاب).

وبالمثل ، فإن حمض الجلوتاميك (الغلوتامات) هو عنصر غذائي ذو أهمية كبيرة للحفاظ على النشاط الطبيعي للخلايا في الغشاء المخاطي للأمعاء.

وقد ثبت أن إمداد الجرذان التي خضعت للعلاج الكيميائي بهذا الحمض الأميني يزيد من الخصائص المناعية للأمعاء ، بالإضافة إلى الحفاظ على نشاط ووظائف الغشاء المخاطي المعوي وتعزيزهما.

من ناحية أخرى ، في اليابان ، تم تصميم النظم الغذائية الطبية القائمة على الأطعمة الغنية بحمض الجلوتاميك للمرضى الذين يخضعون لـ "فن الطهو بالمنظار عن طريق الجلد" ، أي يجب إطعامهم من خلال أنبوب معدة متصل من خلال الجدار البطني.

يستخدم هذا الحمض الأميني أيضًا للحث على الشهية لدى المرضى المسنين المصابين بالتهاب المعدة المزمن والذين عادة ما يكونون غير نشيطين.

أخيرًا ، تشير الدراسات المتعلقة بالإمداد الفموي لحمض الجلوتاميك والأرجينين إلى أن هذه العناصر تشارك في التنظيم الإيجابي للجينات المرتبطة بتكوين الشحم في الأنسجة العضلية وتحلل الدهون في الأنسجة الدهنية.

اضطرابات النقص

نظرًا لأن حمض الجلوتاميك بمثابة مقدمة في تخليق أنواع مختلفة من الجزيئات مثل الأحماض الأمينية والناقلات العصبية الأخرى ، فإن العيوب الوراثية المرتبطة بالتعبير عن الإنزيمات المتعلقة بالتركيب الحيوي وإعادة التدوير يمكن أن يكون لها عواقب على صحة جسم أي حيوان.

على سبيل المثال ، فإن إنزيم ديكاربوكسيلاز حمض الجلوتاميك مسؤول عن تحويل الغلوتامات إلى حمض جاما أمينوبوتيريك (GABA) ، وهو ناقل عصبي ضروري للتفاعلات العصبية المثبطة.

لذلك ، فإن التوازن بين حمض الغلوتاميك و GABA له أهمية قصوى للحفاظ على التحكم في استثارة القشرة ، حيث يعمل الغلوتامات بشكل رئيسي في نقاط الاشتباك العصبي المثيرة.

في المقابل ، نظرًا لأن الغلوتامات تشارك في سلسلة من وظائف الدماغ مثل التعلم والذاكرة ، فإن نقصها يمكن أن يتسبب في حدوث عيوب في هذه الفئات من العمليات المعرفية التي تتطلبها كناقل عصبي.

المراجع

1. Ariyoshi، M.، Katane، M.، Hamase، K.، Miyoshi، Y.، Nakane، M.، Hoshino، A.،… Matoba، S. (2017). يتم استقلاب D-Glutamate في ميتوكوندريا القلب. التقارير العلمية ، 7 (أغسطس 2016) ، 1–9.
2. باريت ، ج. (1985). الكيمياء والكيمياء الحيوية للأحماض الأمينية. نيويورك: تشابمان وهول.
3. دانبولت ، نورث كارولاينا (2001). امتصاص الغلوتامات. التقدم في علم الأعصاب ، 65 ، 1-105.
4. فونوم ، ف. (1984). الجلوتامات: ناقل عصبي في دماغ الثدييات. مجلة الكيمياء العصبية ، 18 (1) ، 27-33.
5. جاراتيني ، س. (2000). الندوة الدولية حول الجلوتامات. حمض الجلوتاميك ، بعد عشرين عامًا.
6. Graham، TE، Sgro، V.، Friars، D.، & Gibala، MJ (2000). ابتلاع الغلوتامات: تجمعات الأحماض الأمينية الخالية من العضلات والبلازما للإنسان المريح. المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء - علم الغدد الصماء والتمثيل الغذائي ، 278 ، 83-89.
7. Hu، CJ، Jiang، QY، Zhang، T.، Yin، YL، Li، FN، Su، JY،… Kong، XF (2017). المكملات الغذائية مع الأرجينين وحمض الجلوتاميك يعزز التعبير الجيني الرئيسي للدهون في الخنازير النامية. مجلة علوم الحيوان ، 95 (12) ، 5507-5515.
8. جونسون ، جيه إل (1972). حمض الجلوتاميك كجهاز إرسال متشابك في الجهاز العصبي. مراجعة. بحوث الدماغ ، 37 ، 1-19.
9. كومار ، ر. ، فيكراماتشاكرافارثي ، د. ، وبال ، ب. (2014). إنتاج وتنقية حمض الجلوتاميك: مراجعة نقدية لتكثيف العملية. الهندسة الكيميائية والمعالجة: تكثيف العمليات ، 81 ، 59-71.
10. Mourtzakis، M.، & Graham، TE (2002). ابتلاع الغلوتامات وآثاره في الراحة وأثناء ممارسة الرياضة لدى الإنسان. مجلة علم وظائف الأعضاء التطبيقي ، 93 (4) ، 1251-1259.
11. نيل ، إي (2010). العمليات البيولوجية لإنتاج الهيدروجين. التطورات في الهندسة البيوكيميائية / التكنولوجيا الحيوية ، 123 (يوليو 2015) ، 127-141.
12. Okumoto ، S. ، Funck ، D. ، Trovato ، M. ، & Forlani ، G. (2016). الأحماض الأمينية من عائلة الغلوتامات: وظائف تتجاوز التمثيل الغذائي الأولي. الحدود في علم النبات ، 7 ، 1-3.
13. Olubodun، JO، Zulkifli، I.، Farjam، AS، Hair-Bejo، M.، & Kasim، A. (2015). مكملات الجلوتامين وحمض الجلوتاميك تعزز أداء دجاج التسمين تحت الظروف الاستوائية الحارة والرطبة. المجلة الإيطالية لعلوم الحيوان ، 14 (1) ، 25-29.
14. أومبارجر ، هـ. (1978). التخليق الحيوي للأحماض الأمينية وتنظيمها. آن. القس Biochem. ، 47 ، 533-606.
15. ويلش ، هـ. (1951). حمض الجلوتاميك والوظيفة الدماغية. التطورات في كيمياء البروتين ، 6 ، 299–341.
16. Yelamanchi، SD، Jayaram، S.، Thomas، JK، Gundimeda، S.، Khan، AA، Singhal، A.،… Gowda، H. (2015). خريطة مسار أيض الغلوتامات. مجلة الاتصالات الخلوية والتشوير ، 10 (1) ، 69-75.