Функција глутамата и његови ефекти на нервни систем и тело

Да ли знате како процес преноса информација функционише на нивоу нервног система? Да ли сте знали да глутамат игра важну улогу у процесу?

Можда у овом тренутку размишљате о чувеном "умамију", или петом гастрономском укусу, и делимично има одређену везу са субјектом (али то ћемо дефинисати касније), међутим, глутамат о којем говоримо у суштини, је аминокиселина синтетисана на нивоу неуронских структура.

Нервни систем кроз вишеструке специјализоване структуре координише функције одговора тела на поремећаје или стимулусе, то значи да пре него што стимулус који детектују наши рецепторски органи, наш тим нервних ћелија буде пуштен у рад, тако да ове информације стижу у централну нервни систем, где се производи одговор који емитује исти медијум (рефлексни лук).

Ок сада Какву улогу глутамат игра у свему томе? Па, дешава се да се током овог процеса размене информација и подстицаја ствара информациона мрежа у којој су неурони основни елемент ове промене. Синапсе! Тако је процес у коме две структуре долазе у контакт ради вршења размене постао популаран и управо у овом тренутку супстанце природе ове компоненте, односно неуротрансмитери, заузимају важно место, јер захваљујући њима гарантују ту везу између неурона.

Неуронска размена и глутамати

Да бисмо ово ставили у контекст, сећате ли се оног пута када сте случајно стали на прст на нози или додирнули врућу површину? Ваша реакција је била тренутна: повукли сте руку, или погођени део тела, да бисте се заштитили. Вероватно сте рекли: „Урадио сам то без размишљања“, али то није сасвим тачно, јер Иза вашег одговора стајао је сложен неуронски процес што је омогућило вашем мозгу да дизајнира реакцију прилагођену том стимулусу.

Централна оса нервног система је мозак; то је место где се обрађују све мисли и перцепције и где се обликују одговори. Међутим, Структура мозга није специјализована за директан пријем спољашњих сигнала.Зато постоје ћелијске структуре повезане са овим системом, назване неурони, који су одговорни за преношење тих информација од извора где се прикупљају до структура централног нервног система, које су одговорне за дизајнирање одговора према примљеном стимулусу.

Неурони имају карактеристичну структуру, која се састоји од језгра смештеног унутар структуре која се зове „сумаТакође имају врсту издуженог цилиндра названог аксон или „неуронска тела“, која повезује нервне завршетке са језгром, и краће продужетке назване дендрити. Унутар ове ћелије се одвија синтеза глутамата.Ћелија генерише ову аминокиселину, јер јој је потребна да би могла да успостави контакт са другим неуронима (синапсама), и управо та компонента јој омогућава, кроз своје функције као стимулатора и неуротрансмитера, да развије добро познати рефлексни лук, који није ништа више од кола стимулус-одговор.

У мозгу сисара, глутамат посредује у већини ексцитаторних синапси централног нервног система. Процењује се да је присутан у приближно 80–90% синапси мозга, што га чини примарним медијатором сензорних, моторних, когнитивних и емоционалних информација. Штавише, игра кључну улогу у формирање, консолидација и опоравак памћења, у процесима учења и у ономе што се назива неуропластичност, односно способност мозга да се прилагоди и реорганизује.

Још један битан аспект је да је глутамат директни прекурсор ГАБА Гама-аминобутерна киселина (ГАБА) је главни инхибиторни неуротрансмитер централног нервног система. Дакле, из истог молекула се генеришу и ексцитаторни и инхибиторни сигнали, одржавајући деликатну равнотежу између неуронске активације и инхибиције која одржава здраву функцију мозга.

Компонента природе

То је неесенцијална аминокиселинаТо значи да је тело способно да га само синтетише. На неуронском нивоу, он се формира првенствено у „пресинаптчком“ метаболизму нервних ћелија. Све почиње са глутамином, амидом који је обилан у телу, посебно у мишићима, али и у нервном систему. У овој реакцији се примећује међупроизвод, познат као глутаминаза, и коначно неурон производи глутамат, аминокиселину потребну у процесима преноса стимулуса и одговора. Ову компоненту апсорбује постсинаптички неурон путем... специфични рецептори који су привучени глутаматом.

Са опште метаболичке тачке гледишта, глутамат се такође може извести из алфа-кетоглутараматАлфа-кетоглутарат, међупроизвод Кребсовог циклуса (или циклуса трикарбоксилне киселине), прима амино групу кроз реакције трансаминације и претвара се у глутамат. Ова директна веза између ћелијског енергетског циклуса и синтезе глутамата чини ову аминокиселину централном компонентом у вези између метаболизма и неуротрансмисије.

Процес у глијалној ћелији: Као последњи корак у циклусу који почиње горе описаним процесом, дешава се друга реакција, затварајући циклус. То се постиже дифузијом ове аминокиселине неуротрансмитера до глијалних ћелија (посебно астроцита) које окружују синапсе и централни канал кичмене мождине. Унутар ове структуре одвија се обрнута реакција, што резултира производњом неуротрансмитера. глутаминкоји затим поново хватају пресинаптички неурони да би покренули нови процес. Ова стална сарадња између неурона и астроцита позната је као глутамат-глутамински циклус и представља до 40% укупне рециклаже глутамата ослобођеног у мозгу.

Описани процес је континуиран, одвија се у милисекундама, будући да је развој рефлексног лука и осталих когнитивних функција константан и виталан процес у очувању благостања код људи.

Глутаматски рецептори и ексцитаторне синапсе

Да би глутамат обављао своје функције, потребан му је да се вежу за специфичне рецепторе Ови рецептори се налазе првенствено на мембрани постсинаптичких неурона. То су специјализовани протеини који, након препознавања неуротрансмитера, покрећу каскаду електричних и хемијских промена у ћелији која прима сигнал.

Генерално, могу се разликовати две главне породице рецептора:

• Јонотропни рецепториОни делују као јонски канали који се отварају када се глутамат веже, омогућавајући пролаз јона (углавном натријума, калцијума и калијума). Они генеришу брзе и директне одговоре на електрични потенцијал неурона.
• Метаботропни рецепториОни су спрегнути са Г протеинима и активирају интрацелуларне секундарне гласнике. Њихов ефекат је спорији, али дубоко модулира неуронску ексцитабилност и пластичност.

Унутар јонотропних глутаматергичких рецептора, издвајају се три главна подтипа:

• NMDA рецепторизузетно важно за синаптичка пластичност и памћење. Веома је пропустљив за калцијум, али захтева и везивање глутамата и претходну деполаризацију мембране да би се активирао, делујући тако као „детектор шибица„између пресинаптичке и постсинаптичке активности.“
• AMPA пријемникАктивира се веома брзо након ослобађања глутамата и првенствено омогућава пролаз натријума. Углавном је одговоран за брзи ексцитаторни потенцијали у већини глутаматергичких синапси.
• Каинато примачМање заступљен, али са модулаторном улогом и у ексцитаторним и у инхибиторним синапсама. Такође учествује у регулацији ексцитабилности специфичних неуронских мрежа.

AMPA и NMDA рецептори раде координисаноКада стигне нервни импулс, пресинаптичке везикуле ослобађају глутамат у синаптичку пукотину. Прво, AMPA рецептори се активирају, генеришући брзу и снажну, али краткотрајну деполаризацију. Ако је ова деполаризација довољна, она уклања магнезијумску „блокаду“ која нормално блокира канал NMDA рецептора, омогућавајући му да се активира. NMDA рецептор затим омогућава улазак калцијума, покрећући интрацелуларне механизме који јачају или слабе синапсу, ћелијску основу неуротрансмитера. учење и памћење.

Јачина и број ових рецептора нису статични. Фактори као што су хронични стресВрста стимулације из околине или обрасци електричне активности могу изазвати процесе деградације или уметање нових AMPA и NMDA подјединица у мембрану. На пример, дуготрајно излагање стресорима (премишљање, стално просуђивање, високо емоционално оптерећење) може активирати хормонске путеве који подстичу деградацију одређених подјединица (као што су GluR1 или NR1) путем убиквитин-протеазома, смањујући глутаматергичку трансмисију у кључним областима као што је префронтални кортекс и утичући на радну меморију и когнитивну флексибилност.

Глутамат, синаптичка пластичност, памћење и учење

Глутамат је један од најважнијих неуротрансмитера у мозгу и игра фундаменталну улогу у памћење и учењеЊегова функција није ограничена само на преношење импулса: она такође мења јачину веза између неурона, процес познат као синаптичка пластичност.

Постоје два главна облика пластичности повезана са глутаматом:

• Дугорочна потенцијација (ДП)Дугорочна потенцијација (ДП) је континуирано повећање ефикасности синапсе након понављајуће високофреквентне стимулације. У великој мери зависи од активације NMDA рецептора и прилива калцијума у ​​постсинаптички неурон. Овај калцијум активира сигналне каскаде које јачају синапсу, на пример, уметањем више AMPA рецептора у мембрану. ДП се сматра једном од ћелијских база формирање нових сећања.
• Дуготрајна депресија (ДД)Ово је супротан процес, у коме се синаптичка ефикасност смањује након одређених образаца понављајуће или продужене стимулације. Обично укључује континуирану активацију метаботропних глутаматних рецептора или специфичне обрасце активације NMDA. LTD омогућава „избришите“ или поново подесите везе, неопходно је да би се избегло засићење система и омогућило флексибилно учење.

Током учења, ослобађање глутамата на одређеним синапсама активира ове LTP и LTD механизме, јачајући неке везе и слабећи друге. На тај начин, мозак кодира, складишти и реорганизује информације на основу искуства. Правилна равнотежа у нивоима глутамата и у одговору његових рецептора је неопходна да би ови процеси правилно функционисали.

Неравнотежа у глутаматергичком систему може изазвати потешкоће са памћењем и учењем. И вишак (што доводи до прекомерне ексцитације и оштећења неурона) и недостатак (смањење пластичности) могу изазвати когнитивне проблеме. Заправо, промене у глутаматној сигнализацији повезане су са различитим стањима. неуроразвојни поремећајишизофренија, поремећаји расположења, когнитивно оштећење и неуродегенеративне болести.

Функције глутамата у телу

Глутамат је познат по свом учешћу у неуронским процесима на нивоу нервног система; међутим, он такође одређује синтезу других компоненти и учествује у вишеструким метаболичким функцијама.

• Формирање протеина: Кроз учешће у различитим метаболичким путевима, делује као прекурсор у формирању једињењапосебно оних протеинске природе. Угљенични скелет глутамата може се трансформисати у алфа-кетоглутарат и интегрисати у Кребсов циклус, док се његова амино група преноси на друге скелете да би се формирале различите аминокиселине.
• Неуротрансмитер: То представља његову најрелевантнију улогу, јер има примарно учешће у комуникацијски процеси између неуронагде индукује и побуђује структуре које олакшавају пренос стимулуса и импулса.

Неурони ослобађају синтетизовани глутамат путем свог метаболизма, а овај делује као хемијски преносник, а захватају га специфичне структуре зване протеински рецептори.

• Повезани протеински рецептори: Н-метил-Д-аспартат (НМДА), АМПА, каинат и такозвани метаботропни рецептори. Иако је могуће да се процес размене информација између неурона одвија путем директног повезивања аксона једног неурона са дендритима другог (електрична синапса), Обично је потребно дејство стимулативних хемијских супстанци. као што је глутамат како би се осигурао фин и модулабилан пренос.

Поред своје улоге у централном нервном систему, глутамат обавља кључне функције и у другим ткивима:

• ИнтестиноВажан је извор енергије за ентероците (ћелије цревног епитела). Тамо се користи у реакцијама трансаминације и оксидације за стварање АТП-а и аминокиселина као што су аланин, аспартат, пролин, орнитин и цитрулин.
• ЈетраУчествује у метаболизму азота, синтези других аминокиселина и циклусу урее. Кључан је у производњи N-ацетилглутамат, есенцијални активатор циклуса урее.
• Антиоксидативни систем: је прекурсор глутатион, један од најважнијих ћелијских антиоксиданата, који штити од оксидативног стреса и реактивних врста кисеоника и азота.

Мононатријум глутамат и укус умамија

У концепту који користи већина људи, када говоримо о „глутамату“, обично мислимо на мононатријум глутамат (MSG), со која настаје реакцијом молекула аминокиселине са неорганским једињењем натријумом.

Ова компонента Постао је широко распрострањен под именом умами или ајиномото, и постиже вишеструку примену у прехрамбеној индустрији:

Азијска храна: Укључивање умамија, као петог укуса на свету, омогућава припрему бројних рецепата, а природно је присутан у основним намирницама ове кулинарске културе као што су морске алге (230 до 3380 мг) и соја сос (450 до 700 мг). Ове намирнице су богате слободним Л-глутаматом и нуклеотидима као што су инозинат и гванилат, који појачавају умами сигнал делујући на исте рецепторе.

Умами Описано је да има „веома укусан“ укус.што производи пријатне сензације на непцу. Научник Кикунае Икеда, који ради на Универзитету у Токију, повезао је овај осећај који производи чорба од морских алги комбу са мононатријум глутаматом (MSG). Употреба MSG-а у храни ствара интензиван осећај који се не може лако описати речима, а који је у многим случајевима веома привлачан, што потенцијално може довести до претеривања ако се додата количина не контролише.

Непрерађена храна: Мононатријум глутамат (MSG) се природно јавља у храни, иако није главни састојак у њеној припреми. У наставку су наведени неки примери ове хране са приближним садржајем слободног глутамата:

• Парадајз (140-250 мг)
• Кромпир (30-180 мг)
• Шунка (340 мг)
• Зелени чај (200-650 мг)
• Сиреви: пармезан (1150 мг), чедар (180 мг), рокфор (1200 мг).

Чак и мајчино млеко Садржи значајне количине слободног глутамата, које се повећавају како лактација напредује. Ово указује на то да глутамат не само да доприноси пријатном укусу млека, већ и испуњава енергетске и имунолошке функције у цревима одојчета.

Таблете: Једно време, таблете од 500 мг које садрже ову компоненту биле су популарне на тржишту лекова који се могу купити без рецепта. Промовисане су као „храна за мозак“ и нуђене као производ способан да активира и стимулише мождане процесе. Иако је истина да је глутамат кључан за неуронске функције, Директан унос у облику суплемената треба третирати са опрезом.Тело веома строго регулише ниво глутамата у крви и, посебно, у мозгу, а промена ове равнотеже може бити контрапродуктивна.

Што се тиче безбедности хране, неколико међународних одбора је проценило употребу мононатријум глутамата као адитива. Организације као што су ЈЕЦФА (заједнички стручни комитет ФАО/СЗО за адитиве у храни) и регулаторне агенције у различитим регионима класификовале су га као састојак генерално признат као безбедан (GRAS) Када се користи у складу са добром производном праксом, то значи да у нормалним дијететским дозама не представља познати ризик за општу популацију.

Глутамат, ексцитотоксичност и неуролошке патологије

Иако је глутамат неопходан за нормално функционисање мозга, Дуготрајно прекомерно коришћење може бити токсично за неуроне. Овај феномен је познат као ексцитотоксичностОво се дешава када дође до масивног или продуженог ослобађања глутамата, или када систем поновног преузимања од стране неурона и астроцита откаже, што одржава рецепторе (посебно NMDA) континуирано активним и узрокује прекомерни унос калцијума у ​​ћелије.

Повећање интрацелуларног калцијума покреће низ штетних догађаја: активацију ензима који разграђују протеине и липиде, прекомерну производњу слободних радикала, митохондријалне промене и на крају, неуронска смртОва ексцитотоксичност је повезана са разним патологијама:

• Мождани удар и исхемијаТоком можданог удара или срчаног застоја, недостатак кисеоника држи неуроне у стању трајне деполаризације, ослобађајући велике количине глутамата. Продужена активација NMDA рецептора и масивни прилив калцијума доприносе смрти неурона у погођеним подручјима.
• ЕпилепсијаЕпилептички напади укључују масивна, синхронизована пражњења ексцитаторних неурона. Примећено је да хиперактивност глутаматергичког система, посебно путем АМПА рецептора, а како болест напредује, и НМДА рецептора, подстиче појаву и одржавање епилептичних пражњења.
• Неуродегенеративне болестиБолести попут Алцхајмерове болести, Хантингтонове болести и неких облика амиотрофичне латералне склерозе (АЛС) повезане су са прекомерним ослобађањем глутамата или оштећеним поновним преузимањем. Овај вишак доприноси прогресивној дегенерацији неурона. У ствари, лекови који модулирају ослобађање или дејство глутамата (као што је рилузол код АЛС или модулатори НМДА рецептора код других болести) користе се како би се покушало успорити напредовање оштећења.
• Трауматска повреда мозгаКод трауме главе или повреда кичмене мождине, руптура неурона и синапси изазива нагло ослобађање глутамата у екстрацелуларни простор, стварајући каскадни ефекат: суседни неурони су такође оштећени и ослобађају свој глутамат, појачавајући повређено подручје.

Улога глутаматергичке сигнализације се такође истражује у поремећаји из аутистичног спектрагде је предложена неравнотежа између ексцитације (глутамат) и инхибиције (ГАБА) у областима као што је префронтални кортекс, и у разним анксиозни поремећаји, у којем би асоцијативно учење страха и његово изумирање могли имати користи од терапија које модулирају глутаматергичку активност у специфичним круговима.

Синдром кинеског ресторана: Неки аутори су користили овај термин да опишу скуп симптома (вртоглавица, мучнина, бол у грудима, астма, слабост) који се приписују високој конзумацији хране јако зачињене мононатријум глутаматом. Сугерисано је да код посебно осетљивих особа или оних са неуролошком предиспозицијом, акутна прекомерна стимулација глутаматергичког система може допринети пролазној нелагодности, иако систематски научни прегледи нису коначно потврдили директну узрочну везу код већине популације. Међутим, оно што је јасно јесте да било која хронична промена која одржава глутаматергички систем прекомерно активним може подстаћи исцрпљивање и оштећење неурона.

• Вртоглавица
• Болест.
• Бол у грудима.
• Астма.
• Напади (у случају осетљивих пацијената или са неуролошком предиспозицијом).

Глутамат-ГАБА равнотежа и хомеостатска регулација

У централном нервном систему, већина ексцитаторних неурона користи глутамат, док већина инхибиторних неурона користи ГАБА. Равнотежа између обе популације Одређује укупни тон мождане активности. Ако глутаматергичка ексцитација преовладава, може доћи до хиперексцитабилности, анксиозности, епилептичних нападаја или оштећења неурона; ако ГАБАергичка инхибиција преовладава, може доћи до когнитивног успоравања, интензивне поспаности или тешкоћа у реаговању на стимулусе.

ГАБА се синтетише директно из глутамата помоћу ензима глутаминска киселина декарбоксилаза (GAD)ГАБАергички неурони, стога, зависе од адекватне залихе глутамата и глутамина да би одржали своју функцију. Заузврат, астроцити регулишу екстрацелуларни ниво глутамата, спречавајући ексцитотоксичност и обезбеђујући глутамин за ресинтезу и глутамата и ГАБА.

Физиолошки механизми као што су вагусни тонусВаријабилност срчане фреквенције и одговарајући одговор на стрес доприносе стабилизацији глутаматергичке сигнализације. Примећено је да респираторни тренинг на резонантним фреквенцијама (око 0,1 Hz) и одређене технике биофидбека побољшавају аутономну хомеостазу и, индиректно, ублажити ефекте бихејвиоралног стреса на глутаматергичку синаптичку архитектуру, промовишући здравију пластичност.

Генерално, глутамат је конфигурисан као молекул са „два лица“: са ​​једне стране, неопходан за ментални живот, памћење, учење и умами укусС друге стране, потенцијално је штетан када се његови нивои или сигнализација поремете. Боље разумевање његових механизама деловања, рецептора и метаболизма отвара врата развоју нутритивних, бихевиоралних и фармаколошких стратегија за заштиту нервног система и оптимизацију когнитивних функција.