Glutamatets funksjon og dets effekter på nervesystemet og kroppen

Vet du hvordan prosessen for informasjonsoverføring fungerer på nivået av nervesystemet? Visste du at glutamat spiller en viktig rolle i prosessen?

Kanskje på dette punktet tenker du på den berømte "umami", eller den femte gastronomiske smaken, og delvis har den noe forhold til emnet (men dette vil vi definere senere), men glutamatet som vi snakker om i det vesentlige, er en aminosyre syntetisert på nivået av neuronale strukturer.

Nervesystemet koordinerer kroppens responsfunksjoner ved forstyrrelser eller stimuli gjennom flere spesialiserte strukturer, dette betyr at før en stimulus oppdaget av reseptororganene, blir teamet vårt av nerveceller satt i drift, slik at denne informasjonen når frem til sentralen nervesystemet, der det produseres en respons som sendes ut av samme medium (refleksbue).

Ok nå Hvilken rolle spiller glutamat i alt dette? Vel, det hender at det gjennom hele denne informasjonsstimuleringsutvekslingsprosessen opprettes et informasjonsnettverk der nevroner er et grunnleggende element i denne endringen. Synaps! Dermed har prosessen der to strukturer kommer i kontakt for å gjennomføre utvekslingen blitt populær, og det er på dette punktet der stoffene av denne komponentens natur, det vil si nevrotransmittere, har en viktig plass, siden takket være de garanterer at forbindelsen mellom nevroner.

Neuronal utveksling og glutamater

For å sette dette i kontekst, husker du den gangen du ved et uhell tråkket på tåen eller berørte en varm overflate? Reaksjonen din var umiddelbar: du trakk hånden din, eller det berørte området på kroppen din, bort for å beskytte deg selv. Du sa sannsynligvis: «Jeg gjorde det uten å tenke meg om», men det er ikke helt sant, fordi Bak svaret ditt lå en kompleks nevral prosess som tillot hjernen din å designe en reaksjon skreddersydd for den stimulansen.

Hjernen er den sentrale aksen i nervesystemet; det er der alle tanker og persepsjoner behandles og responser utformes. Imidlertid, Hjernestrukturen er ikke spesialisert i direkte mottak av eksterne signaler.Derfor er det cellulære strukturer knyttet til dette systemet, kalt nevroner, som er ansvarlige for å overføre informasjonen fra kilden der den samles inn til strukturene i sentralnervesystemet, som er ansvarlige for å designe responser i henhold til mottatte stimuli.

Nevroner har en karakteristisk struktur, bestående av en kjerne inneholdt i en struktur kalt «sumDe har også en slags langstrakt sylinder kalt et akson eller «nevronlegeme», som forbinder nerveendene med kjernen, og kortere forlengelser kalt dendritter. Inne i denne cellen foregår glutamatsyntese.Cellen genererer denne aminosyren, siden den trenger den for å kunne etablere kontakt med andre nevroner (synapser), og det er denne komponenten som gjør det mulig, gjennom sine funksjoner som stimulator og nevrotransmitter, å utvikle den velkjente refleksbuen, som ikke er noe mer enn stimulus-responskretsen.

I pattedyrhjernen, glutamat formidler de fleste eksitatoriske synapser i sentralnervesystemet. Det er anslått at det er tilstede i omtrent 80–90 % av hjernens synapser, noe som gjør det til den primære formidleren av sensorisk, motorisk, kognitiv og emosjonell informasjon. Videre spiller det en nøkkelrolle i dannelse, konsolidering og gjenoppretting av hukommelse, i læringsprosesser og i det som kalles nevroplastisitet, det vil si hjernens evne til å tilpasse seg og omorganisere seg selv.

Et annet viktig aspekt er at glutamat er direkte forløper til GABA Gamma-aminosmørsyre (GABA) er den viktigste hemmende nevrotransmitteren i sentralnervesystemet. Dermed genereres både eksitatoriske og hemmende signaler fra det samme molekylet, noe som opprettholder den delikate balansen mellom neuronal aktivering og hemming som opprettholder sunn hjernefunksjon.

Komponentens natur

A ikke-essensiell aminosyreDette betyr at kroppen er i stand til å syntetisere det selv. På nevronalt nivå dannes det primært i den "presynaptiske" nervecellemetabolismen. Det hele begynner med glutamin, et amid som er rikelig i kroppen, spesielt i muskler, men også i nervesystemet. Et mellomprodukt, kjent som glutaminase, observeres i denne reaksjonen, og til slutt produserer nevronet glutamat, en aminosyre som er nødvendig i prosessene med stimulus- og responsoverføring. Denne komponenten tas opp av det postsynaptiske nevronet gjennom spesifikke reseptorer som tiltrekkes av glutamat.

Fra et generelt metabolsk synspunkt kan glutamat også utledes fra alfa-ketoglutaramatAlfa-ketoglutarat, et mellomprodukt i Krebs-syklusen (eller trikarboksylsyresyklusen), mottar en aminogruppe gjennom transamineringsreaksjoner og omdannes til glutamat. Denne direkte koblingen mellom den cellulære energisyklusen og glutamatsyntese gjør denne aminosyren til en sentral komponent i forbindelsen mellom metabolisme og nevrotransmisjon.

Prosess i gliacellen: Som det siste trinnet i en syklus som begynner med prosessen beskrevet ovenfor, skjer en andre reaksjon, som avslutter syklusen. Dette oppnås gjennom diffusjon av denne nevrotransmitteren aminosyre til gliacellene (spesielt astrocytter) som omgir synapsene og den sentrale kanalen i ryggmargen. Innenfor denne strukturen finner den motsatte reaksjonen sted, noe som resulterer i produksjonen av nevrotransmitteren. glutaminsom deretter fanges opp igjen av presynaptiske nevroner for å starte en ny prosess. Dette konstante samarbeidet mellom nevroner og astrocytter er kjent som glutamat-glutamin-syklus og representerer opptil 40 % av den totale resirkuleringen av glutamat som frigjøres i hjernen.

Den beskrevne prosessen er kontinuerlig og skjer i millisekunder, siden utviklingen av refleksbuen og resten av de kognitive funksjonene er en konstant og viktig prosess for å bevare velvære hos mennesker.

Glutamatreseptorer og eksitatoriske synapser

For at glutamat skal kunne utføre sine funksjoner, trenger det å binde seg til spesifikke reseptorer Disse reseptorene er hovedsakelig plassert på membranen til postsynaptiske nevroner. De er spesialiserte proteiner som, når de gjenkjenner nevrotransmitteren, utløser en kaskade av elektriske og kjemiske endringer i cellen som mottar signalet.

Generelt sett kan man skille mellom to hovedfamilier av reseptorer:

• Ionotrope reseptorerDe fungerer som ionekanaler som åpnes når glutamat binder seg, og tillater passasje av ioner (hovedsakelig natrium, kalsium og kalium). De genererer raske og direkte responser på nevronets elektriske potensial.
• Metabotropiske reseptorerDe er koblet til G-proteiner og aktiverer intracellulære sekundære budbringere. Effekten deres er langsommere, men modulerer nevronal eksitabilitet og plastisitet i stor grad.

Innenfor de ionotrope glutamaterge reseptorene skiller tre hovedundertyper seg ut:

• NMDA-reseptor: ekstremt viktig for synaptisk plastisitet og hukommelse. Den er svært permeabel for kalsium, men krever både glutamatbinding og forutgående membrandepolarisering for å aktiveres, og fungerer dermed som en «fyrstikkdetektor«mellom presynaptisk og postsynaptisk aktivitet».
• AMPA-mottakerDen aktiveres svært raskt ved frigjøring av glutamat og tillater primært passasje av natrium. Den er hovedsakelig ansvarlig for raske eksitatoriske potensialer i de fleste glutamaterge synapser.
• Kainato-mottakerMindre rikelig, men med en modulerende rolle i både eksitatoriske og hemmende synapser. Den deltar også i reguleringen av eksitabiliteten til spesifikke nevrale nettverk.

AMPA- og NMDA-reseptorer de jobber på en koordinert måteNår en nerveimpuls ankommer, frigjør presynaptiske vesikler glutamat i den synaptiske kløften. Først aktiveres AMPA-reseptorer, noe som genererer en rask og kraftig, men kortvarig, depolarisering. Hvis denne depolariseringen er tilstrekkelig, fjerner den magnesium-"blokkeringen" som normalt blokkerer NMDA-reseptorkanalen, slik at den kan aktiveres. NMDA-reseptoren lar deretter kalsium komme inn, noe som utløser intracellulære mekanismer som styrker eller svekker synapsen, den cellulære basisen for nevrotransmitteren. læring og hukommelse.

Styrken og antallet av disse reseptorene er ikke statiske. Faktorer som kronisk stressTypen av miljøstimulering eller mønstre av elektrisk aktivitet kan indusere nedbrytningsprosesser eller innsetting av nye AMPA- og NMDA-underenheter i membranen. For eksempel kan vedvarende eksponering for stressfaktorer (grubling, konstant dømmekraft, høy emosjonell belastning) aktivere hormonelle veier som fremmer nedbrytningen av visse underenheter (som GluR1 eller NR1) via ubiquitin-proteasomsystemet, noe som reduserer glutamatergisk overføring i viktige områder som prefrontal cortex og påvirker arbeidshukommelse og kognitiv fleksibilitet.

Glutamat, synaptisk plastisitet, hukommelse og læring

Glutamat er en av de viktigste nevrotransmitterne i hjernen og spiller en fundamental rolle i hukommelse og læringFunksjonen er ikke begrenset til å overføre impulser: den endrer styrken på forbindelsene mellom nevroner, en prosess kjent som synaptisk plastisitet.

Det er to hovedformer for plastisitet relatert til glutamat:

• Langsiktig potensiering (LTP)Langtidspotensiering (LTP) er en vedvarende økning i effektiviteten til en synapse etter repeterende høyfrekvent stimulering. Det avhenger i stor grad av aktiveringen av NMDA-reseptorer og tilstrømningen av kalsium til det postsynaptiske nevronet. Dette kalsiumet aktiverer signalkaskader som styrker synapsen, for eksempel ved å sette inn flere AMPA-reseptorer i membranen. LTP regnes som en av de cellulære basene i dannelse av nye minner.
• Langvarig depresjon (LTD)Dette er den motsatte prosessen, der synaptisk effektivitet avtar etter visse mønstre med repeterende eller langvarig stimulering. Det involverer vanligvis vedvarende aktivering av metabotrope glutamatreseptorer eller spesifikke mønstre av NMDA-aktivering. LTD tillater «slette» eller justere tilkoblinger, viktig for å unngå systemmetning og tillate fleksibel læring.

Under læring aktiverer frigjøring av glutamat ved spesifikke synapser disse LTP- og LTD-mekanismene, noe som styrker noen forbindelser og svekker andre. På denne måten hjernen koder, lagrer og omorganiserer informasjon basert på erfaring. Riktig balanse i glutamatnivåer og i responsen til reseptorene er avgjørende for at disse prosessene skal fungere riktig.

En ubalanse i det glutamaterge systemet kan utløse hukommelses- og lærevansker. Både et overskudd (som fører til overeksitasjon og nevronskade) og en mangel (redusert plastisitet) kan forårsake kognitive problemer. Faktisk har endringer i glutamatsignalering blitt knyttet til ulike tilstander. nevroutviklingsforstyrrelserschizofreni, humørlidelser, kognitiv svikt og nevrodegenerative sykdommer.

Glutamatets funksjoner i kroppen

Glutamat er kjent for sin involvering i nevrale prosesser på nervesystemets nivå; det bestemmer imidlertid også syntesen av andre komponenter og deltar i flere metabolske funksjoner.

• Proteindannelse: Gjennom sin deltakelse i ulike metabolske veier fungerer den som forløper i dannelsen av forbindelserspesielt de av proteinnatur. Karbonskjelettet til glutamat kan omdannes til alfa-ketoglutarat og integreres i Krebs-syklusen, mens aminogruppen overføres til andre skjeletter for å danne forskjellige aminosyrer.
• Nevrotransmitter: Dette utgjør dens mest relevante rolle, ettersom den har en primær deltakelse i kommunikasjonsprosesser mellom nevronerder den induserer og eksiterer strukturer som letter overføringen av stimuli og impulser.

Nevroner frigjør det syntetiserte glutamatet gjennom metabolismen, og dette fungerer som en kjemisk messenger, fanget av spesifikke strukturer som kalles proteinreseptorer.

• Relaterte proteinreseptorer: N-metyl-D-aspartat (NMDA), AMPA, kainat og de såkalte metabotrope reseptorene. Selv om det er mulig at informasjonsutvekslingen mellom nevroner skjer gjennom direkte forbindelse mellom aksonet til ett nevron og dendrittene til et annet (elektrisk synapse), Virkningen av stimulerende kjemiske stoffer er vanligvis nødvendig. som glutamat for å sikre fin og modulerbar overføring.

I tillegg til sin rolle i sentralnervesystemet, utfører glutamat viktige funksjoner i andre vev:

• TarmDet er en viktig energikilde for enterocytter (celler i tarmepitelet). Der brukes det i transaminerings- og oksidasjonsreaksjoner for å generere ATP og aminosyrer som alanin, aspartat, prolin, ornitin og citrullin.
• leverenDen deltar i nitrogenmetabolismen, syntesen av andre aminosyrer og ureasyklusen. Den er nøkkelen til produksjonen av N-acetylglutamat, en essensiell aktivator av ureasyklusen.
• Antioksidantsystem: er en forløper til glutation, en av de viktigste cellulære antioksidantene, som beskytter mot oksidativt stress og reaktive oksygen- og nitrogenforbindelser.

Mononatriumglutamat og umami-smaken

I konseptet som brukes av folk flest, når vi snakker om «glutamat», tenker vi vanligvis på mononatriumglutamat (MSG), saltet som oppstår ved reaksjonen mellom aminosyremolekylet og den uorganiske forbindelsen natrium.

Denne komponenten Det har blitt utbredt under navnet umami eller ajinomoto, og oppnår flere applikasjoner i næringsmiddelindustrien:

Asiatisk mat: Innlemmelsen av umami, som verdens femte smak, muliggjør tilberedning av en rekke oppskrifter, og den finnes naturlig i basisvarer fra denne kulinariske kulturen, som tang (230 til 3380 mg) og soyasaus (450 til 700 mg). Disse matvarene er rike på fritt L-glutamat og nukleotider som inosinat og guanylat, som forsterker umamisignalet ved å virke på de samme reseptorene.

Umami Den ble beskrevet som å ha en «svært velsmakende» smak.som gir behagelige opplevelser på ganen. Det var forskeren Kikunae Ikeda, som jobber ved Universitetet i Tokyo, som assosierte denne følelsen produsert av kombu-tangkraft med mononatriumglutamat (MSG). Bruken av MSG i mat genererer en intens følelse som ikke lett kan beskrives med ord, og som i mange tilfeller er svært tiltalende, og som potensielt kan føre til overdreven nytelse hvis mengden som tilsettes ikke kontrolleres.

Ubearbeidet mat: Mononatriumglutamat (MSG) forekommer naturlig i matvarer, selv om det ikke er en hovedingrediens i tilberedningen. Nedenfor er noen eksempler på disse matvarene med omtrentlig innhold av fritt glutamat:

• Tomat (140–250 mg)
• Poteter (30–180 mg)
• Skinke (340 mg)
• Grønn te (200–650 mg)
• Oster: parmesan (1150 mg), cheddar (180 mg), roquefort (1200 mg).

Til og med morsmelk Den inneholder betydelige mengder fritt glutamat, som øker etter hvert som ammingen utvikler seg. Dette tyder på at glutamat ikke bare bidrar til den behagelige smaken av melk, men også oppfyller energiske og immunologiske funksjoner i spedbarnets tarm.

Piller: En periode var 500 mg tabletter som inneholdt denne komponenten populære på reseptfrie markeder. De ble markedsført som «hjernemat» og tilbudt som et produkt som kunne aktivere og stimulere hjerneprosesser. Selv om det er sant at glutamat er avgjørende for nervefunksjonen, Direkte inntak i tilskuddsform bør håndteres med forsiktighet.Kroppen regulerer glutamatnivåene i blodet og spesielt i hjernen svært strengt, og å endre denne balansen kan være kontraproduktivt.

Når det gjelder mattrygghet, har flere internasjonale komiteer evaluert bruken av MSG som tilsetningsstoff. Organisasjoner som JECFA utvidelse (den felles FAO/WHO-ekspertkomiteen for tilsetningsstoffer i mat) og reguleringsorganer i forskjellige regioner har klassifisert det som ingrediens generelt anerkjent som trygg (GRAS) Når det brukes i henhold til god produksjonspraksis, betyr dette at det ved normale kostholdsdoser ikke utgjør noen kjent risiko for den generelle befolkningen.

Glutamat, eksitotoksisitet og nevrologiske patologier

Selv om glutamat er essensielt for normal hjernefunksjon, Langvarig overforbruk kan være giftig for nevroner. Dette fenomenet er kjent som eksitotoksisitetDette skjer når det er en massiv eller vedvarende frigjøring av glutamat, eller når reopptakssystemet fra nevroner og astrocytter svikter, noe som holder reseptorene (spesielt NMDA) kontinuerlig aktivert og forårsaker en overdreven tilførsel av kalsium til cellene.

Økningen i intracellulært kalsium utløser en kaskade av skadelige hendelser: aktivering av enzymer som bryter ned proteiner og lipider, overdreven produksjon av frie radikaler, mitokondrielle endringer, og til slutt, nevronal dødDenne eksitotoksisiteten har vært knyttet til ulike patologier:

• Hjerneslag og iskemiUnder et hjerneslag eller hjertestans holder oksygenmangelen nevronene i en tilstand av permanent depolarisering, noe som frigjør store mengder glutamat. Den vedvarende aktiveringen av NMDA-reseptorer og den massive tilstrømningen av kalsium bidrar til nevrondød i de berørte områdene.
• EpilepsiaEpileptiske anfall involverer massive, synkroniserte utladninger av eksitatoriske nevroner. Hyperaktivitet i det glutamaterge systemet, spesielt gjennom AMPA-reseptorer og, etter hvert som sykdommen utvikler seg, også NMDA-reseptorer, er observert å fremme utbrudd og vedlikehold av epileptiske utladninger.
• Nevrodegenerative sykdommerSykdommer som Alzheimers sykdom, Huntingtons sykdom og noen former for amyotrofisk lateral sklerose (ALS) er assosiert med overdreven glutamatfrigjøring eller svekket reopptak. Denne overskuddet bidrar til progressiv degenerasjon av nevroner. Faktisk brukes legemidler som modulerer glutamatfrigjøring eller -virkning (som riluzol ved ALS eller NMDA-reseptormodulatorer ved andre sykdommer) for å prøve å bremse utviklingen av skade.
• Traumatisk hjerneskadeVed hodetraume eller ryggmargsskader forårsaker ruptur av nevroner og synapser en plutselig frigjøring av glutamat i det ekstracellulære rommet, noe som genererer en kaskadeeffekt: nærliggende nevroner blir også skadet og frigjør glutamatet sitt, noe som forsterker det skadde området.

Rollen til glutamatergisk signalering blir også undersøkt i autismespektrumforstyrrelserhvor en ubalanse mellom eksitasjon (glutamat) og inhibering (GABA) har blitt foreslått i områder som prefrontal cortex, og i diverse Angstlidelser, der assosiativ læring av frykt og dens utryddelse kan dra nytte av terapier som modulerer glutamaterg aktivitet i spesifikke kretsløp.

Kinesisk restaurant syndrom: Noen forfattere har brukt dette begrepet for å beskrive et sett med symptomer (svimmelhet, kvalme, brystsmerter, astma, svakhet) som tilskrives høyt forbruk av mat sterkt krydret med mononatriumglutamat. Det har blitt foreslått at akutt overstimulering av det glutamaterge systemet kan bidra til forbigående ubehag hos spesielt følsomme individer eller de med en nevrologisk predisposisjon, selv om systematiske vitenskapelige oversikter ikke har bekreftet en direkte årsakssammenheng i majoriteten av befolkningen. Det som imidlertid er klart, er at enhver kronisk forandring som holder det glutamaterge systemet overaktivert kan fremme utmattelse og skade på nevroner.

• Svimmelhet
• Sykdom.
• Brystsmerter.
• Asma.
• Kramper (i tilfelle følsomme pasienter eller med nevrologisk predisposisjon).

Glutamat-GABA-balanse og homeostatisk regulering

I sentralnervesystemet bruker de fleste eksitatoriske nevroner glutamat, mens de fleste hemmende nevroner bruker GABA. Balansen mellom de to populasjonene Det bestemmer den generelle tonen i hjerneaktiviteten. Hvis glutamatergisk eksitasjon dominerer for mye, kan hypereksitabilitet, angst, epileptiske anfall eller nevronskade oppstå. Hvis GABAergisk hemming dominerer for mye, kan kognitiv nedgang, intens døsighet eller vansker med å reagere på stimuli oppstå.

GABA syntetiseres direkte fra glutamat av enzymet glutaminsyredekarboksylase (GAD)GABAerge nevroner er derfor avhengige av tilstrekkelig tilførsel av glutamat og glutamin for å opprettholde funksjonen sin. Astrocytter regulerer igjen det ekstracellulære glutamatnivået, forhindrer eksitotoksisitet og sørger for glutamin for resyntese av både glutamat og GABA.

Fysiologiske mekanismer som vagal toneHjertefrekvensvariabilitet og en passende stressrespons bidrar til å stabilisere glutamatergisk signalering. Respirasjonstrening ved resonansfrekvenser (rundt 0,1 Hz) og visse biofeedback-teknikker har vist seg å forbedre autonom homeostase og, indirekte, redusere effektene av atferdsstress på den glutamatergiske synaptiske arkitekturen, som fremmer sunnere plastisitet.

Totalt sett er glutamat konfigurert som et molekyl med «to ansikter»: på den ene siden, uunnværlig for mentalt liv, hukommelse, læring og umami-smakPå den annen side er det potensielt skadelig når nivåene eller signaliseringen blir dysregulert. En bedre forståelse av virkningsmekanismene, reseptorene og metabolismen åpner døren for utvikling av ernæringsmessige, atferdsmessige og farmakologiske strategier for å beskytte nervesystemet og optimalisere kognitiv funksjon.