Функция на глутамата и неговите ефекти върху нервната система и тялото

Знаете ли как протича процесът на предаване на информация на ниво нервна система? Знаете ли, че глутаматът играе важна роля в процеса?

Може би в този момент се сещате за известния „умами“ или пети гастрономически вкус, и той е отчасти свързан с темата (но ще го дефинираме по-късно), но глутаматът, за който говорим, е по същество аминокиселина, синтезирана на ниво невронни структури.

Нервната система координира чрез множество специализирани структури реакционните функции на тялото на смущения или стимули, това означава, че преди стимул, открит от нашите рецепторни органи, нашият екип от нервни клетки се пуска в действие, така че тази информация достига до централната нервна система, където се получава отговор, който се излъчва от същата среда (рефлекторна дъга).

И така , каква роля играе глутаматът във всичко това? Ами, в целия този процес на обмен на информация и стимули се създава информационна мрежа, в която невроните са основен елемент в този обмен. Синапс! Това е популярният термин за процеса, при който две структури влизат в контакт, за да осъществят обмена, и именно в този момент веществата от естеството на този компонент, т.е. невротрансмитерите, играят важна роля, тъй като благодарение на тях е гарантирана тази връзка между невроните.

Невронален обмен и глутамати

За да поставим това в контекст, спомняте ли си онзи път, когато случайно стъпихте на пръста на крака си или докоснахте гореща повърхност? Реакцията ви беше незабавна: отдръпнахте ръката си или засегнатата област от тялото си, за да се защитите. Вероятно сте казали: „Направих го без да се замисля“, но това не е съвсем вярно. Зад реакцията ви стоеше сложен невронен процес , който позволи на мозъка ви да проектира реакция, съобразена с този стимул.

Централната ос на нервната система е мозъкът, където се обработват всички мисли и възприятия и се проектират реакциите. Структурата на мозъка обаче не е специализирана в директното приемане на външни сигнали ; следователно, с тази система са свързани клетъчни структури, наречени неврони, които са отговорни за предаването на тази информация от източника, където тя се събира, до структурите на централната нервна система, които са отговорни за проектирането на реакции, подходящи за получения стимул.

Невроните имат характерна структура, състояща се от ядро, разположено в структура, наречена „ сома “. Те също така имат удължено, цилиндрично продължение, наречено аксон или „клетъчно тяло“, което свързва нервните окончания с ядрото, и по-къси продължениета, наречени дендрити. Синтезът на глутамат се осъществява в тази клетка . Клетката произвежда тази аминокиселина, защото е необходима за установяване на контакт с други неврони (синапси) и именно този компонент, чрез функциите си на стимулатор и невротрансмитер, позволява развитието на рефлексната дъга, която е просто веригата стимул-отговор.

В мозъка на бозайниците, глутаматът медиира повечето възбуждащи синапси в централната нервна система. Смята се, че той присъства в приблизително 80–90% от мозъчните синапси, което го прави основен медиатор на сензорна, двигателна, когнитивна и емоционална информация. Освен това, той играе ключова роля във формирането, консолидирането и извличането на паметта , в процесите на обучение и в невропластичността – способността на мозъка да се адаптира и реорганизира.

Друг съществен аспект е, че глутаматът е директен предшественик на GABA (гама-аминомаслена киселина), основният инхибиторен невротрансмитер на централната нервна система. По този начин, както възбуждащи, така и инхибиторни сигнали се генерират от една и съща молекула, поддържайки деликатния баланс между невронната активация и инхибиране, който поддържа здравословната мозъчна функция.

Съставна същност

Това е неесенциална аминокиселина , което означава, че тялото може да я синтезира самостоятелно. На невронно ниво тя се образува предимно в пресинаптичните нервни клетки. Всичко започва с глутамин, амид, който е в изобилие в тялото, особено в мускулите, но също и в нервната система. Тази реакция води до междинен продукт, известен като глутаминаза, и в крайна сметка невронът произвежда глутамат, аминокиселина, необходима за предаването на стимули и реакции. Този компонент се абсорбира от постсинаптичния неврон чрез специфични глутаматни рецептори.

От обща метаболитна гледна точка, глутаматът може да се получи и от алфа-кетоглутарат , междинен продукт от цикъла на Кребс (или цикъла на трикарбоксилната киселина). Чрез реакции на трансаминиране, алфа-кетоглутаратът получава амино група и се превръща в глутамат. Тази пряка връзка между клетъчния енергиен цикъл и синтеза на глутамат прави тази аминокиселина централен компонент във връзката между метаболизма и невротрансмисията.

Процес в глиалната клетка: Като последна стъпка в цикъл, който започва с описания по-горе процес, протича втора реакция, затваряща цикъла. Това се осъществява благодарение на дифузията на тази невротрансмитерна аминокиселина към глиалната клетка (особено астроцитите), обграждаща синапсите и централния канал на гръбначния мозък. В тази структура протича обратната реакция, произвеждайки глутамин , който след това се поема отново от пресинаптичните неврони, за да се инициира нов цикъл. Това постоянно сътрудничество между невроните и астроцитите е известно като глутамат-глутаминов цикъл и представлява до 40% от общото рециклиране на глутамата, освободен в мозъка.

Описаният процес е непрекъснат, протичащ в милисекунди, тъй като развитието на рефлекторната дъга и останалите когнитивни функции е постоянен и жизненоважен процес за запазване на благосъстоянието на хората.

Глутаматни рецептори и възбуждащи синапси

За да изпълнява функциите си, глутаматът трябва да се свърже със специфични рецептори, разположени предимно върху мембраната на постсинаптичните неврони. Тези рецептори са специализирани протеини, които, след като разпознаят невротрансмитера, задействат каскада от електрически и химични промени в клетката, приемаща сигнала.

Най-общо казано, могат да се разграничат две основни семейства рецептори:

• Йонотропни рецепториТе действат като йонни канали, които се отварят, когато глутаматът се свърже, позволявайки преминаването на йони (главно натрий, калций и калий). Те генерират бързи и директни реакции върху електрическия потенциал на неврона.
• Метаботропни рецепториТе са свързани с G протеини и активират вътреклетъчните вторични посредници. Ефектът им е по-бавен, но силно модулира невронната възбудимост и пластичност.

В рамките на йонотропните глутаматергични рецептори се открояват три основни подтипа:

• NMDA рецепторизключително важно за синаптична пластичност и памет. Той е силно пропусклив за калций, но изисква както свързване с глутамат, така и предварителна деполяризация на мембраната, за да се активира, като по този начин действа като „детектор на кибрит„между пресинаптичната и постсинаптичната активност.“
• AMPA приемникАктивира се много бързо при освобождаването на глутамат и основно позволява преминаването на натрий. Той е отговорен главно за бързи възбуждащи потенциали в повечето глутаматергични синапси.
• Кайнато приемникПо-малко разпространен, но с модулираща роля както във възбуждащите, така и в инхибиторните синапси. Участва и в регулирането на възбудимостта на специфични невронни мрежи.

AMPA и NMDA рецепторите работят координирано . Когато пристигне нервен импулс, пресинаптичните везикули освобождават глутамат в синаптичната цепнатина. Първо, AMPA рецепторите се активират, генерирайки бърза и мощна, но краткотрайна деполяризация. Ако тази деполяризация е достатъчна, тя премахва магнезиевия „блок“, който обикновено запушва канала на NMDA рецептора, позволявайки му да се активира. След това NMDA рецепторът позволява на калция да навлезе, задействайки вътреклетъчни механизми, които укрепват или отслабват синапса, клетъчната основа на ученето и паметта.

Силата и броят на тези рецептори не са статични. Фактори като хроничен стрес , видът на стимулацията на околната среда или модели на електрическа активност могат да индуцират процеси на разграждане или вмъкване на нови AMPA и NMDA субединици в мембраната. Например, продължителното излагане на стресори (размишления, постоянна преценка, високо емоционално натоварване) може да активира хормонални пътища, които насърчават разграждането на определени субединици (като GluR1 или NR1) чрез убиквитин-протеазомната система, намалявайки глутаматергичното предаване в ключови области като префронталния кортекс и засягайки работната памет и когнитивната гъвкавост.

Глутамат, синаптична пластичност, памет и учене

Глутаматът е един от най-важните невротрансмитери в мозъка и играе фундаментална роля в паметта и ученето . Функцията му не се ограничава само до предаване на импулси: той също така променя силата на връзките между невроните, процес, известен като синаптична пластичност.

Има две основни форми на пластичност, свързани с глутамата:

• Дългосрочна потенциация (ДП)Дългосрочната потенциация (ДП) е устойчиво повишаване на ефективността на синапса след повтаряща се високочестотна стимулация. Тя зависи до голяма степен от активирането на NMDA рецепторите и притока на калций в постсинаптичния неврон. Този калций активира сигнални каскади, които укрепват синапса, например чрез вмъкване на повече AMPA рецептори в мембраната. ДП се счита за една от клетъчните основи на формиране на нови спомени.
• Дългосрочна депресия (ДД)Това е обратният процес, при който синаптичната ефикасност намалява след определени модели на повтаряща се или продължителна стимулация. Обикновено включва продължително активиране на метаботропни глутаматни рецептори или специфични модели на NMDA активиране. LTD позволява „изтриване“ или пренастройване на връзки, от съществено значение, за да се избегне пренасищане на системата и да се позволи гъвкаво обучение.

По време на ученето, освобождаването на глутамат в специфични синапси активира тези LTP и LTD механизми, като укрепва някои връзки и отслабва други. По този начин мозъкът кодира, съхранява и реорганизира информация въз основа на опита. Правилният баланс в нивата на глутамат и реакцията на неговите рецептори е от съществено значение за правилното функциониране на тези процеси.

Дисбалансът в глутаматергичната система може да предизвика трудности с паметта и ученето. Както излишъкът (водещ до свръхвъзбуждане и увреждане на невроните), така и дефицитът (намаляване на пластичността) могат да причинят когнитивни проблеми. Всъщност, промените в глутаматната сигнализация са свързани с различни неврологични разстройства , шизофрения, разстройства на настроението, когнитивен спад и невродегенеративни заболявания.

Функции на глутамата в тялото

Глутаматът е известен с участието си в невронните процеси на ниво нервна система; той обаче определя и синтеза на други компоненти и участва в множество метаболитни функции.

• Образуване на протеини: Чрез участието си в различни метаболитни пътища, той действа като прекурсор при образуването на съединенияособено тези с протеинов характер. Въглеродният скелет на глутамата може да се трансформира в алфа-кетоглутарат и да се интегрира в цикъла на Кребс, докато неговата аминогрупа се прехвърля към други скелети, за да образува различни аминокиселини.
• Невротрансмитер: Това представлява най-важната му роля, тъй като има основно участие в комуникационни процеси между невронитекъдето индуцира и възбужда структури, които улесняват предаването на стимули и импулси.

Невроните освобождават синтезирания глутамат чрез техния метаболизъм и той действа като химически пратеник, улавян от специфични структури, наречени протеинови рецептори.

• Свързани протеинови рецептори: N-метил-D-аспартат (NMDA), AMPA, каинат и така наречените метаботропни рецептори. Въпреки че е възможно процесът на обмен на информация между невроните да се осъществи чрез директна връзка на аксона на един неврон с дендритите на друг (електричен синапс), Обикновено е необходимо действието на стимулиращи химични вещества. като глутамат, за да се осигури фино и модулируемо предаване.

В допълнение към ролята си в централната нервна система, глутаматът изпълнява ключови функции и в други тъкани:

• ИнтестиноТой е важен източник на енергия за ентероцитите (клетки на чревния епител). Там се използва в реакции на трансаминиране и окисление за генериране на АТФ и аминокиселини като аланин, аспартат, пролин, орнитин и цитрулин.
• черен дробУчаства в азотния метаболизъм, синтеза на други аминокиселини и цикъла на уреята. Играе ключова роля в производството на N-ацетилглутамат, основен активатор на цикъла на уреята.
• Антиоксидантна системае предшественик на глутатион, един от най-важните клетъчни антиоксиданти, който предпазва от оксидативен стрес и реактивни кислородни и азотни форми.

Мононатриев глутамат и вкусът умами

В концепцията, използвана от повечето хора, когато говорим за „глутамат“, обикновено се сещаме за мононатриев глутамат (MSG) , солта, която се получава в резултат на реакцията на молекулата на аминокиселината с неорганичното съединение натрий.

Този компонент е станал известен като умами или аджиномото и има множество приложения в хранително-вкусовата промишленост:

Азиатска кухня: Включването на умами, считан за петия вкус в света, позволява приготвянето на множество рецепти и е естествено присъстващ в основни съставки на тази кулинарна култура, като водорасли (230 до 3380 мг) и соев сос (450 до 700 мг). Тези храни са богати на свободен L-глутамат и нуклеотиди като инозинат и гуанилат, които усилват умами сигнала, като действат върху същите рецептори.

Умами е описан като „много пикантен“ вкус , който създава приятни усещания на небцето. Ученият Кикунае Икеда, работещ в Токийския университет, свързва това усещане, произведено от бульон от водорасли комбу, с мононатриев глутамат (MSG). Употребата на MSG в храната създава интензивно усещане, което не може лесно да се опише с думи и което в много случаи е много привлекателно, което потенциално води до преяждане, ако добавеното количество не се контролира.

Непреработени храни: Мононатриевият глутамат (MSG) се среща естествено в храните, въпреки че не е основна съставка в тяхното приготвяне. По-долу са дадени някои примери с приблизителното им съдържание на свободен глутамат:

• Домат (140-250 мг)
• Картофи (30-180 мг)
• Шунка (340 mg)
• Зелен чай (200-650 мг)
• Сирена: пармезан (1150 мг), чедър (180 мг), рокфор (1200 мг).

Дори кърмата съдържа значителни количества свободен глутамат, които се увеличават с напредването на лактацията. Това предполага, че глутаматът не само допринася за приятния вкус на млякото, но и изпълнява енергийни и имунологични функции в червата на кърмачето.

Хапчета: За известно време таблетки от 500 мг, съдържащи този компонент, бяха популярни на свободния пазар. Те се предлагаха на пазара като „храна за мозъка“ и като продукт, способен да активира и стимулира мозъчните процеси. Макар че е вярно, че глутаматът е от решаващо значение за невронната функция, директният прием под формата на добавка трябва да се извършва с повишено внимание . Тялото много стриктно регулира нивата на глутамат в кръвта и особено в мозъка, и нарушаването на този баланс може да бъде контрапродуктивно.

Що се отнася до безопасността на храните, няколко международни комитета са оценили употребата на мононатриев глутамат (MSG) като добавка. Организации като JECFA (Съвместен експертен комитет на ФАО/СЗО по хранителни добавки) и регулаторни агенции в различни региони са го класифицирали като общопризната безопасна (GRAS) съставка, когато се използва в съответствие с добрите производствени практики. Това означава, че при типични хранителни нива той не представлява известен риск за населението като цяло.

Глутамат, ексцитотоксичност и неврологични патологии

Въпреки че глутаматът е от съществено значение за нормалната мозъчна функция, продължителният излишък може да бъде токсичен за невроните. Това явление е известно като екситотоксичност . То се случва, когато има масивно или продължително освобождаване на глутамат или когато системата за обратно захващане от невроните и астроцитите се повреди, което поддържа рецепторите (особено NMDA рецепторите) непрекъснато активирани и причинява прекомерен приток на калций в клетките.

Увеличаването на вътреклетъчния калций предизвиква каскада от увреждащи събития: активиране на ензими, които разграждат протеини и липиди, прекомерно производство на свободни радикали, митохондриални промени и в крайна сметка, невронална смърт . Тази ексцитотоксичност е свързана с различни патологии:

• Инсулт и исхемияПо време на инсулт или спиране на сърцето, липсата на кислород държи невроните в състояние на постоянна деполяризация, освобождавайки големи количества глутамат. Продължителното активиране на NMDA рецепторите и масивният приток на калций допринасят за невронната смърт в засегнатите области.
• ЕпилепсияЕпилептичните припадъци включват масивни, синхронизирани разряди на възбуждащи неврони. Наблюдавано е, че хиперактивността на глутаматергичната система, особено чрез AMPA рецепторите и, с напредването на заболяването, също и NMDA рецепторите, насърчава появата и поддържането на епилептични разряди.
• Невродегенеративни заболяванияЗаболявания като болестта на Алцхаймер, болестта на Хънтингтън и някои форми на амиотрофична латерална склероза (АЛС) са свързани с прекомерно освобождаване на глутамат или нарушено обратно захващане. Този излишък допринася за прогресивната дегенерация на невроните. Всъщност, лекарства, които модулират освобождаването или действието на глутамат (като рилузол при АЛС или модулатори на NMDA рецептори при други заболявания), се използват, за да се опитат да забавят прогресията на увреждането.
• Травматично мозъчно уврежданеПри травма на главата или гръбначния мозък, разкъсването на невроните и синапсите причинява внезапно освобождаване на глутамат в извънклетъчното пространство, генерирайки каскаден ефект: съседните неврони също са увредени и освобождават глутамата си, усилвайки действието в увредената област.

Провеждат се и изследвания върху ролята на глутаматергичната сигнализация при разстройства от аутистичния спектър , където е предложен дисбаланс между възбуждане (глутамат) и инхибиране (GABA) в области като префронталния кортекс, както и при различни тревожни разстройства , при които асоциативното учене на страха и неговото изчезване биха могли да се възползват от терапии, които модулират глутаматергичната активност в специфични вериги.

Синдром на китайския ресторант: Някои автори използват този термин, за да опишат набор от симптоми (замаяност, гадене, болка в гърдите, астма, слабост), дължащи се на високата консумация на храна, силно подправена с мононатриев глутамат (MSG). Предполага се, че при особено чувствителни индивиди или такива с неврологична предразположеност, острата свръхстимулация на глутаматергичната система може да допринесе за преходен дискомфорт, въпреки че систематичните научни прегледи не са потвърдили убедително пряка причинно-следствена връзка при по-голямата част от населението. Ясно е обаче, че всяко хронично състояние, което поддържа глутаматергичната система свръхактивирана, може да насърчи невронното изтощение и увреждане.

• Замаяност.
• Гадене.
• Болка в гърдите.
• Асма.
• Припадъци (в случай на чувствителни пациенти или с неврологично предразположение).

Глутамат-GABA баланс и хомеостатична регулация

В централната нервна система повечето възбуждащи неврони използват глутамат, докато повечето инхибиторни неврони използват GABA. Балансът между тези две групи определя общия тонус на мозъчната активност. Ако преобладава глутаматергичното възбуждане, може да се появи свръхвъзбудимост, тревожност, гърчове или невронно увреждане; ако преобладава GABAергичното инхибиране, може да се стигне до когнитивно забавяне, силна сънливост или затруднено реагиране на стимули.

GABA се синтезира директно от глутамат от ензима глутаминова киселина декарбоксилаза (GAD) . Следователно, GABAергичните неврони зависят от адекватно снабдяване с глутамат и глутамин, за да поддържат функцията си. От своя страна, астроцитите регулират извънклетъчните нива на глутамат, предотвратявайки ексцитотоксичността и осигурявайки глутамин за ресинтеза както на глутамат, така и на GABA.

Физиологични механизми като вагусов тонус , вариабилност на сърдечната честота и подходяща реакция на стрес допринасят за стабилизиране на глутаматергичната сигнализация. Наблюдавано е, че дихателните тренировки при резонансни честоти (около 0,1 Hz) и някои техники за биологична обратна връзка подобряват автономната хомеостаза и косвено смекчават ефектите от поведенческия стрес върху глутаматергичната синаптична архитектура, насърчавайки по-здравословна пластичност.

Като цяло, глутаматът е молекула с две страни: от една страна, той е от съществено значение за психичния живот, паметта, ученето и вкуса на умами ; от друга, той е потенциално вреден, когато нивата или сигнализацията му се нарушат. По-доброто разбиране на механизмите му на действие, рецепторите и метаболизма отваря вратата за разработването на хранителни, поведенчески и фармакологични стратегии за защита на нервната система и оптимизиране на когнитивната функция.