Glutamats funktion och dess effekter på nervsystemet och kroppen

Vet du hur informationsöverföringsprocessen fungerar på nervsystemet? Visste du att glutamat spelar en viktig roll i processen?

Kanske tänker du vid det här laget på den berömda "umami", eller den femte gastronomiska smaken, och det är delvis relaterat till ämnet (men vi kommer att definiera detta senare), men glutamatet vi pratar om är i huvudsak en aminosyra som syntetiseras på nivån av neuronala strukturer.

Nervsystemet koordinerar genom flera specialiserade strukturer kroppens reaktionsfunktioner mot störningar eller stimuli, detta innebär att innan en stimulus som detekteras av våra receptorgrupper, tas vårt team av nervceller i drift, så att denna information kommer till centrala nervsystemet, där ett svar produceras som avges av samma medium (reflexbåge).

Så , vilken roll spelar glutamat i allt detta? I hela denna process av informations- och stimulusutbyte skapas ett informationsnätverk där neuroner är ett grundläggande element i detta utbyte. Synaps! Detta är den populära termen för den process där två strukturer kommer i kontakt för att genomföra utbytet, och det är vid denna tidpunkt som substanser av denna komponents natur, det vill säga neurotransmittorer, spelar en viktig roll, eftersom det är tack vare dem som denna koppling mellan neuroner garanteras.

Neuronal utbyte och glutamater

För att sätta detta i ett sammanhang, minns du den gången du av misstag trampade på tån eller rörde vid en het yta? Din reaktion var omedelbar: du drog bort din hand, eller det drabbade området på din kropp, för att skydda dig själv. Du sa förmodligen "Jag gjorde det utan att tänka", men det är inte helt sant. Bakom din reaktion fanns en komplex neural process som gjorde det möjligt för din hjärna att utforma en reaktion skräddarsydd för den stimulansen.

Nervsystemets centrala axel är hjärnan, där alla tankar och uppfattningar bearbetas och svar utformas. Hjärnans struktur är dock inte specialiserad på direkt mottagning av externa signaler ; därför finns det cellulära strukturer associerade med detta system, kallade neuroner, som ansvarar för att överföra denna information från källan där den samlas in till strukturerna i det centrala nervsystemet, vilka ansvarar för att utforma svar som är lämpliga för den mottagna stimulansen.

Neuroner har en karakteristisk struktur, bestående av en kärna som finns i en struktur som kallas " soma ". De har också en långsträckt, cylindrisk förlängning som kallas axon, eller "cellkropp", som förbinder nervändarna med kärnan, och kortare förlängningar som kallas dendriter. Glutamatsyntes sker i denna cell . Cellen producerar denna aminosyra eftersom den behöver den för att etablera kontakt med andra neuroner (synapser), och det är denna komponent som, genom sina funktioner som stimulator och neurotransmittor, möjliggör utvecklingen av reflexbågen, vilket helt enkelt är stimulus-responskretsen.

I däggdjurshjärnan medierar glutamat de flesta exciterande synapser i centrala nervsystemet. Det uppskattas finnas i cirka 80–90 % av hjärnans synapser, vilket gör det till den primära mediatorn av sensorisk, motorisk, kognitiv och emotionell information. Dessutom spelar det en nyckelroll i minnesbildning, konsolidering och återhämtning , i inlärningsprocesser och i neuroplasticitet – hjärnans förmåga att anpassa sig och omorganisera sig själv.

En annan viktig aspekt är att glutamat är en direkt föregångare till GABA (gamma-aminosmörsyra), den huvudsakliga hämmande neurotransmittorn i centrala nervsystemet. På så sätt genereras både exciterande och hämmande signaler från samma molekyl, vilket upprätthåller den känsliga balansen mellan neuronal aktivering och hämning som upprätthåller en sund hjärnfunktion.

Komponentens natur

Det är en icke-essentiell aminosyra , vilket innebär att kroppen kan syntetisera den själv. På neuronal nivå bildas den primärt i den presynaptiska nervcellernas metabolism. Allt börjar med glutamin, en amid som finns i överflöd i kroppen, särskilt i muskler, men även i nervsystemet. Denna reaktion producerar en mellanprodukt som kallas glutaminas, och slutligen producerar neuronen glutamat, en aminosyra som krävs för överföring av stimuli och svar. Denna komponent tas upp av den postsynaptiska neuronen genom specifika glutamatreceptorer.

Ur ett generellt metaboliskt perspektiv kan glutamat också härledas från alfa-ketoglutarat , en intermediär i Krebs cykel (eller trikarboxylsyracykeln). Genom transamineringsreaktioner får alfa-ketoglutarat en aminogrupp och omvandlas till glutamat. Denna direkta koppling mellan den cellulära energicykeln och glutamatsyntes gör denna aminosyra till en central komponent i sambandet mellan metabolism och neurotransmission.

Process i gliacellen: Som det sista steget i en cykel som börjar med den process som beskrivs ovan sker en andra reaktion, vilket avslutar cykeln. Detta sker tack vare diffusionen av denna neurotransmittoraminosyra till gliacellen (särskilt astrocyter) som omger synapser och ryggmärgens centrala kanal. I denna struktur sker den omvända reaktionen, vilket producerar glutamin , som sedan tas upp igen av presynaptiska neuroner för att initiera en ny cykel. Detta ständiga samarbete mellan neuroner och astrocyter är känt som glutamat-glutamincykeln och står för upp till 40 % av den totala återvinningen av glutamat som frigörs i hjärnan.

Den beskrivna processen är kontinuerlig och sker i millisekunder, eftersom utvecklingen av reflexbågen och resten av de kognitiva funktionerna är en konstant och viktig process för att bevara välbefinnandet hos människor.

Glutamatreceptorer och exciterande synapser

För att glutamat ska kunna utföra sina funktioner måste det binda till specifika receptorer som huvudsakligen finns på membranet hos postsynaptiska neuroner. Dessa receptorer är specialiserade proteiner som, när de känner igen signalsubstansen, utlöser en kaskad av elektriska och kemiska förändringar i cellen som tar emot signalen.

Generellt sett kan två huvudfamiljer av receptorer urskiljas:

• Ionotropa receptorerDe fungerar som jonkanaler som öppnas när glutamat binder, vilket möjliggör passage av joner (främst natrium, kalcium och kalium). De genererar snabba och direkta svar på neuronens elektriska potential.
• Metabotropa receptorerDe är kopplade till G-proteiner och aktiverar intracellulära andra budbärare. Deras effekt är långsammare men modulerar djupt neuronal excitabilitet och plasticitet.

Inom de jonotropa glutamaterga receptorerna utmärker sig tre huvudtyper:

• NMDA-receptor: oerhört viktigt för synaptisk plasticitet och minne. Den är mycket permeabel för kalcium, men kräver både glutamatbindning och föregående membrandepolarisering för att aktiveras, och fungerar därmed som en "tändsticksdetektor"mellan presynaptisk och postsynaptisk aktivitet."
• AMPA-mottagareDet aktiveras mycket snabbt vid frisättning av glutamat och möjliggör främst passage av natrium. Det är huvudsakligen ansvarigt för snabba exciterande potentialer i de flesta glutamaterga synapser.
• Kainato-mottagareMindre rikligt förekommande, men med en modulerande roll i både exciterande och hämmande synapser. Den deltar också i regleringen av excitabiliteten hos specifika neuronala nätverk.

AMPA- och NMDA-receptorer arbetar på ett koordinerat sätt . När en nervimpuls anländer frisätter presynaptiska vesiklar glutamat i den synaptiska klyftan. Först aktiveras AMPA-receptorer, vilket genererar en snabb och kraftfull, men kortlivad, depolarisering. Om denna depolarisering är tillräcklig, avlägsnar den magnesium-"blocket" som normalt blockerar NMDA-receptorkanalen, vilket gör att den kan aktiveras. NMDA-receptorn tillåter sedan kalcium att komma in, vilket utlöser intracellulära mekanismer som stärker eller försvagar synapsen, den cellulära grunden för inlärning och minne.

Styrkan och antalet hos dessa receptorer är inte statiska. Faktorer som kronisk stress , typen av miljöstimulering eller mönster av elektrisk aktivitet kan inducera nedbrytningsprocesser eller införandet av nya AMPA- och NMDA-subenheter i membranet. Till exempel kan långvarig exponering för stressfaktorer (ruminering, konstant bedömning, hög emotionell belastning) aktivera hormonella vägar som främjar nedbrytningen av vissa subenheter (såsom GluR1 eller NR1) via ubiquitin-proteasomsystemet, vilket minskar glutamaterg transmission i viktiga områden som prefrontala cortex och påverkar arbetsminne och kognitiv flexibilitet.

Glutamat, synaptisk plasticitet, minne och inlärning

Glutamat är en av hjärnans viktigaste neurotransmittorer och spelar en grundläggande roll i minne och inlärning . Dess funktion är inte begränsad till att överföra impulser: det modifierar också styrkan hos kopplingarna mellan neuroner, en process som kallas synaptisk plasticitet.

Det finns två huvudformer av plasticitet relaterade till glutamat:

• Långsiktig potentiering (LTP)Långtidspotentiering (LTP) är en ihållande ökning av en synaps effektivitet efter upprepad högfrekvent stimulering. Den beror till stor del på aktiveringen av NMDA-receptorer och inflödet av kalcium i den postsynaptiska neuronen. Detta kalcium aktiverar signalkaskader som stärker synapsen, till exempel genom att införa fler AMPA-receptorer i membranet. LTP anses vara en av de cellulära baserna för bildandet av nya minnen.
• Långvarig depression (LTD)Detta är den motsatta processen, där synaptisk effektivitet minskar efter vissa mönster av repetitiv eller långvarig stimulering. Det involverar vanligtvis ihållande aktivering av metabotropa glutamatreceptorer eller specifika mönster av NMDA-aktivering. LTD tillåter "ta bort" eller justera anslutningar, viktigt för att undvika systemmättnad och möjliggöra flexibelt lärande.

Under inlärning aktiverar frisättningen av glutamat vid specifika synapser dessa LTP- och LTD-mekanismer, vilket stärker vissa kopplingar och försvagar andra. På så sätt kodar, lagrar och omorganiserar hjärnan information baserat på erfarenhet. Rätt balans i glutamatnivåer och responsen hos dess receptorer är avgörande för att dessa processer ska fungera korrekt.

En obalans i det glutamaterga systemet kan utlösa minnes- och inlärningssvårigheter. Både ett överskott (vilket leder till överexcitation och nervskador) och en brist (minskad plasticitet) kan orsaka kognitiva problem. Förändringar i glutamatsignalering har faktiskt kopplats till olika neurologiska utvecklingsstörningar , schizofreni, humörstörningar, kognitiv nedgång och neurodegenerativa sjukdomar.

Glutamats funktioner i kroppen

Glutamat är känt för sitt engagemang i neuronala processer på nervsystemets nivå; det bestämmer dock också syntesen av andra komponenter och deltar i flera metaboliska funktioner.

• Proteinbildning: Genom sitt deltagande i olika metaboliska vägar fungerar det som föregångare i bildandet av föreningarsärskilt de av proteinkaraktär. Kolskelettet i glutamat kan omvandlas till alfa-ketoglutarat och integreras i Krebs cykel, medan dess aminogrupp överförs till andra skelett för att bilda olika aminosyror.
• Neurotransmitter: Detta utgör dess mest relevanta roll, eftersom den har ett primärt deltagande i kommunikationsprocesser mellan neuronerdär den inducerar och exciterar strukturer som underlättar överföringen av stimuli och impulser.

Neuroner frisätter det syntetiserade glutamatet genom deras ämnesomsättning, och detta fungerar som en kemisk budbärare som fångas av specifika strukturer som kallas proteinreceptorer.

• Relaterade proteinreceptorer: N-metyl-D-aspartat (NMDA), AMPA, kainat och de så kallade metabotropa receptorerna. Även om det är möjligt för informationsutbyte mellan neuroner att ske genom direkt förbindelse mellan axonet i en neuron och dendriterna i en annan (elektrisk synaps), Verkan av stimulerande kemiska ämnen krävs vanligtvis. såsom glutamat för att säkerställa fin och modulerbar transmission.

Förutom sin roll i centrala nervsystemet utför glutamat viktiga funktioner i andra vävnader:

• InälvorDet är en viktig energikälla för enterocyter (celler i tarmepitelet). Där används det i transaminerings- och oxidationsreaktioner för att generera ATP och aminosyror som alanin, aspartat, prolin, ornitin och citrullin.
• leverDet deltar i kvävemetabolismen, syntesen av andra aminosyror och ureacykeln. Det är avgörande för produktionen av N-acetylglutamat, en viktig aktivator av ureacykeln.
• Antioxidantsystemär en föregångare till glutation, en av de viktigaste cellulära antioxidanterna, som skyddar mot oxidativ stress och reaktiva syre- och kvävereider.

Mononatriumglutamat och umamismaken

I det koncept som används av de flesta, när vi talar om "glutamat", tänker vi vanligtvis på mononatriumglutamat (MSG) , saltet som uppstår när aminosyramolekylen reagerar med den oorganiska föreningen natrium.

Denna komponent har blivit känd som umami eller ajinomoto och har flera tillämpningar inom livsmedelsindustrin:

Asiatisk mat: Införandet av umami, som anses vara världens femte smak, möjliggör tillagning av många recept och finns naturligt i basingredienser i denna kulinariska kultur, såsom tång (230 till 3380 mg) och sojasås (450 till 700 mg). Dessa livsmedel är rika på fritt L-glutamat och nukleotider som inosinat och guanylat, vilket förstärker umamisignalen genom att verka på samma receptorer.

Umami beskrevs som en "mycket pikant" smak som framkallar behagliga förnimmelser i gommen. Det var forskaren Kikunae Ikeda, som arbetar vid Tokyos universitet, som förknippade denna förnimmelse som framkallas av kombu-tångbuljong med mononatriumglutamat (MSG). Användningen av MSG i mat skapar en intensiv förnimmelse som inte lätt kan beskrivas med ord, och som i många fall är mycket tilltalande, vilket potentiellt kan leda till överkonsumtion om den tillsatta mängden inte kontrolleras.

Obearbetade livsmedel: Mononatriumglutamat (MSG) förekommer naturligt i livsmedel, även om det inte är en huvudingrediens i deras tillagning. Nedan följer några exempel med deras ungefärliga innehåll av fritt glutamat:

• Tomat (140–250 mg)
• Potatis (30–180 mg)
• Skinka (340 mg)
• Grönt te (200-650 mg)
• Ostar: parmesan (1150 mg), cheddar (180 mg), roquefort (1200 mg).

Även bröstmjölk innehåller betydande mängder fritt glutamat, vilka ökar allt eftersom amningen fortskrider. Detta tyder på att glutamat inte bara bidrar till mjölkens behagliga smak utan också fyller energetiska och immunologiska funktioner i spädbarnets tarm.

Piller: Under en tid var 500 mg tabletter innehållande denna komponent populära på den öppna marknaden. De marknadsfördes som "hjärnmat" och erbjöds som en produkt som kunde aktivera och stimulera hjärnprocesser. Även om det är sant att glutamat är avgörande för neuronal funktion, bör direkt intag i kosttillskottsform hanteras med försiktighet . Kroppen reglerar glutamatnivåerna i blodet och särskilt i hjärnan mycket strikt, och att störa denna balans kan vara kontraproduktivt.

När det gäller livsmedelssäkerhet har flera internationella kommittéer utvärderat användningen av MSG som tillsats. Organisationer som JECFA (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives) och tillsynsmyndigheter i olika regioner har klassificerat det som en allmänt erkänd säker ingrediens (GRAS) när den används enligt god tillverkningssed. Detta innebär att det vid typiska kostnivåer inte utgör någon känd risk för den allmänna befolkningen.

Glutamat, excitotoxicitet och neurologiska patologier

Även om glutamat är avgörande för normal hjärnfunktion kan ett långvarigt överskott vara toxiskt för neuroner. Detta fenomen kallas excitotoxicitet . Det uppstår när det sker en massiv eller fördröjd frisättning av glutamat, eller när återupptagssystemet av neuroner och astrocyter slutar fungera, vilket håller receptorer (särskilt NMDA-receptorer) kontinuerligt aktiverade och orsakar ett överdrivet inflöde av kalcium i cellerna.

Ökningen av intracellulärt kalcium utlöser en kaskad av skadliga händelser: aktivering av enzymer som bryter ner proteiner och lipider, överdriven produktion av fria radikaler, mitokondriella förändringar och slutligen neuronal död . Denna excitotoxicitet har kopplats till olika patologier:

• Stroke och ischemiUnder en stroke eller hjärtstillestånd håller syrebristen neuronerna i ett tillstånd av permanent depolarisering, vilket frigör stora mängder glutamat. Den ihållande aktiveringen av NMDA-receptorer och det massiva inflödet av kalcium bidrar till neuronal död i de drabbade områdena.
• EpilepsiaEpileptiska anfall involverar massiva, synkroniserade urladdningar av excitatoriska neuroner. Hyperaktivitet i det glutamaterga systemet, särskilt genom AMPA-receptorer och, allt eftersom sjukdomen fortskrider, även NMDA-receptorer, har observerats främja uppkomsten och upprätthållandet av epileptiska urladdningar.
• Neurodegenerativa sjukdomarSjukdomar som Alzheimers sjukdom, Huntingtons sjukdom och vissa former av amyotrofisk lateralskleros (ALS) är förknippade med överdriven glutamatfrisättning eller försämrat återupptag. Detta överskott bidrar till den progressiva degenerationen av neuroner. Faktum är att läkemedel som modulerar glutamatfrisättning eller verkan (såsom riluzol vid ALS eller NMDA-receptormodulatorer vid andra sjukdomar) används för att försöka bromsa skadans utveckling.
• Traumatisk hjärnskadaVid huvudtrauma eller ryggmärgsskador orsakar bristning av neuroner och synapser en plötslig frisättning av glutamat i det extracellulära utrymmet, vilket genererar en kaskadeffekt: angränsande neuroner skadas också och frisätter sitt glutamat, vilket förstärker det skadade området.

Forskning bedrivs också om rollen av glutamaterg signalering vid autismspektrumstörningar , där en obalans mellan excitation (glutamat) och hämning (GABA) har föreslagits inom områden som prefrontala cortex, och vid olika ångeststörningar , där associativ inlärning av rädsla och dess utrotning skulle kunna dra nytta av terapier som modulerar glutamaterg aktivitet i specifika kretsar.

Kinesisk restaurangsyndrom: Vissa författare har använt denna term för att beskriva en uppsättning symtom (yrsel, illamående, bröstsmärtor, astma, svaghet) som kan tillskrivas hög konsumtion av mat som är starkt kryddad med mononatriumglutamat (MSG). Det har föreslagits att akut överstimulering av det glutamaterga systemet kan bidra till övergående obehag hos särskilt känsliga individer eller personer med neurologisk predisposition, även om systematiska vetenskapliga granskningar inte slutgiltigt har bekräftat ett direkt orsakssamband hos majoriteten av befolkningen. Det som dock är tydligt är att alla kroniska tillstånd som håller det glutamaterga systemet överaktiverat kan främja neuronal utmattning och skada.

• Yrsel.
• Illamående.
• Bröstsmärta.
• Asma.
• Krampanfall (vid känsliga patienter eller med neurologisk benägenhet).

Glutamat-GABA-balans och homeostatisk reglering

I det centrala nervsystemet använder de flesta exciterande neuroner glutamat, medan de flesta hämmande neuroner använder GABA. Balansen mellan dessa två grupper avgör den övergripande tonen i hjärnaktiviteten. Om glutamaterg excitation dominerar kan hyperexcitabilitet, ångest, kramper eller nervskador uppstå; om GABAerg hämning dominerar kan kognitiv avmattning, intensiv dåsighet eller svårigheter att reagera på stimuli uppstå.

GABA syntetiseras direkt från glutamat av enzymet glutaminsyradekarboxylas (GAD) . GABAerga neuroner är därför beroende av en tillräcklig tillförsel av glutamat och glutamin för att upprätthålla sin funktion. Astrocyter reglerar i sin tur extracellulära glutamatnivåer, vilket förhindrar excitotoxicitet och tillhandahåller glutamin för resyntesen av både glutamat och GABA.

Fysiologiska mekanismer som vagustonus , hjärtfrekvensvariabilitet och en lämplig stressrespons bidrar till att stabilisera glutamaterg signalering. Andningsträning vid resonansfrekvenser (cirka 0,1 Hz) och vissa biofeedback-tekniker har observerats förbättra autonom homeostas och indirekt mildra effekterna av beteendestress på glutamaterg synaptisk arkitektur, vilket främjar en hälsosammare plasticitet.

Sammantaget är glutamat en molekyl med två sidor: å ena sidan är den viktig för mentalt liv, minne, inlärning och umamismak ; å andra sidan är den potentiellt skadlig när dess nivåer eller signalering blir dysreglerade. En bättre förståelse av dess verkningsmekanismer, receptorer och metabolism öppnar dörren för utveckling av näringsmässiga, beteendemässiga och farmakologiska strategier för att skydda nervsystemet och optimera kognitiv funktion.