Пути синтеза глутаминовой кислоты

ВВЕДЕНИЕ

Глутаминовая кислота является одной из 20 протеиногенных аминокислот. Она не относится к числу незаменимых, тем не менее, служит основой для синтеза многих физиологически активных соединений, необходимых для нормальной жизнедеятельности всех живых организмов [1].

Глутаминовая кислота имеет огромное значение в обмене веществ. В основе физиологической активности глутаминовой кислоты − биохимическая реакция, в результате которой происходит связывание избытка аммиака в тканях животных и растений. Известно, что эта аминокислота играет жизненно важную роль в передаче сигналов, является предшественником других аминокислот, участвует в распознавании вкуса, а также в промежуточном метаболизме [2].

L-глутаминовая кислота – это вездесущая аминокислота, присутствующая во многих пищевых продуктах как в свободной форме, так и в составе белков. Животный белок может содержать от 11 до 22% по массе глутаминовой кислоты, а растительный белок – до 40% по массе глутамата [3].

L-глутамат – самая распространенная свободная аминокислота в головном мозге и основной возбуждающий нейромедиатор центральной нервной системы позвоночных. Большая часть свободной L-глутаминовой кислоты в головном мозге образуется в результате местного синтеза из l-глютамина и промежуточных продуктов цикла Кребса. Глутамат играет критическую роль в поддержании синаптической целостности и пластичности, опосредует и ингибирует постсинаптический потенциал в дофамин -содержащих нейронах. Он способствует обучению и запоминанию и играет роль в формировании и функционировании цитоскелета [3]. Таким образом, глутаминовая кислота, играя важную роль в обмене веществ, оказывает существенное влияние на обменные процессы и физиологическое состояние организма.

В настоящее время глутаминовая кислота широко применяется в медицине и в пищевой промышленности. В клинической практике применение этой кислоты вызывает улучшение состояния больных при инсулиновой гипогликемии, при судорогах, при болезни Дауна, при полиомиелите, астенических состояниях и других заболеваниях. В пищевой промышленности глутаминовая кислота и ее соли находят широкое применение в качестве вкусовой приправы, придающей продуктам и концентратам «мясной» запах и вкус, а также как источник легко усвояемого азота. Производство и потребление глутаминовой кислоты быстро возрастают, и в настоящее время в мире ее вырабатывается около сотни тысяч тонн в год. Основным промышленным способом получения пищевой l-глутаминовой кислоты является микробиологический синтез.

Целью данной работы являлось изучение путей синтеза глутаминовой кислоты в живых организмах.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть строение и биологическое значение глутаминовой кислоты;

2. Изучить пути синтеза глутаминовой кислоты у микроорганизмов;

3. Проанализировать способы получения глутаминовой кислоты в растительных клетках;

4. Изучить пути синтеза глутаминовой кислоты у животных.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Norouzi P., Faridbod F., Rashedi H., Ganjali M. R. Flow injection glutamate biosensor based on carbon nanotubes and pt-nanoparticles using FFT continuous cyclic voltammetry // International Journal of Electrochemical Science. – 2010. – V. 5. – P. 1713–1725.

2.. Optimization of glutamic acid production by Corynebacterium glutamicum using response surface methodology / N. S. Alharbi, S. Kadaikunnan, J. M. Khaled [et al] // Journal of King Saud University. – 2020. – V. 32. – P. 1403–1408.

3. Glutamine and glutamate / H. Tapiero, G. Mathe, P. Couvreur [et al.] // Biomed Pharmacother. – 2002. – V. 56. – P. 446–457.

4. Мошарова И. В., Сапецкий А. О., Косицын Н. С. Общие физиологические механизмы воздействия глутамата на центральную нервную систему // Успехи физиологических наук. – 2004. – Т. 35. № 1. – С. 20–42.

5. Optimization of fermentation culture medium containing food waste for L-glutamate production using native lactic acid bacteria and comparison with industrial strain / N. Ghazanfari, S. Fallah, A. Vasiee [et al.] // LWT. – 2023. – V. 184. – Article 114871.

6. Brosnan J. T., Brosnan M. E. Glutamate: a truly functional amino acid // Amino Acids. – 2012. – V. 45 (3). – P. 413–418.

7. Fonnum F. Glutamate: A Neurotransmitter in Mammalian Brain // Journal of Neurochemistry. – 1984. – V. 42. No. 1. – P. 1–11.

8. Signaling Role of Glutamate in Plants / X.-M. Qiu, Y.-Y. Sun, X.-Y. Ye [et al.] // Frontiers in Plant Science. – 2020. – V. 10. – Article 1743.

9. Garattini S. Glutamic Acid, Twenty Years Later // American Society for Nutritional Sciences. – 2000. – P. 902–909.

10. Bak L. K., Schousboe A., Waagepetersen H. S. The glutamate/GABA-glutamine cycle: aspects of transport, neurotransmitter homeostasis and ammonia transfer // Journal of Neurochemistry. – 2006. – V. 98. – P. 641–653.

11. Walker M. C., Donk W. A. The many roles of glutamate in metabolism // Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. – 2015. – V. 43. – P. 419–430.

12. Amino Acid Catabolism in Plants / T. M. Hildebrandt, A. N. Nesi, W. L. Araujo [et al.] // Molecular Plant. – 2015. – V. 8. – P. 1563–1579.

13. Liao H.-S., Chung Y.-H., Hsieh M.-H. Glutamate: A multifunctional amino acid in plants // Plant Science. – 2022. – V. 318. – Article 111238.

14. Gunka K. and Fabian C. M. Control of glutamate homeostasis in Bacillus subtilis: a complex interplay between ammonium assimilation, glutamate biosynthesis and degradation // Molecular Microbiology. – 2012. – V. 85(2). – P. 213–224.

15. Shouwen Chen Glutamate dehydrogenase (RocG) in Bacillus licheniformis WX-02: Enzymatic properties and specific functions in glutamic acid synthesis for poly-γ-glutamic acid production / G. Tian, Q. Wang, X. Wei [et al.] // Enzyme and Microbial Technology. – 2017. – V. 99. – P. 9–15.

16. Hirasawa T., Wachi M. Glutamate Fermentation-2: Mechanism of L-Glutamate Overproduction in Corynebacterium glutamicum // Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. – 2017. – V. 159. – P. 57–72.

17. Umbarger H. E. Amino acid biosynthesis and its regulation // Annual Review of Biochemistry. – 1978. – V. 47. – P. 533–606.

18. Ganguly S. Isolation, characterization and improvement on a wild strain of Corynebacterium glutamicum for L-glutamic acid production Subhadeep Ganguly // Journal of the Indian Chemical Society. – 2019. – V. 96. – P. 705-710.

19. Ganguly S. The pivotal role of Corynebacterium glutamicum in l-Glutamic acid fermentation: A concise review // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. – 2023. – V. 47. – Article 102578.

20. Rehm N., Burkovski A. Engineering of nitrogen metabolism and its regulation in Corynebacterium glutamicum: influence on amino acid pools and production // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2011. – V. 89. – P. 239–248.

21. Effects of phosphoenolpyruvate carboxylase desensitization on glutamic acid production in Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 / M. Wada, K. Sawada, K. Ogura [et al.] // Journal of Bioscience and Bioengineering. – 2016. – V. 121 (2). – P. 172–177.

22. Helling R. B. Why Does Escherichia coli Have Two Primary Pathways for Synthesis of Glutamate? // Journal of Bacteriology. – 1994. – V. 176. No. 15. – P. 4664–4668.

23. Intracellular synthesis of glutamic acid in Bacillus methylotrophicus SK19.001, a glutamate-independent poly(𝜸-glutamic acid)-producing strain / Y. Peng, T. Zhang, W. Mu [et al.] // Journal of the Science of Food and Agriculture. –2016. – V. 96. – P. 66–72.

24. Glutamate metabolism in plant disease and defense: friend or foe? / H. S. Seifi, J. V. Bockhaven, G. Angenon [et al.] // Molecular Plant-Microbe Interactions. – 2013. – V. 26 (5). – P. 475–485.

25. Liu Y., Wiren N. Ammonium as a signal for physiological and morphological responses in plants // Journal of Experimental Botany. – 2017. – V. 68 (10). – P. 2581–2592.

26. Glutamate metabolism and recycling at the excitatory synapse in health and neurodegeneration / J. V. Andersen, K. H. Markussen, E. Jakobsena [et al.] // Neuropharmacology. – 2021. – V. 196. – Article 108719.

27. Glutamate Metabolism in the Brain Focusing on Astrocytes / A. Schousboe, S. Scafidi, L. K. Bak [et al.] // Advances in Neurobiology. – 2014. – V. 11. – P. 13–30.