Читая состав на упаковке продуктов питания, мы часто видим среди ингредиентов глутамат натрия. Кто-то сразу вернёт такой продукт на полку, потому что слышал, что он вреден, а кто-то спокойно положит в свою корзину, зная его свойства.
Так где же правда? Что такое глутамат и для чего он нужен (а он правда нужен) в нашем организме?
Заметим сразу: чего уж точно не стоит делать – так это бояться. Глутаминовая кислота – одна из 20 аминокислот, встречающихся во всех белках организма. Глутамат, её кислотный остаток, — это то, что остаётся, когда от неё «отваливается» катион водорода H+, что в условиях организма происходит почти всегда.
Первый среди равных
По-видимому, глутамат – один из первых нейромедиаторов. Он появился на рассвете эволюции многоклеточных, уже тогда, когда ещё даже не было самой нервной системы. Отголоски этого мы наблюдаем сегодня у губок. Эти древние и примитивные существа не имеют специализированных нервных клеток. Однако, сокращение их тела активируется глутаматом и блокируется γ-аминомасляной кислотой. Ещё более интригующим фактом выглядит наличие генов глутаматных рецепторов, а так же белков, задействованных в синтезе глутамата, у гребневиков. Эти организмы, некрупные, студенистые, похожие на безмятежно парящие в воде дирижабли, первыми отделились от общего эволюционного предка всех многоклеточных. Позднее исследования показали, что появление нервной и мышечной системы гребневиков и всех остальных многоклеточных происходило независимо. А это означает, что придирчивая эволюция как минимум дважды стояла на перепутье и дважды выбирала глутамат в качестве основного возбуждающего медиатора нервной системы.
Так уж ли велико возможное разнообразие вариантов организации животных? Или глутамат настолько универсален и удобен в роли нейромедиатора? Или же просто к моменту расхождения двух ветвей многоклеточных все предпосылки для выбора глутамата в виде пути его биосинтеза и широкого спектра подходящих рецепторов уже сложились? Скорее всего, все эти причины сыграли свою роль.
Рождённый возбуждать
В любом случае, глутамат оказался главным возбуждающим медиатором нервной системы животных. К середине ХХ века учёные накопили большой объём данных о том, что глутаминовая кислота содержится практически во всех структурах мозга.
Впервые идею о значении этого вещества для нервной системы предложил Тюсиро Хайоши в 1954 году. В своих работах он выяснил, что введение глутаминовой кислоты в желудочки головного мозга собак и обезьян вызывает судороги. К концу 50-х провели эксперименты, в которых глутамат деполяризовал и возбуждал нейроны спинного мозга кошки.
Кажется, что этих данных должно было с лихвой хватить для признания глутамата одним из важнейших медиаторов ЦНС. Но не тут-то было! Для сообщества нейрофизиологов того времени казалось очевидным, что определённый нейромедиатор может распространяться только в отдельных структурах мозга и выполнять какую-то одну, специализированную роль, а его концентрация в мозге не может быть слишком большой. Глутамат же возбуждал абсолютно все нейроны, на которые его капали в экспериментах. Так же выяснилось, что он – одно из наиболее заметных низкомолекулярных веществ мозга и участвует в десятках метаболических путей. А ещё кажется, что само понятие о действии нейромедиатора на рецептор подразумевает точнейшее соответствие их структур друг-другу по типу «ключ-замок».
Но на деле оказалось, что различные аналоги глутамата действуют на нейроны не сильно хуже его самого. Даже экзотический для живого организма правый оптический изомер L-глутамата – D-глутамат (об оптической изомерии мы рассказывали в тексте о леводопе) возбуждал нейроны. Да и найти подходящий для глутамата антагонист, способный заблокировать его действие на рецептор, долго не удавалось. Казалось бы, ну какой же он после этого нейромедиатор? Обычный, очень распространённый и нужный метаболит мозга.
Однако не прошло и десяти лет, как группа Джеффа Уоткинса нашла первые избирательные активаторы ещё не открытых глутаматных рецепторов. В опытах одна часть клеток, активируемых глутаматом, так же возбуждалась его структурным аналогом NMDA (N-метил-D-аспартат), а другая часть клеток – каиновой кислотой.
Через некоторое время миру открылся ещё и третий вид чувствительных к глутамату клеток – они возбуждались под действием AMPA (альфа-аминометилизоксазолпропионовой кислоты). Позже обнаружились избирательные антагонисты (блокаторы активации), а затем и сами глутаматные рецепторы.
Каждому – своё предназначение
Сейчас известно, что все рецепторы глутаминовой кислоты можно разделить на две обширные группы. Глутаматные рецепторы ионотропного типа – представляют собой ионный канал, который открывается в момент активации глутаматом и пропускает внутрь клетки поток катионов. Именно рецепторы этой группы делятся на три типа: NMDA, каинатные и AMPA-рецепторы – по названиям соединений агонистов. Каинатные и AMPA-рецепторы – пожалуй, самые распространённые типы рецепторов в мозге. Именно их взрывная активация во время приступа эпилепсии приводит к потере сознания и судорогам.
Значительно более изучены NMDA-рецепторы. Их много в коре больших полушарий, особенно в гиппокампе. В отличие от АМРА и каинатных рецепторов их ионный канал проводит не только ионы Na+ и К+ , но и Ca2+ . А вот ионы Mg2+ в нём застревают, блокируя рецептор. Но когда за счёт других рецепторов (например, тех же АМРА-рецепторов) возникает потенциал действия на нейроне, то «магниевые пробки» выбиваются из каналов, резко увеличивая количество активных рецепторов, а, значит, и чувствительность нейрона. Считается, что именно этот механизм краткосрочного усиления чувствительности нейрона к стимулам лежит в основе кратковременной памяти.
Количество различных метаботропных глутаматных рецепторов намного больше. Эти белки не имеют ионного канала и передают сигнал внутрь клетки за счёт G-белка. В ответ на связь с медиатором они изменяют свою структуру, активируя G-белок (отсюда их второе название: GPCR – G-Protein Coupled Receptors). Освобождённый G-белок запускает в клетке серию реакций, приводя к генерации или, наоборот, затуханию нервного импульса.
Известно три обширных семейства глутаматных рецепторов метаботропного типа. Все они разбросаны по различным отделам мозга, а некоторые встречаются и в столь неожиданных местах, как вкусовые почки на поверхности языка.
Пятый элемент
Кстати, сколько вкусов чувствует человек? Со школы мы помним цифру 4: сладкий, горький, солёный и кислый. Кто-то ещё вспомнит острый и будет неправ, потому что жжение перца во рту – это ощущение, создаваемое тепловыми рецепторами в ответ на химическое вещество-активатор (капсаицин) и, строго говоря, вкусом не является. Но на самом деле 5-й вкус существует, просто о нём мало кто слышал. Несмотря на то, что он имеет довольно долгую историю.
В 1907 году профессор токийского университета Икэда Кикунаэ заинтересовался источником своеобразного вкуса конбу – водоросли ламинарии японской. Через год напряжённой работы ему удалось выделить из сушёной водоросли натриевую соль глутаминовой кислоты. Вкус полученного вещества полностью соответствовал вкусу ламинарии.
О самой глутаминовой кислоте на тот момент знали уже более 40 лет: впервые её получил немецкий химик Ритхаузен в 1866 году. Но никто не мог предположить, что эта аминокислота как-то связана с вкусовыми ощущениями. Правда, соотечественник Ритхаузена Эмиль Фишер спустя несколько десятилетий всё-таки попробовал глутаминовую кислоту, но почему-то вкус аминокислоты не произвёл впечатления на нобелевского лауреата. Очередное открытие прошло буквально в сантиметре мимо возможного автора.
Позднее классик немецкой химии описывал вкус аминокислоты как кислый с пресным послевкусием. Однако Кикунаэ назвал вкус глутамата «умами», дословно с японского – «приятный вкус». Отчасти столь разное восприятие объясняется тем, что Фишер пробовал собственно глутаминовую кислоту, а Кикунаэ выделив кислоту, перевёл её в натриевую соль. Большинство глутамат-содержащих продуктов, в том числе и ламинария, имеют значение кислотности, близкое к нейтральному, так что вкус «умами» определяется именно кислотным остатком – глутаматом. В кислоте же его вкус будет маскироваться кислым, возникающим из-за катионов водорода (да, все кислоты и правда кислые на вкус).
Попав на эпителий языка, глутамат активирует метаботропные глутаматные рецепторы типа 4, придавая пище насыщенный вкус, ассоциирующийся с сытной, мясной пищей. Кроме ламинарии большие концентрации свободного глутамата встречаются в томатах, сыре, бобах, соевом соусе. Глутамат высвобождается из состава белков при их термическом разрушении, и, отчасти, ответственен за наваристый вкус мясного бульона. Естественно, что при таком кулинарном значении он стал активно добавляться в продукты, особенно в те, где естественного глутамата не хватает, а сытно-мясной вкус был бы кстати – вроде лапши, завариваемой кипятком. А в азиатской кухне глутамат в виде белого порошка вообще частенько занимает отдельное место на столах, дополняя привычный нам набор из соли, сахара и перца.
Текст: Дмитрий Лебедев