谷氨酸

谷氨酸（Glutamic acid，符号 Glu或E，阴离子英文写作 glutamate），学名α-氨基戊二酸，属 α-氨基酸，是组成生物体内各种蛋白质的20种氨基酸之一。它是人类的非必需氨基酸，这意味着人体可以合成足够的营养素来供其使用。它也是脊椎动物神经系统中最丰富的兴奋性神经传导物质。它是 GABA 能神经元中合成抑制性γ-氨基丁酸 (GABA) 的前体。

其分子式为C5H9NO4。谷氨酸以两种旋光异构体形式存在；右旋L-型通常是透过麸质水解或从甜菜糖生产废水或发酵中获得的。其分子结构可理想化为HOOC−CH(NH2)−(CH2)2−COOH，具有两个羧基-COOH和一个氨基−NH2。

## 历史

尽管谷氨酸和其他氨基酸天然存在于许多食物中，但直到20世纪初才透过科学手段鉴定出其风味贡献。这种物质是由德国化学家卡尔·里特豪森（Karl Heinrich Ritthausen）于1866年发现并鉴定的，他用硫酸处理了小麦麸质（因此得名麸质gluten）。1908年，日本东京帝国大学研究员池田菊苗鉴定出大量海带汤蒸发后留下的棕色结晶是谷氨酸。这些晶体在品尝时，重现了他在许多食物中发现的不可言喻但不可否认的味道，尤其是在海藻中。池田教授将这种味道称为鲜味（旨味、umami）。随后，他获得了大规模生产谷氨酸结晶盐、味精（麸胺酸钠, Monosodium glutamate, MSG）的方法的专利。

## 化学

### 电离

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当谷氨酸溶于水时，胺基(−NH2)可能获得质子(H+)，和/或羧基可能会失去质子，这取决于介质的酸度。

在足够酸性的环境中，两个羧基都被质子化，分子变成带有单一正电荷的阳离子，HOOC−CH(NH3+)−(CH2)2−COOH.

在pH值约2.5至4.1之间时，更接近胺的羧酸通常会失去一个质子，酸变成中性的两性离子，−OOC−CH(NH3+)−(CH2)2−COOH。这也是结晶固态化合物的形式。质子化状态的改变是逐渐进行的；在pH值为2.10时，两种形式的浓度相等。

在较高的pH值下，另一个羧酸基失去其质子，酸几乎完全以谷氨酸阴离子的形式存在−OOC−CH(NH3+)−(CH2)2−COO−，整体带有单一负电荷。质子化状态的改变发生在pH值为4.07时。这种两种缺乏质子的羧酸盐的形式在生理pH值范围 (7.35–7.45) 中占主导地位。

在更高的pH值下，氨基会失去额外的质子，而普遍存在的物质是双负离子−OOC−CH(NH2)−(CH2)2−COO−。质子化状态的变化发生在pH值为9.47时。

### 光学异构现象

谷氨酸是手性的；存在两种镜像对映异构体：d(−) 和 l(+)。l型在自然界中更广泛存在，但d型出现在一些特殊的环境中，例如细菌的荚膜和细菌的细胞壁（通过谷氨酸消旋酶从l型产生它）和哺乳动物的肝脏.

## 合成

### 生物合成

谷氨酸主要由三羧酸循环（TCA循环）的中间产物——α-酮戊二酸——透过转氨基作用或还原胺化反应合成。

反应物｜产物｜酶

谷氨酰胺 + H2O｜→｜Glu + NH3｜GLS, GLS2

NAcGlu + H2O｜→｜Glu + 乙酸盐｜N-乙酰谷氨酸合酶

α-酮戊二酸 + NADPH + NH4+｜→｜Glu + NADP+ + H2O｜GLUD1, GLUD2

α-酮戊二酸 + α-氨基酸｜→｜Glu + α-酮酸｜转胺酶

1-Pyrroline-5-carboxylate + NAD+ + H2O｜→｜Glu + NADH｜ALDH4A1

N-Formimino-L-glutamate + FH4｜→｜Glu + 5-formimino-FH4｜FTCD

NAAG｜→｜Glu + NAA｜GCPII

### 工业合成

谷氨酸是氨基酸中生产规模最大的，2006年估计年产量约150万吨。1950年代，化学合成被糖类与氨的需氧发酵所取代，其中谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum，亦称黄短杆菌 Brevibacterium flavum）是最常被用于生产的微生物。该物质可透过浓缩与结晶进行分离与纯化；此外，其盐酸盐形式亦广泛流通。

## 谷氨酸的生物重要性

- 谷氨酸是动物体内中枢神经系统的一种重要的兴奋性神经递质。它的特异性受体有三大类：AMPA（α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑丙酸），NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）和卡英酸（Kainate，红藻氨酸／海人藻酸）。
- 谷氨酸，在医学上主要用于治疗肝性昏迷，还用于改善儿童智力发育；食品工业上，味精是常用的增鲜剂，其主要成分是谷氨酸钠盐。
- 加工食品常含有人工抽取的谷氨酸，在食物包装上以不同名称列出。有研究指出会影响新陈代谢，增加肥胖的机会，甚至影响其他身体机能。

## 功能与用途

### 代谢

谷氨酸是细胞代谢中的关键化合物。在人类中，膳食蛋白质经由消化分解成氨基酸，氨基酸作为体内其他功能作用的代谢燃料。氨基酸降解的关键过程是转氨基作用，其中氨基酸的氨基转移为 α-酮酸，通常由转氨酶催化。这种反应可以概括为:

R1-氨基酸 + R2-α-酮酸 ⇌ R1-α-酮酸 + R2-氨基酸

一种非常常见的α-酮酸是α-酮戊二酸，它是柠檬酸循环的中间体。α-酮戊二酸的转氨作用产生麸胺酸。所得的 α-酮酸产品通常也是有用的，它可以作为燃料或作为进一步代谢过程的底物。

丙氨酸 + α-酮戊二酸 ⇌ 丙酮酸 + 谷氨酸

天门冬氨酸 + α-酮戊二酸 ⇌ 草酰乙酸 + 谷氨酸

丙酮酸和草酰乙酸都是细胞代谢的关键成分，在糖解作用、糖质新生作用和柠檬酸循环等基本过程中充当底物或中间体。

### 神经传导物质

谷氨酸是脊椎动物神经系统中最丰富的兴奋性神经传导物质（neurotransmitter）。在化学突触中，谷氨酸储存在囊泡中。神经冲动触发突触前细胞释放谷氨酸。谷氨酸作用于离子型和代谢型（G蛋白偶联）受体。在相对的突触后细胞中，谷氨酸受体（例如NMDA受体或AMPA受体）与谷氨酸结合并被活化。由于其在突触可塑性中的作用，谷氨酸参与大脑中的学习和记忆等认知功能。被称为长期增强作用 (LTP) 的可塑性形式发生在海马体、新皮质和大脑其他部分的谷氨酸突触中。谷氨酸不仅充当点对点发射器 (point-to-point transmitter)，还透过突触之间的溢出突触串扰起作用，其中从邻近突触释放的谷氨酸的总和创建突触外信号/大批量传输。此外，正如马克·马特森 (Mark Mattson) 最初描述的那样，谷氨酸在大脑发育过程中生长锥和突触发生 (synaptogenesis) 的调节中发挥重要作用。

### 大脑非突触谷氨酸讯号传导回路

发现果蝇大脑中的细胞外谷氨酸透过涉及受体脱敏的过程来调节突触后谷氨酸受体聚集。神经胶质细胞中表现的基因主动将谷氨酸转运到细胞外空间，而在刺激伏隔核II类代谢型谷氨酸受体中，该基因被发现可以降低细胞外谷氨酸水平。这提出了这种细胞外谷氨酸作为更大的稳态系统的一部分发挥“类似内分泌”作用的可能性。

### GABA前体

谷氨酸也是GABA能神经元中抑制性γ-胺基丁酸（GABA）合成的前驱物。此反应由谷氨酸脱羧酶（GAD）催化。GABA能神经元可透过检测其活性（采用放射自显影和免疫组织化学方法）进行鉴定（用于研究目的），其在小脑和胰脏中最为丰富。

僵人综合征是一种由抗GAD抗体引起的神经系统疾病，导致GABA合成减少，从而引起运动功能障碍，例如肌肉僵硬和痉挛。由于胰脏中GAD含量丰富，因此会发生直接的免疫破坏，患者会患上糖尿病。

### 增味剂

谷氨酸是蛋白质的组成部分，存在于含有蛋白质的食物中，但只有以未结合的形式存在时才能品尝。多种食物中都含有大量的游离谷氨酸，包括干酪和酱油，谷氨酸负责鲜味，鲜味是人类味觉的五种基本味道之一。谷氨酸通常以其钠盐（称为味精（MSG））的形式用作食品添加剂和风味增强剂。

### 营养

所有肉类、家禽、鱼类、蛋类、乳制品和海带都是谷氨酸的优质来源。一些富含蛋白质的植物性食物也是谷氨酸的来源。麸质（小麦中的大部分蛋白质）中 30-35% 是谷氨酸。膳食谷氨酸的 95% 在首次经由肠道细胞代谢。

### 植物生长剂

Auxigro是一种含有30%谷氨酸的植物生长制剂。

### 核磁共振波谱

近年来，人们对残余偶极耦合 (Residual dipolar coupling, RDC) 在核磁共振波谱 (NMR) 中的应用进行了大量研究。谷氨酸衍生物聚-γ-芐基-L-谷氨酸 (PBLG) 通常用作对齐介质来控制观察到的偶极相互作用的规模。

## 外部链接

- 谷氨酸的质谱(Mass spectrom)

## 基本资料

- ImageFile：Glutaminsäure - Glutamic acid.svg
- IUPACNameZh：Glutamic acid、2-Aminopentanedioic acid、2-氨基戊二酸
- 简称：Glu, E
- CASNo：56-86-0
- CASNo_Comment：(L isomer)
- CASNo1：617-65-2
- CASNo1_Comment：(D/L racemate)
- 3D模型（JSmol）：OC(=O)CCC(N)C(=O)O
- UNII：61LJO5I15S
- ChEMBL：276389.
- KEGG：D0434
- ChemSpiderID：591
- InChI：1/C5H9NO4/c6-3(5(9)10)1-2-4(7)8/h3H,1-2,6H2,(H,7,8)(H,9,10)
- InChIKey：WHUUTDBJXJRKMK-UHFFFAOYAD
- StdInChI：1S/C5H9NO4/c6-3(5(9)10)1-2-4(7)8/h3H,1-2,6H2,(H,7,8)(H,9,10)
- StdInChIKey：WHUUTDBJXJRKMK-UHFFFAOYSA-N
- ChEBI：18237
- 化学式：C5H9NO4
- MolarMass：147.13
- MeltingPt：247~249 ℃
- MeltingPt_notes：分解
- 水溶性：8.57 g/L
- SolubleOther：乙醇: 350 μg/100 g (25 °C)
- pKa：2.10, 4.07, 9.47
- MagSus：−78.5·10−6 cm3/mol
- NFPA-H：2
- NFPA-F：1
- NFPA-R：0
- GHSSignalWord：Warning