穀氨酸

穀氨酸（Glutamic acid，符號 Glu或E，陰離子英文寫作 glutamate），學名α-氨基戊二酸，屬 α-胺基酸，是組成生物體內各種蛋白質的20種胺基酸之一。它是人類的非必需胺基酸，這意味著人體可以合成足夠的營養素來供其使用。它也是脊椎動物神經系統中最豐富的興奮性神經傳導物質。它是 GABA 能神經元中合成抑制性γ-氨基丁酸 (GABA) 的前體。

其分子式為C5H9NO4。穀氨酸以兩種旋光異構體形式存在；右旋L-型通常是透過麩質水解或從甜菜糖生產廢水或發酵中獲得的。其分子結構可理想化為HOOC−CH(NH2)−(CH2)2−COOH，具有兩個羧基-COOH和一個氨基−NH2。

## 歷史

儘管穀氨酸和其他胺基酸天然存在於許多食物中，但直到20世紀初才透過科學手段鑑定出其風味貢獻。這種物質是由德國化學家卡爾·里特豪森（Karl Heinrich Ritthausen）於1866年發現並鑑定的，他用硫酸處理了小麥麩質（因此得名麩質gluten）。1908年，日本東京帝國大學研究員池田菊苗鑑定出大量海帶湯蒸發後留下的棕色結晶是穀氨酸。這些晶體在品嚐時，重現了他在許多食物中發現的不可言喻但不可否認的味道，尤其是在海藻中。池田教授將這種味道稱為鮮味（旨味、umami）。隨後，他獲得了大規模生產穀氨酸結晶鹽、味精（麩胺酸鈉, Monosodium glutamate, MSG）的方法的專利。

## 化學

### 電離

當穀氨酸溶於水時，胺基(−NH2)可能獲得質子(H+)，和/或羧基可能會失去質子，這取決於介質的酸度。

在足夠酸性的環境中，兩個羧基都被質子化，分子變成帶有單一正電荷的陽離子，HOOC−CH(NH3+)−(CH2)2−COOH.

在pH值約2.5至4.1之間時，更接近胺的羧酸通常會失去一個質子，酸變成中性的兩性離子，−OOC−CH(NH3+)−(CH2)2−COOH。這也是結晶固態化合物的形式。質子化狀態的改變是逐漸進行的；在pH值為2.10時，兩種形式的濃度相等。

在較高的pH值下，另一個羧酸基失去其質子，酸幾乎完全以穀氨酸陰離子的形式存在−OOC−CH(NH3+)−(CH2)2−COO−，整體帶有單一負電荷。質子化狀態的改變發生在pH值為4.07時。這種兩種缺乏質子的羧酸鹽的形式在生理pH值範圍 (7.35–7.45) 中占主導地位。

在更高的pH值下，氨基會失去額外的質子，而普遍存在的物質是雙負離子−OOC−CH(NH2)−(CH2)2−COO−。質子化狀態的變化發生在pH值為9.47時。

### 光學異構現象

穀氨酸是手性的；存在兩種鏡像對映異構體：d(−) 和 l(+)。l型在自然界中更廣泛存在，但d型出現在一些特殊的環境中，例如細菌的莢膜和細菌的細胞壁（通過穀氨酸消旋酶從l型產生它）和哺乳動物的肝臟.

## 合成

### 生物合成

穀氨酸主要由三羧酸循環（TCA循環）的中間產物——α-酮戊二酸——透過轉氨基作用或還原胺化反應合成。

反應物｜產物｜酶

穀氨醯胺 + H2O｜→｜Glu + NH3｜GLS, GLS2

NAcGlu + H2O｜→｜Glu + 乙酸鹽｜N-乙醯穀氨酸合酶

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

α-酮戊二酸 + α-胺基酸｜→｜Glu + α-酮酸｜轉胺酶

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

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

NAAG｜→｜Glu + NAA｜GCPII

### 工業合成

穀氨酸是胺基酸中生產規模最大的，2006年估計年產量約150萬噸。1950年代，化學合成被糖類與氨的需氧發酵所取代，其中穀氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum，亦稱黃短桿菌 Brevibacterium flavum）是最常被用於生產的微生物。該物質可透過濃縮與結晶進行分離與純化；此外，其鹽酸鹽形式亦廣泛流通。

## 穀氨酸的生物重要性

- 穀氨酸是動物體內中樞神經系統的一種重要的興奮性神經遞質。它的特異性受體有三大類：AMPA（α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸），NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）和卡英酸（Kainate，紅藻氨酸／海人藻酸）。
- 穀氨酸，在醫學上主要用於治療肝性昏迷，還用於改善兒童智力發育；食品工業上，味精是常用的增鮮劑，其主要成分是穀氨酸鈉鹽。
- 加工食品常含有人工抽取的穀氨酸，在食物包裝上以不同名稱列出。有研究指出會影響新陳代謝，增加肥胖的機會，甚至影響其他身體機能。

## 功能與用途

### 代謝

穀氨酸是細胞代謝中的關鍵化合物。在人類中，膳食蛋白質經由消化分解成胺基酸，胺基酸作為體內其他功能作用的代謝燃料。胺基酸降解的關鍵過程是轉氨基作用，其中胺基酸的氨基轉移為 α-酮酸，通常由轉氨酶催化。這種反應可以概括為:

R1-胺基酸 + R2-α-酮酸 ⇌ R1-α-酮酸 + R2-胺基酸

一種非常常見的α-酮酸是α-酮戊二酸，它是檸檬酸循環的中間體。α-酮戊二酸的轉氨作用產生麩胺酸。所得的 α-酮酸產品通常也是有用的，它可以作為燃料或作為進一步代謝過程的底物。

丙氨酸 + α-酮戊二酸 ⇌ 丙酮酸 + 穀氨酸

天門冬氨酸 + α-酮戊二酸 ⇌ 草醯乙酸 + 穀氨酸

丙酮酸和草醯乙酸都是細胞代謝的關鍵成分，在糖解作用、糖質新生作用和檸檬酸循環等基本過程中充當底物或中間體。

### 神經傳導物質

穀氨酸是脊椎動物神經系統中最豐富的興奮性神經傳導物質（neurotransmitter）。在化學突觸中，穀氨酸儲存在囊泡中。神經衝動觸發突觸前細胞釋放穀氨酸。穀氨酸作用於離子型和代謝型（G蛋白偶聯）受體。在相對的突觸後細胞中，穀氨酸受體（例如NMDA受體或AMPA受體）與穀氨酸結合並被活化。由於其在突觸可塑性中的作用，穀氨酸參與大腦中的學習和記憶等認知功能。被稱為長期增強作用 (LTP) 的可塑性形式發生在海馬體、新皮質和大腦其他部分的穀氨酸突觸中。穀氨酸不僅充當點對點發射器 (point-to-point transmitter)，還透過突觸之間的溢出突觸串擾起作用，其中從鄰近突觸釋放的穀氨酸的總和創建突觸外信號/大批量傳輸。此外，正如馬克·馬特森 (Mark Mattson) 最初描述的那樣，穀氨酸在大腦發育過程中生長錐和突觸發生 (synaptogenesis) 的調節中發揮重要作用。

### 大腦非突觸穀氨酸訊號傳導迴路

發現果蠅大腦中的細胞外穀氨酸透過涉及受體脫敏的過程來調節突觸後穀氨酸受體聚集。神經膠質細胞中表現的基因主動將穀氨酸轉運到細胞外空間，而在刺激伏隔核II類代謝型穀氨酸受體中，該基因被發現可以降低細胞外穀氨酸水平。這提出了這種細胞外穀氨酸作為更大的穩態系統的一部分發揮「類似內分泌」作用的可能性。

### GABA前體

穀氨酸也是GABA能神經元中抑制性γ-胺基丁酸（GABA）合成的前驅物。此反應由穀氨酸脫羧酶（GAD）催化。GABA能神經元可透過檢測其活性（採用放射自顯影和免疫組織化學方法）進行鑑定（用於研究目的），其在小腦和胰臟中最為豐富。

僵人症候群是一種由抗GAD抗體引起的神經系統疾病，導致GABA合成減少，從而引起運動功能障礙，例如肌肉僵硬和痙攣。由於胰臟中GAD含量豐富，因此會發生直接的免疫破壞，患者會患上糖尿病。

### 增味劑

穀氨酸是蛋白質的組成部分，存在於含有蛋白質的食物中，但只有以未結合的形式存在時才能品嚐。多種食物中都含有大量的遊離穀氨酸，包括乾酪和醬油，穀氨酸負責鮮味，鮮味是人類味覺的五種基本味道之一。穀氨酸通常以其鈉鹽（稱為味精（MSG））的形式用作食品添加劑和風味增強劑。

### 營養

所有肉類、家禽、魚類、蛋類、乳製品和海帶都是穀氨酸的優質來源。一些富含蛋白質的植物性食物也是穀氨酸的來源。麩質（小麥中的大部分蛋白質）中 30-35% 是穀氨酸。膳食穀氨酸的 95% 在首次經由腸道細胞代謝。

### 植物生長劑

Auxigro是一種含有30%穀氨酸的植物生長製劑。

### 核磁共振波譜

近年來，人們對殘餘偶極耦合 (Residual dipolar coupling, RDC) 在核磁共振波譜 (NMR) 中的應用進行了大量研究。穀氨酸衍生物聚-γ-芐基-L-穀氨酸 (PBLG) 通常用作對齊介質來控制觀察到的偶極相互作用的規模。

## 外部鏈接

- 穀氨酸的質譜(Mass spectrom)

## 基本資料

- ImageFile：Glutaminsäure - Glutamic acid.svg
- IUPACNameZh：Glutamic acid、2-Aminopentanedioic acid、2-氨基戊二酸
- 簡稱：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
- 化學式：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