您知道信息传输过程在神经系统水平如何工作吗？ 您知道谷氨酸在该过程中起重要作用吗？
或许此时你想到了著名的“鲜味”，或者说第五种味觉，它与这个话题有一定关联（但我们稍后会对此进行定义），然而，我们所说的谷氨酸本质上是一种在神经元结构水平上合成的氨基酸。
神经系统通过多种专门结构协调身体对干扰或刺激的反应功能，这意味着在我们的受体器官检测到刺激之前，我们的神经细胞小组就开始运转，因此这些信息到达中央神经系统，由相同的介质发出的反应（反射弧）产生。
那么，谷氨酸在这一切中扮演着什么角色呢？嗯，在整个信息-刺激交换过程中，会形成一个信息网络，而神经元是这种交换的基本要素。突触！这是两个结构接触并进行信息交换过程的通俗术语，而正是在这个环节上，这类物质——也就是神经递质——发挥着重要作用，因为正是它们保证了神经元之间的连接。
神经交换和谷氨酸
举个例子，你还记得不小心踩到脚趾或碰到滚烫物体的情景吗？你的反应是立竿见影的：你会立刻缩回手或身体的受影响部位来保护自己。你可能会说：“我当时没想那么多就做了”，但这并不完全正确。你的反应背后是一个复杂的神经过程，它使你的大脑能够针对特定刺激设计出相应的反应。
神经系统的中枢是大脑，所有思想和感知都在这里进行处理，并制定相应的反应。然而，大脑的结构并不专门用于直接接收外部信号；因此，大脑系统中存在一些细胞结构，称为神经元，它们负责将信息从接收源传递到中枢神经系统的各个结构，这些结构最终负责设计与接收到的刺激相适应的反应。
神经元具有独特的结构，由胞体（或称“细胞体”）内的细胞核组成。它们还具有细长的圆柱形突起，称为轴突（或称“细胞体”），连接神经末梢和细胞核；以及较短的突起，称为树突。谷氨酸在神经元内合成。神经元产生这种氨基酸是因为它需要谷氨酸来与其他神经元建立连接（突触）。谷氨酸作为刺激物和神经递质，能够促进反射弧（即刺激-反应回路）的形成。
在哺乳动物大脑中，谷氨酸介导中枢神经系统中大多数兴奋性突触。据估计，谷氨酸存在于大约80-90%的大脑突触中，使其成为感觉、运动、认知和情绪信息的主要介质。此外，它在记忆的形成、巩固和提取、学习过程以及神经可塑性（大脑适应和重组自身的能力）中都发挥着关键作用。
另一个重要方面是，谷氨酸是γ-氨基丁酸（ GABA）的直接前体，而GABA是中枢神经系统的主要抑制性神经递质。这样一来，兴奋性和抑制性信号都由同一分子产生，从而维持了神经元激活和抑制之间的微妙平衡，进而保证了大脑的健康功能。
组件性质
它是一种非必需氨基酸，这意味着人体可以自行合成。在神经元层面，它主要在突触前神经细胞的代谢过程中形成。整个过程始于谷氨酰胺，一种在体内含量丰富的酰胺，尤其是在肌肉中，神经系统中也含量丰富。该反应产生一种称为谷氨酰胺酶的中间产物，最终神经元产生谷氨酸，谷氨酸是传递刺激和反应所必需的氨基酸。突触后神经元通过特定的谷氨酸受体吸收谷氨酸。
从代谢角度来看，谷氨酸也可来源于α-酮戊二酸，后者是克雷布斯循环（或三羧酸循环）的中间产物。通过转氨反应，α-酮戊二酸获得一个氨基并转化为谷氨酸。细胞能量循环与谷氨酸合成之间的这种直接联系，使得这种氨基酸成为代谢与神经传递之间联系的核心组成部分。
神经胶质细胞中的过程：作为上述过程开始的循环的最后一步，会发生第二次反应，从而完成循环。这一过程得益于这种神经递质氨基酸扩散到突触周围的神经胶质细胞（尤其是星形胶质细胞）和脊髓中央管。在这些结构中，会发生逆反应，生成谷氨酰胺，然后谷氨酰胺再次被突触前神经元吸收，启动新的循环。神经元和星形胶质细胞之间的这种持续合作被称为谷氨酸-谷氨酰胺循环，占大脑中释放的谷氨酸总回收量的40%之多。
所描述的过程是连续的，在毫秒内发生，因为反射弧和其他认知功能的发展是维持人类健康的重要且持续的过程。
谷氨酸受体和兴奋性突触
谷氨酸要发挥其功能，需要与主要位于突触后神经元膜上的特定受体结合。这些受体是特殊的蛋白质，一旦识别到神经递质，就会触发接收信号的细胞发生一系列电化学变化。
一般来说，受体可分为两大类：
- 离子型受体它们作为离子通道，在谷氨酸结合时打开，允许离子（主要是钠、钙和钾）通过。它们对神经元的电位产生快速而直接的反应。
- 代谢型受体它们与G蛋白偶联，激活细胞内第二信使。它们的作用虽然较慢，但能深刻地调节神经元的兴奋性和可塑性。
在离子型谷氨酸能受体中，有三个主要亚型尤为突出：
- NMDA受体：对……极其重要 突触可塑性 以及记忆。它对钙离子具有高度通透性，但需要谷氨酸结合和先前的膜去极化才能激活，因此起到“匹配检测器“突触前活动和突触后活动之间。”
- AMPA接收器谷氨酸释放后，它会迅速被激活，主要允许钠离子通过。它主要负责…… 快速兴奋性电位 在大多数谷氨酸能突触中。
- 卡伊纳托接收器虽然含量较少，但它在兴奋性和抑制性突触中都发挥着调节作用。它还参与特定神经元网络兴奋性的调节。
AMPA受体和NMDA受体协同工作。当神经冲动到达时，突触前囊泡释放谷氨酸进入突触间隙。首先，AMPA受体被激活，产生快速而强烈的去极化，但这种去极化是短暂的。如果这种去极化足够强烈，它就能解除通常阻碍NMDA受体通道的镁离子“阻滞”，使其得以激活。随后，NMDA受体允许钙离子进入，触发细胞内机制，从而增强或减弱突触，而突触正是学习和记忆的细胞基础。
这些受体的强度和数量并非一成不变。慢性应激、环境刺激类型或电活动模式等因素均可诱导降解过程或将新的AMPA和NMDA亚基插入细胞膜。例如，持续暴露于应激源（反刍思维、持续判断、高情绪负荷）可激活激素通路，通过泛素-蛋白酶体系统促进某些亚基（如GluR1或NR1）的降解，从而降低前额叶皮层等关键区域的谷氨酸能传递，并影响工作记忆和认知灵活性。
谷氨酸、突触可塑性、记忆和学习
谷氨酸是大脑最重要的神经递质之一，在记忆和学习中起着至关重要的作用。它的功能不仅限于传递神经冲动，还能改变神经元之间连接的强度，这一过程被称为突触可塑性。
与谷氨酸相关的可塑性主要有两种形式：
- 长期增强作用（LTP）长时程增强（LTP）是指重复高频刺激后突触效能的持续增强。它主要依赖于NMDA受体的激活和钙离子流入突触后神经元。钙离子激活信号级联反应，从而增强突触，例如，通过在细胞膜上插入更多AMPA受体。LTP被认为是细胞功能的基础之一。 新记忆的形成.
- 长期抑郁症（LTD）这是相反的过程，即在某些重复或持续刺激模式之后，突触效能会降低。这通常涉及代谢型谷氨酸受体的持续激活或特定模式的NMDA受体激活。LTD允许 “删除”或重新调整连接这对于避免系统饱和和实现灵活学习至关重要。
在学习过程中，特定突触处谷氨酸的释放会激活长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）机制，从而增强某些连接并削弱另一些连接。通过这种方式，大脑能够根据经验对信息进行编码、存储和重组。谷氨酸水平及其受体反应的适当平衡对于这些过程的正常运作至关重要。
谷氨酸能系统的失衡会引发记忆和学习障碍。谷氨酸过量（导致过度兴奋和神经元损伤）和谷氨酸不足（降低可塑性）都会导致认知问题。事实上，谷氨酸信号传导的改变与多种神经发育障碍、精神分裂症、情绪障碍、认知衰退和神经退行性疾病有关。
谷氨酸在体内的功能
谷氨酸因其参与神经系统层面的神经元过程而闻名；然而，它也决定其他成分的合成，并参与多种代谢功能。
- 蛋白质形成： 它通过参与各种代谢途径，发挥以下作用： 化合物形成的前体尤其是蛋白质类物质。谷氨酸的碳骨架可以转化为α-酮戊二酸并进入克雷布斯循环，而其氨基则可以转移到其他骨架上形成不同的氨基酸。
- 神经递质： 这构成了它最重要的作用，因为它在以下方面起着主要作用： 神经元之间的通讯过程它能诱导和激发促进刺激和冲动传递的结构。
神经元通过新陈代谢释放合成的谷氨酸盐，这是一种化学信使，被称为蛋白质受体的特定结构捕获。
- 相关蛋白受体： N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）、AMPA、红藻氨酸以及所谓的代谢型受体。虽然神经元之间的信息交换可以通过一个神经元的轴突与另一个神经元的树突直接连接（电突触）来实现， 通常需要刺激性化学物质的作用。 例如谷氨酸，以确保精细且可调节的传输。
除了在中枢神经系统中发挥作用外，谷氨酸在其他组织中也发挥着关键作用：
- 肠它是肠细胞（肠道上皮细胞）的重要能量来源。在肠细胞中，它用于转氨反应和氧化反应，生成ATP和氨基酸，例如丙氨酸、天冬氨酸、脯氨酸、鸟氨酸和瓜氨酸。
- 肝它参与氮代谢、其他氨基酸的合成以及尿素循环。它在以下方面起着关键作用： N-乙酰谷氨酸是尿素循环的重要激活剂。
- 抗氧化系统是……的前体 谷胱甘肽是细胞中最重要的抗氧化剂之一，能够抵抗氧化应激和活性氧、活性氮物质。
谷氨酸钠和鲜味
在大多数人使用的概念中，当我们谈到“谷氨酸”时，我们通常会想到谷氨酸钠（味精），即氨基酸分子与无机化合物钠反应生成的盐。
这种成分被称为鲜味或味精，在食品工业中有着多种应用：
亚洲料理：鲜味被认为是世界上的第五种基本味道，它在众多菜肴中的运用，使得烹饪成为可能。鲜味天然存在于亚洲饮食文化的常用食材中，例如海藻（230至3380毫克）和酱油（450至700毫克）。这些食物富含游离的L-谷氨酸以及肌苷酸和鸟苷酸等核苷酸，它们通过作用于相同的受体来增强鲜味信号。
鲜味被描述为一种“非常鲜美”的味道，能在味蕾上产生愉悦的感受。东京大学的科学家池田菊苗将昆布汤产生的这种鲜味与谷氨酸钠（味精）联系起来。在食物中使用味精会产生一种难以用语言描述的强烈感觉，这种感觉在很多情况下都非常诱人，如果添加量控制不当，就可能导致过量食用。
未加工食品：谷氨酸钠（味精）天然存在于食物中，尽管它并非食品加工的主要成分。以下是一些示例及其大致的游离谷氨酸含量：
- 番茄（140-250毫克）
- 土豆（30-180毫克）
- 火腿（340毫克）
- 绿茶（200-650毫克）
- 奶酪：帕玛森干酪（1150 毫克）、切达干酪（180 毫克）、洛克福干酪（1200 毫克）。
即使是母乳也含有大量的游离谷氨酸，而且随着泌乳期的延长，其含量还会增加。这表明谷氨酸不仅赋予母乳令人愉悦的口感，还在婴儿肠道中发挥着能量和免疫功能。
片剂：曾几何时，含有这种成分的500毫克片剂在市场上风靡一时。它们被宣传为“健脑食品”，并声称能够激活和刺激大脑功能。虽然谷氨酸对神经元功能至关重要，但直接服用补充剂仍需谨慎。人体对血液中，尤其是大脑中的谷氨酸水平有着非常严格的调控，破坏这种平衡可能会适得其反。
关于食品安全，多个国际委员会已对味精作为食品添加剂的使用进行了评估。诸如联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（JECFA ）等组织以及各地区的监管机构均已将其列为“公认安全”（GRAS）成分，前提是必须按照良好生产规范使用。这意味着，在典型的膳食摄入量下，味精不会对普通人群构成已知风险。
谷氨酸、兴奋性毒性和神经病理学
谷氨酸对大脑正常功能至关重要，但长期过量则会对神经元造成毒性。这种现象被称为兴奋性毒性。当谷氨酸大量或持续释放，或者神经元和星形胶质细胞的重吸收系统失效时，就会发生兴奋性毒性，这会导致受体（尤其是NMDA受体）持续激活，并引起钙离子过度流入细胞。
细胞内钙离子浓度升高会引发一系列有害事件：激活降解蛋白质和脂质的酶、产生过量的自由基、线粒体改变，最终导致神经元死亡。这种兴奋性毒性与多种病理状况相关：
- 中风和缺血中风或心脏骤停期间，缺氧导致神经元持续处于去极化状态，释放大量谷氨酸。NMDA受体的持续激活和钙离子的大量涌入会导致受损区域的神经元死亡。
- 癫痫癫痫发作涉及大量兴奋性神经元的同步放电。谷氨酸能系统的过度活跃，特别是通过AMPA受体，以及随着疾病进展，NMDA受体的过度活跃，已被观察到会促进癫痫放电的发生和维持。
- 神经退行性疾病阿尔茨海默病、亨廷顿病以及某些类型的肌萎缩侧索硬化症（ALS）等疾病都与谷氨酸释放过多或重吸收受损有关。这种过量释放会导致神经元进行性退化。事实上，调节谷氨酸释放或作用的药物（例如ALS中的利鲁唑或其他疾病中的NMDA受体调节剂）被用于延缓损伤的进展。
- 创伤性脑损伤在头部外伤或脊髓损伤中，神经元和突触的破裂会导致谷氨酸突然释放到细胞外空间，产生级联效应：邻近的神经元也受到损伤并释放谷氨酸，从而扩大受损区域。
目前也在研究谷氨酸能信号在自闭症谱系障碍中的作用，例如在前额叶皮层等区域，兴奋（谷氨酸）和抑制（GABA）之间的失衡已被提出；此外，还在研究谷氨酸能信号在各种焦虑症中的作用，在这些焦虑症中，恐惧的联想学习及其消退可能受益于调节特定回路中谷氨酸能活动的疗法。
中餐馆综合征：一些作者用这个术语来描述一系列症状（头晕、恶心、胸痛、哮喘、乏力），这些症状被认为与大量食用添加谷氨酸钠（味精）的食物有关。有研究表明，对于特别敏感的个体或有神经系统疾病倾向的人群，谷氨酸能系统的急性过度刺激可能导致短暂的不适，但系统的科学综述尚未最终证实这种因果关系在大多数人群中存在。然而，可以肯定的是，任何导致谷氨酸能系统过度激活的慢性疾病都可能促进神经元耗竭和损伤。
- 头昏眼花。
- 疾病。
- 胸痛。
- 阿斯玛。
- 癫痫发作（对于敏感患者或神经系统易感者）。
谷氨酸-GABA平衡与体内平衡调节
在中枢神经系统中，大多数兴奋性神经元利用谷氨酸，而大多数抑制性神经元利用γ-氨基丁酸（GABA）。这两类神经元之间的平衡决定了大脑活动的整体强度。如果谷氨酸能兴奋占主导地位，则可能出现过度兴奋、焦虑、癫痫发作或神经元损伤；如果GABA能抑制占主导地位，则可能导致认知迟缓、极度嗜睡或对刺激反应迟钝。
GABA 由谷氨酸在谷氨酸脱羧酶 (GAD) 的作用下直接合成。因此，GABA 能神经元依赖于充足的谷氨酸和谷氨酰胺供应来维持其功能。反过来，星形胶质细胞调节细胞外谷氨酸水平，防止兴奋性毒性，并为谷氨酸和 GABA 的再合成提供谷氨酰胺。
迷走神经张力、心率变异性和适当的应激反应等生理机制有助于稳定谷氨酸能信号传导。研究发现，在共振频率（约0,1 Hz）下进行呼吸训练以及某些生物反馈技术能够改善自主神经稳态，并间接减轻行为应激对谷氨酸能突触结构的影响，从而促进更健康的神经可塑性。
总的来说，谷氨酸是一种具有双重作用的分子：一方面，它对精神活动、记忆、学习和鲜味至关重要；另一方面，当其水平或信号传导失调时，则可能造成危害。深入了解其作用机制、受体和代谢过程，将有助于开发营养、行为和药物策略，从而保护神经系统并优化认知功能。