АСПАРАГІН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, БІОСИНТЕЗ - БІОЛОГІЯ - 2025

Аспарагин (Asn або N) , є важливою амінокислотою для сигналізації і зв'язування між білками і вуглеводами клітин. Це одна з 22 основних амінокислот і класифікується як несуттєва, оскільки її синтезує організм ссавців.

Ця амінокислота віднесена до групи незаряджених полярних амінокислот і була першою виявленою амінокислотою - факт, що стався в 1806 році, де її виділили з соку спаржі (різновид трав’янистої рослини) французькі хіміки Вокелін та Робіке.

Хімічна структура амінокислоти Аспарагін (Джерело: Borb, через Wikimedia Commons)

Незважаючи на своє раннє відкриття, біологічна та харчова роль аспарагіну була визнана лише через 100 років, коли в 1932 р. Було підтверджено його присутність у структурі білка, присутнього в насінні конопель.

Аспарагін та глютамін служать субстратом для амідних груп двох інших дуже поширених амінокислот у білках: аспартату (аспарагінова кислота) та глутамату (глутамінової кислоти) відповідно. Аспарагін та глютамін легко гідролізуються в ці амінокислоти ферментативною дією або кислотними та основними сполуками.

Багато ферментів протеїнози серину, які гідролізують пептидні зв’язки, мають аспарагін на бічній ланцюзі їх активного сайту. Цей залишок має частковий негативний заряд і відповідає за зв'язування комплементарним чином із позитивним зарядом пептидів-мішеней, наближення їх до місця розщеплення.

Фермент, що відповідає за синтез оксалоацетату з аспарагіну, використовується в хіміотерапевтичних методах лікування і відомий як L-аспарагіназа, яка відповідає за каталізацію гідролітичної фрагментації амідної групи аспарагіну до аспартату та амонію.

Аспарагіназа надмірно експресується та очищається від кишкової палички, щоб її вводити пацієнтам дитячого віку з гострим лімфобластним лейкемією, оскільки як нормальні, так і злоякісні лімфоцити залежать від захоплення аспарагіну в крові для їх росту та розмноження.

Характеристика та структура

Всі хімічні структури амінокислот мають карбоксильну групу (-COOH), аміногрупу (-NH3 +), водень (-H) та R-групу або заступник, які приєднані до того ж центрального атома вуглецю, відомий як вуглець. α.

Амінокислоти відрізняються одна від одної ідентичністю своїх бічних ланцюгів, які відомі як групи R і які можуть відрізнятися за розмірами, будовою, функціональними групами і навіть електричним зарядом.

Атоми вуглецю R-груп ідентифікуються літерами грецького алфавіту. Таким чином, у разі аспарагіну вуглеці R ланцюга ідентифікуються як β та γ вуглеці.

Відповідно до інших типів номенклатур, атом вуглецю в карбоксильній групі (-COOH) занесений до групи С-1, тому, продовжуючи нумерацію, α-вуглець буде C-2 тощо.

Молекула аспарагіну має чотири атоми вуглецю, включаючи α-вуглець, вуглець карбоксильної групи та два атоми вуглецю, які входять до групи R, відомі як карбоксамід (-CH2-CO-NH2).

Ця група карбоксамідів міститься лише у двох амінокислотах: в аспарагіні та глютаміні. Він має характеристику, що він може легко утворювати водневі зв’язки через аміногрупу (-NH2) та карбонільну групу (-CO).

Класифікація

Аспарагін належить до групи незаряджених полярних амінокислот, які є високорозчинними у воді та високо гідрофільними амінокислотами (завдяки їх здатності утворювати множинні водневі зв’язки).

Серин, треонін, цистеїн та глютамін також містяться у групі незаряджених полярних амінокислот. Усе це "цвіттерионічні" сполуки, оскільки вони мають полярну групу в своєму R ланцюзі, що сприяє нейтралізації зарядів.

Всі незаряджені полярні амінокислоти не іонізуються при рН, близьких до 7 (нейтральних), тобто не мають позитивних чи негативних зарядів. Однак у кислих та основних середовищах заступники іонізуються та набувають заряду.

Стереохімія

Центральний вуглець або α вуглець амінокислот є хіральним вуглецем, тому до нього приєднано чотири різних заступника, що означає, що для кожної амінокислоти є щонайменше два відмінних стереоізомера.

Стереоізомери - це дзеркальні зображення молекули, що мають однакову молекулярну формулу, але не накладаються один на одного, як руки (зліва та справа). Вони позначаються літерою D або L, оскільки експериментально розчини цих амінокислот обертають площину поляризованого світла в протилежних напрямках.

Загальна асиметрія амінокислот робить стереохімію цих сполук великим значенням, оскільки кожна має різні властивості, синтезується та бере участь у різних обмінних шляхах.

Аспарагін можна зустріти у формі D-аспарагіну або L-аспарагіну, останній є найбільш поширеним у природі. Синтезується L-аспарагіновою синтетазою і метаболізується L-аспарагіназою, обидва ферменти дуже рясні в печінці хребетних.

Особливості

Легкість водневого зв’язку аспарагіну робить його найважливішою амінокислотою для структурної стійкості білків, оскільки він може утворювати внутрішні водневі зв’язки з бічними ланцюгами інших амінокислот, що їх складають.

Аспарагін зазвичай знаходиться на поверхні типових білків у водних середовищах, стабілізуючи їх структуру.

Багато глікопротеїдів можуть бути приєднані до вуглеводів або вуглеводів через залишок аспарагіну, треоніна або серину. У випадку з аспарагіном ацетил галактозамін зазвичай спочатку приєднується до аміногрупи шляхом N-глікозилювання.

Важливо зазначити, що у всіх N-глікозильованих глікопротеїнах вуглеводи зв'язуються з ними через залишок аспарагіну, який знаходиться в певній області, позначеній як Asn-X-Ser / Thr, де X - будь-яка амінокислота.

Ці глікопротеїни збираються в ендоплазматичному ретикулумі, де вони перекладаються під час перекладу.

Біосинтез

Усі еукаріотичні організми засвоюють аміак і перетворюють його на глутамат, глутамін, карбамілфосфат та аспарагін. Аспарагін може бути синтезований з гліколітичних проміжних продуктів, в циклі лимонної кислоти (з оксалоацетату) або з попередників, що вживаються в раціоні.

Фермент аспарагінова синтетаза являє собою глютамінову та АТФ-залежну амідотрансферазу, яка розщеплює АТФ до АМФ та неорганічного пірофосфату (PPi) та використовує аміак або глутамін для каталізації реакції амідування та перетворення аспартату в аспарагін.

І бактерії, і тварини мають аспарагінову синтетазу, однак у бактеріях фермент використовує іон амонію як донор азоту, тоді як у ссавців аспарагін синтетаза використовує глютамін як основний донор азотної групи.

Ензиматичний розпад молекули АТФ до АМФ та неорганічного пірофосфату (PPi) разом з глютаміном як донором амідної групи є основними відмінностями щодо біосинтезу L-глютаміну між різними організмами.

Деградація

Більшість досліджень метаболізму аспарагіну були проведені на рослинах, оскільки спочатку дослідження ссавців заважали відсутністю достатньо чутливих методологій для аналізу амінокислот на рівні більш складних систем.

L-аспарагін постійно гідролізується у ссавців за допомогою L-аспарагінази для отримання аспарагінової кислоти та амонію. Він використовується для синтезу глікопротеїнів і є одним з основних попередників оксалоацетату циклу лимонної кислоти.

Фермент аспарагіназа каталізує гідроліз аспарагіну до аспартату, згодом аспартат трансамінують α-кетоглутаратом з утворенням глутамату та оксалоацетату.

Аспарагін синтетаза, також відома як аспартат-аміачна лігаза, рясно міститься в клітинах головного мозку дорослих ссавців.

Коли в організмі сприймаються низькі рівні цього ферменту, утворюється так зване «аміноацидопатії», оскільки субстрати-попередники накопичуються в цитоплазмі клітин мозку.

Продукти, багаті аспарагіном

Люди з гострим лімфобластним лейкемією зазвичай мають дефіцит ферменту аспарагінової синтетази і залежать від циркулюючого аспарагіну, тому рекомендується дієта, багата аспарагіном або екзогенним постачанням його.

Серед багатьох продуктів харчування з високим вмістом аспарагіну - молюски, птиця та їх яйця, яловича худоба, молочні продукти та їх похідні, а також овочі, такі як спаржа, картопля, бульби тощо.

Є концентрати L-аспарагіну, розроблені для спортсменів з високою конкуренцією, оскільки їх споживання допомагає регенерувати білки, що входять до складу тканин.

Крім того, люди з дефіцитом синтезу амінокислот також приймають ці таблетки, щоб уникнути розладів у центральній нервовій системі.

Аспарагін легше метаболізується за допомогою своєї форми L-аспарагіну, оскільки багато ферментів, що беруть участь у його метаболізмі, не розпізнають форму D-аспарагіну, а отже, не всі аспарагіни, що потрапляють у їжу, доступні для різних тілесні процеси.

Велике споживання аспарагіну може бути корисним, проте рекомендується не вживати його в надлишку у формі таблеток, оскільки було визначено, що рясні концентрації L-аспарагіну з лікарських препаратів посилюють розвиток пухлинних клітин.

Список літератури

1. Cooney, DA, Capizzi, RL, & Handschumacher, RE (1970). Оцінка метаболізму L-аспарагіну у тварин та людини. Дослідження раку, 30 (4), 929-935
2. Dunlop, PC, Roon, RJ та Even, HL (1976). Використання D-аспарагіну Saccharomyces cerevisiae. Журнал бактеріології, 125 (3), 999-1004.
3. Kambhampati, S., Ajewole, E., & Marsolais, F. (2017). Успіх метаболізму аспарагіну. Прогрес у ботаніці, т. 79 (с. 49-74). Спрингер, Чам.
4. Kornfeld, R., & Kornfeld, S. (1985). Збір олігосахаридів, пов'язаних з аспарагіном. Щорічний огляд біохімії, 54 (1), 631-664
5. Mathews, CK, & Ahern, KG (2002). Біохімія. Пірсон освіта.
6. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Принципи біохімії Ленінгера. Макміллан.
7. Yamada, K., Hashizume, D., Shimizu, T., & Yokoyama, S. (2007). l-Аспарагін. Acta Crystallographica Розділ E: Звіти про структуру в Інтернеті, 63 (9), 3802-3803.