АСПАРАГИН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, БИОСИНТЕЗА - БИОЛОГИЯ - 2024

В аспарагин (Asn или N) е важна аминокиселина за клетъчна сигнализация и свързване между протеини и въглехидрати. Това е една от 22-те основни аминокиселини и се класифицира като несъществени, тъй като се синтезира от тялото на бозайниците.

Тази аминокиселина е класифицирана в групата на незаредените полярни аминокиселини и е първата открита аминокиселина, факт, възникнал през 1806 г., където е изолирана от сока на аспержите (вид тревисто растение) от френските химици Вокелин и Робикет.

Химична структура на аминокиселината Аспарагин (Източник: Borb, чрез Wikimedia Commons)

Въпреки ранното му откриване, биологичната и хранителна роля на аспарагин е призната едва повече от 100 години по-късно, когато през 1932 г. е потвърдено присъствието му в структурата на протеин, присъстващ в конопените семена.

Аспарагин и глутамин служат като субстрати за амидните групи на две други много често срещани аминокиселини в протеините: съответно аспартат (аспарагинова киселина) и глутамат (глутаминова киселина). Аспарагинът и глутаминът лесно се хидролизират в тези аминокиселини чрез ензимно действие или чрез киселинни и основни съединения.

Много серинови протеазни ензими, които хидролизират пептидните връзки, имат аспарагин в страничната верига на тяхното активно място. Този остатък има частичен отрицателен заряд и е отговорен за свързването по допълващ начин с положителния заряд на целевите пептиди, приближавайки ги до мястото на разцепване.

Ензимът, отговорен за синтеза на оксалоацетат от аспарагин, се използва при химиотерапевтично лечение и е известен като L-аспарагиназа, която е отговорна за катализирането на хидролитичната фрагментация на амидната група на аспарагин до аспартат и амоний.

Аспарагиназата е свръхекспресирана и пречистена от Escherichia coli, за да се инжектира при пациенти в детска възраст с остра лимфобластна левкемия, тъй като както нормалните, така и злокачествените лимфоцити зависят от улавянето на аспарагин в кръвта за техния растеж и размножаване.

Характеристики и структура

Всички химични структури на аминокиселини имат карбоксилна група (-COOH), аминогрупа (-NH3 +), водород (-Н) и R група или заместител, които са свързани към същия централен въглероден атом, известен като въглерод. α.

Аминокиселините се различават една от друга по идентичността на техните странични вериги, които са известни като R групи и които могат да варират по размер, структура, функционални групи и дори електрически заряд.

Въглеродните атоми на R групите се идентифицират с букви от гръцката азбука. По този начин, в случай на аспарагин, въглеродните атоми на R веригата са идентифицирани като β и γ въглерод.

Според други видове номенклатури въглеродният атом в карбоксилната група (-COOH) е посочен като С-1, така че, продължавайки с номерирането, α-въглеродът би бил С-2 и така нататък.

Молекулата на аспарагин има четири въглеродни атома, включително α-въглерод, въглерод от карбоксилната група и два въглеродни атома, които са част от R групата, известна като карбоксамид (-CH2-CO-NH2).

Тази група карбоксамиди се намира само в две аминокиселини: в аспарагин и в глутамин. Той има характеристиката, че може да образува водородни връзки много лесно чрез аминогрупата (-NH2) и карбонилната група (-CO).

класификация

Аспарагинът принадлежи към групата на незаредените полярни аминокиселини, които са силно разтворими във вода и силно хидрофилни аминокиселини (поради способността им да образуват множество водородни връзки).

Серин, треонин, цистеин и глутамин също се намират в групата на незаредените полярни аминокиселини. Всички тези съединения са „цвитерионни” съединения, тъй като имат полярна група в своята R верига, която допринася за неутрализирането на зарядите.

Всички незаредени полярни аминокиселини не могат да се йонизират при pH, близки до 7 (неутрални), тоест нямат положителни или отрицателни заряди. Обаче в кисели и основни среди заместителите йонизират и придобиват заряд.

стреохимия

Централният въглерод или α въглеродът на аминокиселини е хирален въглерод, следователно, той има прикрепени четири различни заместителя, което означава, че има поне два отличими стереоизомера за всяка аминокиселина.

Стереоизомерите са огледални изображения на молекула, които имат една и съща молекулна формула, но не могат да се наслагват взаимно помежду си, като ръцете (вляво и вдясно). Те се означават с буквата D или L, тъй като експериментално разтворите на тези аминокиселини въртят равнината на поляризирана светлина в противоположни посоки.

Общата асиметрия на аминокиселините прави стереохимията на тези съединения от голямо значение, тъй като всяко от тях има различни свойства, синтезира се и участва в различни метаболитни пътища.

Аспарагинът може да се намери под формата на D-аспарагин или L-аспарагин, като последният е най-често срещаният по своята същност. Синтезира се от L-аспарагинова синтетаза и се метаболизира от L-аспарагиназа, и двата ензима са много обилни в черния дроб на гръбначни животни.

Характеристика

Лекотата на свързване на аспарагин с водород го прави решаваща аминокиселина за структурната стабилност на протеините, тъй като може да образува вътрешни водородни връзки със страничните вериги на другите аминокиселини, които ги съставят.

Аспарагинът обикновено се намира на повърхността на типични протеини във водна среда, стабилизирайки тяхната структура.

Много гликопротеини могат да бъдат прикрепени към въглехидрати или въглехидрати чрез остатък от аспарагин, треонин или серин. В случай на аспарагин, ацетил галактозамин обикновено първо се свързва към аминогрупата чрез N-гликозилиране.

Важно е да се отбележи, че във всички N-гликозилирани гликопротеини въглехидратите са прикрепени към тях чрез аспарагинов остатък, открит в специфичен регион, обозначен като Asn-X-Ser / Thr, където X е всяка аминокиселина.

Тези гликопротеини са събрани в ендоплазмения ретикулум, където са гликозилирани, докато се превеждат.

Биосинтеза

Всички еукариотни организми усвояват амоняка и го трансформират в глутамат, глутамин, карбамилфосфат и аспарагин. Аспарагинът може да бъде синтезиран от гликолитични междинни продукти, в цикъла на лимонената киселина (от оксалоацетат) или от прекурсори, консумирани в диетата.

Ензимната аспарагинова синтетаза е глутамин и АТФ-зависима амидотрансфераза, която изчиства АТФ до АМФ и неорганичен пирофосфат (PPi) и използва амоняк или глутамин, за да катализира реакция на амидиране и превръща аспартат в аспарагин.

Както бактериите, така и животните имат аспарагинова синтетаза, обаче, при бактериите ензимът използва амониевия йон като донор на азот, докато при бозайниците аспарагиновата синтетаза използва глутамин като основен донор на азотната група.

Ензимното разграждане на ATP молекулата до AMP и неорганичния пирофосфат (PPi), заедно с глутамин като донор на амидната група, са основните разлики по отношение на биосинтезата на L-глутамин между различните организми.

Деградация

Повечето проучвания за метаболизма на аспарагин са проведени в растения, тъй като първоначално изследванията при бозайници са били възпрепятствани от липсата на достатъчно чувствителни методологии за анализи на аминокиселини на ниво по-сложни системи.

L-аспарагинът постоянно се хидролизира при бозайници от L-аспарагиназа, за да произвежда аспарагинова киселина и амоний. Използва се за синтеза на гликопротеини и е един от основните прекурсори на оксалоацетат за цикъла на лимонената киселина.

Ензимът аспарагиназа катализира хидролизата на аспарагин до аспартат, впоследствие аспартатът се трансаминира с α-кетоглутарат за получаване на глутамат и оксалоацетат.

Аспарагиновата синтетаза, известна още като аспартат-амонячна лигаза, се намира в изобилие в мозъчните клетки на възрастни от бозайници.

Когато в организма се възприемат ниски нива на този ензим, се образува това, което е известно като „аминоацидопатии”, тъй като предшествениците субстрати се натрупват в цитоплазмата на мозъчните клетки.

Храни, богати на аспарагин

Хората с остра лимфобластна левкемия обикновено имат дефицит в ензима аспарагинова синтетаза и зависят от циркулиращия аспарагин, затова се препоръчва диета, богата на аспарагин или екзогенно снабдяване с него.

Сред многото храни с високо съдържание на аспарагин са миди, птици и техните яйца, говеждо говедо, млечни продукти и техните производни, както и зеленчуци като аспержи, картофи, грудки и др.

Има L-аспарагинови концентрати, които са формулирани за силно конкурентни спортисти, тъй като тяхната консумация спомага за регенерирането на протеините, които съставляват тъканите.

Освен това хората, които имат дефицит в синтеза на аминокиселини, също приемат тези таблетки, за да избегнат нарушения в тяхната централна нервна система.

Аспарагинът се метаболизира по-лесно чрез неговата форма на L-аспарагин, тъй като много от ензимите, участващи в неговия метаболизъм, не разпознават D-аспарагиновата форма и следователно, не всички аспарагин, погълнат в храната, е наличен за различните телесни процеси.

Обилният прием на аспарагин може да бъде от полза, но се препоръчва да не се консумира в излишък под формата на таблетки, тъй като е установено, че изобилните концентрации на L-аспарагин от лекарства увеличават развитието на туморни клетки.

Препратки

1. Cooney, DA, Capizzi, RL, & Handschumacher, RE (1970). Оценка на метаболизма на L-аспарагин при животни и човек. Ракови изследвания, 30 (4), 929-935
2. Dunlop, PC, Roon, RJ и Even, HL (1976). Използване на D-аспарагин от Saccharomyces cerevisiae. Journal of Bacteriology, 125 (3), 999-1004.
3. Kambhampati, S., Ajewole, E., & Marsolais, F. (2017). Напредък в метаболизма на аспарагин. В ход на ботаниката, том 79 (с. 49-74). Springer, Cham.
4. Kornfeld, R., & Kornfeld, S. (1985). Сглобяване на свързани с аспарагин олигозахариди. Годишен преглед на биохимията, 54 (1), 631-664
5. Mathews, CK, & Ahern, KG (2002). Биохимия. Pearson Education.
6. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Принципите на Ленингер в биохимията. Macmillan.
7. Yamada, K., Hashizume, D., Shimizu, T., & Yokoyama, S. (2007). L-аспарагин. Acta Crystallographica Раздел E: Структурни доклади онлайн, 63 (9), 3802-3803.