ASPARAGINA: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA, FUNKCJE, BIOSYNTEZA - BIOLOGIA - 2025

Asparaginę (Asn lub N) jest istotnym aminokwasem dla sygnalizacji komórkowej i wiązanie pomiędzy białkami i węglowodanów. Jest to jeden z 22 podstawowych aminokwasów i jest klasyfikowany jako nieistotny, ponieważ jest syntetyzowany przez organizm ssaków.

Aminokwas ten zaliczany jest do nienaładowanych aminokwasów polarnych i był pierwszym aminokwasem odkrytym, co miało miejsce w 1806 roku, kiedy to został wyizolowany z soku ze szparagów (rodzaj rośliny zielnej) przez francuskich chemików Vauquelin i Robiquet.

Struktura chemiczna aminokwasu asparaginy (źródło: Borb, za Wikimedia Commons)

Mimo wczesnego odkrycia biologiczna i odżywcza rola asparaginy została rozpoznana dopiero ponad 100 lat później, kiedy w 1932 roku potwierdzono jej obecność w strukturze białka obecnego w nasionach konopi.

Asparagina i glutamina służą jako substraty dla grup amidowych dwóch innych bardzo powszechnych aminokwasów w białkach: odpowiednio asparaginianu (kwas asparaginowy) i glutaminianu (kwas glutaminowy). Asparagina i glutamina są łatwo hydrolizowane do tych aminokwasów w wyniku działania enzymatycznego lub związków kwasowych i zasadowych.

Wiele enzymów proteaz serynowych, które hydrolizują wiązania peptydowe, ma asparaginę w łańcuchu bocznym swojego miejsca aktywnego. Ta reszta ma częściowy ładunek ujemny i jest odpowiedzialna za wiązanie w sposób komplementarny z dodatnim ładunkiem docelowych peptydów, przybliżając je do miejsca rozszczepienia.

Enzym odpowiedzialny za syntezę szczawiooctanu z asparaginy jest stosowany w chemioterapii i znany jako L-asparaginaza, który jest odpowiedzialny za katalizowanie hydrolitycznej fragmentacji grupy amidowej asparaginy do asparaginianu i amonu.

Asparaginaza ulega nadekspresji i jest oczyszczana z Escherichia coli, którą należy wstrzykiwać pacjentom w dzieciństwie z ostrą białaczką limfoblastyczną, ponieważ wzrost i namnażanie zarówno limfocytów prawidłowych, jak i złośliwych zależy od wychwytywania asparaginy we krwi.

Charakterystyka i struktura

Wszystkie struktury chemiczne aminokwasów mają grupę karboksylową (-COOH), grupę aminową (-NH3 +), wodór (-H) i grupę R lub podstawnik, które są przyłączone do tego samego centralnego atomu węgla, znanego jako węgiel. α.

Aminokwasy różnią się od siebie identycznością łańcuchów bocznych, które są znane jako grupy R i które mogą różnić się rozmiarem, strukturą, grupami funkcyjnymi, a nawet ładunkiem elektrycznym.

Atomy węgla grup R są oznaczone literami alfabetu greckiego. Zatem w przypadku asparaginy węgle łańcucha R są identyfikowane jako węgle β i γ.

Zgodnie z innymi typami nomenklatur atom węgla w grupie karboksylowej (-COOH) jest oznaczony jako C-1, więc kontynuując numerację, atom węgla α będzie oznaczał C-2 i tak dalej.

Cząsteczka asparaginy ma cztery atomy węgla, w tym węgiel α, węgiel grupy karboksylowej i dwa atomy węgla, które są częścią grupy R, znanej jako karboksyamid (-CH2-CO-NH2).

Ta grupa karboksyamidowa występuje tylko w dwóch aminokwasach: w asparaginie i glutaminie. Charakteryzuje się tym, że może bardzo łatwo tworzyć wiązania wodorowe poprzez grupę aminową (-NH2) i grupę karbonylową (-CO).

Klasyfikacja

Asparagina należy do grupy nienaładowanych aminokwasów polarnych, które są wysoce rozpuszczalnymi w wodzie i silnie hydrofilowymi aminokwasami (ze względu na ich zdolność do tworzenia wielu wiązań wodorowych).

Seryna, treonina, cysteina i glutamina również znajdują się w grupie nienaładowanych aminokwasów polarnych. Wszystkie są związkami „obojniaczojonowymi”, ponieważ mają w łańcuchu R grupę polarną, która przyczynia się do neutralizacji ładunków.

Wszystkie nienaładowane aminokwasy polarne nie ulegają jonizacji przy pH bliskim 7 (obojętne), to znaczy nie mają ładunków dodatnich ani ujemnych. Jednak w środowisku kwaśnym i zasadowym podstawniki jonizują i nabierają ładunku.

Stereochemia

Centralny węgiel lub węgiel α aminokwasów jest węglem chiralnym, dlatego ma dołączone cztery różne podstawniki, co oznacza, że ​​istnieją co najmniej dwa rozróżnialne stereoizomery dla każdego aminokwasu.

Stereoizomery są lustrzanymi odbiciami cząsteczki, która ma ten sam wzór cząsteczkowy, ale nie można ich nakładać na siebie, tak jak ręce (lewe i prawe). Oznaczono je literą D lub L, ponieważ eksperymentalnie roztwory tych aminokwasów obracają płaszczyznę światła spolaryzowanego w przeciwnych kierunkach.

Ogólna asymetria aminokwasów sprawia, że ​​stereochemia tych związków ma ogromne znaczenie, ponieważ każdy z nich ma inne właściwości, jest syntetyzowany i uczestniczy w różnych szlakach metabolicznych.

Asparaginę można znaleźć w postaci D-asparaginy lub L-asparaginy, przy czym ta ostatnia występuje najczęściej w przyrodzie. Jest syntetyzowany przez syntetazę L-asparaginy i metabolizowany przez L-asparaginazę, oba enzymy są bardzo obfite w wątrobie kręgowców.

cechy

Łatwość tworzenia wiązań wodorowych asparaginy sprawia, że ​​jest ona kluczowym aminokwasem dla stabilności strukturalnej białek, ponieważ może tworzyć wewnętrzne wiązania wodorowe z łańcuchami bocznymi innych aminokwasów, które je tworzą.

Asparagina znajduje się zwykle na powierzchni typowych białek w środowisku wodnym, stabilizując ich strukturę.

Wiele glikoprotein może być przyłączonych do węglowodanów lub węglowodanów poprzez resztę asparaginy, treoniny lub seryny. W przypadku asparaginy, acetylogalaktozamina jest zwykle najpierw przyłączana do grupy aminowej przez N-glikozylację.

Należy zauważyć, że we wszystkich N-glikozylowanych glikoproteinach węglowodany wiążą się z nimi poprzez resztę asparaginy znajdującą się w określonym regionie oznaczonym jako Asn-X-Ser / Thr, gdzie X to dowolny aminokwas.

Te glikoproteiny są gromadzone w retikulum endoplazmatycznym, gdzie są glikozylowane podczas translacji.

Biosynteza

Wszystkie organizmy eukariotyczne asymilują amoniak i przekształcają go w glutaminian, glutaminę, fosforan karbamylu i asparaginę. Asparaginę można syntetyzować z glikolitycznych półproduktów, w cyklu kwasu cytrynowego (ze szczawiooctanu) lub z prekursorów spożywanych w diecie.

Enzym syntetaza asparaginy jest amidotransferazą zależną od glutaminy i ATP, która rozszczepia ATP do AMP i nieorganicznego pirofosforanu (PPi) i wykorzystuje amoniak lub glutaminę do katalizowania reakcji amidowania i przekształcania asparaginianu w asparaginę.

Zarówno bakterie, jak i zwierzęta mają syntetazę asparaginy, jednak u bakterii enzym wykorzystuje jony amonowe jako donor azotu, podczas gdy u ssaków syntetaza asparaginy wykorzystuje glutaminę jako głównego donora grupy azotowej.

Enzymatyczny rozkład cząsteczki ATP do AMP i nieorganicznego pirofosforanu (PPi), wraz z glutaminą jako donorem grup amidowych, to główne różnice w biosyntezie L-glutaminy między różnymi organizmami.

Degradacja

Większość badań nad metabolizmem asparaginy prowadzono na roślinach, gdyż początkowo badania na ssakach były utrudnione przez brak dostatecznie czułych metodologii oznaczeń aminokwasów na poziomie bardziej złożonych układów.

L-asparagina jest stale hydrolizowana u ssaków przez L-asparaginazę do produkcji kwasu asparaginowego i amonu. Służy do syntezy glikoprotein i jest jednym z głównych prekursorów szczawiooctanu w cyklu kwasu cytrynowego.

Enzym asparaginaza katalizuje hydrolizę asparaginy do asparaginianu, a następnie asparaginian jest transaminowany α-ketoglutaranem z wytworzeniem glutaminianu i szczawiooctanu.

Syntetaza asparaginy, znana również jako ligaza asparaginianowo-amoniowa, występuje w dużych ilościach w komórkach mózgowych dorosłych ssaków.

Kiedy w organizmie dostrzeżone są niskie poziomy tego enzymu, powstaje tzw. „Aminoacydopatie”, ponieważ substraty prekursorowe gromadzą się w cytoplazmie komórek mózgowych.

Pokarmy bogate w asparaginę

Osoby z ostrą białaczką limfoblastyczną mają zwykle niedobory enzymu syntetazy asparaginy i są uzależnione od krążącej asparaginy, dlatego zaleca się dietę bogatą w asparaginę lub jej egzogenną podaż.

Wśród wielu produktów spożywczych o wysokiej zawartości szparaginy są mięczaki, drób i ich jaja, bydło mięsne, produkty mleczne i ich pochodne oraz warzywa, takie jak szparagi, ziemniaki, bulwy itp.

Istnieją koncentraty L-asparaginy, które są przeznaczone dla wysoce wyczynowych sportowców, ponieważ ich spożycie pomaga w regeneracji białek tworzących tkanki.

Ponadto osoby, które mają niedobór syntezy aminokwasów, również przyjmują te tabletki, aby uniknąć zaburzeń w ośrodkowym układzie nerwowym.

Asparagina jest łatwiejsza do metabolizowania dzięki postaci L-asparaginy, ponieważ wiele enzymów biorących udział w jej metabolizmie nie rozpoznaje postaci D-asparaginy, a zatem nie cała asparagina spożywana w pożywieniu jest dostępna dla różnych procesy organizmu.

Obfite spożycie asparaginy może być korzystne, jednak zaleca się nie spożywać jej w nadmiarze w postaci tabletek, gdyż stwierdzono, że duże stężenia L-asparaginy z leków zwiększają rozwój komórek nowotworowych.

Bibliografia

1. Cooney, DA, Capizzi, RL i Handschumacher, RE (1970). Ocena metabolizmu L-asparaginy u zwierząt i ludzi. Badania nad rakiem, 30 (4), 929-935
2. Dunlop, PC, Roon, RJ i Even, HL (1976). Wykorzystanie D-asparaginy przez Saccharomyces cerevisiae. Journal of Bacteriology, 125 (3), 999–1004.
3. Kambhampati, S., Ajewole, E., & Marsolais, F. (2017). Postępy w metabolizmie asparaginy. W toku w Botany Vol. 79 (str. 49-74). Springer, Cham.
4. Kornfeld, R., & Kornfeld, S. (1985). Złożenie oligosacharydów połączonych asparaginą. Annual review of Biochemistry, 54 (1), 631-664
5. Mathews, CK i Ahern, KG (2002). Biochemia. Edukacja Pearson.
6. Nelson, DL, Lehninger, AL i Cox, MM (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.
7. Yamada, K., Hashizume, D., Shimizu, T. i Yokoyama, S. (2007). l-asparagina. Acta Crystallographica Section E: Structure Reports Online, 63 (9), 3802-3803.