Аспарагин

Аспарагин — это алифатическая аминокислота, одна из двадцати стандартных протеиногенных аминокислот, входящих в состав белков всех живых организмов. Относится к группе полярных незаряженных аминокислот. В организме человека и большинства животных аспарагин является заменимой аминокислотой, то есть может синтезироваться из других соединений, и не обязательно должен поступать с пищей. Кодоны аспарагина в матричной РНК — AAU и AAC. В биохимической номенклатуре обозначается сокращениями Asn или Асн.

История открытия

Аспарагин был открыт в 1806 году французскими химиками Луи Николя Вокленом и Пьером Жаном Робике. Учёные выделили это вещество из сока спаржи (лат. Asparagus officinalis), что и дало аминокислоте её название. Это стало первым в истории случаем выделения отдельной аминокислоты из природного источника. Воклен и Робике описали аспарагин как кристаллическое вещество, не содержащее серы и фосфора, обладающее сладковатым вкусом. Позднее, в 1877 году, немецкий химик Эрнст Шульце установил, что аспарагин является амидом аспарагиновой кислоты.

Химические свойства и строение

Молекулярная структура

Аспарагин имеет химическую формулу C₄H₈N₂O₃. Его молекулярная масса составляет 132,12 г/моль. В структурном отношении аспарагин представляет собой амид аспарагиновой кислоты. Его боковая цепь содержит карбоксамидную группу (-CONH₂), которая придаёт молекуле полярность, но не несёт электрического заряда при физиологических значениях pH (около 7,4). Эта амидная группа способна образовывать водородные связи, что играет важную роль в стабилизации третичной структуры белков.

Стереоизомерия

Как и все протеиногенные аминокислоты (за исключением глицина), аспарагин существует в виде двух оптических изомеров: L-аспарагина и D-аспарагина. В природных белках встречается исключительно L-изомер. D-аспарагин может быть обнаружен в составе некоторых бактериальных пептидов и антибиотиков.

Физические свойства

Аспарагин представляет собой белое кристаллическое вещество или порошок без запаха. Он хорошо растворим в воде, но практически нерастворим в органических растворителях, таких как этанол или эфир. Температура плавления L-аспарагина составляет около 234–236 °C (с разложением). Водные растворы аспарагина имеют слабокислую реакцию.

Биологическая роль и функции

Участие в метаболизме

Аспарагин выполняет несколько ключевых функций в живых организмах:

• Синтез белка: входит в состав многих белков, особенно тех, которые имеют сложную пространственную структуру, где аспарагин участвует в образовании водородных связей.
• Метаболизм аммиака: аспарагин является важным транспортным агентом для аммиака (NH₃), который токсичен для организма. Аспарагинсинтетаза присоединяет аммиак к аспарагиновой кислоте, образуя аспарагин, который затем доставляется в почки или печень, где аммиак высвобождается и выводится.
• Гликопротеины: аспарагин является основным местом присоединения углеводных цепей (гликозилирования) в белках. Гликозилирование по аспарагину (N-гликозилирование) происходит в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи и критически важно для правильного сворачивания, стабильности и функции многих белков, включая иммуноглобулины и рецепторы клеточной поверхности.
• Предшественник других аминокислот: в организме аспарагин может быть гидролизован до аспарагиновой кислоты и аммиака с помощью фермента аспарагиназы.

Синтез и деградация

В организме человека аспарагин синтезируется из аспарагиновой кислоты и глутамина в реакции, катализируемой ферментом аспарагинсинтетазой (ASNS). Реакция требует затрат энергии в виде АТФ. Распад аспарагина осуществляется аспарагиназой, которая отщепляет амидную группу, превращая его в аспарагиновую кислоту и аммиак. Активность аспарагиназы особенно высока в печени и почках.

Медицинское значение

Аспарагиназа в терапии рака

Одним из наиболее значимых медицинских применений, связанных с аспарагином, является использование фермента аспарагиназы для лечения некоторых видов рака, в первую очередь острого лимфобластного лейкоза (ОЛЛ). Некоторые злокачественные клетки, особенно при ОЛЛ, не способны синтезировать аспарагин в достаточном количестве из-за низкой активности аспарагинсинтетазы. Они зависят от поступления аспарагина из крови. Введение препарата аспарагиназы (например, из бактерий Escherichia coli или Erwinia chrysanthemi) расщепляет аспарагин в плазме крови, лишая раковые клетки этой аминокислоты и вызывая их гибель. Нормальные клетки, способные синтезировать аспарагин, при этом страдают в меньшей степени. Препараты аспарагиназы являются важным компонентом протоколов химиотерапии ОЛЛ, особенно у детей.

Нарушения метаболизма

Хотя аспарагин является заменимой аминокислотой, его дефицит или избыток могут наблюдаться при некоторых патологических состояниях. Например, мутации в гене аспарагинсинтетазы (ASNS) связаны с редким аутосомно-рецессивным заболеванием — дефицитом аспарагинсинтетазы, которое проявляется тяжёлой неврологической симптоматикой, включая микроцефалию, задержку развития и судороги. Повышенный уровень аспарагина в крови может наблюдаться при некоторых наследственных нарушениях цикла мочевины.

Аспарагин и амилоидоз

Аспарагин, наряду с глутамином, подвержен спонтанной неферментативной дезамидации (превращению в аспарагиновую кислоту) в белках. Этот процесс ускоряется с возрастом и может приводить к изменению структуры и функции белков, способствуя развитию возрастных заболеваний, включая катаракту и некоторые формы амилоидоза.

Пищевые источники

Аспарагин содержится в широком спектре продуктов как растительного, так и животного происхождения. К богатым источникам аспарагина относятся:

• Спаржа (откуда аминокислота и получила своё название)
• Бобовые (соя, фасоль, чечевица, нут)
• Орехи и семена (арахис, миндаль, семена подсолнечника)
• Зерновые (овёс, пшеница)
• Картофель
• Молочные продукты (сыр, молоко)
• Мясо и птица (говядина, курица)
• Яйца
• Морепродукты (рыба, креветки)

Интересные факты

• Аспарагин является одной из двух аминокислот (наряду с глутамином), которые имеют амидную группу в боковой цепи.
• Наличие аспарагина в спарже часто связывают с характерным запахом мочи после её употребления, хотя основной причиной этого является аспарагиновая кислота и серосодержащие соединения, образующиеся при метаболизме спаржи.
• В 2015 году учёные из Университета Данди (Шотландия) обнаружили, что аспарагин играет ключевую роль в распространении рака молочной железы. Ограничение аспарагина в рационе мышей значительно снижало способность опухолевых клеток образовывать метастазы в другие органы. Это открытие открыло новые перспективы для разработки диетических подходов к терапии рака.
• Аспарагин является одной из аминокислот, наиболее подверженных посттрансляционной модификации — гликозилированию, что делает его важным объектом изучения в протеомике и глико-биологии.

Источники

1. Lehninger, A. L., Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (7th ed.). W. H. Freeman.
2. Voet, D., & Voet, J. G. (2011). Biochemistry (4th ed.). John Wiley & Sons.
3. Murray, R. K., Bender, D. A., Botham, K. M., Kennelly, P. J., Rodwell, V. W., & Weil, P. A. (2018). Harper's Illustrated Biochemistry (31st ed.). McGraw-Hill Education.
4. Knott, S. R. V., et al. (2018). Asparagine bioavailability governs metastasis in a model of breast cancer. Nature, 554(7692), 378–381.
5. Lomelino, C. L., et al. (2017). Asparaginase: an evolving drug for the treatment of acute lymphoblastic leukemia. Current Medicinal Chemistry, 24(17), 1810–1822.