Аспарагиновая кислота: свойства и функции¶

Аспарагиновая кислота (2-аминоянтарная кислота, аспартат) — заменимая алифатическая аминокислота, входящая в состав белков всех живых организмов. Относится к классу acidic (кислых) аминокислот, содержит дополнительную карбоксильную группу в боковой цепи, что придаёт молекуле отрицательный заряд при физиологических значениях pH. Химическая формула — C₄H₇NO₄, молекулярная масса — 133,1 Да. Впервые выделена в 1868 году из asparagus (спаржи) французским химиком Огюстом-Артуром Плиссоном, откуда и получила своё название.

¶Физико-химические свойства

Аспарагиновая кислота представляет собой белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и нерастворимое в органических растворителях (этаноле, эфире). Температура плавления составляет около 270 °C (с разложением). Водные растворы имеют кислую реакцию. Молекула существует в двух оптических изомерах: L-форма (биологически активная) и D-форма, а также в виде рацемической смеси.

Изоэлектрическая точка аспарагиновой кислоты — pH 2,77. При pH выше этого значения карбоксильные группы диссоциируют, и молекула приобретает отрицательный заряд. Боковая цепь содержит β-карбоксильную группу (pKa ≈ 3,9), которая при физиологических условиях (pH 7,4) полностью ионизирована, что делает аспартат одной из главных отрицательно заряженных аминокислот в белках.

В водных растворах аспарагиновая кислота существует в виде цвиттер-иона (биполярного иона). При нагревании в водном растворе или в условиях организма она может подвергаться дезаминированию с образованием фумаровой кислоты. С аммиаком образует амид — аспарагин.

¶Биосинтез и метаболизм

Для человека аспарагиновая кислота является заменимой аминокислотой — она синтезируется в организме из других соединений. Основной путь биосинтеза — переаминирование (трансаминирование) оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) с глутаминовой кислотой. Реакцию катализирует фермент аспартатаминотрансфераза (АСТ), коферментом которой служит пиридоксальфосфат (витамин B6). Этот фермент широко используется в клинической диагностике: повышение его активности в крови указывает на повреждение клеток печени или миокарда.

Аспарагиновая кислота участвует в цикле Кребса (цикле трикарбоновых кислот) как промежуточное соединение, связывая аминокислотный обмен с энергетическим метаболизмом. Она служит предшественником для синтеза:

аспарагина (реакция амидирования);
аргинина, лизина, треонина, метионина и изолейцина (у микроорганизмов и растений);
пуриновых нуклеотидов (аденина и гуанина) и пиримидиновых оснований;
N-ацетиласпартата — вещества, участвующего в метаболизме нейронов.

Катаболизм аспарагиновой кислоты происходит через трансаминирование с образованием оксалоацетата, который далее включается в глюконеогенез. Таким образом, аспартат является глюкогенной аминокислотой.

¶Роль в нервной системе

Аспарагиновая кислота выполняет важные функции в центральной нервной системе. Она является возбуждающим нейромедиатором — действует на ионотропные NMDA- и AMPA-рецепторы глутамата, а также на метаботропные рецепторы. По механизму действия аспартат сходен с глутаминовой кислотой, однако его аффинность к рецепторам ниже.

В головном мозге аспарагиновая кислота участвует в процессах синаптической пластичности, обучения и памяти. Избыточное накопление внеклеточного аспартата при ишемии или травме может приводить к эксайтотоксичности — повреждению нейронов из-за чрезмерной активации глутаматных рецепторов.

N-ацетиласпартат (производное аспарагиновой кислоты) — вторая по концентрации молекула в мозге человека после глутамата. Он служит маркером жизнеспособности нейронов при магнитно-резонансной спектроскопии: снижение его уровня указывает на нейродегенеративные процессы.

¶Применение в медицине и спорте

В клинической практике аспарагиновую кислоту применяют в составе комплексной терапии при заболеваниях печени, сердечной недостаточности, астении. Наиболее известные препараты — калия и магния аспарагинат (панангин, аспаркам), используемые для коррекции электролитного баланса и лечения аритмий. Аспарагиновая кислота способствует транспорту ионов калия и магния через клеточные мембраны.

В спортивном питании D-аспарагиновая кислота (DAA) позиционируется как средство для повышения уровня тестостерона. Некоторые исследования показывают кратковременное повышение уровня тестостерона у мужчин при приёме D-аспартата, однако систематические обзоры не подтверждают значимого влияния на синтез мышечного белка и спортивные результаты. Эффективность и безопасность длительного применения D-аспарагиновой кислоты остаются предметом дискуссий.

Аспарагиназа — фермент, расщепляющий аспарагин (амид аспарагиновой кислоты), используется в химиотерапии острого лимфобластного лейкоза. Лейкозные клетки не способны синтезировать аспарагин самостоятельно и зависят от его внешнего поступления; деградация аспарагина в крови приводит к гибели опухолевых клеток.

¶Пищевая промышленность

Аспарагиновая кислота и её соли (аспартаты натрия, калия, кальция) зарегистрированы в качестве пищевых добавок. В классификации ЕС добавка обозначается как E296 (сама кислота) и E622–E625 (аспартаты). Применяется как подкислитель, усилитель вкуса и компонент подсластителей.

Важнейшее производное — дипептид аспартам (L-аспартил-L-фенилаланинметиловый эфир), синтетический подсластитель, примерно в 200 раз слаще сахарозы. Аспартам используется в производстве безалкогольных напитков, жевательной резинки и низкокалорийных продуктов. При нагревании аспартам разрушается с потерей сладости и образованием дикетопиперазина. Для людей с фенилкетонурией (нарушением обмена фенилаланина) продукты с аспартамом противопоказаны, поэтому на упаковке указывается предупреждение.

¶Участие в обмене веществ растений

У растений аспарагиновая кислота играет ключевую роль в азотном обмене. Она служит основным донором аминогрупп при синтезе других аминокислот и амидов. Вместе с аспарагином она является транспортной формой азота в растении. Из аспарагиновой кислоты синтезируются лизин, треонин, метионин и изолейцин — незаменимые аминокислоты, которые животные получают только с пищей.

В семенах бобовых и злаковых аспарагиновая кислота накапливается в запасных белках. Её содержание в белках пшеницы достигает 5–7 % от общей массы аминокислот. Аспарагиновая кислота также участвует в фотодыхании и C4-цикле фотосинтеза у тропических растений.

¶Клиническое значение

Определение активности аспартатаминотрансферазы (АСТ) в сыворотке крови — стандартный лабораторный тест. В норме активность АСТ составляет 10–40 Ед/л у взрослых. Повышение уровня наблюдается при инфаркте миокарда, вирусных гепатитах, циррозе печени, поражении скелетных мышц. Соотношение активности АСТ к аланинаминотрансферазе (АЛТ) используется для дифференциальной диагностики заболеваний печени: коэффициент де Ритиса выше 1,5 характерен для алкогольного поражения, ниже 1 — для вирусного гепатита.

Наследственные нарушения обмена аспарагиновой кислоты встречаются редко. К ним относится недостаточность аспартациклазы, приводящая к накоплению N-ацетиласпартата и развитию болезни Канаван — прогрессирующей лейкодистрофии с демиелинизацией белого вещества головного мозга.

¶Источники

Ленинджер А. Основы биохимии: в 3 т. — М.: Мир, 1985.
Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. — М.: БИНОМ, 2014.
Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. — М.: Мир, 2011.
Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. — М.: Высшая школа, 1998.
Ткаченко Б. И. Нормальная физиология человека. — М.: Медицина, 2005.