ASPARAGIN: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN, BIOSYNTHESE - BIOLOGIE - 2025

Das Asparagin (Asn oder N) ist eine wichtige Aminosäure für die Signalübertragung und Bindung von Zellen zwischen Proteinen und Kohlenhydraten. Dies ist eine der 22 basischen Aminosäuren und wird als nicht essentiell eingestuft, da sie vom Körper von Säugetieren synthetisiert wird.

Diese Aminosäure wird in die Gruppe der ungeladenen polaren Aminosäuren eingeteilt und war die erste entdeckte Aminosäure, eine Tatsache, die 1806 auftrat, als sie von den französischen Chemikern Vauquelin und Robiquet aus dem Spargelsaft (einer Art Kräuterpflanze) isoliert wurde.

Chemische Struktur der Aminosäure Asparagin (Quelle: Borb, via Wikimedia Commons)

Trotz seiner frühen Entdeckung wurde die biologische und ernährungsphysiologische Rolle von Asparagin erst mehr als 100 Jahre später erkannt, als 1932 seine Anwesenheit in der Struktur eines in Hanfsamen vorhandenen Proteins bestätigt wurde.

Asparagin und Glutamin dienen als Substrate für die Amidgruppen von zwei anderen sehr häufigen Aminosäuren in Proteinen: Aspartat (Asparaginsäure) bzw. Glutamat (Glutaminsäure). Asparagin und Glutamin werden durch enzymatische Wirkung oder durch saure und basische Verbindungen leicht zu diesen Aminosäuren hydrolysiert.

Viele Serinproteaseenzyme, die Peptidbindungen hydrolysieren, haben ein Asparagin an der Seitenkette ihres aktiven Zentrums. Dieser Rest hat eine teilweise negative Ladung und ist für die komplementäre Bindung mit der positiven Ladung der Zielpeptide verantwortlich, wodurch sie näher an die Spaltstelle gebracht werden.

Das Enzym, das für die Synthese von Oxalacetat aus Asparagin verantwortlich ist, wird in chemotherapeutischen Behandlungen verwendet und ist als L-Asparaginase bekannt, die für die Katalyse der hydrolytischen Fragmentierung der Amidgruppe von Asparagin zu Aspartat und Ammonium verantwortlich ist.

Asparaginase wird aus Escherichia coli überexprimiert und gereinigt, um Patienten im Kindesalter mit akuter lymphoblastischer Leukämie injiziert zu werden, da sowohl normale als auch maligne Lymphozyten für ihr Wachstum und ihre Vermehrung vom Einfangen von Asparagin im Blut abhängen.

Eigenschaften und Struktur

Alle chemischen Strukturen von Aminosäuren haben eine Carboxylgruppe (-COOH), eine Aminogruppe (-NH3 +), einen Wasserstoff (-H) und eine R-Gruppe oder einen Substituenten, die an dasselbe zentrale Kohlenstoffatom gebunden sind, das als Kohlenstoff bekannt ist. α.

Aminosäuren unterscheiden sich voneinander durch die Identität ihrer Seitenketten, die als R-Gruppen bekannt sind und in Größe, Struktur, funktionellen Gruppen und sogar elektrischer Ladung variieren können.

Die Kohlenstoffatome der R-Gruppen sind durch Buchstaben des griechischen Alphabets gekennzeichnet. So werden im Fall von Asparagin die Kohlenstoffe der R-Kette als β- und γ-Kohlenstoffe identifiziert.

Gemäß anderen Arten von Nomenklaturen ist das Kohlenstoffatom in der Carboxylgruppe (-COOH) als C-1 aufgeführt, so dass der α-Kohlenstoff bei Fortsetzung der Nummerierung C-2 usw. wäre.

Ein Asparaginmolekül hat vier Kohlenstoffatome, einschließlich des α-Kohlenstoffs, des Kohlenstoffs der Carboxylgruppe, und zwei Kohlenstoffatome, die Teil der R-Gruppe sind, bekannt als Carboxamid (-CH2-CO-NH2).

Diese Carboxamidgruppe kommt nur in zwei Aminosäuren vor: in Asparagin und in Glutamin. Es hat die Eigenschaft, dass es über die Aminogruppe (-NH2) und die Carbonylgruppe (-CO) sehr leicht Wasserstoffbrückenbindungen bilden kann.

Einstufung

Asparagin gehört zur Gruppe der ungeladenen polaren Aminosäuren, die hoch wasserlösliche und stark hydrophile Aminosäuren sind (aufgrund ihrer Fähigkeit, mehrere Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden).

Serin, Threonin, Cystein und Glutamin kommen auch in der Gruppe der ungeladenen polaren Aminosäuren vor. Alle diese Verbindungen sind „zwitterionische“ Verbindungen, da sie in ihrer R-Kette eine polare Gruppe aufweisen, die zur Neutralisation von Ladungen beiträgt.

Alle ungeladenen polaren Aminosäuren sind bei pH-Werten nahe 7 (neutral) nicht ionisierbar, dh sie haben keine positiven oder negativen Ladungen. In sauren und basischen Medien ionisieren die Substituenten jedoch und erhalten eine Ladung.

Stereochemie

Der zentrale Kohlenstoff oder α-Kohlenstoff von Aminosäuren ist ein chiraler Kohlenstoff, daher sind vier verschiedene Substituenten gebunden, was bedeutet, dass für jede Aminosäure mindestens zwei unterscheidbare Stereoisomere vorhanden sind.

Stereoisomere sind Spiegelbilder eines Moleküls, die dieselbe Molekülformel haben, sich aber nicht wie die Hände (links und rechts) überlagern können. Sie werden mit dem Buchstaben D oder L bezeichnet, da die Lösungen dieser Aminosäuren experimentell die Ebene des polarisierten Lichts in entgegengesetzte Richtungen drehen.

Die allgemeine Asymmetrie der Aminosäuren macht die Stereochemie dieser Verbindungen von großer Bedeutung, da jede unterschiedliche Eigenschaften hat, synthetisiert wird und an unterschiedlichen Stoffwechselwegen beteiligt ist.

Asparagin kann in der Form D-Asparagin oder L-Asparagin gefunden werden, wobei letzteres in der Natur am häufigsten vorkommt. Es wird von L-Asparaginsynthetase synthetisiert und von L-Asparaginase metabolisiert. Beide Enzyme kommen in der Leber von Wirbeltieren sehr häufig vor.

Eigenschaften

Die Leichtigkeit der Wasserstoffbindung von Asparagin macht es zu einer entscheidenden Aminosäure für die strukturelle Stabilität von Proteinen, da es interne Wasserstoffbrücken mit den Seitenketten der anderen Aminosäuren bilden kann, aus denen sie bestehen.

Asparagin befindet sich normalerweise auf der Oberfläche typischer Proteine ​​in wässrigen Medien und stabilisiert deren Struktur.

Viele Glykoproteine ​​können über einen Asparagin-, Threonin- oder Serinrest an Kohlenhydrate oder Kohlenhydrate gebunden werden. Im Fall von Asparagin wird ein Acetylgalactosamin im Allgemeinen zuerst durch N-Glycosylierung an die Aminogruppe gebunden.

Es ist wichtig zu beachten, dass in allen N-glykosylierten Glykoproteinen Kohlenhydrate über einen Asparaginrest an sie gebunden sind, der in einer bestimmten Region gefunden wird, die als Asn-X-Ser / Thr bezeichnet wird, wobei X eine beliebige Aminosäure ist.

Diese Glykoproteine ​​werden im endoplasmatischen Retikulum zusammengesetzt, wo sie bei der Translation glykosyliert werden.

Biosynthese

Alle eukaryotischen Organismen assimilieren Ammoniak und wandeln es in Glutamat, Glutamin, Carbamylphosphat und Asparagin um. Asparagin kann aus glykolytischen Zwischenprodukten, im Zitronensäurezyklus (aus Oxalacetat) oder aus in der Nahrung verzehrten Vorläufern synthetisiert werden.

Das Enzym Asparaginsynthetase ist eine Glutamin- und ATP-abhängige Amidotransferase, die ATP zu AMP und anorganischem Pyrophosphat (PPi) klärt und Ammoniak oder Glutamin verwendet, um eine Amidierungsreaktion zu katalysieren und Aspartat in Asparagin umzuwandeln.

Sowohl Bakterien als auch Tiere haben eine Asparaginsynthetase. In Bakterien verwendet das Enzym jedoch das Ammoniumion als Stickstoffspender, während in Säugetieren Asparaginsynthetase Glutamin als Hauptspender der Stickstoffgruppe verwendet.

Der enzymatische Abbau des ATP-Moleküls zu AMP und anorganischem Pyrophosphat (PPi) zusammen mit Glutamin als Donor der Amidgruppe sind die Hauptunterschiede hinsichtlich der Biosynthese von L-Glutamin zwischen verschiedenen Organismen.

Degradierung

Die meisten Studien zum Metabolismus von Asparagin wurden an Pflanzen durchgeführt, da die Studien an Säugetieren zunächst durch das Fehlen ausreichend sensitiver Methoden für Aminosäuretests auf der Ebene komplexerer Systeme behindert wurden.

L-Asparagin wird in Säugetieren durch L-Asparaginase ständig hydrolysiert, um Asparaginsäure und Ammonium zu produzieren. Es wird zur Synthese von Glykoproteinen verwendet und ist einer der wichtigsten Oxalacetat-Vorläufer für den Zitronensäurezyklus.

Das Enzym Asparaginase katalysiert die Hydrolyse von Asparagin zu Aspartat, anschließend wird das Aspartat mit α-Ketoglutarat transaminiert, um Glutamat und Oxalacetat herzustellen.

Asparaginsynthetase, auch als Aspartat-Ammoniak-Ligase bekannt, kommt in erwachsenen Gehirnzellen von Säugetieren häufig vor.

Wenn geringe Mengen dieses Enzyms im Körper wahrgenommen werden, bilden sich sogenannte "Aminoacidopathien", da sich Vorläufersubstrate im Zytoplasma von Gehirnzellen ansammeln.

Asparaginreiche Lebensmittel

Menschen mit akuter lymphoblastischer Leukämie haben normalerweise einen Mangel im Enzym Asparaginsynthetase und sind auf zirkulierendes Asparagin angewiesen. Daher wird eine Ernährung empfohlen, die reich an Asparagin oder einer exogenen Versorgung mit Asparagin ist.

Zu den vielen Lebensmitteln mit einem hohen Spargelgehalt gehören Schalentiere, Geflügel und ihre Eier, Rinder, Milchprodukte und deren Derivate sowie Gemüse wie Spargel, Kartoffeln, Knollen usw.

Es gibt L-Asparaginkonzentrate, die für Leistungssportler entwickelt wurden, da ihr Verzehr dazu beiträgt, die Proteine ​​zu regenerieren, aus denen das Gewebe besteht.

Darüber hinaus nehmen Menschen mit einem Mangel an Aminosäuresynthese diese Tabletten ein, um Störungen in ihrem Zentralnervensystem zu vermeiden.

Asparagin ist durch seine L-Asparagin-Form leichter zu metabolisieren, da viele der an seinem Metabolismus beteiligten Enzyme die D-Asparagin-Form nicht erkennen und daher nicht das gesamte in der Nahrung aufgenommene Asparagin für die verschiedenen verfügbar ist Körperprozesse.

Die reichliche Aufnahme von Asparagin kann vorteilhaft sein, es wird jedoch empfohlen, es nicht im Überschuss in Form von Tabletten zu konsumieren, da festgestellt wurde, dass reichliche Konzentrationen von L-Asparagin aus Arzneimitteln die Entwicklung von Tumorzellen erhöhen.

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