L'acido aspartico è unamminoacido utilizzato degli esseri viventi per lasintesi delle proteine. Viene indicato comunemente con le sigleD oAsp ed è codificato sull’RNA messaggero dai codoni GAU e GAC.
Il farmacista francese Auguste-Arthur Plisson nel1827 isolò l’acido aspartico dopo aver fatto reagire l’asparagina, ottenuta dal succo diasparago, conidrossido di piombo. Chiamò l'acido ottenuto "acide aspartique" (dal latinoaspăragus, "asparago") acido aspartico in italiano.[3]
Ritthausen nel 1868 isolò l’acido aspartico da una proteina idrolizzata.[3]
È composto da ungruppo amminico, unocarbossilico e una catena laterale acida (), il che rende la molecolapolare. In condizioni fisiologiche l'amminoacido si presenta in forma dianione, in quanto il gruppo α-carbossilico e α-amminico sono carichi negativamente e positivamente, mentre la catena laterale è carica negativamente (), di conseguenza la carica globale della molecola è negativa. In questa forma, l'acido aspartico prende il nome diaspartato, ed è in grado di interagire elettricamente con altre molecole cariche.
La formazwitterionica viene invece raggiunta a pH acidi, quando il gruppo amminico è protonato e solo uno dei due gruppi carbossilici è deprotonato. Siccome i due gruppi carbossilici hannocostanti di dissociazione acida differenti, è possibile identificare ilpunto isoelettrico a pH pari a 2,85.
L'acido aspartico, come la maggior parte degli amminoacidi, è soggetto astereoisomeria. Il carbonio 2, chiamato anche carbonio α, è uno stereocentro che porta legati 4 sostituenti differenti (,, e). A seconda di come sono orientati tridimensionalmente questi sostituenti, possono identificarsi dueenantiomeri: l'acido 2(S)-ammino-1,4-butandioico e l'acido 2(R)-ammino-1,4-butandioico. Queste due molecole hannoattività ottica e di conseguenza si possono distinguere l'acido L-aspartico e l'acido D-aspartico. Anche la loro forma anionica possiede attività ottica e dunque si riconoscono: l'L-aspartato e ilD-aspartato.
Con il nome “acido aspartico” e "aspartato" si intendono comunemente lemiscele racemiche.
L'enantiomero L dell'acido aspartico è quello utilizzato dagli esseri viventi comemattoncino per costruire le proteine. Viene naturalmente sintetizzato nel nostro organismo, per cui rientra in quella categoria di amminoacidi non essenziali, che possono essere evitati dall'alimentazione.[4]
Uno studio ha dimostrato che in condizioni simili a quelle si suppone vigessero sulla Terra primordiale, i cristalli sinistrorsi di acido aspartico (enantiomeri L) si formassero più facilmente e in maggiore quantità di quelli destrorsi. Questa potrebbe essere la motivazione per cui il nostro codice genetico ha incluso l'enantiomero L e non il D.[5]
Il primo utilizzo di questo catalizzatore si fa risalire ad un processo discontinuo[7] del 1953 che fu poi convertito, nel 1973, a processo continuo per la produzione di acido L-aspartico. Questa nuova sintesi prevedeva l’uso di una colonna contenente cellule diE.Coli immobilizzate in un reticolo dipoliacrilammide.[8][9] Per ottenere miglioramenti nel processo, si iniziò nel 1978 ad utilizzare come gel di intrappolamento la κ-carragenina.[10] Nel 1983 invece si iniziò ad usare cellule EAPC-7 immobilizzate in χ-carragenina, eliminando inoltre la conversione dell’acido fumarico adacido L-malico.[11]
Si sono così susseguiti vari tentativi di miglioramento per la produzione dell’acido L-aspartico: dall’uso di cellule diE.Coli intrappolate in poliazetidina[12][13], all’uso di cellule intatte di un batterio corineforme, ilBrevibacterium flavum MJ-233, con una membrana ad ultrafiltrazione.[14] Tutti questi processi hanno in comune l’utilizzo di un eccesso di ammoniaca per cercare di spostare l’equilibrio della reazione verso la produzione di acido L-aspartico.[7][15]
Si è poi provato a migliorare il biocatalizzatore impiegato: l’aspartasi. Esempi sono: la preparazione di un nuovo microrganismo del genereE.Coli, integrando unplasmide con unacido desossiribonucleico che trasporta il gene per l’aspartasi[16][17](che ha portato a una più vantaggiosa sintesi dell’amminoacido) e l’identificazione di un’aspartasi altamente termostabile neiBacillus sp. YM55-1.[18] Successivi studi sulla struttura ai raggi X dell’aspartasi diE.Coli[19] e diBacillus sp. YM55-1[20] hanno permesso all'ingegneria proteica di migliorarsi in questo campo, sempre di più.
La continua ottimizzazione delle singole componenti del processo ha fatto sì che i processi basati sull’aspartasi siano tra i processi enzimatici più efficienti ed economicamente più convenienti conosciuti ad oggi.[7][21]
Sintesi di vari amminoacidi a partire da acido aspartico
Il processo di biosintesi degli amminoacidi parte da unafosforilazione dell’aspartato catalizzata daaspartato-chinasi che produce aspartil-β-fosfato; da quest’ultimo poi si produce β-aspartato-semialdeide dal quale si seguono infine differenti vie metaboliche per la produzione degli amminoacidi.[2] Anche la sintesi dell'alanina prevede l'uso di acido L-aspartico come precursore, in questo processo si usa come catalizzatore l'Aspartato-β-decarbossilasi.
Sintesi di L-alanina a partire da acido L-asparticoDegradazione dell'acido aspartico e dell'asparagina
L’aspartato viene degradato aossalacetato, che è un precursore delglucosio e per questo motivo è classificato come amminoacido glucogenico.[2] La reazione è unatransamminazione dell’aspartato. Anche l’asparagina che viene idrolizzata in aspartato tramite la L-asparaginasi porta alla formazione di ossalacetato.[2]
L’acido L-aspartico è utilizzato ampiamente nellanutrizione parenterale edenterale come acidificante, come precursore della L-alanina e dell’aspartame.[7] Viene inoltre utilizzato come materiale di partenza per lasintesi stereoselettiva di vari composti chimici organici chirali.[23]
L’acido poliaspartico è un polimeroidrosolubile,biodegradabile dell'acido aspartico, prezioso in numerose applicazioni industriali, mediche e agricole per sostituire moltipolimeri non biodegradabili in uso.[24][25] Le applicazioni dell'acido poliaspartico includono, infatti, sistemi di trattamento delle acque, trattamenti anti microbici[26],silvicoltura, sfruttamento dipetrolio, applicazione nelle formulazioni deidetergenti[27] e come costituente di polimeri superassorbenti biodegradabili (SAP), utilizzati nei pannolini usa e getta, nei prodotti per l’incontinenza degli adulti e nei prodotti per l’igiene femminile.[28]
Il mercato globale di acido aspartico (che quindi comprende: integratori alimentari, medicina, acido poliaspartico, aspartame, L-alanina) dovrebbe raggiungere i 101,0 milioni di dollari entro il 2022. La domanda globale di acido aspartico è stata di 35,6chilo-tonnellate nel 2012.[27] Nel 1996, invece, la produzione industriale di acido aspartico era di 7 chilo-tonnellate all’anno, per via enzimatica.[29]
L'acido D-aspartico non viene utilizzato dal macchinario della sintesi proteica per costruire le proteine, di conseguenza viene definitoamminoacido non proteinogenico. È uno dei principali regolatori dellaneurogenesi adulta e svolge un ruolo importante nello sviluppo della funzione endocrina. D-Asp è presente nei tessuti endocrini, neuroendocrini e neitesticoli e regola la sintesi e la secrezione diormoni e laspermatogenesi. Anche le proteine degli alimenti contengono D-amminoacidi che sono naturalmente originati o indotti da processi che coinvolgono alte temperature, trattamenti con acidi o processi difermentazione. Infatti, la presenza di D-aminoacidi neilatticini è indice di un trattamento termico o di contaminazione microbica.[30]
Durante lo stadio embrionale degli uccelli e la prima vita postnatale dei mammiferi, un'alta concentrazione transitoria di D-Asp è presente nelcervello e nellaretina. Questo amminoacido è stato rilevato nei sinaptosomi e nelle vescicole sinaptiche, dove viene rilasciato dopo stimoli chimici (ioni (),ionomicina) o elettrici. Inoltre, D-Asp aumenta il cAMP nelle cellule neuronali e viene trasportato dalle fessure sinaptiche alle cellule nervose presinaptiche attraverso un trasportatore specifico. Nelsistema endocrino, invece, D-Asp è coinvolto nella regolazione della sintesi e del rilascio ormonale. Ad esempio, nell'ipotalamo di ratto, aumenta il rilascio dellagonadotropina (GnRH) e induce la sintesi dell'mRNA, diossitocina evasopressina. Nellaghiandola pituitaria, stimola la secrezione dei seguenti ormoni:prolattina (PRL),ormone luteinizzante (LH) eormone della crescita (GH) Nei testicoli, è presente nellecellule di Leydig ed è coinvolta nel rilascio ditestosterone eprogesterone.[31]
L'acido D-aspartico viene sintetizzato nel nostro organismo a partire dall'acido L-aspartico. La reazione diracemizzazione è catalizzata da un enzimaisomerasi chiamato:aspartato-racemasi.[32]
Il D-Asp è coinvolto nella sintesi e nel rilascio ditestosterone e per questo si presume possa essere usato per l’aumento del testosterone negli uomini. Studi hanno rivelato che il D-Asp esogeno aumenta effettivamente i livelli di testosterone negli animali, mentre gli studi sull'uomo hanno prodotto risultati inconsistenti a causa del numero ridotto di ricerche condotte.[33]
La presenza di acido D-aspartico nei prodotti alimentari, ad esempio nei formaggi, può essere usata per quantificare un'eventuale contaminazione microbica o eventuali trattamenti termici o alcalini del prodotto.[30]
Laracemizzazione dell'acido aspartico è uno dei principali tipi di modificazione covalente non enzimatica che porta ad un accumulo dipendente dall'età di D-Asp nei tessuti umani. La racemizzazione avviene durante l'invecchiamento delle proteine e si correla con l'età delle proteine a lunga vita. La racemizzazione può provocare una perdita della funzione proteica dovuta allaproteolisi o causa di cambiamenti nella struttura molecolare. La racemizzazione in vivo può anche aumentare in condizioni patologiche. Infatti questo processo è rilevante nella patogenesi di malattie della vecchiaia come l'aterosclerosi, l'enfisema polmonare, lapresbiopia, lacataratta, le malattie degenerative della cartilagine e le disfunzioni correlate all'età cerebrale.[34]
La racemizzazione dell’L-aspartato può essere anche usata per stimare l’età deidenti. Questo metodo si basa sul costante aumento correlato all'età della quantità di acido D-aspartico nelladentina, proteina a lunga vita.[35]
^(EN) Bommarius, A.S., Schwarm, M. e Drauz, K.,Comparison of Different Chemoenzymatic Process Routes to Enantiomerically Pure Amino Acids, inChimia, vol. 55, pp. 50-59.
^NCI Thesaurus, suncit.nci.nih.gov.URL consultato il 6 agosto 2021.
^(EN) Masato Ikeda,Amino acid production processes, inAdvances in Biochemical Engineering/Biotechnology, vol. 79, 2003, pp. 1-35.URL consultato il 15 novembre 2018.
