天冬氨酸

1 天冬氨酸（Aspartate）

天冬氨酸（英语：Aspartate，简写为Asp）是一种二氨基羧酸类非必需氨基酸，广泛存在于细胞中，是蛋白质组成的重要成分之一。在生理条件下，天冬氨酸常以其共轭碱形式存在。它具有多种代谢、生物合成及神经信号功能，涉及三羧酸循环（TCA cycle）、尿素循环、嘌呤和嘧啶合成等核心代谢通路¹。

2 化学结构与性质

天冬氨酸的化学式为C₄H₇NO₄，分子量为133.10 g/mol，含有一个α-氨基基团、一个α-羧基和一个侧链羧基。在pH 7左右时，它以双负电荷形式存在，为亲水性氨基酸。其IUPAC名称为2-氨基丁二酸（2-aminobutanedioic acid）。

3 生物合成与代谢通路

(1) 由草酰乙酸合成：
天冬氨酸可由草酰乙酸（oxaloacetate, OAA）通过转氨作用生成，催化酶为天冬氨酸转氨酶（aspartate aminotransferase, AST；EC 2.6.1.1）：

 OAA + Glutamate ⇌ Aspartate + α-Ketoglutarate

(2) 进入尿素循环：
天冬氨酸在肝细胞中提供一个氮原子进入尿素循环，经天冬酰胺合成酶与精氨基代谢酶转化为精氨代琥珀酸（argininosuccinate）。

(3) 嘧啶和嘌呤的前体：
Asp参与嘧啶环的构建，特别是在UMP的合成过程中，与氨基甲酰磷酸（carbamoyl phosphate）和二氢乳清酸（dihydroorotate）等反应生成乳清酸（orotate）中间体²。

(4) 可脱氨生成草酰乙酸：
Aspartate可被AST逆向转化为OAA，进入TCA循环或糖异生通路。

4 生理功能

(1) 蛋白质组成：
Asp是构成蛋白质的标准20种氨基酸之一，常出现在酶活性中心或调节位点。

(2) 神经递质作用：
Asp在某些动物组织（如脊髓）中可作为兴奋性神经递质，作用类似谷氨酸，激活NMDA型谷氨酸受体³。

(3) 代谢中间体：
Asp是多个生物合成通路中的关键中间体，如嘧啶合成、嘌呤合成、赖氨酸合成（在细菌和植物中）等。

(4) pH调节与跨膜转运：
Asp作为阴离子可通过天冬氨酸-谷氨酸转运体（如SLC1A3）跨膜运输，参与胞外环境调节与神经信号调节。

5 生物标志意义

血浆中天冬氨酸水平常用于评估氨基酸代谢状态。在肿瘤代谢重编程研究中，Asp是分析线粒体功能与嘧啶合成能力的重要标志物。肿瘤细胞常增强Asp合成以支持核苷酸合成⁴。此外，天冬氨酸与谷氨酸比值也被用于评估脑代谢状态或肝功能。

6 相关酶与编码基因

(1) 天冬氨酸转氨酶（Aspartate aminotransferase, AST / GOT1, GOT2）
– 催化OAA与谷氨酸之间的氨基转移
– GOT1编码胞质型，GOT2编码线粒体型

(2) 天冬氨酸酰胺酶（Asparagine synthetase, ASNS）
– Asp + Gln → Asn + Glu
– ASNS基因在某些癌症中高度表达，是抗代谢药物的靶点

(3) 精氨代琥珀酸合酶（Argininosuccinate synthetase, ASS1）
– 参与Asp进入尿素循环，与瓜氨酸合成精氨代琥珀酸

(4) 天冬氨酸酰胺酶（Aspartate ammonia-lyase）（在细菌中）
– 可催化Asp裂解生成氨和富马酸

7 临床与代谢工程意义

(1) 抗癌研究：一些抗癌策略靶向天冬氨酸供给或其代谢通路，阻断核苷酸合成。例如，抑制GOT2可限制肿瘤细胞的嘧啶生物合成。

(2) 先天性代谢病：天冬氨酸代谢相关酶缺陷可导致尿素循环障碍或氨基酸代谢病。

(3) 合成生物学应用：Asp是工业发酵产物如L-天冬氨酸、阿司帕坦等的重要前体。

8 参考文献

(1) Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 7th ed. W.H. Freeman; 2012.
(2) Zalkin H, Dixon JE. "De novo purine nucleotide biosynthesis." Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. 1992.
(3) Willard AM et al. "Excitatory amino acids in the spinal cord: the role of aspartate and glutamate." Annu Rev Neurosci. 1987.
(4) Sullivan LB et al. "Aspartate is an endogenous metabolic limitation for tumour growth." Nat Cell Biol. 2018.