天冬氨酸（Aspartic acid，簡稱Asp），又稱為天門冬氨酸，是一種α-氨基酸，是20種蛋白質(zhì)氨基酸之一，也是蛋白質(zhì)的構(gòu)造單位之一。。其密碼子為GAU和GAC。作為酸性氨基酸，天冬氨酸屬于人體內(nèi)非必需氨基酸。天冬氨酸也是天冬胺、賴氨酸、蘇氨酸和甲硫氨酸合成的前體物質(zhì)。對于蛋白質(zhì)合成、代謝調(diào)節(jié)和生理功能至關(guān)重要。天冬氨酸在人體內(nèi)也發(fā)揮著重要的生理作用，參與能量代謝、刺激尿素循環(huán)、神經(jīng)傳導(dǎo)等多個方面。
1960年日本科學(xué)家首次使用大腸桿菌作為酶源轉(zhuǎn)化含有高濃度反丁烯二酸為天冬氨酸，而1973年開始采用固定化菌體連續(xù)生產(chǎn)L-天冬氨酸，這一技術(shù)隨后不斷改進(jìn)，使用卡拉膠固定化的菌體大幅提高酶活性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的連續(xù)化并具有諸多優(yōu)點。生產(chǎn)天冬氨酸的工業(yè)方法主要包括化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法，其中微生物發(fā)酵法是主要的生產(chǎn)方法。
天冬氨酸在醫(yī)藥領(lǐng)域可用于氨基酸輸液、肝功能和氨解毒治療，以及生產(chǎn)維生素B和抗腫瘤藥物，天冬氨酸也可作為鉀、檸檬酸鎂的一種運輸工具或載體，給心肌輸送鉀、鎂離子，維持肌肉的收縮能力，在食品工業(yè)中用作添加劑、調(diào)味劑和甜味劑原料，例如阿斯巴甜等；同時在化工中可用于合成環(huán)境友好型聚天冬氨酸和其他化合物。天冬氨酸在蛋白質(zhì)食物中含量高，尤其在植物蛋白和發(fā)芽種子中含量最為豐富，例如鱷梨和麥芽，被美國FDA列為GRAS物質(zhì)，可在食品中使用。然而，高劑量的天冬氨酸對中樞神經(jīng)系統(tǒng)和生殖功能有毒性影響，但口服劑量較低可能不會產(chǎn)生毒副作用。
相關(guān)歷史
1868年德國科學(xué)家里豪森（Ritthausen）在豆球蛋白中首次發(fā)現(xiàn)了天冬氨酸。
1960年，日本科學(xué)家率先使用大腸桿菌作為天冬氨酸的酶源。從含有高達(dá)200-300g/500ml的反丁烯二酸中轉(zhuǎn)化為天冬氨酸，其摩爾轉(zhuǎn)化率接近100%。
1973年，日本科學(xué)家又開始采用固定化菌體連續(xù)生產(chǎn)天冬氨酸，這是圈定化生物用于工業(yè)生產(chǎn)的先例。隨后，該工藝又經(jīng)過改進(jìn)，使用卡拉膠固定化的菌體，酶活性和酶穩(wěn)定性顯著提高，半衰期延長至2年左右。
隨著技術(shù)的發(fā)展，固定化菌體法生產(chǎn)天冬氨酸具有節(jié)約原材料、簡化后處理工藝、提高收得率、實現(xiàn)連續(xù)化、降低勞動強度和降低成本等優(yōu)點。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
天冬氨酸的化學(xué)名稱為α-氨基丁二酸或氨基琥珀酸，含有兩個羧基和一個氨基，為酸性氨基酸。其密碼子為GAU和GAC。天冬氨酸溶于酸、堿，不溶于乙醇。20℃下，1克天冬氨酸可以溶解在222.2毫升的水中。天冬氨酸是小分子物質(zhì)，相對分子質(zhì)量為133.10g/摩爾，按光學(xué)活性可分為L型（左旋）、D型（右旋）和DL型（消旋）三種構(gòu)型。天冬氨酸在堿性溶液中為左旋性，在酸性溶液中為右旋性。在生物體內(nèi)，通常存在的是L-天冬氨酸。天門冬氨酸是天冬酰胺、賴氨酸、Thr和甲硫氨酸合成的前體物質(zhì)。
化學(xué)性質(zhì)
天冬氨酸是典型的α-氨基酸，具有下列典型的氨基酸化學(xué)反應(yīng)特性。
與甲醛反應(yīng)
在常溫條件下，加入甲醛水溶液后，氨基酸的氨基與甲醛反應(yīng)，氨基酸生成二甲基氨基酸，從而使其堿性消失，同時氨基酸的羧基游離出來?？梢杂?a href="/hebeideji/7147958946909011976.html">氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液來滴定氨基酸的羧基，通過氨基酸的羧基與氨基比值近似原理來測定氨基酸態(tài)氮的含量。
與水合印三酮反應(yīng)
α-氨基酸（含游離氨基）與水合印三一起加熱，可生成藍(lán)紫色物質(zhì)，而L-脯氨酸（無游離氨基）與水合印三酮一起加熱，則生成黃色物質(zhì)。該反應(yīng)很靈敏，常用于氨基酸的定性測定。
成肽反應(yīng)
一個α-氨基酸分子中的α-羧基與另一個α-氨基酸分子中的α-氨基脫水縮合，形成的化合物稱為肽，該反應(yīng)稱為成肽反應(yīng)。
生理作用
參與能量產(chǎn)生
天冬氨酸在整個身體中高度集中，是一種能量氨基酸，對觸發(fā)人體兩種重要的代謝途徑，即克雷布斯循環(huán) ( KrebsCycles ) 和尿素循環(huán) ( UreaCycles ) ，起著關(guān)鍵作用。在克雷布斯循環(huán)中，糖類被分解產(chǎn)生能量，而天冬氨酸有助于在線粒體中運輸能量的激活過程。線粒體也被稱為“細(xì)胞的動力室”，是幾乎所有生物體細(xì)胞中的細(xì)胞器，其中包含負(fù)責(zé)將食物轉(zhuǎn)化為可用能量的酶。此外，天冬氨酸也有助于促進(jìn)鎂和鉀等礦物質(zhì)穿過腸壁，進(jìn)入血液和細(xì)胞，并且它能與這些礦物質(zhì)結(jié)合形成鹽，如天冬氨酸鎂和天冬氨酸鉀，以提高肌肉中的能量。
刺激尿素循環(huán)
天冬氨酸有助于刺激尿素循環(huán)，其原因在于它能夠促進(jìn)一個關(guān)鍵酶的產(chǎn)生，即氨甲酰磷酸酶（Carbamyl 磷酸鹽，CP）。這種酶有助于代謝蛋白質(zhì)產(chǎn)生的廢物，執(zhí)行解毒功能，并形成尿素。此外，天冬氨酸還有助于清除體內(nèi)的多余氨和氮。
神經(jīng)傳導(dǎo)
天冬氨酸是一種主要的應(yīng)激性神經(jīng)遞質(zhì)，特別在海馬和丘腦中高度集中。它在大腦中扮演著重要的角色，被認(rèn)為對于腦能量代謝也具有影響。小劑量的天冬氨酸和谷氨酸一樣，可以激發(fā)神經(jīng)細(xì)胞，而高劑量則可能導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡。當(dāng)天冬氨酸引發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)的級聯(lián)活動時，可能進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞損傷，這被認(rèn)為是腦卒中的原因之一。
吸收及代謝
天冬氨酸有L型和D型兩種形式，膳食蛋白質(zhì)中，是L型( 即左旋 )天冬氨酸。天冬氨酸和谷氨酸在大腦、皮層和脊髓中相互競爭吸收。競爭吸收功能是氨基酸代謝病調(diào)節(jié)身體的方法之一。天冬氨酸的攝取在受損的大腦中降低。天冬氨酸像其他的應(yīng)激性神經(jīng)遞質(zhì)一樣，它的水平在抑郁癥患者的血液中是降低的。天冬氨酸鈣是易溶于水的中性鈣鹽，口服吸收好，在腸內(nèi)被吸收后，自血液輸鈣至人體的各個組織。
天冬氨酸不是一種人體必需氨基酸，可以從有足夠存儲的谷氨酸中產(chǎn)生。天冬氨酸可能在一定的組織中，當(dāng)受到壓力或外傷狀態(tài)下會暫時出現(xiàn)枯竭，但是因為機體自身能夠產(chǎn)生天冬氨酸，所以缺乏天冬氨酸的狀態(tài)不是經(jīng)常發(fā)生的。天冬氨酸是在肝臟中由谷氨酸合成的，并且依賴于輔因子吡哆醇( 維生素B6 )幫助轉(zhuǎn)化。
其他作用
天冬氨酸有助于產(chǎn)生嘧啶類物質(zhì)，而類是構(gòu)成脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的重要組成部分，這兩者是遺傳信息的主要攜帶者。天冬氨酸還有助于免疫球蛋白和抗體的生成（免疫系統(tǒng)的蛋白質(zhì)）。
應(yīng)用
醫(yī)藥
改善心肌收縮功能
天冬氨酸對細(xì)胞有很強的親和力，可作為鉀、鎂鹽的一種運輸工具或載體，給心肌輸送鉀、鎂離子，維持肌肉的收縮能力，改善心肌收縮功能，可降低氧消耗，使缺氧狀態(tài)下仍能維持和改善心肌收縮。由冠狀動脈循環(huán)障礙引起缺氧時，對心肌有保護(hù)作用。
增強肝功能
天冬氨酸在體內(nèi)三羧酸循環(huán)、鳥氨酸循環(huán)和核酸的合成中都起著重要作用。在鳥氨酸循環(huán)中促使人體代謝中產(chǎn)生的氨和二氧化碳生成尿素，能降低血液中的氨和二氧化碳的含量增強肝功能，消除疲勞。
天冬氨酸鉀鎂鹽臨床應(yīng)用于治療急性黃疸型病毒性肝炎，療效十分肯定，退黃疸效果最佳。對特殊類型的肝炎如妊娠或嬰兒病毒性肝炎，具有更好的效果，不僅可退黃，改善肝功能，而且對早孕反應(yīng)、小兒惡心、嘔吐、電解質(zhì)紊亂、其他胃腸癥狀等都有療效，對胎兒和孕婦無不良影響。
其他
天冬氨酸對毛地黃等強心類藥物中毒引起的心律失常有良好的療效，并能緩解中毒癥狀，如惡心和嘔吐；治療肝膽分泌不良、高氨血癥、低鉀血癥、妊娠中毒和眼睛疲勞等。
此外，天冬氨酸鉀可以用于手術(shù)前后因用降壓利尿藥、體激素、胰島素時出現(xiàn)的各種低鉀癥狀，各種心臟病以及周期性手足麻痹、肌無力等先天性鉀代謝障礙。天冬氨酸鈣可以用于鈣缺乏癥、鈣代謝障礙、孕婦以及出血的預(yù)防和治療；亦用于腦動脈硬化引起的精神紊亂、創(chuàng)傷后的癲癇、早老性精神病急性期結(jié)核性腦膜炎及其后遺癥、急性期腦蛛網(wǎng)膜炎和脊髓灰質(zhì)炎等。
食品工業(yè)
在食品工業(yè)中，將天冬氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/4719736313955118310.html">酸酐，然后與L-苯丙氨酸甲酯縮合可以制備新型甜味劑阿斯巴甜。天冬氨酸鹽還可作為食品添加劑和調(diào)味劑的原料。
化工
在化工方面，天冬氨酸是合成樹脂聚天冬氨酸( PASP )的主要原料。聚天冬氨酸廣泛應(yīng)用于冷卻水、鍋爐用水處理及脫鹽、脫糖回收、逆滲透等過程中的水處理中，特別是在石油生成的油井鉆探裝置中，PASP是碳酸鈣、硫酸和硫酸鈣沉淀的抑制劑。聚天冬氨酸類水處理劑因具有優(yōu)良的生物可降解性和較高的阻垢性能，被認(rèn)為是一種真正的綠色阻垢劑。
分布情況
天冬氨酸如大多數(shù)氨基酸一樣，在蛋白質(zhì)食物中高度集中，在植物蛋白中的含量高，尤其是在發(fā)芽種子中天冬氨酸含量最為豐富。天冬氨酸在食物中的含量見下表：
膳食建議
L-天冬氨酸在水溶液中，能和糖反應(yīng)生成具有特殊香味的物質(zhì)，具有增味作用。它也有營養(yǎng)強化作用。美國FDA(1994)將L-天冬氨酸列為GRAS物質(zhì)。按美國FDA(1994)規(guī)定，L-天冬氨酸可用于飲料及其他食品，在飲料中使用限量為食品中總蛋白質(zhì)量的7.0%。
實驗表明，高劑量的天冬氨酸對動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)有不良影響，特別是下丘腦，導(dǎo)致肥胖和生殖功能障礙。在實驗中使用的劑量為2~4g/kg體重，相當(dāng)于70kg體重的成年男性攝入140~280g。這個劑量遠(yuǎn)高于任何生理或治療用途?？诜┝扛哌_(dá)25~100g的天冬氨酸可能不會對人體產(chǎn)生毒副作用。阿斯巴甜的研究中使用的劑量為34mg/kg體重。這個劑量不足以顯著提升血液中的天冬氨酸，因此使用阿斯巴甜是安全的，但苯丙酮酸尿癥患者除外。
制備
在大多數(shù)生物中，L-天冬氨酸可以通過生物合成催化。在工業(yè)生產(chǎn)中，L-天冬氨酸的生產(chǎn)方法有化學(xué)合成法和酶合成法。
生物合成法
天冬氨酸的碳BOBBIN來源于草酰乙酸。在大多數(shù)生物體內(nèi)，草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化，可以接受L-谷氨酸的氨基生成L-天門冬氨酸。天冬氨酸是天冬酰胺、賴氨酸、Thr和甲硫氨酸合成的前體物質(zhì)。天冬氨酸經(jīng)天冬酰胺合成酶催化，由谷氨酰胺提供氨基生成天冬酰胺。
化學(xué)合成法
化學(xué)合成法主要以馬來酸或富馬酸或者它們的為原料，在加壓下用氨處理，然后水解，但容易合成得到L型與D型混合的天冬氨酸。
酶合成法
在醫(yī)藥工業(yè)中，多用酶合成法生產(chǎn)天冬氨酸，即以延胡索酸和銨鹽為原料經(jīng)天冬酸酶催化生產(chǎn)L-天冬氨酸。純化一般采用結(jié)晶和重結(jié)晶法。天冬氨酸的制備工藝過程包括大腸埃希菌(E.col) AS1.881的培養(yǎng)，細(xì)胞固定，生物反應(yīng)堆的制備，轉(zhuǎn)化反應(yīng)，以及純化與精制的步驟。
結(jié)構(gòu)
天冬氨酸，化學(xué)名稱為α-氨基丁二酸或氨基琥珀酸，含有兩個羧基和1個氨基，為酸性氨基酸，分子式為。天冬氨酸有L和D兩種構(gòu)型，L-天冬氨酸為白色葉狀或棒狀結(jié)晶，溶于水，微溶于乙醇。熔點269℃-271℃。D-天冬氨酸為固體結(jié)晶，溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。
參考資料 >
Aspartic Acid | C4H7NO4 | CID 5960 - PubChem.pubchem.2024-04-10
DL-Aspartic acid | C4H7NO4 | CID 424 - PubChem.pubchem.2024-04-28