D-аминокислота - D-Amino acid

D-аминокислоты - это аминокислоты, в которых стереогенный углерод альфа к аминогруппе имеет D-конфигурацию. Для большинства встречающихся в природе аминокислот этот углерод имеет L-конфигурацию. D-аминокислоты иногда встречаются в природе в виде остатков в белках. Они образованы из остатков D-аминокислот, полученных из рибосом.

Аминокислоты, как компоненты пептидов, пептидных гормонов, структурных и иммунных белков, являются важнейшими биорегуляторами, участвующими во всех жизненных процессах, наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами. «Считается, что D-аминокислоты из окружающей среды происходят из органического диагенеза, такого как рацемизация и высвобождение из стенок бактериальных клеток и даже из микробного производства».

Открытие

Их открытие было в 1950-х годах. «Оклер и Паттон (1950) впервые сообщили об их присутствии в крови насекомых и моллюсков». Более того, они также были идентифицированы в различных тканях млекопитающих. Двумя основными типами D-аминокислот, синтезируемых у млекопитающих и у млекопитающих, являются D-аспарагиновая кислота (D-Asp) и D-серин (D-Ser). «D-Asp присутствует у позвоночных и беспозвоночных и участвует в развитии как нервной, так и эндокринной систем (Kim et al., 2010)». Огромное количество D-Ser также может быть обнаружено в головном мозге, где он играет важную регулирующую роль в развитии «центральной нервной системы и тесно связан с обучением, памятью и поведением млекопитающих (Snyder and Kim, 2000)». Кроме того, большое количество D-Ser было также «обнаружено в моче человека; он играет регулирующую роль в экспрессии патогенных генов в мочевыделительной системе (Huang et al., 1998). «Кроме того, они также были замечены в некоторых тканях некоторых морских беспозвоночных и« могут участвовать в регулировании осмотического давления »(Abe et al., 1998). др., 1999) ". Однако до сих пор неясно, абсорбируются ли они из морской воды или вырабатываются самими организмами. Они также были обнаружены в растениях (Brckner, Westhauser, 2003). Ряд D-аминокислот также сдерживают рост растений (Forsum et al., 2008), «в то время как некоторые растения могут поглощать, метаболизировать или ассимилировать D-аминокислоты (Grdes et al., 2011; Hill et al., 2011). ) »

Структура и общие свойства

  • D-аланин.

  • L-аланин.

L- и D-аминокислоты обычно являются энантиомерами. Исключение составляют две аминокислоты с двумя стереогенными центрами, треонин и изолейцин . Помимо этих двух особых случаев, L- и D-аминокислоты имеют идентичные свойства (цвет, растворимость, температура плавления) во многих условиях. Однако в биологическом контексте, который является хиральным, эти энантиомеры могут вести себя по-разному. Таким образом, D-аминокислоты имеют низкую питательную ценность, отчасти потому, что они плохо перевариваются.

Они содержат карбоксильную группу на одном конце и группу боковой цепи на другом конце. Они также содержат аминогруппу и водородную группу на противоположных концах, в зависимости от того, на какой энантиомер изучается. У них также есть хиральный углеродный центр. Вот почему молекулы могут существовать в разных стереоизомерных формах, а ориентация радикальных групп - это то, что различается только между этими энантиомерами. С другой стороны, D-глицеральдегид содержит карбонильную группу и гидрокси (спиртовые) группы с хиральным углеродом в центре. Ориентация опять же другая для L-глицеральдегида.

Возникновение и использование

Несмотря на то, что D-аминокислоты являются минимальными составляющими живых организмов, они встречаются в широком диапазоне природных сред, таких как почвы, реки, озера, морские системы, снег и лед, аэрозоли и осадки. Они производятся несколькими морскими микробами, которые играют важную роль в углеродном и энергетическом циклах океана и вносят свой вклад в качестве источника углерода в океанический резервуар углерода.

Остатки D-аминокислот встречаются у шишек . Они также являются многочисленными компонентами клеточных стенок пептидогликана бактерий, а D- серин может действовать как нейротрансмиттер в головном мозге. D- аминокислоты используются в рацемической кристаллографии для создания центросимметричных кристаллов, которые, в зависимости от белка, могут позволить более простое и надежное определение структуры белка.

Грамицидин - это полипептид, состоящий из смеси D- и L- аминокислот. Другими соединениями, содержащими D- аминокислоты, являются тироцидин и валиномицин . Эти соединения разрушают стенки бактериальных клеток, особенно у грамположительных бактерий. По состоянию на 2011 год в базе данных Swiss-Prot было обнаружено только 837 D- аминокислот из 187 миллионов проанализированных аминокислот.

Флуоресцентно меченые D-аминокислоты, а именно FDAA , использовались для мечения in situ бактериального пептидогликана как у грамположительных, так и у грамотрицательных видов.

Бактерии и D-аминокислоты

Бактерии, вероятно, обладают наибольшей способностью усваивать аминокислоты. Известно, что они синтезируют более 10 видов D-аминокислот, чаще всего D-аланин и D-глутамат, для сшивания внутри клеточной стенки пептидогликана. Кроме того, внеклеточные D-аминокислоты, высвобождаемые бактериями, также контролируют ремоделирование бактериальной клеточной стенки и, более того, считается, что они функционируют среди бактерий, чтобы приспособиться к часто меняющейся среде. Помимо структурной функции в стенке бактериальной клетки, D-аминокислоты также связаны с приспособленностью к росту и с дальнейшими процессами, такими как развитие биопленки, прорастание спор и передача сигналов.

Биосинтез

Два фермента превращают L-аминокислоты в D-аминокислоты. D- Аминокислотная рацемаза , PLP-зависимый фермент, рацемизирует аминокислоты за счет образования альфа-иминокислот, при этом стереогенный центр теряется. Оксидазы L-аминокислот превращают L-аминокислоты в альфа- кетокислоты , которые подвержены восстановительному аминированию. Некоторые аминокислоты склонны к рацемизации, одним из примеров является лизин , который рацемизируется посредством образования пипеколиновой кислоты .

В пептидах остатки L-аминокислот медленно рацемизируются, что приводит к образованию некоторых остатков D-аминокислот. Рацемизация происходит посредством депротонирования метина, который является альфа-амидогруппой. Скорость увеличивается с увеличением pH.

Многие D-аминокислоты, обнаруженные в высших организмах, происходят из микробных источников. D-аланин в пептидогликанах, которые составляют стенки бактериальных клеток, помогает хозяину противостоять атакам протеолитических ферментов. Некоторые антибиотики , например бацитрацин , содержат остатки D-аминокислот.

Предыдущие исследования

Phaeobacter sp. Глубоководный штамм JL2886, который был изолирован в 2012 году из отложений на глубине 2000 м в Южно-Китайском море, «был проанализирован на предмет выявления всей последовательности его генома (Fu et al., 2016)» (Naganuma et al., 2018). В другом исследовании из 56 отложений, собранных в глубоком море (диапазон глубин 800-1500 м), в заливе Сагами, Япония, были выделены «28 утилизаторов D-аминокислот» (Kubota et al., 2016). Также предпринимались независимые попытки изолировать микроорганизмы, которые становятся более здоровыми благодаря D-аминокислотам. В большинстве проведенных исследований и экспериментов обычно также используются в основном D-аланин, D-аспартат и D-глутамат, поскольку они обозначают наиболее распространенные D-аминокислоты, обнаруживаемые в живых организмах. Более того, они также служат источниками азота для многих фундаментальных процессов, происходящих в океане.

использованная литература

  1. ^ Genchi G (сентябрь 2017). «Обзор D-аминокислот». Аминокислоты . 49 (9): 1521–1533. DOI : 10.1007 / s00726-017-2459-5 . PMID  28681245 . S2CID  3998765 .
  2. ^ a b c d e Наганума, Такеши; Иинума, Ёсиакира; Нишиваки, Хитоми; Мурасе, Рёта; Масаки, Кадзуо; Накаи, Рёске (2018). «Повышенный рост бактерий и экспрессия генов дегидрогеназы D-аминокислот с D-глутаматом в качестве единственного источника углерода» . Границы микробиологии . 9 : 2097. DOI : 10,3389 / fmicb.2018.02097 . ISSN  1664-302X . PMC  6131576 . PMID  30233558 . CC-BY icon.svg
  3. ^ Б с д е е г Zhang, ZiLian; Чжэн, Цян; Цзяо, Няньчжи (01.01.2016). «Микробные D-аминокислоты и запасы углерода в море» . Наука Китай Науки о Земле . 59 (1): 17–24. DOI : 10.1007 / s11430-015-5155-х . ISSN  1869-1897 . S2CID  87038507 .
  4. ^ a b Friedman M (сентябрь 1999 г.). «Химия, питание и микробиология D-аминокислот». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 47 (9): 3457–79. DOI : 10.1021 / jf990080u . PMID  10552672 .
  5. ^ Pisarewicz K, Mora D, Pflueger FC, GB Поля, Marí F (май 2005). «Полипептидные цепи, содержащие D-гамма-гидроксивалин». Журнал Американского химического общества . 127 (17): 6207–15. DOI : 10.1021 / ja050088m . PMID  15853325 .
  6. ^ Хейенорта J (март 2001). «Формирование гликановых цепей при синтезе бактериального пептидогликана». Гликобиология . 11 (3): 25R – 36R. DOI : 10.1093 / glycob / 11.3.25R . PMID  11320055 . S2CID  46066256 .
  7. ^ Wolosker H, Думин E, Балан L, Foltyn В.Н. (июль 2008). «D-аминокислоты в головном мозге: D-серин в нейротрансмиссии и нейродегенерации». Журнал FEBS . 275 (14): 3514–26. DOI : 10.1111 / j.1742-4658.2008.06515.x . PMID  18564180 . S2CID  25735605 .
  8. ^ Matthews BW (июнь 2009). «Рацемическая кристаллография - легкие кристаллы и легкие структуры: что не нравится?» . Белковая наука . 18 (6): 1135–8. DOI : 10.1002 / pro.125 . PMC  2774423 . PMID  19472321 .
  9. ^ Ketchem RR, Hu W, Cross TA (сентябрь 1993). «Конформация грамицидина А с высоким разрешением в липидном бислое методом твердотельного ЯМР». Наука . 261 (5127): 1457–60. Bibcode : 1993Sci ... 261.1457K . DOI : 10.1126 / science.7690158 . PMID  7690158 .
  10. ^ Хури Г.А., Baliban RC, Floudas CA (сентябрь 2011). «Статистика посттрансляционных модификаций в масштабе протеома: частотный анализ и курирование базы данных swiss-prot» . Научные отчеты . 1 (90): 90. Bibcode : 2011NatSR ... 1E..90K . DOI : 10.1038 / srep00090 . PMC  3201773 . PMID  22034591 .
  11. ^ Куру E, Хьюз HV, Браун П.Дж., Холл E, Tekkam S, Cava F и др. (Декабрь 2012 г.). «Исследование in situ вновь синтезированного пептидогликана в живых бактериях с флуоресцентными D-аминокислотами» . Angewandte Chemie . 51 (50): 12519–23. DOI : 10.1002 / anie.201206749 . PMC  3589519 . PMID  23055266 .
  12. ^ Hsu YP, Rittichier J, Kuru E, Yablonowski J, Pasciak E, Tekkam S, et al. (Сентябрь 2017 г.). «Полная цветовая палитра флуоресцентных d-аминокислот для мечения стенок бактериальных клеток in situ » . Химическая наука . 8 (9): 6313–6321. DOI : 10.1039 / C7SC01800B . PMC  5628581 . PMID  28989665 .