Aminokwasom D są klasą aminokwasów , lub które są najbardziej interesujące w biologii The α-aminokwasy, w których funkcyjne grupy karboksylowej (-COOH) i grupę aminową (-NH 2 ), są połączone z alfa węgla w D konfiguracja w odniesieniu z jednej strony do łańcucha bocznego w zależności od rodzaju kwasu, az drugiej strony do atomu wodoru. To są enancjomery L aminokwasów .
We wszystkich układach biologicznych aminokwasy D występują znacznie rzadziej niż ich izomery L , które są ważnymi elementami budulcowymi materii żywej, w postaci 22 aminokwasów proteinogennych . Dlatego od dawna wywnioskowano, że aminokwasy D nie pełnią funkcji biologicznych i nie są „naturalne”. Ten obraz zmienił się całkowicie od początku lat 90. Dziś wiadomo, że D- aminokwasy są zawarte np. W antybiotykach peptydowych wydzielanych przez bakterie , czy też w różnych roślinach, takich jak ryż, czosnek czy groszek.
Niektóre D- aminokwasy pełnią również ważne funkcje fizjologiczne u ludzi. W szczególności w ośrodkowym układzie nerwowym są to D- seryna i D - asparaginian . Wydaje się jednak, że D- aminokwasy odgrywają rolę w niektórych chorobach , takich jak schizofrenia . Ten obszar badań jest stosunkowo nowy i wiele funkcji wolnych lub połączonych D- aminokwasów w peptydach lub białkach jest nadal w dużej mierze nieznanych lub źle rozumianych.
D- aminokwasy wykryto w różnych produktach spożywczych i organizmach metodą analizy chromatograficznej . Jednym z zastosowań jest datowanie przez racemizację aminokwasów w celu określenia wieku skamieniałości .
Zgodnie z obecnym stanem badań Wolne D- aminokwasy wchłaniane codziennie z pożywieniem nie są niebezpieczne dla człowieka. Wiele ważnych leków zawiera D- aminokwasy . Sztucznie wytwarzane D- aminokwasy są wykorzystywane jako budulec do produkcji (pół) syntetycznych antybiotyków oraz wielu produktów codziennego użytku, w tym leków.
Wszystkie aminokwasy proteinogenne (określone kodem genetycznym ), z wyjątkiem najprostszej z nich glicyny , mają atom węgla przyłączony do czterech różnych rodników . Te rodniki zajmują w przestrzeni cztery wierzchołki czworościanu . Taki układ powoduje asymetrię , co skutkuje dwiema możliwościami ich wzajemnego ułożenia. Te dwie formy, zwane enancjomerami lub izomerami odbiciowymi, zachowują się jak przedmiot i jego odbicie w lustrze. Asymetryczny atom węgla tworzy tam asymetryczne centrum . Enancjomeru i jego lustrzanego odbicia nie można nałożyć. Dzieje się tak również w przypadku przedmiotów codziennego użytku, które nie mają płaszczyzny symetrii . Przykładem są dwie ręce. Prawa i lewa ręka są jak przedmiot i jego odbicie w lustrze, ale nie można ich nałożyć. Ich różnica staje się szczególnie ważna, gdy wchodzą w interakcje z innymi systemami chiralnymi (z greckiego słowa oznaczającego rękę ). Na przykład, gdy prawa ręka próbuje chwycić inną prawą lub lewą rękę lub próbuje założyć złą rękawiczkę. W środowiskach chiralnych różnice między enancjomerami molekularnymi są szczególnie wyraźne.
Nobla w dziedzinie chemii Emila Fischera opracował proces narzucania, projekcja Fischera , w którym można opisać jednoznacznie dwuwymiarową strukturę przestrzenną chiralnego wiązania chemicznego. W tym celu wybrał substancję odniesienia ( aldehyd glicerynowy ). Zgodnie z regułami projekcji Fischera, grupa kwasowa ( karboksyl ) jest zawsze reprezentowana na górze, a rodnik R, który powoduje różnicę między aminokwasami zawsze na dole. Jeśli grupa aminowa znajduje się w tej projekcji po lewej stronie (po łacinie laevus ), mówimy o L- aminokwasie . Gdy grupa aminowa jest po prawej stronie (łac dexter ) w rzucie Fischera, jest D aminokwasu . Przymiotniki lewy i prawy odnoszą się tylko do konfiguracji w rzucie Fischera.
Pod względem właściwości fizycznych , takich jak temperatura topnienia , masa właściwa , rozpuszczalność w wodzie lub innych mediach, izoelektryczne pH , aminokwasy D i L są całkowicie identyczne. Ponadto w ośrodku achiralnym, czyli w środowisku pozbawionym innych chiralnych cząsteczek, zachowują się one dokładnie tak samo, z jednym wyjątkiem: w identycznych warunkach dwa enancjomery obracają płaszczyznę polaryzacji liniowo spolaryzowanego światła o określoną wielkość. równe wartości bezwzględnej, ale w przeciwnym kierunku. Jeśli obrócą go zgodnie z ruchem wskazówek zegara (dla obserwatora zwróconego w stronę źródła światła), określa się go jako kształt prawoskrętny lub kształt (+). W przeciwnym przypadku jest to forma lewoskrętna lub (-). Te rozróżnienia nie odgrywają prawie żadnej roli w życiu codziennym. W literaturze mylone są nawet formy L i (-). Ponadto wartość siły obrotowej, a nawet jej znak, silnie zależą od warunków. Na przykład aminokwas L - leucyna w temperaturze pokojowej w roztworze 6 M molarności kwasu solnego ma specyficzną skręcalność optyczną + 15,1 ° (po prawej), aw czystej wodzie -10,8 ° (po lewej). W roztworze wodorotlenku sodu o 3 M molarności znowu ma + 7,6 ° (po prawej).
Mieszanina 50% enancjomeru D i 50% L nazywana jest racematem . Racemiki powstają w szczególności w operacjach sztucznej syntezy aminokwasów. Nie mają aktywności optycznej, to znaczy nie zmieniają płaszczyzny polaryzacji światła. Racemiki mają częściowo inne właściwości fizyczne niż czyste enancjomery (np. Temperatura topnienia), ale zwykle mają inne właściwości fizjologiczne.
Projekcja Fischera była dotychczas preferowanym systemem projekcji dla aminokwasów i węglowodanów . Obok niej znajduje się konwencja Cahna-Ingolda-Pregolda (CIP System) dla aminokwasów , która opisuje konfigurację cząsteczek chiralnych. W tym systemie większość proteinogennych L - aminokwasów to S- aminokwasy . Ich enancjomery, D aminokwasów są w przeważającej części w R konfiguracji . Wyjątkami są L - cysteina , L - cystyna i L - selenocysteina , ponieważ siarka lub selen mają wyższy priorytet w nomenklaturze CIP niż tlen . Te trzy L aminokwasy są w R konfiguracji . Z drugiej strony, ich enancjomery mają S konfiguracji .
W sekwencjach aminokwasowych aminokwasy D są oznaczane w trzyliterowym skrócie przedrostkiem D pisanym małymi literami.
Na przykład heptapeptyd dermorfina :
H-Tyr-D-Ala-Phe-Gly-Tyr-Pro-Ser-NH2 .W kanonicznych kodach jednoliterowych D- aminokwasy są reprezentowane przez małą literę odpowiadającą odpowiadającemu L- aminokwasowi .
Na przykład dermorfina:
YaFGYPS-NH2.D- aminokwasy występują w przyrodzie znacznie rzadziej niż ich enancjomery L , które razem z kwasami nukleinowymi tworzą budulec życia . Podobna asymetria, z pojawieniem się dwóch enancjomerów, występuje dla węglowodanów . W tym drugim przypadku jest to forma D , na przykład D - glukoza , która jest konfiguracją „naturalną”. Szacuje się, że ilość D- glukozy na Ziemi jest równa 10-15 razy większej niż L- glukozy. W przypadku aminokwasów nie ma jeszcze wiarygodnych szacunków.
Przez długi czas zakładano, że tylko L- aminokwasy zostały wyselekcjonowane podczas ewolucji do tworzenia peptydów i białek. Od lat 80. ulepszone metody analityczne doprowadziły do zrewidowania tej hipotezy. D- aminokwasy znajdowane są w coraz większej liczbie żywych istot, więc mają znacznie większe rozprzestrzenianie się i różnorodność niż wcześniej zakładano. W najnowszej literaturze D- aminokwasy są obecnie uważane za zwykłe składniki roślin i żywności. Nawet u wyższych istot żywych, nawet u ludzi, D- aminokwasy biorą udział w ważnych procesach fizjologicznych, które nadal są w dużej mierze niezrozumiane.
Rozwój życia na Ziemi zakładał homochiralność, czyli jednorodną konfigurację aminokwasów i innych elementów budulcowych życia. W środowisku racemicznym nie może być replikacji . Istnieje cały szereg hipotez dotyczących przyczyny skrajnego braku równowagi między ilościami dwóch enancjomerycznych form aminokwasów. Istnieje zgodność z faktu, że nie był to pierwszy w przyrodzie nierównowagi pomiędzy aminokwasami D i L . Stamtąd możemy bardzo dobrze wyjaśnić ekstremalne wzbogacenie jednej z dwóch form, poprzez chiralne wzmocnienie, to znaczy efekt samowzmacniający, który prowadzi do reakcji chemicznej, w obecności `` niewielkiego nadmiaru jednej z form enancjomerycznych ma jeszcze bardziej niezrównoważony wynik. Jednak problem zerwania początkowej symetrii nie został jeszcze w pełni rozwiązany, najprawdopodobniej na długo przed rozpoczęciem życia na Ziemi. Wśród możliwych źródeł omówiliśmy złamanie symetrii parzystości w radioaktywności β (hipoteza Vestera-Ulbrichta) lub zanieczyszczenie pierwotnej zupy nadmiarem L- aminokwasów z istot pozaziemskich.
Na rzecz tego ostatniego teorii mówi, że w Murchisona meteorytu nadmiar nie proteinogennych L- aminokwasów zostało wykazane : 2-amino-2,3-dimetylopentanowego kwas i izowalina . W meteorytie Murchison nadmiar L- izowaliny wynosił około 18,5%, aw przypadku Orgueil - 15,2%. Te nadmiary mogły być spowodowane kołowo spolaryzowanym promieniowaniem UV, które - jak zostało potwierdzone eksperymentalnie - preferencyjnie niszczy D- aminokwasy .
Duże ilości D- aminokwasów można uzyskać z L- aminokwasów przez racemizację. Powstawanie racematu aminokwasów, to znaczy mieszaniny równych części D i L aminokwasów kwasów jest termodynamicznie preferowane . Wprawdzie entalpia pozostaje niezmieniona, ale wyższy stopień „nieporządku” prowadzi do wzrostu entropii , co prowadzi do spadku entalpii swobodnej G ΔG. Wartość tego stanu rzeczy jest -1,6 kJ / mol w 25 ° C .
Wyższe temperatury prowadzą do większej utraty swobodnej entalpii, dlatego racemizacja jest znacznie przyspieszona. Okres półtrwania racemizacji, definiowany jako czas, w którym wartość nadmiaru enancjomeru zmniejsza się o połowę, zależy, oprócz temperatury, pH , rodzaju aminokwasu, rozpuszczalnika, wilgotności i obecności katalizatorów . W stałych warunkach racemizację można dobrze obliczyć i odwrotnie, na podstawie stopnia racemizacji można wyciągnąć wnioski dotyczące wieku próbki. Proces ten, znany jako „datowanie przez racemizację aminokwasów”, można wykorzystać do datowania skamieniałości, ale także organizmów żywych. W momencie śmierci wszystkie procesy, które zwalczają racemizację aminokwasów w danym organizmie, zostają zatrzymane. Życie jest walką z entropią, a procesy przeciw rasemizacji kończą się nie później niż po śmierci. W niektórych tkankach, w których metabolizm białek jest bardzo niski, proces ten rozpoczyna się jeszcze przed zakończeniem tworzenia się tkanki. Przykładem jest kolagen w zębinie z zębami , lub soczewki oka. Względnie stała temperatura i pH w zębach pozwalają określić wiek żywego organizmu za pomocą stopnia racemizacji asparaginianu z dokładnością do około ± 4 lat. Proces ten jest wykorzystywany w szczególności w medycynie sądowej . Przykładem zastosowania tej metody są badania przeprowadzone w 1996 r. Na kościach cesarza Lothaira z Supplinburga (1075–1137). W tych badaniach stwierdzono, że Lothaire ma znacznie wyższy stopień racemizacji niż jego żona Richenza von Northeim i jego zięć Henryk X Bawarii , co odpowiadałoby wiekowi około 9000 lat starszemu. Z drugiej strony, stopień racemizacji dwóch świadków bardzo dobrze odpowiadał ich wiekowi około 850 lat. We wszystkich trzech przypadkach mierzono stopień racemizacji asparaginianu. Wysoki stopień racemizacji Lothaira należy wiązać ze szczególnymi okolicznościami jego śmierci. Zmarł w pobliżu Breitenwang w Tyrolu , około 700 km od swojej siedziby w Königslutter am Elm . Aby uchronić jego ciało przed rozkładem podczas tej długiej podróży, zwłoki poddano obróbce zgodnie z Mos Teutonicus („zwyczaje krzyżackie”). Polega to na ugotowaniu zwłok, usunięciu mięsa z kości i przetransportowaniu samych kości. L- asparaginian podczas gotowania zmierzony 859 lat później, jest znacznie silniejszy niż w przypadku normalnie pochowanych zwłok jego żony i zięcia. Ze względu na stopień racemizacji czas gotowania można oszacować na około sześć godzin.
We włosach na około 5300-letniego trupa człowieka od Alp Ötztal , lepiej znany pod pseudonimem „Ötzi”, 37% hydroksyproliny pojawia się w D konfiguracji . W 3000-letniej mumii było to 31%, we włosach średniowiecznych (około 1000 lat) 19%, a we współczesnych próbkach 4%.
Podczas przygotowywania posiłków L- aminokwasy mogą również zostać zracemizowane do białek ze względu na temperaturę i ekstremalne wartości pH. Różne aminokwasy szybko ulegają racemizacji. Szybkość racemizacji w dużym stopniu zależy od łańcucha bocznego aminokwasu i sąsiednich aminokwasów. Grupy przyciągające elektrony ułatwiają protonację atomu C α, co ułatwia racemizację. Jest to szczególnie istotne w przypadku seryny i asparaginianu. Ponadto rolę odgrywają efekty steryczne. Asparagina i asparaginian racemize szczególnie szybko, gdy przylegają do glicyny w sekwencji peptydu. Następnie można wytworzyć cykliczny sukcynimid , który z termodynamicznego punktu widzenia silnie sprzyja przekształcaniu jednego enancjomeru w drugi. Przy niskich wartościach pH, na przykład w 6M roztworze kwasu solnego, asparaginian racemizuje najszybciej. Proliny i glutamina jest racemize znacznie wolniej, zaś w tych warunkach, izoleucyna , A walina , seryny i treoniny do racemize bardzo niewiele. W 1M roztworze sody seryna ulega racemizacji najszybciej, a następnie asparaginian, fenyloalanina , glutaminian i walina.
Racemizacja katalizowana zasadami lub kwasami wymaga bardzo rygorystycznych warunków, aby uzyskać pełną racemizację w ciągu kilku godzin. W przeciwieństwie do tego, katalizowana enzymatycznie racemizacja w układach biologicznych jest znacznie szybsza i zachodzi w łagodniejszych warunkach: prawie obojętnym pH oraz temperaturze pokojowej lub ciała. W racemases katalizują deprotonowanie a węgla aminokwasu. W tej pozycji atom wodoru jest bardzo słabo kwaśny. Stałą kwasowości w postaci protonowanej ma pKa s ≈ 21 i znajduje się w punkcie izoelektrycznym, nawet niższe ≈ 29. Deprotonowanie ułatwione jest dla większości racemases przez fosforanu pirydoksalu (palp). W aktywnym centrum tych enzymów PALP jest połączone z resztą lizyny . Grupa aminowa aminokwasu L wiąże się następnie z grupą aldehydową PALP, a następnie tworzy iminę ( aldiminę lub zasadę Schiffa ). Jako katalizator elektrofilowy , PALP wyciąga z pierścienia aromatyczny z elektronów węgiel ekstrahuje α aminokwas, który jest wówczas łatwiejszy do deprotonowania. Ponadto pozostały anion jest stabilizowany przez efekt mezomeryczny . Reprotonowanie z dodatkiem wody następnie uwalnia zracemizowany aminokwas jako produkt reakcji przez hydrolizę zasady Schiffa.
Oprócz tego istnieją również racemazy niezależne od PALP, w centrum aktywnym których grupy tiolowe dwóch cystein katalizują protonowanie. W mechanizmie dwuzasadowym deprotonowany tiolan (RS - ) pełniący rolę zasady wychwytuje proton węgla α. Grupa tiolowa drugiej cysteiny jest odpowiedzialna za reprotonację. Te katalizowane enzymatycznie procesy racemizacji wytwarzają większość D- aminokwasów w organizmach.
Wiele antybiotyków peptydowych jest wytwarzanych z D- aminokwasów . Są to substancje naturalne, wytwarzane przez prokarioty w drodze syntezy nie rybosomalnej . Bardzo ważna farmakologicznie grupa penicylin zawiera jako elementarny element strukturalny D- penicylaminę, aminokwas nieproteogenny . W polimyksyny i aktynomycyny również wokół aminokwasom D (odpowiednio D fenyloalaninę D -waliny). Bacytracyny wytwarzany przez Bacillus subtilis, polega w szczególności na asparaginian, glutaminian, ornityny i fenyloalaniny w D konfiguracji . Walinomycyny wytwarzany przez Streptomyces fulvissimus zawiera D -waliny i circulin A utworzonym przez Bacillus circulans zawiera D -leucyny. Wśród antybiotyków D- aminokwasowych znajdują się również w szczególności: fungisporyna ( D- fenyloalanina i D- walina), gramicydyna i tyrocydyna ( D- fenyloalanina), malformina C ( D- leucyna i D- cysteina), mykobacylina ( D - asparaginian i D- glutaminian).
Grzyby workowce wytwarzają również naturalne leki zawierające D- aminokwasy , takie jak tolypocladium inflatum , wytwarzające immunosupresyjną cyklosporynę z D- alaniną lub penicillium chrysogenum , wytwarzające penicylinę M z D- waliną.
Chemicznie stosunkowo prosty cykloseryna stosowane w leczeniu gruźlicy jest wytwarzany Streptomycetes , takie jak Streptomyces garyphalus z D -seryny.
Przez długi czas było przyjąć, że w charakterze dominuje pojedynczy enancjomer aminokwasów, to znaczy L postaci . Do lat sześćdziesiątych XX wieku D- aminokwasy uważano za artefakty laboratoryjne (błędy zależne od systemu) i klasyfikowano jako „nienaturalne izomery”. Nawet dzisiaj możemy znaleźć oznaczenie „nienaturalne” dla izomerów D enancjomerów .
Aminokwasy oksydazy D - enzymy bez substratu?
W 1933 roku niemiecki lekarz i chemik, przyszły laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny , Hans Adolf Krebs odkrył enzym oksydazę aminokwasów D i opisał go szczegółowo dwa lata później. Krebs twierdzi, że D- aminokwasy , które „nie występują w naturze” są deaminowane znacznie szybciej niż ich „naturalne” izomery L w obecności świeżo wyciśniętej nerki lub wątroby wieprzowej. Z wybranym inhibitorem , na przykład z oktan-1-olem , może dezaktywować oksydazę L- aminokwasów , a tym samym skutkować selektywną deaminacją D- aminokwasów . Krebsa stwierdzono, że w stosowanych organów lub ekstrakty były dwie oksydazy aminowej kwasem, które odpowiednio działających na aminokwasy L i D . Krebs był zdumiony, że istnieje enzym, który działa wyłącznie na substancje nienaturalne. Wskazał jednak, że Felix Ehrlich w 1914 r., Edmund von Lippmann w 1884 r. I Sigmund Fränkel w 1923/24 r. Zgłaszali sporadyczne występowanie D- aminokwasów w przyrodzie. Jednym z takich wczesnych dowodów była D- alanina wyizolowana z borowików Bordeaux przez E. Wintersteina i wsp. W 1913 roku.
D- aminokwasy w roślinach
U roślin można wykazać istnienie D- aminokwasów zarówno wolnych, jak i połączonych w łańcuchy peptydowe. Często występują w roślinach w postaci pochodnych N - malonylu lub N - acetylu .
Na przykład, w tym nasion słonecznika ( Helianthus annuus ), 40% alaniny w D konfiguracji . D -alanina i dipeptyd D -Ala- D -Ala są w różnych ziół; Podobnie w ryżu ( Oryza australiensis ), przy czym około 10% seryny w D konformacji . Jest wytwarzany przez samą roślinę z racemazą serynową. Odpowiadające genu dla tego enzymu, w Oryza sativa ssp. Japonica cv. Nipponbare znajduje się na chromosomie 4. D- aminokwasy wykazano w niższych stężeniach w wielu roślinach spożywczych. Należą do nich groszek ( Pisum sativum ), czosnek, różne gatunki kapusty i owoce. Nadal nie jest wcale jasne, jaką funkcję pełnią te wolne D- aminokwasy i peptydy w roślinach.
Bakterie i D- aminokwasy
Przed odkryciem aminokwasów D wolnych, aminokwasy zidentyfikowano jako D w szeregu związków drobnoustrojów. Na przykład penicylina G, utworzona w kulturach pleśni penicillium notatum , odkryta w 1928 roku przez Alexandra Fleminga , zawiera jako znaczący pierwiastek D- penicylaminę (lub 3-merkapto- D- walinę).
Teksańczyk Esmond E. Snell zauważył w 1943 roku w doświadczeniach na kulturach enterococcus faecalis i lactobacillus casei, że do wzrostu tych gatunków bakterii niezbędna w diecie pirydoksyna (witamina B 6 ) może być całkowicie zastąpiona przez D- alaninę. Dalej stwierdza, że D- alanina jest znacznie bardziej skuteczna w tej roli niż L- alanina. Kiedy później wykazano, że duże ilości D- alaniny są obecne w peptydoglikanach - biopolimerach, które nadają ścianom komórkowym bakterii siłę - stało się jasne, dlaczego komórki potrzebują tych „nienaturalnych” aminokwasów. Włączenie D- alaniny, a zwłaszcza D- glutaminianu, zapobiega niszczeniu peptydoglikanów przez peptydazy . Co ciekawe, właśnie ta „tama ochronna” D- aminokwasów stanowi punkt ataku dla antybiotyków beta-laktamowych , takich jak penicylina. Te antybiotyki hamują enzym transpeptydazę D- alaniny, który występuje wyłącznie w bakteriach i który katalizuje sieciowanie peptydoglikanów, zwłaszcza przez D- alaninę.
W 1951 roku Irwin Clyde Gunsalus i Willis A. Wood wyizolowali z enterococcus faecalis racemazę alaninową, enzym katalizujący racemizację naturalnej L- alaniny. ALR gen kodujący racemazę alaniny jest obecny we wszystkich bakterii. D -alanina wytwarzać stosując racemazę alaninę jest niezbędna do syntezy peptydoglikanu w praktycznie wszystkich bakterii. Oprócz D -alaniny i D glutaminian jest również w niektórych gatunków z paciorkowców z D seryny w ścianie komórkowej. Ten D -seryny tworzy tam z D -alaniny w C-końcu dipeptyd D -Ala- D -Ser, która jest odpowiedzialna za odporność tych gatunków bakterii do glikopeptydy , takie jak wankomycyna .
D- aminokwasy w gąbkach
Polytheonamides zostały znalezione w gąbek . Są peptydu toksyny których aminokwasy przemian D i L formy . Są one najwyraźniej syntetyzowane przez rybosomy jako peptydy L , a następnie po translacji epimeryzowany jest każdy inny aminokwas . Dzieje się to za pomocą kilku enzymów, których geny, najwyraźniej pochodzące z bakterii, dostały się do gąbek poprzez poziomy transfer genów .
D- aminokwasy w organizmach wielokomórkowych
Dankwart Ackermann i M. Mohr byli w stanie znaleźć D- ornitynę w wątrobie kolczastych rekinów w 1937 roku. Oksydaza D- aminokwasu odkryta przez Krebsa została odkryta w kolejnych latach u wszystkich ssaków . H. Blaschko i Joyce Hawkins po raz pierwszy znaleźli ją w 1951 roku u bezkręgowców . Ale funkcja tego enzymu w różnych organizmach pozostaje niejasna. Pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku spekulowano, że enzym ten był używany w przewodzie pokarmowym do niszczenia składników ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich , które zawierają duże ilości D- aminokwasów . Teoria, że oksydaza D- aminokwasów służyła jedynie do niszczenia aminokwasów sprowadzonych z zewnątrz (egzogennych), przetrwała do wczesnych lat dziewięćdziesiątych.
W 1950 roku Auclair i Patton po raz pierwszy znaleźli D- alaninę w organizmie wielokomórkowym , w hemolimfie śmierdzącego robaka Oncopeltus fasciatus . Do analizy wykorzystali dwuwymiarową chromatografię papierową . Po elucji spryskali wysuszone chromatogramy oksydazą D- aminokwasową , która deaminuje tylko D- alaninę do kwasu ketowęglowego, który jest łatwo identyfikowany z fenylohydrazyną . Założono, że D- alanina była obecna z powodu flory bakteryjnej, zanieczyszczenia pokarmu, a także spontanicznej racemizacji związanej z wiekiem.
Biosyntezy z D -seryny wykazano w 1965 roku przez grupę roboczą wokół Johna J. Corrigan na Tufts University w Massachusetts . W jedwabniki alimentésavec z D -glukozą wyznakowanego radioaktywnie produktów zarówno D serynę jako L seryny. D- aminokwasy znaleziono później u innych owadów i ssaków.
W 1962 roku włoska grupa otaczających Vittorio Erspamer odizolowany w bezogonowy Ameryki Południowej physalaemus fuscomaculatus na tachykininy physalémine. Ten polipeptyd składa się z dwunastu aminokwasów i zaczyna się na N-końcu od D- proliny. W kodzie jednoliterowym zapisana jest sekwencja pEADPNKFYGLM-NH2. Jest to pierwszy naturalny peptyd odkryty z aminokwasem D , który nie jest pochodzenia mikrobiologicznego. Ale nawet trzy lata później amerykański biochemik Alton Meister napisał, na przykład w swojej standardowej pracy Biochemistry of theaminokwasów , „że obecnie nie ma rozstrzygających dowodów na istnienie D- aminokwasów w białkach aminokwasów. rośliny i zwierzęta. Na początku prawie nie zwracaliśmy uwagi na odkrycie Erspamera. Dopiero ta sama grupa, 19 lat później, izolowana dermorfina z Phyllomedusa sauvagii , również pochodzącej z Ameryki Południowej, powoli zaczęto doceniać znaczenie tego odkrycia. Od końca N dermorfina, zbudowana z siedmiu aminokwasów, zawiera w pozycji 2 D- alaninę. Konfiguracja D tej alaniny ma zasadnicze znaczenie dla aktywności farmakologicznej. Dermorfina wiąże się z receptorem µ 1 i jest tam wyraźnie bardziej selektywna i silniejsza niż endogenne endorfiny ( dynorfina i enkefalina ) oraz szeroko rozpowszechniona morfina pochodzenia roślinnego. Odkrycie było sprzeczne z wieloma paradygmatami do tego stopnia, że Erspamer miał pewne trudności ze znalezieniem specjalistycznego czasopisma, które zgodziło się opublikować jego pracę. Jeden z tych modeli jest to, że w procesie biosyntezy białka The DNA organizmu koduje tylko 22 tworzących białka aminokwasów , z których wszystkie są w L konformacji . Nie ma genu do kodowania D aminokwasom . Dopiero ponad dziesięć lat później sprzeczność została rozwiązana: jest to stereoselektywna modyfikacja potranslacyjna katalizowana przez epimerazy, która jest odpowiedzialna za pojawienie się D- aminokwasów w peptydach eukariotycznych. Oznacza to, że po translacji konformacja określonego L- aminokwasu jest zmieniana przez określony enzym endogenny.
D- aminokwasy u ssaków
Do 1992 r. Wykluczono, że aminokwasy D pełnią funkcję biologiczną u ssaków lez. Dzięki udoskonaleniu analitycznych metod pomiarowych, takich jak wysokosprawna chromatografia gazowa lub cieczowa , od lat 80. XX wieku możliwe stało się dokładne oddzielenie aminokwasów D od ich enancjomerów L , a następnie wykazanie ich w bardzo małych ilościach. Atsushi Hashimoto i wsp. Znaleźli w ten sposób w 1992 roku w mózgach szczurów domowych stosunkowo duże ilości wolnej D- seryny. Wskazali na stężenie około 0,27 µmol / g masy mózgu, co oznacza, że stosunek D- seryny / L- seryny wynosi 0,23. Wiadomo było już wcześniej, że D- seryna dostarczana z zewnątrz (egzogenna) jest silnym i selektywnym allosterycznym agonistą receptora NMDA (NMDA = N-metylo- D- asparaginian). Źródło stosunkowo wysokiego stężenia D- seryny, które następnie wykazano również w mózgach innych ssaków, w tym ludzi, było początkowo niejasne. Spekulacje, takie jak ukierunkowane wchłanianie racemizowanej L- seryny z pożywienia i jej transport do mózgu przez barierę krew-mózg , ustały w 1999 roku wraz z odkryciem enzymu racemazy seryny w mózgach szczurów przez Hermana Woloskera i in . Racemaza seryny katalizuje racemizację seryny. Wcześniej racemazy aminokwasów były znane tylko z bakterii i kilku owadów. Enzym został znaleziony w komórkach glejowych , które wykazują stosunkowo wysokie stężenia D- seryny. Wraz z odkryciem racemazy seryny wykazano, że ten archaiczny metabolizm D- aminokwasów został zachowany podczas ewolucji aż do ssaków i nadal pełni ważną funkcję w neuroprzekaźnictwie - tak powinno się pojawić w przyszłości. Musimy porzucić dogmat, że D- aminokwasy nie pełnią żadnej szczególnej funkcji u eukariontów . Teraz wiemy, że D- seryna odgrywa ważną rolę w wielu procesach ośrodkowego układu nerwowego , takich jak uczenie się i pamięć , ale także w zaburzeniach psychicznych , neuropatiach i chorobach neurodegeneracyjnych .
Do końca lat 90-tych zakładano, że D- aminokwasy nie pełnią funkcji fizjologicznej u kręgowców. Wraz z odkryciem stosunkowo dużych ilości D- seryny i D- asparaginianu w mózgach ssaków rozpoczęto badanie fizjologicznego działania tych dwóch niezwykłych aminokwasów. Niniejsze opracowanie jest stosunkowo młodą dyscypliną, z wciąż wieloma otwartymi pytaniami.
D seryna
D seryny jest komórki glejowe także w neuronach . Pochodzi z L- seryny pod działaniem katalitycznym enzymu racemazy seryny ( EC 5.1.1.18), który jest wyrażany przez te komórki. Zniszczenie jest katalizowane przez oksydazę D- aminokwasową (EC 1.4.3.3). Stężenie D- seryny jest określane przez te dwa procesy tworzenia i niszczenia. D seryny jest ko-agonista receptora NMDA , glicyna jest w tym naturalnego ligandu. Receptor ten ma wielkie znaczenie dla szeregu procesów fizjologicznych, a także patologicznych. D seryny zwiększa aktywność receptora NMDA. Dlatego nazywany jest również neuromodulatorem .
Nadekspresja oksydazy D- aminokwasowej , prowadząca do zwiększonej degradacji D- seryny, w konsekwencji zmniejsza aktywność receptorów NMDA. Ta zmniejszona aktywność jest głównie związana ze schizofrenią . Już niewielkie ilości antagonistów receptora mogą wywoływać objawy, takie jak łagodne zaburzenia poznawcze i fizjologiczne u zdrowych osób, które odpowiadają objawom schizofrenii.
W 2002 roku duża międzynarodowa grupa badawcza ustaliła, że nowo odkryty gen G72 (gen DAOA , aktywator oksydazy aminokwasowej ) jest ściśle powiązany ze schizofrenią. Produkt G72 aktywuje oksydazę D- aminokwasów , co zmniejsza stężenie D- seryny w mózgu. Odkryli jednak tylko słabą korelację między aktywnością oksydazy D- aminokwasowej a początkiem schizofrenii. Dlatego połączenie oksydazy D- aminokwasowej i aktywatora G72 wspierało się nawzajem ( synergia ). Autorzy doszli do wniosku, że ostatecznie stężenie wolnej D- seryny odgrywa znaczącą rolę w schizofrenii. Inne badania również wykazały genetyczny związek między oksydazą D- aminokwasową a schizofrenią. Odkrycia te są zgodne z wynikami grup, które były w stanie wykazać, że stężenie D- seryny w surowicy krwi i płynie mózgowo-rdzeniowym chorych na schizofrenię, w porównaniu z kohortą osób zdrowych, jest znacznie obniżone. Ponadto stwierdzono, że mózgi zmarłych pacjentów ze schizofrenią wykazują wyższą ekspresję oksydazy D- aminokwasowej . Dodatkowe podawanie D- seryny podczas leczenia pacjentów ze schizofrenią dało wiele zachęcających wyników w badaniach klinicznych. W metaanalizie 18 badań klinicznych ustalono zmniejszenie objawów schizofrenii. Jednak poprawa była tylko umiarkowana.
Odkrycia dotyczące funkcji D- seryny i oksydazy aminokwasowej D doprowadziły do opracowania różnych inhibitorów oksydazy, aminokwasów D , które mogą być potencjalnymi lekami do leczenia schizofrenii. Inhibitory oksydazy D- aminokwasowej są nadal w bardzo wczesnej fazie rozwoju, do tego stopnia, że w 2012 roku żaden lek działający na tej zasadzie nie otrzymał jeszcze pozwolenia na dopuszczenie do obrotu (AMM).
Z drugiej strony bada się, czy zbyt wysokie stężenie tych aminokwasów w komórkach gleju i związana z tym ekscytotoksyczność mogą być przyczyną stwardnienia zanikowego bocznego , choroby zwyrodnieniowej układu nerwowego.
D -aspartate
W 1986 roku grupa skupiona wokół Amerykanina Davida S. Dunlopa odkryła znaczne ilości D- asparaginianu w mózgach gryzoni i ludzkiej krwi. Najwyższe stężenie stwierdzono w śródmózgowiu nowonarodzonych szczurów, przy 164 nmol / g D- asparaginianu. Odpowiadało to 8,4% całkowitego asparaginianu. To stężenie przewyższa stężenie wielu niezbędnych L aminokwasów w mózgu. Poza mózgiem byli również w stanie wykazać stosunkowo wysokie stężenia D- asparaginianu w szyszynce , przysadce mózgowej , nadnerczach i jądrach . Analogicznie do D- seryny, D- asparaginian jest wytwarzany w organizmie przez enzymatyczną racemizację L- asparaginianu, aw tym przypadku przez racemazę D- asparaginianu (EC 5.1.1.13), a degradację prowadzi oksydaza D- asparaginianowa ( WE 1.4.3.1). Wraz z wiekiem stężenie D- asparaginianu drastycznie spada. Wysoka aktywność racemazy D- asparaginianu występuje w narządach, w których stwierdza się również wysokie stężenia D- asparaginianu. Aktywność jest maksymalna w przysadce mózgowej. Dezaktywacja racemazy D- asparaginianowej, na przykład przez retrowirusa , który wywołuje ukierunkowaną utratę funkcji w kwasie rybonukleinowym (RNA) komplementarnym do racemazy D - asparaginianowej , prowadzi do znacznego spadku stężenia D- asparaginianu. Konsekwencją jest to, że rozwój dendrytyczny jest masowo zakłócany, co z kolei prowadzi do znacznych uszkodzeń neurogenezy w hipokampie . Na podstawie tych wyników eksperymentalnych zakłada się, że D- asparaginian jest ważnym regulatorem rozwoju neuronów. Szczegółowe fizjologiczne działanie D- asparaginianu jest nadal w dużej mierze nieznane. Ten obszar badań jest całkiem nowy. Zatem dopiero w 2010 r. Racemaza asparaginianowa została sklonowana u ssaków.
Podczas starzenia się organizmu, namnażanie się racemizacji, w szczególności asparaginianu, prowadzi do coraz większej utraty homochiralności. Stres oksydacyjny i promienie UV może przyspieszyć utratę. Racemizacja asparaginianu przebiega szczególnie łatwo ze względu na tworzenie związku pośredniego, sukcynoimidu , który wymaga jedynie bardzo małej energii aktywacji. Ta racemizacja in vivo białek nieenzymatycznych jest autonomicznym procesem starzenia, który dotyczy głównie białek długowiecznych, takich jak kolagen zębiny lub soczewka . Na przykład 0,14% asparaginianu soczewki ulega racemizacji rocznie. 30-letni mężczyzna ma średnio 4,2% asparaginianu w soczewce, która jest racemizowana. Ponadto racemizacja wpływa również na inne białka funkcjonalne, takie jak enzymy lub związki semiochemiczne . Peptydy zawierające D aminokwasów są wyraźnie bardziej odporne na degradację enzymatyczną przez proteazy niż której aminokwasy są tylko L konformacji . W wielu przypadkach racemizacja endogennego białka prowadzi do problemów fizjologicznych. Racemizacja prowadzi do utraty funkcji i gromadzenia się białka w najróżniejszych tkankach, których organizm nie jest w stanie zdegradować. Na niektórych obrazach klinicznych obserwuje się wzrost racemizacji. W przypadku miażdżycy , rozedmy płuc , prezbiopii , zaćmy , zwyrodnieniowych objawów chrząstki i mózgu racemizacja asparaginianu jest uważana za istotny czynnik patologiczny.
W 1988 r. Stwierdzono wysoki wskaźnik racemizacji w starczych blaszkach beta-amyloidu w mózgu pacjentów, którzy po raz pierwszy zmarli na chorobę Alzheimera . Wykazano przede wszystkim D- asparaginian i D- serynę. Później uznano, że racemizacja asparaginianu w pozycji 23 prowadzi do przyspieszenia agregacji peptydów, co jest uważane za istotny składnik patogenezy choroby Alzheimera. W przeciwieństwie do racemizacji w pozycji 23, racemizacja w pozycji 7 prowadzi do zmniejszenia agregacji peptydów. W występowaniu choroby Alzheimera ważną rolę przypisuje się procesom racemizacji beta-amyloidu poprzez starzenie się białka, które zachodzi podobnie jak zębiny. Racemizacja przyspiesza agregację peptydów i utrudnia ich dezagregację przez proteazy.
W środowisku achiralnym aminokwasy L i D mają identyczne właściwości chemiczne i fizyczne, z wyjątkiem ich działania na kierunek polaryzacji światła. Z drugiej strony, w środowisku chiralnym można ustalić znaczące różnice. Jest to szczególnie prawdziwe w procesach biochemicznych, które są z natury chiralne. Praktycznym tego przykładem jest różnica w smaku między enancjomerami aminokwasów. W chemoreceptorów smak wykonana aminokwasów L postaci chiralnego środowiska, które oddziaływują w różny sposób w stosunku do krajów, enancjomerów. Na przykład smak większości L- aminokwasów jest opisywany jako gorzki , podczas gdy smak D- aminokwasów jest opisywany jako słodki . Skrajnym przykładem jest D- tryptofan, najsłodszy ze wszystkich D- aminokwasów , ponad 37 razy większy niż sacharoza. Z drugiej strony L- tryptofan jest, obok L- tyrozyny, najbardziej gorzki. Podobnie interakcje z innymi receptorami lub enzymami mogą przebiegać inaczej w procesach biochemicznych. Jest to szczególnie ważne w przypadku peptydów i białek, które zawierają jeden lub więcej D- aminokwasów .
Włączenie D- aminokwasu lub w szczególności epimeryzacja L- aminokwasu w białku prowadzi stereochemicznie do utworzenia diastereomeru , który nadaje całemu białku zupełnie nowe właściwości chemiczne i fizyczne. Ta biochemiczna interwencja w pierwotną strukturę peptydu ma znaczące konsekwencje dla jego struktur drugorzędowych , trzeciorzędowych i czwartorzędowych . Jego działanie biochemiczne ulega wówczas znacznej modyfikacji. W skrajnych przypadkach może całkowicie stracić swoją funkcję lub przyjąć zupełnie nową, prawdopodobnie toksyczną funkcję. D- aminokwasy zapobiegają tworzeniu się helisy alfa w peptydzie zbudowanym z L- aminokwasów . Są wyłącznikami śmigieł . Tylko białka zbudowane w całości z D- aminokwasów lub L- aminokwasów mogą budować helisy z aminokwasami zdolnymi do ich budowy (walina, glutamina, izoleucyna, alanina, metionina, leucyna, glutaminian lub tryptofan). Te śmigła obracają się w przeciwnym kierunku. Nie jest to możliwe w przypadku mieszaniny aminokwasów o różnych konformacjach.
D izomery z aminokwasów proteinogennych
W badaniach, w których podawanie doustne z aminokwasami, na przykład w postaci suplementu żywieniowego badano wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem seryny i asparaginianu okazały się bardziej wyraźne efekty toksyczne w L konfiguracji „naturalnego” w konfiguracji D . Aminokwasy D są normalną częścią wielu produktów spożywczych. Pochodzą one przede wszystkim z procesów racemizacji L- aminokwasów . W produktach spożywczych, które przeszły fermentację, takich jak produkty mleczne, znajdują się duże ilości D- aminokwasów . Na przykład Emmental zawiera około 0,7 g / kg D- aminokwasów . Już w świeżego mleka krowiego o 1,5% aminokwasów jest w D konfiguracji .
Szacuje się, że około jedna trzecia aminokwasów D pobieranych w pożywieniu jest pochodzenia drobnoustrojowego. Aby móc wykorzystać w organizmie aminokwasy zawarte w pożywieniu i zawarte w białkach, białka muszą zostać rozbite na ich pierwiastki, czyli wolne aminokwasy. Jeśli występuje w białku D- aminokwasowym , dostęp białka do enzymów proteolitycznych może być znacznie ograniczony. Enzymy w ludzkim układzie pokarmowym, nie można zerwać wiązanie pomiędzy D i L aminokwasów . Degradacja do wolnych aminokwasów lub dipeptydów lub tripeptydów , niezbędnych do wchłaniania w błonie śluzowej jelita, jest utrudniona. Większych części peptydów nie można przyswoić i są one wydalane z kałem . Dostępność biologiczna, a także wartość odżywcza są wtedy znacznie zmniejszone. Dipeptydy lub tripeptydy zawierające D- aminokwasy i wolne D- aminokwasy mogą być resorbowane przez transportery peptydów. Duża część wchłoniętych w ten sposób D- aminokwasów jest wydalana przez nerki. W zależności od podaży pożywienia i rodzaju aminokwasu, część D- aminokwasów może zostać przekształcona przez epimeryzację w L- aminokwasy , a zatem może zostać udostępniona do biosyntezy białek.
Włączenie D- aminokwasów do ściany komórkowej bakterii powoduje ich odporność na proteazy. Ta oporność jest bardzo ważna dla ludzi, ponieważ w jelicie dorosłego człowieka znajduje się kilkaset gramów bakterii jelitowych , które są niezbędne do trawienia, z wieloma proteazami.
Większość D- aminokwasów w żywności pochodzi z jej przygotowania. Wysokie temperatury lub silnie kwaśne lub zasadowe warunki prowadzą do częściowej racemizacji. Na przykład w chipsach około 14% asparaginianu występuje w postaci D ; w zamienniku mleka do wsypania do kawy jest to 17%, aw plasterku boczku na śniadanie 13%. Wolne aminokwasy L ulegają racemizacji około dziesięć razy wolniej, niż gdyby były związane w białku. Szybkość racemizacji ponadto silnie zależy od aminokwasu. Na przykład seryna, ze względu na swoją grupę hydroksylową , jest szczególnie łatwo racemizowana. Drastyczne warunki wymagane przy produkcji żelatyny - kwaśna lub zasadowa fuzja w wysokiej temperaturze - prowadzą do silnej racemizacji, w szczególności asparaginianu, w kolagenie żelatyny. Udział D -asparaginianu w całkowitej zawartości asparaginianu może z łatwością przekroczyć 30% w dostępnych w handlu żelatynach.
D- aminokwasy pobierane przez ssaki nie są włączane do białek, peptydów ani innych (makro-) cząsteczek metabolizmu. Nie obserwuje się wzbogacenia tkanek ciała. D- aminokwasy są częściowo wydalane z moczem , a częściowo przez deaminację przez enzym oksydazę D- aminokwasową obecną w wątrobie i nerkach i utleniane do normalnych produktów metabolizmu, ketokwasów. W odniesieniu do toksyczności naparów D- aminokwasów mamy wieloletnie, mniej lub bardziej dobrowolne doświadczenia, z których wynika, że nie są one szkodliwe dla zdrowia. Podstawą tego stwierdzenia jest dobra tolerancja diety pozajelitowej, na którą przez wiele lat składały się racematy aminokwasów w dużych dawkach. Te roztwory infuzyjne otrzymano przez kwaśną hydrolizę białek, co nieuchronnie prowadzi do silnej racemizacji. Racemiczna metionina, DL- metionina, jest składnikiem wielu pasz dla bydła . Wykazano, że u krów mlecznych ponad 75% D- metioniny jest przekształcane w L- metioninę, a tym samym staje się biodostępna .
Niezależnie od tych wartości wynikających ze stosowania, należy wziąć pod uwagę wyniki eksperymentalne na modelu zwierzęcym szczura. Wysokie dawki (w zakresie 0,8 g / kg ) D- seryny prowadzą w tych organizmach modelowych do ostrej martwicy kanalików nerkowych , która ustępuje po zahamowaniu podawania D- seryny. Po około sześciu dniach następuje całkowita regeneracja funkcji nerek. Zmiany patologiczne są zasadniczo podobne do uszkodzenia nerek spowodowanego przez lizynoalaninę (połączenie lizyny i dehydroalaniny , aminokwasu niebiałogennego ). Nie ma jeszcze jasnego wyjaśnienia, dlaczego D- seryna w tak wysokich stężeniach jest toksyczna dla nerek. Możliwe, że D- seryna obniża stężenie glutationu nerkowego, którego funkcją jest ochrona komórek kanalika dystalnego przed szkodliwym wpływem reaktywnych pochodnych tlenu (RFT). Podczas enzymatycznej degradacji D- seryny przez oksydazę D- aminokwasów powstaje jako produkt uboczny nadtlenku wodoru, co znacznie obniża magazynowanie glutationu w komórce.
Dużym zainteresowaniem cieszył się artykuł opublikowany w grudniu 1989 roku w renomowanym czasopiśmie specjalistycznym The Lancet . Został podpisany przez trzech wiedeńskich lekarzy, którzy podgrzali mleko w kuchence mikrofalowej i znaleźli duże ilości D- proliny, najwyraźniej z powodu racemizacji L- proliny w mleku. Następnie przypisali tej D- prolinie właściwości toksyczne dla nerwów, nerek i wątroby. Ten post był listem do redakcji, a nie recenzowanym postem ani nawet kontrolowanym badaniem. Autorzy nie określili warunków eksperymentu, które doprowadziły do tego punktu racemizacji. Niezależnie od tych ograniczeń, ta reklama została opublikowana w prasie codziennej i tygodniowej z dramatycznymi zwrotami i ostrzeżeniami na temat używania kuchenek mikrofalowych. WSierpień 1990Federalny Urząd Zdrowia opublikował aktualizację, która praktycznie nie miała wpływu na opinię publiczną. Inni naukowcy wskazali, że D- prolina jest zwykle składnikiem codziennego pożywienia i jest szybko rozkładana i wydalana po doustnym wchłonięciu. Jednak wSierpień 1991ukazała się gazeta z nagłówkiem „ Mikrofale zatruwają nerwy, wątrobę i nerki . Podobne stwierdzenia można nadal znaleźć na odpowiednich stronach internetowych.
Próby innych grup, aby prześledzić wyniki lekarzy wiedeńskich, zaczęły się niepowodzeniem. Zatem po 30 minutach gotowania mleka na kuchence nie można było zmierzyć wzrostu D- proliny. Dwa lata później opublikowano warunki eksperymentu. Autorzy listu do Lancetu podgrzewali mleko w zamkniętym naczyniu ciśnieniowym przez 10 minut w temperaturze 174–176 ° C , czyli w zakresie temperatur, których domowe naczynia do podgrzewania mleka nie są w stanie osiągnąć. Jeśli chodzi o ich roszczenia o neurotoksyczności D proliny, autorzy listu do Lancet były opierając się na doświadczeniach w 1978 roku, gdzie substancję wstrzykuje się bezpośrednio do komór mózgu . Późniejsze eksperymenty dotyczące toksyczności D- proliny u szczurów wykazały, że związek ten jest bezpieczny, nawet w wysokich stężeniach.
Prawdziwe niebezpieczeństwo podgrzewania mleka w kuchenkach mikrofalowych wynika - zwłaszcza w przypadku małych dzieci - z nierównomiernego podgrzewania zawartości butelki, co często prowadzi do poważnych klinicznie oparzeń.
Izomery D aminokwasów nieproteogennych
Nie można podać ogólnego wskazania toksyczności izomerów D aminokwasów nieproteogennych. Zależy to bardzo indywidualnie od rodzaju zaangażowanego aminokwasu. Co ciekawe, niektóre kombinacje zawierające aminokwasy D są znacznie mniej toksyczne niż ich izomery L : na przykład cykloseryna i penicylamina . Tak więc, na przykład, średnia śmiertelna dawka dla doustnego wchłaniania racemicznej penicylaminy D i L u szczurów wynosi 365 mg / kg . W przypadku D- penicylaminy nie ma oznak toksyczności nawet przy dawce 1200 mg / kg .
D- Peptydy
Nie można sformułować ogólnego twierdzenia o właściwościach toksykologicznych D- peptydów. Ich wrażliwość na proteazy jest znacznie niższa, a ich potencjał immunogenny znacznie niższy niż w przypadku odpowiednich peptydów L.
Z polarymetru kąt obrotu polaryzacji roztworu aminokwasów można określić, z której zawartość D i L enancjomerów może być obliczona . W tym celu muszą być spełnione znormalizowane warunki (przede wszystkim stężenie, temperatura i rozpuszczalnik). Ponadto ta metoda ma zastosowanie tylko do pojedynczych aminokwasów, a nie do mieszanin różnych aminokwasów. W latach sześćdziesiątych do osiemdziesiątych XX wieku do rozdzielania pochodnych aminokwasów stosowano chromatografię jonowymienną . W tym celu analizowane aminokwasy są transformowane przed rozdzieleniem na diastereomeryczne dipeptydy z L aminokwasami . Również metody enzymatyczne, które opierają się na transformacjach za pomocą określonych enzymów, takich jak oksydazy aminokwasów D lub L, stanowią część konwencjonalnych metod oznaczania enancjomerów aminokwasów.
Analizy ilościowe, nawet złożonych mieszanin aminokwasów, można przeprowadzić metodami chromatograficznymi . Polega to na rozdzieleniu poszczególnych składników mieszaniny na stacjonarnej fazie chromatografu, a następnie ich pomiarze za pomocą detektora. Są to głównie spektroskopy lub spektrometry masowe lub w chromatografii gazowej metodą detekcji płomieniowo-jonizacyjnej (fr ) . W celu rozdzielenia mieszaniny na fazie stacjonarnej stosuje się dwie strategie. W najprostszym przypadku to rozdzielenie dwóch enancjomerów zachodzi na chiralnej fazie stacjonarnej, która w różny sposób oddziałuje z dwoma izomerami, a zatem jest eluowana z różną szybkością. Rozdzielenie do achiralnej fazy stacjonarnej jest możliwe tylko wtedy, gdy enancjomery zostaną zastąpione diastereomerami. Ustalone metody analityczne to chromatografia gazowa (GC) i wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC) . Jako metoda nie-chromatograficzna elektroforeza kapilarna jest stosowana w szczególności do analizy D- aminokwasów . Dopiero dzięki opracowaniu specjalnych metod chromatograficznych znaleziono i oznaczono D- aminokwasy w organach organizmów wyższych.
Chromatografia gazowa
Aminokwasów nie można odparować bez rozkładu. W celu ich rozdzielenia i analizy metodą chromatografii gazowej należy je przekształcić w związki ulegające odparowaniu bez rozkładu. W tym celu na ogół poddaje się je reakcji chemicznej dwuetapowej. Na przykład w pierwszym etapie możliwe jest przekształcenie grupy karboksylowej w ester za pomocą etanolu, a następnie w drugim etapie przekształcenie grupy aminowej w trifluoroacetyl pod działaniem bezwodnika trifluorooctowego . N -TFA / O -etylo-pochodną aminokwasu można następnie odparowuje się do chromatografu bez rozkładu i rozdzielić na chiralnej fazie stacjonarnej. Oddzielna reakcja na każdym z ligandów węglowych α chroni przed niebezpieczeństwem racemizacji i gwarantuje, że reakcja będzie miała taką samą kinetykę dla dwóch enancjomerów. Każda z tych możliwości może zmienić wynik pomiaru.
Wysokosprawna chromatografia cieczowa
W HPLC , w przeciwieństwie do chromatografii gazowej, zwykle łączy się produkt przeznaczony do analizy z chiralnymi odczynnikami i stosuje fazę niechiralną. Jako odczynnik chiralny, L - N- acetylocysteinę można stosować z benzolo-1,2-dikarbaldehydem. Para diastereomerów ( D - L i L - L ) ma różne właściwości fizyczne i chemiczne, dzięki czemu można je rozdzielić i wykryć na konwencjonalnej (achiralnej) kolumnie.
Większość proteinogennych aminokwasów L uzyskuje się w procesie fermentacji . Ten proces mikrobiologiczny nie nadaje się do produkcji D- aminokwasów . Aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na D- aminokwasy , opracowano różne procesy produkcyjne.
Klasyczne syntezy chemiczne, takie jak synteza Streckera, zawsze prowadzą do racematów aminokwasów. Enancjomery można oddzielić z tej mieszaniny, co jest kosztowne, lub L- aminokwasy można enzymatycznie przekształcić w ketokwasy za pomocą deaminaz L- aminokwasów , a następnie można je łatwo oddzielić.
Bardziej elegancką metodą jest synteza D- aminokwasów poprzez podstawienie hydantoin . Hydantoiny są wytwarzane technikami wielkoseryjnymi zgodnie z reakcją Bucherera-Bergsa z aldehydów, cyjanku potasu i węglanu amonu . W zależności od wyboru użytego aldehydu uzyskany zostanie pożądany aminokwas. Tak przygotowaną hydantoinę można następnie przekształcić metodą hydantoinazy do D- aminokwasu . Ten wieloenzymatyczny proces został opracowany przez Degussę (obecnie Evonik ) i składa się z trzech etapów. Najpierw racemiczna pochodna hydantoiny jest hydrolizowana pod katalitycznym wpływem D- hydantoinazy do N- karbamoilo- D- aminokwasu. W drugim etapie N- karbamoilo- D- aminokwas jest hydrolizowany za pomocą D- karbamoilazy do czystego aminokwasu enancjomerycznego. W trzecim etapie nieprzekształcony enancjomer związku hydantoiny jest racemizowany chemicznie lub enzymatycznie. Chemiczna racemizacja zachodzi przy pH> 8 i może być znacznie przyspieszona przez dodanie racemazy. W porównaniu z innymi procesami, proces hydantoiny wytwarzany jest z racemicznych czystych aminokwasów enancjomerycznych z teoretyczną wydajnością 100%.
W ostatnich latach globalne zapotrzebowanie na D- aminokwasy stale rosło. Na rok 2017 prognozujemy, że rynek wyniesie około 3,7 mld USD.
D- aminokwasy są wykorzystywane jako ważne składniki, na przykład w słodzikach , środkach owadobójczych , kosmetykach, a przede wszystkim w różnych lekach , które stanowią ważny czynnik wzrostu dla rozwoju rynku.
Zatem każdego roku potrzebujemy kilku tysięcy ton D -4-hydroksyfenyloglicyny i D- fenyloglicyny do syntezy penicylin (np. Amoksycyliny ) i cefalosporyn (np. Cefakloru ).
D- aminokwasy nie tylko zwiększają stabilność ścian komórkowych bakterii przed degradacją proteolityczną, ich dobrze ukierunkowane włączenie do leków poprawia ich stabilność, zwłaszcza przy podawaniu doustnym. Ponadto zmiana kolejności grup funkcyjnych w ich konformacji daje nowy stopień swobody w konstrukcji nowych cząsteczek, co może prowadzić do lepszych właściwości. Cetroreliksu (w) , stosuje się w medycynie do narządów oddechowych do hamowania hormonu przysadki uwalniania gonadotropiny , która jest typu analogowego, na przykład składa się z dziesięciu aminokwasów, z których pięć jest w konfiguracji D . Cetrorelix jest w całości wytwarzany syntetycznie z pojedynczych aminokwasów. Inne podobne leki, takie jak leuproreliny, busereliny, degareliks, histreliny, abareliks nafarelina i zawierać co najmniej jeden D aminową kwasu .
Tadalafil , stosowane w leczeniu zaburzeń erekcji , lepiej znany pod nazwą Cialis , zawiera w swojej strukturze D -tryptofanu. Przeciwcukrzycowe nateglinid , z glinide grupy są wykonane z D -fenyloalaniny i kwasu cis -4-izopropylo-cykloheksano-karboksylowy kwas . Fenyloalanina jest stosowana od lat 70. XX wieku jako lek przeciwdepresyjny . Do stosowania jako lek stosuje się znacznie tańszy racemiczny. Znaczna część przeciwdepresyjnego i przeciwbólowego działania wynika z D -fenyloalaniny, która nie jest metabolizowany jak L -fenyloalanina do L -tyrozyna, L -DOPA lub norepinefryny , co poprawia nastrój, ale blokuje nastroju. Podstawowym sposobem enzym enkefalinazy . Ta blokada prowadzi do wzrostu stężenia enkefalin we krwi, co wywołuje efekt przeciwbólowy. Następnie D- fenyloalanina jest metabolizowana głównie do fenyloetyloaminy
Insektycyd fluwalinian stosowany do zwalczania warrozy z grupy pyretroidów zawiera w swoim składzie D- walinę.
D -alanina jest komponentem środka słodzącego alitam .