D-Aminosäure - D-Amino acid

D-Aminosäuren sind Aminosäuren, bei denen der stereogene Kohlenstoff alpha zur Aminogruppe die D-Konfiguration hat. Für die meisten natürlich vorkommenden Aminosäuren hat dieser Kohlenstoff die L-Konfiguration. D-Aminosäuren kommen in der Natur gelegentlich als Reste in Proteinen vor. Sie werden aus ribosomal abgeleiteten D-Aminosäureresten gebildet.

Aminosäuren als Bestandteile von Peptiden, Peptidhormonen, Struktur- und Immunproteinen sind neben Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden die wichtigsten Bioregulatoren, die an allen Lebensprozessen beteiligt sind. "Es wird angenommen, dass umweltbedingte D-Aminosäuren aus organischer Diagenese wie Racemisierung und Freisetzung aus bakteriellen Zellwänden und sogar aus mikrobieller Produktion stammen."

Entdeckung

Ihre Entdeckung war in den 1950er Jahren. „Auclair und Patton (1950) berichteten erstmals über ihre Anwesenheit im Blut von Insekten und Weichtieren.“ Darüber hinaus wurden sie auch in verschiedenen Geweben von Säugetieren identifiziert. Die zwei Haupttypen von D-Aminosäuren, die in und von Säugetieren synthetisiert werden, sind D-Asparaginsäure (D-Asp) und D-Serin (D-Ser). „D-Asp kommt in Wirbeltieren und Wirbellosen vor und ist an der Entwicklung des Nerven- und des endokrinen Systems beteiligt (Kim et al., 2010)“. spielt eine bedeutende regulatorische Rolle bei der Entwicklung des „zentralen Nervensystems und ist eng mit dem Lernen, dem Gedächtnis und dem Verhalten von Säugetieren verbunden (Snyder und Kim, 2000).“ Darüber hinaus wurde eine große Menge D-Ser auch „im menschlichen Urin nachgewiesen; es spielt eine regulatorische Rolle bei der pathogenen Genexpression im Harnsystem (Huang et al., 1998)." Darüber hinaus wurden sie auch in bestimmten Geweben einiger wirbelloser Meerestiere beobachtet und "könnten an der Regulierung des osmotischen Drucks beteiligt sein (Abe et al.). al., 1999)." Unklar ist jedoch, ob sie aus dem Meerwasser aufgenommen werden oder von den Organismen selbst hergestellt werden. Sie wurden auch in Pflanzen nachgewiesen (Brckner und Westhauser, 2003). Eine Reihe von D-Aminosäuren hemmen auch das Wachstum von Pflanzen (Forsum et al., 2008), „während einige Pflanzen D-Aminosäuren absorbieren und metabolisieren oder assimilieren können (Grdes et al., 2011; Hill et al., 2011). )”

Struktur und allgemeine Eigenschaften

  • D-Alanin.

  • L-Alanin.

L- und D-Aminosäuren sind normalerweise Enantiomere. Ausnahmen sind zwei Aminosäuren mit zwei stereogenen Zentren, Threonin und Isoleucin . Abgesehen von diesen beiden Sonderfällen haben L- und D-Aminosäuren unter vielen Bedingungen identische Eigenschaften (Farbe, Löslichkeit, Schmelzpunkt). Im biologischen Kontext, der chiral ist, können sich diese Enantiomere jedoch sehr unterschiedlich verhalten. Somit haben D-Aminosäuren einen geringen Nährwert, teilweise weil sie nicht gut verdaut werden.

Sie enthalten an einem Ende eine Carboxylgruppe und am anderen Ende eine Seitenkettengruppe. Sie enthalten auch eine Amin- und eine Wasserstoffgruppe an gegenüberliegenden Enden, je nachdem, welches Enantiomer man betrachtet. Sie erreichen auch ein chirales Kohlenstoffzentrum. Aus diesem Grund können die Moleküle in verschiedenen stereoisomeren Formen vorliegen, und die Orientierung der Radikalgruppen unterscheidet sich nur zwischen diesen Enantiomeren. D-Glyceraldehyd enthält andererseits eine Carbonylgruppe und Hydroxy(Alkohol)-Gruppen mit dem chiralen Kohlenstoff in der Mitte. Die Orientierung ist wieder anders für L-Glyceraldehyd.

Vorkommen und Verwendung

Obwohl D-Aminosäuren minimale Bestandteile lebender Organismen sind, kommen sie in einer Vielzahl natürlicher Umgebungen vor, wie Böden, Flüsse, Seen, Meeressysteme, Schnee und Eis, Aerosole und Niederschläge. Sie werden von mehreren marinen Mikroben produziert, die eine wichtige Rolle in den Kohlenstoff- und Energiekreisläufen im Ozean übernehmen und als Kohlenstoffquelle zum ozeanischen Kohlenstoffspeicher beitragen.

D-Aminosäurereste kommen in Kegelschnecken vor . Sie sind auch häufige Bestandteile der Peptidoglycan -Zellwände von Bakterien, und D- Serin kann als Neurotransmitter im Gehirn wirken. D- Aminosäuren werden in der racemischen Kristallographie verwendet , um zentrosymmetrische Kristalle zu erzeugen, die je nach Protein eine einfachere und robustere Bestimmung der Proteinstruktur ermöglichen können.

Gramicidin ist ein Polypeptid, das aus einer Mischung von D- und L- Aminosäuren besteht. Andere D- Aminosäuren enthaltende Verbindungen sind Tyrocidin und Valinomycin . Diese Verbindungen zerstören bakterielle Zellwände, insbesondere bei Gram-positiven Bakterien. 2011 wurden in der Swiss-Prot- Datenbank von insgesamt 187 Millionen analysierten Aminosäuren nur 837 D- Aminosäuren gefunden .

Fluoreszierend markierte D-Aminosäuren, nämlich FDAAs , wurden für die in situ- Markierung von bakteriellem Peptidoglycan sowohl bei Gram-positiven als auch Gram-negativen Spezies verwendet.

Bakterien und D-Aminosäuren

Bakterien haben wahrscheinlich die größte Kapazität, Aminosäuren zu verwerten. Es ist bekannt, dass sie mehr als 10 Arten von D-Aminosäuren synthetisieren, am häufigsten D-Alanin und D-Glutamat zur Vernetzung innerhalb der Peptidoglycan-Zellwand. Darüber hinaus steuern von Bakterien freigesetzte extrazelluläre D-Aminosäuren auch den Umbau der bakteriellen Zellwand und es wird darüber hinaus angenommen, dass sie unter Bakterien funktionieren, um sich häufig ändernden Umgebungen anzupassen. Neben der strukturellen Funktion in der bakteriellen Zellwand werden D-Aminosäuren auch mit der Wachstumsfitness und weiteren Prozessen wie der Biofilmentwicklung, Sporenkeimung und Signalübertragung in Verbindung gebracht.

Biosynthese

Zwei Enzyme wandeln L-Aminosäuren in D-Aminosäuren um. D- Aminosäure-Racemase , ein PLP-abhängiges Enzym, racemisiert Aminosäuren über die Bildung der Alpha-Iminosäuren, wobei das stereogene Zentrum verloren geht. L-Aminosäureoxidasen wandeln L-Aminosäuren in Alpha- Ketosäuren um , die anfällig für eine reduktive Aminierung sind. Einige Aminosäuren neigen zur Racemisierung, ein Beispiel ist Lysin , das über die Bildung von Pipecolinsäure racemisiert .

In Peptiden racemisieren L-Aminosäurereste langsam, was zur Bildung einiger D-Aminosäurereste führt. Die Racemisierung erfolgt durch Deprotonierung des Methins, das alpha zur Amidogruppe ist. Die Raten steigen mit dem pH-Wert.

Viele D-Aminosäuren, die in höheren Organismen vorkommen, stammen aus mikrobiellen Quellen. Das D-Alanin in Peptidoglycanen, die bakterielle Zellwände umfassen, hilft seinem Wirt, Angriffen durch proteolytische Enzyme zu widerstehen. Mehrere Antibiotika , zB Bacitracin , enthalten D-Aminosäurereste.

Vorherige Studien

Phaeobacter sp. JL2886, ein Tiefseestamm, der 2012 aus einem 2000 m tiefen Sediment im Südchinesischen Meer sequestriert wurde, „wurde auf seine gesamte Genomsequenz analysiert (Fu et al., 2016)“ (Naganuma et al., 2018). In einer anderen Studie wurden aus 56 Sedimenten, die aus der Tiefsee (Tiefenbereich 800-1500 m) gesammelt wurden, „28 D-Amino Acidnutzer“ in der Sagami Bay, Japan, isoliert (Kubota et al., 2016). Es wurden auch unabhängige Versuche unternommen, Mikroorganismen, die aufgrund von D-Aminosäuren gesünder wachsen, zu sequestrieren. Die meisten durchgeführten Studien und Experimente verwenden normalerweise auch hauptsächlich D-Alanin, D-Aspartat und D-Glutamat, da sie die häufigsten D-Aminosäuren darstellen, die in lebenden Organismen vorkommen. Darüber hinaus dienen sie auch als Stickstoffquellen für viele der grundlegenden Prozesse im Ozean.

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