Почему аминокислоты в биологии гомохиральны?

Я знаю, что вы имеете в виду обычно транслируемые рибосомами L-белки, но я не могу не добавить, что существуют некоторые пептиды, называемые нерибосомными пептидами, которые не зависят от мРНК и могут включать D-аминокислоты. Они обладают очень важными фармацевтическими свойствами. Я рекомендую эту (1) обзорную статью, если вам интересна эта тема. Также стоит упомянуть, что D-аланин и D-глютамин входят в состав пептидогликана бактерий.

Я прочитал несколько статей (2, 3, 4), в которых обсуждается проблема хиральности, но все они заключают, что нет никакой очевидной причины, по которой мы живем в L-мире. L-аминокислоты не должны иметь химических преимуществ перед D-аминокислотами, как уже указывал биокс.

Причины появления двадцати закодированных белковых аминокислот (2) имеют информативную и интересную схему. Это абзац на тему хиральности:

Это связано с вопросом о происхождении оптической активности в живых организмах, по которому имеется очень большая литература ( Боннер, 1972 ; Норден, 1978 ; Бракк и Спак, 1980 ). Мы не предлагаем рассматривать этот вопрос здесь, за исключением того, что аргументы, представленные в этой статье, применимы к организмам, построенным либо из D-, либо из L-аминокислот.

Возможно, присутствовали и L-, и D-жизни (L/D-аминокислоты, L/D-ферменты, распознающие L/D-субстраты), но по чистой случайности L-мир превзошел D-мир.

Я также нашел тот же вопрос на форуме, где один из ответов кажется интригующим. Я не могу комментировать надежность ответа, но, надеюсь, у кого-то будет опыт для этого:

Во-первых, наша галактика имеет киральное вращение и магнитную ориентацию, из-за чего частицы космической пыли поляризуют звездный свет как поляризованный по кругу только в одном направлении. Этот свет с круговой поляризацией разрушает D-энантиомеры аминокислот больше, чем L-энантиомеры, и этот эффект очевиден при анализе аминокислот, обнаруженных на кометах и ​​метеорах. Это объясняет, почему, по крайней мере, в млечном пути предпочтение отдается L-энантиомерам.

Во-вторых, хотя гравитация, электромагнетизм и сильное ядерное взаимодействие ахиральны, слабое ядерное взаимодействие (радиоактивный распад) хирально. Во время бета-распада испускаемые электроны преимущественно благоприятствуют одному виду спина. Верно, четность Вселенной не сохраняется при ядерном распаде. Эти хиральные электроны снова предпочтительно разрушают D-аминокислоты по сравнению с L-аминокислотами.

Таким образом, из-за хиральности солнечного света и хиральности ядерного излучения L-аминокислоты являются более стабильными энантиомерами и, следовательно, предпочтительны для абиогенеза.

1. БИОСИНТЕЗ НЕРИБОСОМНЫХ ПЕПТИДОВ

2. Причины возникновения двадцати закодированных белковых аминокислот

3. Молекулярные основы хирального отбора при аминоацилировании РНК

4. Как природа поступает со стереоизомерами

5. Адаптация диастереомерных производных S-пролилдипептида к количественной оценке энантиомеров R- и S-лейцина. Боннер, Вашингтон, 1972 г.

6. Асимметрия жизни. Норден Б., 1978 г.

7. Бета-структуры полипептидов с L- и D-остатками. Часть 3. Экспериментальные доказательства обогащения энантиомером. Брак А, Спач Г, 1980 г.

Рибосома удерживает связанную с пептидом тРНК и аминоацил-тРНК в правильной ориентации, чтобы катализировать пептидилтрансферазную реакцию.

http://www.pnas.org/content/103/36/13327/F1.expansion.html

Если бы входящая аминоацил-тРНК была другим энантиомером, аминокислотная часть не могла бы правильно вписаться в активный центр рибосомы. Другими словами, форма рибосомы выбирает для конкретных энантиомеров аминокислот. В абиотических смесях образование аминокислот и их полимеризация не каталитические, поэтому нет специфичности или отбора для определенных энантиомеров.

Если вы задаете вопрос о «биогенезе», то я думаю, что ответ таков: мы не знаем первоначального отбора, и это может быть просто случайностью. Но как только биохимия начала создавать и использовать их, они, конечно же, стали одинаковыми. Но, откровенно говоря, «почему не D-аминокислоты» имеет такой же смысл, как «почему не 22 аминокислоты, или 23, или 24, или 25?» Потому что это то, что произошло.

Насколько мне известно, неизвестно, почему мы видим только левые, а не правые аминокислоты. В недавней статье предполагается, что слабое взаимодействие может быть причиной крошечной асимметрии энергетических уровней между стереоизомерами. Однако, если эффект крошечный, трудно понять, почему он должен иметь биологические последствия. В 2004 году Тамура и Шиммель показали, что РНК отдает предпочтение L-аминокислотам, тогда как зеркальная РНК отдает предпочтение D-аминокислотам. Они заключают:

Эти результаты предполагают возможность того, что выбор L-аминокислот для белков определялся стереохимией РНК.

Итак, следующий вопрос: почему мы наблюдаем только один вид РНК? Могло быть просто случайно, что полимер одной конфигурации РНК стал самовоспроизводящимся.

Нормальным результатом попытки собрать белки со смешанными хиральными аминокислотами является белок, который не складывается.

Общее предположение, связанное с этим результатом, заключается в том, что выбор должен быть сделан очень рано для использования всех правых или всех левых аминокислот. Кажется, нет какой-либо особой причины предпочесть один способ другому, за исключением распространенности.

Использование только одной хиральности для экосистемы упрощает формирование белков и сворачивание каркасов. Теоретически у вас может быть система кодонов с 40 различными значениями (и 24 избыточными значениями): глицин, стоп-кодон и левые/правые вариации аминокислот друг друга. Однако белки и нано-«машины», необходимые для поддержки этого, были бы безумно сложными. Гораздо эффективнее построить около 1 хиральности и придерживаться ее.

С другой стороны, у вас могут быть ферменты, специально предназначенные для переворачивания белков «неправильной» хиральности в зависимости от вида.

Имея это в виду, экосистема с разными видами, имеющими разную хиральность аминокислот, будет пищеварительным хаосом. Если вы едите декстропротеиновый стейк, ваше пищеварение расщепит белки на... декстро-аминокислоты. Лучший результат: они не впитываются и смываются в унитаз. Худший результат: они поглощаются, и ваши клетки используют их для производства белков, вызывая серьезные ошибки укладки, нефункциональные белки и множество неотслеживаемых проблем со здоровьем, которые, вероятно, будут ошибочно диагностированы как инфекция спирохетами (широкие проблемы со здоровьем, которые не ограничиваются к определенному региону и не имеют заметной закономерности).

В большинстве ответов на вопрос о гомохиральности рассматривается причина (если таковая имеется) того, что аминокислоты в белках являются L, а не D. Т.е. Почему L? Мне больше нечего добавить к этому обсуждению.

Пара ответов касалась вопроса, почему в белках нет смеси L- и D-аминокислот , т.е. почему все L? Возникли два различных аргумента. Я рассмотрю их по очереди и попытаюсь развить их немного дальше.

@Joshua заявил, что «результатом попытки собрать белки со смешанными хиральными аминокислотами является белок, который не складывается». Я думаю, что это можно более точно сформулировать в терминах эволюции. Компонент вторичной структуры α-спирали белков, вероятно, возник раньше, поскольку он включает только основную цепь белка, а не конкретную боковую цепь аминокислоты. Тем не менее невозможно заменить D-аминокислоту в α-спирали L-аминокислот без нарушения структуры . Следовательно, можно предположить, что гомохиральность была необходима для создания стандартных «строительных блоков» для раннего развития белков.

@KAM рассмотрел вопрос о стереохимии активного центра, в частности, пептидилтрансферазы. Стереохимия активного центра взаимодействия ферментов с их субстратами — сильный аргумент в пользу гомохиральности, но мне пришло в голову, что этим нужно заниматься до образования пептидной связи — в синтезе самих аминокислот.

Оказывается, я опоздал на вечеринку. В издании 2002 г. (более ранние я не проверял) учебника «Биохимия» Берга и соавт. , раздел 24.2.2 главы о синтезе аминокислот озаглавлен:

Общий шаг определяет хиральность всех аминокислот

Аминокислоты синтезируются прямо или косвенно в результате реакций, катализируемых трансаминазами (аминотрансферазами), которые превращают кетокислоты в аминокислоты:

Оксалоацетат → Asp → (Asn, Met, (Thr→Ile), Lys)
Пируват → (Ala, Val, Leu)
Фосфоенолпируват → (Phe, Tyr, Trp)
α-Кетоглутарат → Glu → (Gln, Pro, Arg)
3 -Фосфоглицерат → Ser → (Cys, Gly)
Рибозо-5-фосфат → His

Эти трансаминазы имеют аналогичный активный центр, включающий остатки лизина и аргинина, и используют кофактор, пиридоксальфосфат. Механизм реакции (ниже) может показаться немного сложным, но этап, на котором определяется хиральность аминокислоты, представляет собой превращение хиноидного промежуточного соединения во внешний альдимин:

Цитируя Берга и др. (откуда взяты схемы):

Хиральность образующейся аминокислоты определяется направлением, с которого этот протон присоединяется к хиноноидной форме. Эта стадия протонирования определяет l-конфигурацию образующихся аминокислот. Взаимодействие между консервативным остатком аргинина и α-карбоксилатной группой помогает ориентировать субстрат так, что, когда остаток лизина переносит протон на поверхность хиноноидного промежуточного соединения, образуется альдимин с L-конфигурацией в центре _Cα .

Так что кажется более вероятным, что стереохимия активного центра пептидилтрансферазы была эволюционным ответом на существующую гомохиральность аминокислот, а не наоборот .