Warum sind Aminosäuren in der Biologie homochiral?

Ich weiß, dass Sie sich auf die üblicherweise von Ribosomen übersetzten L-Proteine ​​beziehen, aber ich kann nicht anders als hinzuzufügen, dass es einige Peptide gibt, sogenannte nicht-ribosomale Peptide, die nicht von der mRNA abhängig sind und D-Aminosäuren einbauen können. Sie haben sehr wichtige pharmazeutische Eigenschaften. Ich empfehle diesen (1) Übersichtsartikel, wenn Sie sich für das Thema interessieren. Erwähnenswert ist auch, dass D-Alanin und D-Glutamin in das Peptidoglykan von Bakterien eingebaut werden.

Ich habe mehrere Artikel gelesen (2, 3, 4), die das Problem der Chiralität diskutieren, aber alle kommen zu dem Schluss, dass es keinen offensichtlichen Grund gibt, warum wir in der L-Welt leben. Die L-Aminosäuren sollen gegenüber den D-Aminosäuren keine chemischen Vorteile haben, worauf biocs bereits hingewiesen hat.

Gründe für das Auftreten der zwanzig codierten Proteinaminosäuren (2) hat einen informativen und interessanten Überblick. Dies ist der Absatz zum Thema Chiralität:

Dies hängt mit der Frage nach dem Ursprung der optischen Aktivität in lebenden Organismen zusammen, zu der es eine sehr umfangreiche Literatur gibt ( Bonner 1972 ; Norden 1978 ; Brack und Spack 1980 ). Wir schlagen nicht vor, diese Frage hier zu behandeln, außer um anzumerken, dass die in diesem Papier präsentierten Argumente auf Organismen zutreffen würden, die entweder aus D- oder L-Aminosäuren aufgebaut sind.

Es könnte möglich sein, dass sowohl L- als auch D-Leben vorhanden waren (L/D-Aminosäuren, L/D-Enzyme, die L/D-Substrate erkennen), aber durch Zufall hat die L-Welt die D-Welt übertroffen.

Ich habe die gleiche Frage auch in einem Forum gefunden, wo eine der Antworten faszinierend erscheint. Ich kann die Zuverlässigkeit der Antwort nicht kommentieren, aber hoffentlich hat jemand das Fachwissen dazu:

Erstens hat unsere Galaxie einen chiralen Spin und eine magnetische Orientierung, was dazu führt, dass kosmische Staubpartikel Sternenlicht als zirkular polarisiert nur in eine Richtung polarisieren. Dieses zirkular polarisierte Licht baut D-Enantiomere von Aminosäuren stärker ab als L-Enantiomere, und dieser Effekt wird deutlich, wenn man die auf Kometen und Meteoren gefundenen Aminosäuren analysiert. Dies erklärt, warum zumindest in der Milchstraße L-Enantiomere bevorzugt sind.

Zweitens, obwohl Schwerkraft, Elektromagnetismus und die starke Kernkraft achiral sind, ist die schwache Kernkraft (radioaktiver Zerfall) chiral. Während des Beta-Zerfalls bevorzugen die emittierten Elektronen bevorzugt eine Art von Spin. Richtig, die Parität des Universums bleibt beim nuklearen Zerfall nicht erhalten. Diese chiralen Elektronen bauen wiederum bevorzugt D-Aminosäuren gegenüber L-Aminosäuren ab.

Somit sind L-Aminosäuren aufgrund der Chiralität des Sonnenlichts und der Chiralität der Kernstrahlung die stabileren Enantiomere und werden daher für die Abiogenese bevorzugt.

1. BIOSYNTHESE VON NICHTRIBOSOMALEN PEPTIDEN

2. Gründe für das Vorkommen der zwanzig codierten Proteinaminosäuren

3. Molekulare Basis für die chirale Selektion bei der RNA-Aminoacylierung

4. Wie die Natur mit Stereoisomeren umgeht

5. Die Anpassung diastereomerer S-Prolyldipeptid-Derivate an die quantitative Bestimmung von R- und S-Leucin-Enantiomeren. Bonner WA, 1972

6. Die Asymmetrie des Lebens. Nordén B, 1978

7. Beta-Strukturen von Polypeptiden mit L- und D-Resten. Teil III. Experimentelle Beweise für eine Enantiomerenanreicherung. Brack A, Spach G, 1980

Das Ribosom hält die Peptid-gebundene tRNA und Aminoacyl-tRNA in der richtigen Ausrichtung, um die Peptidyltransferase-Reaktion zu katalysieren.

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

Wenn die ankommende Aminoacyl-tRNA das andere Enantiomer wäre, würde die Aminosäureeinheit nicht richtig in die aktive Stelle des Ribosoms passen. Mit anderen Worten selektiert die Form des Ribosoms für spezifische Aminosäure-Enantiomere. In abiotischen Mischungen ist die Bildung von Aminosäuren und ihre Polymerisation nicht katalytisch, und daher gibt es keine Spezifität oder Selektion für bestimmte Enantiomere.

Wenn Sie die Frage nach der "Biogenese" stellen, lautet die Antwort meiner Meinung nach, dass wir die ursprüngliche Auswahl nicht kennen und es möglicherweise nur Zufall ist. Aber als die Biochemie begann, sie herzustellen und zu verwenden, waren sie natürlich alle gleich. Aber ehrlich gesagt macht "warum nicht D-Aminosäuren" ungefähr so ​​viel Sinn wie "warum nicht 22 Aminosäuren oder 23 oder 24 oder 25?" Denn genau das ist passiert.

Warum wir nur linkshändige und nicht rechtshändige Aminosäuren sehen, ist meines Wissens unbekannt. Ein kürzlich erschienener Artikel spekuliert, dass die schwache Kraft für eine winzige Asymmetrie der Energieniveaus zwischen den Stereoisomeren verantwortlich sein könnte. Wenn der Effekt jedoch winzig ist, ist es schwer einzusehen, warum er biologische Implikationen haben sollte. Im Jahr 2004 zeigten Tamura und Schimmel , dass RNA eine Präferenz für L-Aminosäuren hat, während gespiegelte RNA eine Präferenz für D-Aminosäuren hat. Sie schließen:

Diese Ergebnisse legen die Möglichkeit nahe, dass die Auswahl von L-Aminosäuren für Proteine ​​durch die Stereochemie von RNA bestimmt wurde.

Die nächste Frage lautet also: Warum beobachten wir nur eine Art von RNA? Es könnte nur Zufall sein, dass ein Polymer einer RNA-Konfiguration selbstreplizierend wurde.

Das normale Ergebnis eines Versuchs, Proteine ​​mit gemischten chiralen Aminosäuren zusammenzusetzen, ist ein Protein, das sich nicht falten lässt.

Die allgemeine Annahme aufgrund dieses Ergebnisses ist, dass sehr früh eine Auswahl getroffen werden muss, um alle rechtshändigen oder alle linkshändigen Aminosäuren zu verwenden. Es scheint keinen besonderen Grund zu geben, einen Weg dem anderen vorzuziehen, außer der Prävalenz.

Die Verwendung von nur 1 Chiralität für das Ökosystem vereinfacht die Proteinbildung und Faltungsgerüste. Theoretisch könnten Sie ein Codonsystem mit 40 unterschiedlichen Werten (und 24 redundanten Werten) haben: Glycin, Stoppcodon und Links/Rechts-Variationen jeder anderen Aminosäure. Die dafür erforderlichen Proteine ​​und Nano-"Maschinen" wären jedoch ein verrückter Komplex. Es ist viel effizienter, um 1 Chiralität aufzubauen und dabei zu bleiben.

Alternativ könnten Sie Enzyme haben, die speziell dafür entwickelt wurden, Proteine ​​​​mit der "falschen" Chiralität je nach Spezies umzudrehen.

In Anbetracht dessen wäre ein Ökosystem mit verschiedenen Arten mit unterschiedlicher Aminosäurechiralität ein Verdauungschaos. Wenn Sie ein Dextro-Protein-Steak essen, zerlegt Ihre Verdauung die Proteine ​​in... Dextro-Aminosäuren. Bestes Ergebnis: Sie werden nicht absorbiert und werden die Toilette hinuntergespült. Schlimmstes Ergebnis: Sie werden absorbiert und Ihre Zellen verwenden sie zur Herstellung von Proteinen – was zu schweren Faltungsfehlern, nicht funktionierenden Proteinen und einer Vielzahl von nicht nachvollziehbaren Gesundheitsproblemen führt, die wahrscheinlich als Spirochäteninfektion fehldiagnostiziert würden (weitreichende Gesundheitsprobleme, die nicht begrenzt sind auf eine bestimmte Region und haben kein erkennbares Muster).

Die meisten Antworten auf die Frage der Homochiralität haben den Grund (falls vorhanden) dafür berücksichtigt, dass Aminosäuren in Proteinen L und nicht D sind. Das heißt, warum L? Ich habe dieser Diskussion nichts mehr hinzuzufügen.

Einige Antworten haben sich mit der Frage befasst, warum es in Proteinen keine Mischung aus L- und D-Aminosäuren gibt , dh warum alle L? Es haben sich zwei unterschiedliche Argumente herauskristallisiert. Ich werde sie der Reihe nach betrachten und versuchen, sie ein wenig weiter zu entwickeln.

@Joshua erklärte, dass „das Ergebnis eines Versuchs, Proteine ​​mit gemischten chiralen Aminosäuren zusammenzubauen, ein Protein ist, das sich nicht falten kann“. Ich denke, man kann das evolutionär genauer fassen. Die α-helikale Sekundärstrukturkomponente von Proteinen entstand wahrscheinlich schon früh, da sie nur das Proteinrückgrat und nicht die spezielle Aminosäureseitenkette betrifft. Dennoch ist es nicht möglich, eine D-Aminosäure in einer α-Helix von L-Aminosäuren zu ersetzen, ohne die Struktur zu zerstören . Daher kann man annehmen, dass Homochiralität für die Schaffung von Standard-„Bausteinen“ für die frühe Proteinentwicklung notwendig war.

@KAM hat sich mit der Frage der Stereochemie des aktiven Zentrums befasst, insbesondere der der Peptidyltransferase. Die Stereochemie des aktiven Zentrums der Wechselwirkung von Enzymen mit ihren Substraten ist ein starkes Argument für Homochiralität, aber mir fiel auf, dass dies vor der Bildung von Peptidbindungen angegangen werden muss – bei der Synthese der Aminosäuren selbst.

Es stellte sich heraus, dass ich zu spät zur Party kam. In der Ausgabe 2002 (frühere habe ich nicht nachgesehen) des Lehrbuchs „Biochemistry“ von Berg et al. , Abschnitt 24.2.2 des Kapitels zur Aminosäuresynthese ist überschrieben:

Ein gemeinsamer Schritt bestimmt die Chiralität aller Aminosäuren

Aminosäuren werden direkt oder indirekt über Reaktionen synthetisiert, die von Transaminasen (Aminotransferasen) katalysiert werden, die Ketosäuren in Aminosäuren umwandeln:

Oxalacetat → Asp → (Asn, Met, (Thr→Ile), Lys)
Pyruvat → (Ala, Val, Leu)
Phosphoenolpyruvat → (Phe, Tyr, Trp)
α-Ketoglutarat → Glu → (Gln, Pro, Arg)
3 -Phosphoglycerat → Ser → (Cys, Gly)
Ribose-5-phosphat → His

Diese Transaminasen haben ein ähnliches aktives Zentrum, das einen Lysin- und einen Argininrest umfasst, und verwenden den Cofaktor Pyridoxalphosphat. Der Reaktionsmechanismus (unten) mag etwas komplex erscheinen, aber der Schritt, bei dem die Chiralität der Aminosäure bestimmt wird, ist die Umwandlung des Chinoid-Zwischenprodukts in externes Aldimin:

Zitat von Berg et al. (aus dem die Diagramme stammen):

Die Chiralität der gebildeten Aminosäure wird durch die Richtung bestimmt, aus der dieses Proton an die chinoide Form angefügt wird. Dieser Protonierungsschritt bestimmt die l-Konfiguration der produzierten Aminosäuren. Die Wechselwirkung zwischen dem konservierten Argininrest und der α-Carboxylatgruppe hilft, das Substrat so auszurichten, dass, wenn der Lysinrest ein Proton auf die Seite des chinoiden Zwischenprodukts überträgt, es ein Aldimin mit einer L-Konfiguration am C _α -Zentrum erzeugt.

Daher scheint es wahrscheinlicher, dass die Stereochemie des aktiven Zentrums der Peptidyltransferase eher eine evolutionäre Reaktion auf die bestehende Homochiralität von Aminosäuren war als umgekehrt .