D-アミノ酸

D-アミノ酸は、アミノ基のα位の立体炭素がD配置であるアミノ酸である。天然に存在するアミノ酸のほとんどでは、この炭素はL配置である。D- アミノ酸は、タンパク質の残基として自然界に時々存在する。これらはリボソーム由来のD-アミノ酸残基から形成される。 [ ^1]

アミノ酸は、ペプチド、ペプチドホルモン、構造タンパク質、免疫タンパク質の成分として、核酸、炭水化物、脂質とともに、すべての生命プロセスに関与する最も重要な生体調節因子です。「環境中の ᴅ-アミノ酸は、ラセミ化や細菌細胞壁からの放出、さらには微生物生産などの有機の続成作用に由来すると考えられています。」^[2]

それらの発見は 1950 年代のことでした。「オークレールとパットン (1950) は、昆虫と軟体動物の血液中にそれらの存在を初めて報告しました。」^{[3]また、それらはさまざまな哺乳類の組織でも特定されています。哺乳類で合成される}Dアミノ酸の 2 つの主要なタイプは、Dアスパラギン酸 ( D -Asp) とDセリン ( D -Ser) です。「D -Asp は脊椎動物と無脊椎動物に存在し、神経系と内分泌系の両方の発達に関与しています。」^[3]膨大な量のD -Ser が脳でも検出され、「中枢神経系の発達に重要な調節的役割を果たし、学習、記憶、および哺乳類の行動と密接に関連しています。」大量のD -Ser が「人間の尿でも検出され、尿路系における病原性遺伝子の発現を調節する役割を果たしています。」^[3]さらに、それらは一部の海洋無脊椎動物の特定の組織でも確認されており、「浸透圧の調節に関与している可能性がある」。^[3]ただし、それらが海水から吸収されるのか、生物自体によって生成されるのかはまだ不明である。それらは植物でも確認されている。^[3]多くのD-アミノ酸も植物の成長を抑制しますが、「一部の植物はᴅ-アミノ酸を吸収して代謝または同化することができます」。^[3]

L-アミノ酸とD-アミノ酸は通常、エナンチオマーです。例外は、2つの立体中心を持つ2つのアミノ酸、トレオニンとイソロイシンです。これら2つの特別なケースを除けば、L-アミノ酸とD-アミノ酸は多くの条件下で同じ特性（色、溶解性、融点）を持ちます。しかし、キラルな生物学的文脈では、これらのエナンチオマーは非常に異なる挙動を示す可能性があります。したがって、D-アミノ酸は、消化されにくいという理由もあり、栄養価が低いです。^[4]

これらは、一方の端にカルボキシル基、もう一方の端に側鎖基を持っています。また、どちらのエナンチオマーを見ているかに応じて、反対側の端にアミン基と水素基を持っています。また、キラル炭素中心も持っています。これが、分子が異なる立体異性体として存在できる理由であり、ラジカル基の向きが、これらのエナンチオマー間で異なる唯一の点です。一方、 D-グリセルアルデヒドには、カルボニル基とヒドロキシ（アルコール）基が含まれ、中心にキラル炭素があります。L-グリセルアルデヒドの場合、向きも異なります。

D-アミノ酸は生物の最小限の構成要素であるにもかかわらず、土壌、河川、湖沼、海洋システム、雪氷、エアロゾル、降水などの幅広い自然環境に存在します。それらはいくつかの海洋微生物によって生成され、海洋の炭素およびエネルギー循環において重要な役割を果たし、海洋炭素貯蔵庫への炭素源として貢献しています。^[2]

D-アミノ酸残基はイモガイや雄のカモノハシの毒に含まれています。^{[5] [6]}また、細菌のペプチドグリカン 細胞壁に多く含まれており、^[7] D-セリンは脳内で神経伝達物質として作用する可能性があります。 ^[8] D-アミノ酸はラセミ結晶学で中心対称結晶を作成するために使用されます。これにより、タンパク質によっては、より簡単かつ堅牢なタンパク質構造の決定が可能になります。^[9]

グラミシジンは、 D-アミノ酸とL-アミノ酸の混合物から構成されるポリペプチドです。 ^[10] D-アミノ酸を含む他の化合物には、チロシジンとバリノマイシンがあります。これらの化合物は、特にグラム陽性細菌の細菌細胞壁を破壊します。2011年現在、分析された合計1億8,700万のアミノ酸のうち、Swiss-Protデータベースで見つかったD-^{[アップデート]}アミノ酸はわずか837個でした。 ^[11]

蛍光標識されたD-アミノ酸、すなわちFDAAは、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方において細菌ペプチドグリカンのin situ標識に使用されている。 ^{[12] [13]}

細菌はおそらくD-アミノ酸を利用する能力が最も高い。細菌は10種類以上のD-アミノ酸を合成することが知られており、最もよく使われるのはペプチドグリカン細胞壁内の架橋用のD-アラニンとD-グルタミン酸である。さらに、細菌から放出される細胞外D-アミノ酸は細菌細胞壁のリモデリングも制御し、頻繁に変化する環境に適応するために細菌間で機能すると考えられている。細菌細胞壁の構造的機能とは別に、D-アミノ酸は成長適応度やバイオフィルム形成、胞子発芽、シグナル伝達などのさらなるプロセスにも関連している。^{[2] [3]}

少なくとも 2 つの酵素ファミリーがLアミノ酸をDアミノ酸に変換します。PLP依存性酵素であるアミノ酸ラセマーゼは、立体中心が失われる α-イミノ酸の形成を介してアミノ酸をラセミ化します。Lアミノ酸オキシダーゼは、Lアミノ酸を還元アミノ化を受けやすい α-ケト酸に変換します。一部のアミノ酸はラセミ化しやすく、その一例がリジンで、ピペコリン酸の形成を介してラセミ化します。

ペプチドでは、Lアミノ酸残基がゆっくりとラセミ化し、いくつかのDアミノ酸残基が形成されます。ラセミ化は、アミド基のアルファにあるメチンの脱プロトン化によって起こります。速度は pH とともに増加します。

高等生物に見られる多くのD-アミノ酸は微生物由来である。細菌細胞壁を構成するペプチドグリカン中のD-アラニンは、宿主がタンパク質分解酵素による攻撃に抵抗するのを助ける。バシトラシンなどのいくつかの抗生物質にはD-アミノ酸残基が含まれている。 ^[4]

2012年に南シナ海の2000メートルの深さの堆積物から隔離された深海菌株、フェオバクター属JL2886の「全ゲノム配列が分析された」。別の研究では、日本の相模湾の深海（深さ800～1500メートル）から採取された56の堆積物から、「28のα-アミノ酸利用菌」が分離された。 ^[2] D-アミノ酸のおかげでより健康に成長する微生物を隔離する独自の試みも行われている。実施された研究や実験のほとんどは、通常、主に D-アラニン、D-アスパラギン酸、およびD-グルタミン酸を利用している。これらは、生体内で最も一般的に見られるD-アミノ酸を表しているからである。さらに、これらは海洋に関与する多くの基本的なプロセスの窒素源としても役立つ。^[2]