Учёные продолжают искать жизнь за пределами Земли. Но при отсутствии данных с других планет им приходится довольствоваться догадками и теориями.

Также по теме

В последнее время на международном уровне возрождается интерес к исследованию Венеры. Планета очень схожа с Землёй по размерам и…

Исследователи полагают, что инопланетные живые существа в чём-то похожи на землян.

«Химический состав жизни на Земле — по преимуществу производная всего нескольких избранных ингредиентов. Как и человеческое тело, вся известная жизнь на 95% состоит из водорода, кислорода и углерода. Атомы углерода охотно образуют связи как с другими атомами углерода, так и со многими другими элементами — поэтому мы и получились углеродной формой жизни. И именно поэтому изучение молекул, которые содержат углерод, — это так называемая органическая химия», — пишет в своей статье американский астрофизик Нил Деграсс Тайсон.

Однако оснований полагать, что жизнь на другой планете развивалась бы точно так же, как и на Земле, нет. Чтобы выяснить, какие варианты реальны, исследователи Университета Вальпараисо разработали новый подход к проблеме. Они решили испытать, как поведут себя земные аминокислоты в искусственно созданных «инопланетных» условиях.

«Наша главная цель — выяснить, есть ли у аминокислот структурные характеристики, которые приводят к большей устойчивости аминокислот во внеземных условиях, и что это могут быть за характеристики», — пояснила задачи исследовательской группы её руководитель Клэр Маммосер.

Суть метода состоит в следующем. Аминокислоты помещают в разную по свойствам среду. В лаборатории их подвергают воздействию ультрафиолета, очень высокой и очень низкой температуры, а также других не самых благоприятных с точки зрения земной жизни условий. Таким образом можно выяснить, как вели бы себя вещества на Марсе, Энцеладе (спутнике Сатурна) и Европе (луне Юпитера).

В ходе предварительных опытов исследователи подвергли различным испытаниям пять аминокислот, которые участвуют в образовании белков (а значит, способствуют развитию жизни), и десять аминокислот, которые этого не делают.

Также по теме

Учёные построили компьютерную модель и выяснили, что на планете земного типа, которая обращается вокруг системы из двух звёзд, вполне…

Во время конференции по экспериментальной биологии, проводимой Американским обществом биохимии и молекулярной биологии в Чикаго, исследовательская группа заявила о первых успехах. Оказалось, что разработанный учёными метод позволяет не только отслеживать, в каких условиях и как будет вести себя аминокислота, но и определять, какие именно характеристики (например, размер) определяют её поведение. Однако конечная цель учёных не в том, чтобы проверить на прочность земные аминокислоты.

«При разных обстоятельствах вне Земли белки живых организмов не обязательно будут такими же, как у организмов на нашей планете. Это значит, что для их образования могут требоваться известные нам аминокислоты, которые, как пока считается, не участвуют в создании жизни», — поясняет Клэр Маммосер.

Следующий этап экспериментов будет включать в себя исследование аминокислот, найденных на Земле в местах падения метеоритов. И это ещё не всё. Для исследований учёные привлекут и аминокислоты, которые получались в ходе экспериментов по поиску «истоков жизни».

Один из первых таких экспериментов был проведён в 1953 году. Поместив смесь газов, предположительно соответствующую земной атмосфере в древности, Стэнли Миллер и Гарольд Юри подвергли её воздействию электрических разрядов. Они надеялись получить из неорганических молекул органические. Их эксперимент привёл к образованию нескольких аминокислот. Правда, на вопрос о том, как появилась жизнь на Земле, они так и не ответили.

Единственное небесное тело, на которое ступал человек, за исключением Земли, — это Луна. Поэтому в поиске жизни в космосе исследователям приходится довольствоваться косвенными признаками: анализом атмосферы и попытками изучить, какие условия могут быть на той или иной планете в зависимости от её удалённости от ближайшей звезды и свойств этого местного солнца.

Чтобы сделать промежуточный вывод о том, возможно ли существование жизни на другой планете, исследователи сопоставляют данные о ней с тем, в каких условиях способны обитать хоть какие-нибудь живые организмы. Стоит отметить, что тут учёным иногда даёт подсказки Земля. Время от времени следы той или иной формы жизни находят в самых неожиданных местах. Так, в апреле 2017 года следы органики были обнаружены в минерале серпентине недалеко от Марианской впадины.

Найденные вещества производят микробы, которые обычно обитают в более доступных местах. Их обнаружение близ грязевого вулкана у самого глубокого места Тихого океана говорит о том, что живые организмы могут обитать на гораздо большей глубине, чем считалось ранее. Другими словами, сейчас известно далеко не всё об условиях, в которых может существовать жизнь. Вероятно, эксперимент американских учёных из Университета Вальпараисо расскажет и о том, из каких «кирпичиков» она может строиться на других планетах.

ничего, что наша ДНК наполовину совпадает с ДНК банана? — T&P

Биохимия — сравнительно молодая дисциплина, официально возникшая только в начале прошлого века.

Анастасия Наумова

Начнем с начала: вся жизнь на планете состоит из четырех основных типов веществ: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Примером такой кислоты служит всем известная молекула ДНК, которая является полимером. Самое простое объяснение структуры полимера — бусы. Как бусы состоят из бусинок, так и полимер состоит из мономеров. ДНК состоит из повторяющихся блоков — нуклеотидов, а они, в свою очередь, из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Всего существует четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин, при этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин — только с цитозином, это называется принципом комплементарности. Видовое разнообразие жизни на Земле, наши отличительные черты (цвет глаз, волос, состояние кожи и даже характер) зависят от взаимного расположения тех самых четырех азотистых оснований в цепочке ДНК. По странному стечению обстоятельств наша ДНК на 50% совпадает с ДНК банана, а на 35% — с ДНК нарцисса, но что это значит на практике для нас? Да ничего, в принципе. Сходство ДНК означает, что у нас и у банана есть определенное количество одинаковых кодирующих участков из нуклеотидов. Процессы передачи и реализации информации коротко описываются основной догмой молекулярной биологии: из ДНК синтезируется РНК, из РНК синтезируется белок. Синтез белка является одним из основных жизненно необходимых процессов: белок необходим нам для роста, развития, регенерации, и он также является ферментом.

Люди из азота

Как уже упоминалось, жизнь состоит из четырех основных типов веществ, один из которых — белок. В свою очередь, белок состоит из аминокислот. Структура аминокислоты достаточно простая: это углеродный каркас, на который крепятся атомы кислорода, азота, водорода, углерода и иногда серы. Аминокислоты крепятся одна к другой в порядке, закодированном в ДНК, составляют цепочки неограниченной длины, и получается белок. Итак: у каждой аминокислоты есть углеродный скелет, то есть белок состоит в основном из углерода, а без белка наша жизнь невозможна. Именно отсюда и появился тезис, что жизнь на нашей планете углеродная. Но в таблице Менделеева элементов больше, чем один, и возникает вопрос: может ли жизнь быть завязана на другом элементе? И если да, то на каком? Ответ напрашивается сам собой: логично было бы попробовать рассмотреть элемент, близкий к углероду, но с большим количеством электронов, а именно азот. Дополнительный электрон удобен тем, что азот имеет больше степеней окисления, — следовательно, на его основе можно создать больше соединений. Помимо этого, азот образует связи такого же типа, как и углерод. Что же будет, если мы попробуем составить из азота длинную цепочку? К сожалению, мы получим не новый тип жизни, а самую мощную из неатомных взрывчаток — ГНИВ (Гексанитрогексаазаизовюрцитан). Проблема в том, что полимеры азота нестабильны в условиях нашей планеты, для их стабильности необходимо гораздо более высокое давление, нежели атмосферное давление Земли. Но Вселенная огромна, и в большинстве мест давление больше, чем земное. Компьютерное моделирование атмосферы Юпитера показало, что полимеры из азота на этой планете будут даже стабильнее, чем из углерода. И таких мест с подходящими условиями гораздо больше, чем одно. Так что кто знает — может быть, во Вселенной уже давно существуют азотные люди.

Биология в быту

Помимо визионерских вопросов об азотной жизни, биохимия дает ответ на более насущные запросы — например, как правильно заниматься спортом и каким именно. Чтобы разобраться, обратимся к такой сложной схеме, как цикл Кребса. За ее открытие Ханс Кребс совместно с Фрицем Липманом в 1953 году получили Нобелевскую премию по медицине. Коротко суть схемы можно передать тезисом «жиры горят в пламени углеводов». Из этого объяснения следуют некоторые важные утверждения:

Нам необходимы углеводы

Если нет углеводов, а физическая нагрузка присутствует, организм начинает разрушать свой белок, чтобы добыть углеводы из него. Разрушение белка — это разрушение мышечной ткани, в то время как основная цель тренировок заключается в обратном. Стоит отметить, что углеводы нам нужны сложные, или медленные, состоящие из трех и более моносахаридов, единиц строения углеводов. Сложные углеводы содержатся в крупах, картофеле, печени, бобовых. Употребление этих продуктов постепенно повышает уровень глюкозы в крови, и организм успевает справляться с ее переработкой. В отличие от медленных углеводов, быстрые состоят из одного или двух моносахаридов. Они резко повышают уровень сахара в крови, а затем оседают в виде жира, потому что организм не может сразу переработать такое большое поступление глюкозы.

Для поддержания горения (а по факту — окисления) жиров нам необходим кислород

С точки зрения энергетических затрат аэробные нагрузки (то есть с поступлением большого количества кислорода) в 19 раз более эффективны для сжигания жира, чем анаэробные (то есть почти бескислородные), так что польза от присутствия кислорода очевидна. Если вы все еще сомневаетесь, что для сжигания жира лучше бегать, чем поднимать штангу, то вот еще одна причина, и имя ей — пировиноградная кислота, которая является конечным продуктом распада глюкозы. Дальнейший метаболизм кислоты зависит от наличия воздуха. При аэробном варианте она вовлекается в уже упомянутый нами цикл Кребса, крутится в нем, что каждый раз дает нам энергию для продолжения тренировки. Раньше считалось, что только в анаэробном варианте, то есть без доступа кислорода, пировиноградная кислота превращается в хорошо знакомую всем молочную кислоту — именно она вызывает боль в мышцах после тренировки. Согласно последним исследованиям, виноградная кислота может появляться и при анаэробной тренировке, но только при нагрузках, превышающих 50% от максимального уровня выносливости человека. При такой интенсивной нагрузке жир снова перестает сжигаться, и разрушаются уже углеводы, что приводит к появлению молочной кислоты. Хорошая новость в том, что большинство тренировочных программ построено так, чтобы пик нагрузки не превышал тот самый порог 50% от максимума возможностей.

По-настоящему аэробных вида спорта всего четыре: бег, плавание, бег на лыжах и гребля. Именно при занятии этими видами спорта задействовано более 70% от общего числа мышц, и в организм поступает достаточное количество кислорода. Помимо количества задействованных мышц, важна длительность нагрузки. В самом начале тренировки идет обратимая реакция расщепления креатинфосфата для поддержания энергии в организме. Креатинфосфат преимущественно содержится в мышечной и нервной ткани, и его запасов хватает примерно на первые 20 секунд тренировки. После разложения креатинфосфата самым простым с точки зрения организма вариантом получения энергии является расщепление глюкозы. В наших клетках глюкоза хранится в форме гликогена, который при нагрузке начинает расщепляться следом после креатинфосфата. Затем, когда организм израсходовал весь доступный запас гликогена, включается более сложная реакция расщепления жира. В среднем гликогена хватает на 20–30 минут, в зависимости от уровня подготовленности человека. Именно поэтому, если вы хотите похудеть, важно, чтобы тренировка была длительной, не менее получаса.

Хороший, плохой, злой холестерин

Довольно много внимания в статье мы обращали на основные четыре элемента, но ведь мир ими не ограничивается. Например, существуют такие вещества, как жирные кислоты. Они бывают насыщенные и ненасыщенные. Основное отличие заключается в том, что насыщенные находятся в твердом состоянии, и они синтезируются в организме, то есть у нас нет необходимости в получении их извне. Ненасыщенные же находятся в жидком состоянии, они полезны для организма, но им не синтезируются. Такие жирные кислоты содержатся в тех организмах, которые дышат не так, как мы. Например, в растениях или рыбе. Помимо жирных кислот есть еще жиры, или липиды, к которым относится холестерин. Бытует мнение, что от холестерина нужно полностью избавляться, но на самом деле это совсем не так. Во-первых, холестерин входит в состав клеточных мембран и именно благодаря ему стенки клеток эластичны, то есть более устойчивы к внешним воздействиям. А во-вторых, холестерин относится к стероидным липидам и является родоначальником всех стероидных гормонов, например половых. Но несмотря на это, допускать повышенное содержание холестерина в организме не стоит, ведь всем нам хорошо известно, к чему это приводит.

Иконки: 1) Kris Brauer, 2) Creative Stall, 3) irene hoffman — from the Noun Project.

Строение белков

Среди органических веществ белки, или протеины, — самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. На их долю приходится 50 — 80% сухой массы клетки.

Молекулы белков имеют большие размеры, поэтому их называют макромолекулами. Кроме углерода, кислорода, водорода и азота, в состав белков могут входить сера, фосфор и железо. Белки отличаются друг от друга числом (от ста до нескольких тысяч), составом и последовательностью мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты (рис. 1)

Бесконечное разнообразие белков создается за счет различного сочетания всего 20 аминокислот. Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде:

Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (—NH₂) с основными свойствами, другая — карбоксильной группой (—COOH) с кислотными свойствами. Часть молекулы, называемая радикалом (R), у разных аминокислот имеет различное строение. Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реакционную способность. через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.

Молекулы белков могут иметь различные пространственные конфигурации, и в их строении различают четыре уровня структурной организации.

Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
Большинство белков имеют вид спирали в результате образования водородных связей между —CO- и —NH- группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Водородные связи малопрочные, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру. Эта спираль — вторичная структура белка.

Третичная структура — трехмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация — глобула. Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.

Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она может происходить под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном — третичная, а затем — вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи.
Этот процесс частично обратим: если не нарушена первичная структура, то денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру. Отсюда следует, что все особенность строение макромолекулы белка определяются его первичной структурой.

Кроме простых белков, состоящих только из аминокислот, есть еще и сложные белки

Другие заметки по биологии

Произошла ошибка при установке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

в промышленности

Аминокислоты являются строительными блоками жизни и кодируются ДНК. Ферменты и структурные белки состоят из аминокислот и используются в качестве предшественников других важных биомолекул в организме. Кроме того, многие отрасли промышленности, от фармацевтики до пищевой промышленности, зависят от аминокислот.

Получение незаменимых аминокислот с помощью медицинских и фармацевтических препаратов

Незаменимые аминокислоты — это аминокислоты, которые организм не может производить сам, а это означает, что необходим внешний источник.Их можно получить с помощью диеты или пищевых добавок. Эти аминокислоты часто вводят в организм при внутривенной терапии, чтобы помочь в восстановлении послеоперационных пациентов.

Многие аминокислоты используются в пищевых добавках для лечения определенных состояний и расстройств. Например, триптофан применяют при нарушениях сна, депрессии, СДВГ, фенилкетонурии, нарколепсии и синдроме хронической усталости.

Аргинин часто используется в качестве ингредиента зубной пасты или других стоматологических продуктов для облегчения чувствительности зубов.Аргинин — это минерал, который действует подобно дентину и является важным регулятором чувствительности зубов. Диета, состоящая из всех аминокислот, углеводов и витаминов, рекомендуется для пациентов с дефектами пищеварительной системы или воспалительными заболеваниями кишечника

Незаменимые аминокислоты в пищевой промышленности

Усилители вкуса

Некоторые аминокислоты или их производные используются в качестве усилителей вкуса в пищевых продуктах. Например, глицин и аланин используются для усиления аромата и вкуса.Другим примером является глутамат натрия (MSG), производное глутаминовой кислоты, широко используемое в азиатских блюдах для усиления вкуса. MSG производит другой тип вкуса, называемый «умами», который жизненно важен для многих блюд.

Консерванты

Аминокислоты также широко используются в качестве консервантов в продуктах питания и напитках. Фруктовые соки часто консервируют с использованием цистеина в качестве антиоксиданта.

Триптофан также используется с гистидином в качестве антиоксиданта для сохранения сухого молока.Фенилаланин и аспарагиновая кислота объединяются для получения дипептида аспартама. Аспартам примерно в 200 раз слаще сахарозы и часто используется в качестве низкокалорийной альтернативы искусственному подсластителю в безалкогольных напитках.

Повышение пищевой ценности

В некоторые продукты часто добавляют определенные аминокислоты для повышения их питательной ценности. Во многих продуктах растительного происхождения не хватает определенных аминокислот, которые можно вводить, чтобы обеспечить потребителя дополнительными питательными веществами для улучшения здоровья.Например, хлеб можно обогатить лизином, а соевые продукты — метионином. Лизин, метионин и глутаминовая кислота широко используются в кормах для животных.

Аминокислоты в химической промышленности

Многие аминокислоты используются в качестве прекурсоров для химических веществ, используемых в различных отраслях промышленности, таких как пестициды и гербициды. Например, треонин можно использовать для производства гербицида азтреонама, а глицин можно использовать для производства глифосата, другого гербицида.

Аминокислоты в фитнес-индустрии

Несколько аминокислот (лейцин, валин, пролин, аланин, цистеин и изолейцин) используются в добавках для роста мышц и бодибилдинга.Наращивание мышечной массы включает в себя потребление белка и аминокислот, из которых строятся белки.

Промышленное производство аминокислот

Химический синтез

Аминокислоты могут быть получены путем химического синтеза, ферментативного катализа, экстракции из природных источников или ферментации. Химический синтез часто используется в промышленности для массового производства определенных аминокислот. Однако основным недостатком этого метода является то, что он дает две формы аминокислот, называемых энантиомерами, которые необходимо разделить, прежде чем их можно будет использовать.Таким образом, этот метод можно использовать только тогда, когда энантиомер аминокислоты не имеет значения для предполагаемого применения.

Ферментация

Ферментация в настоящее время используется только для лизина и глутаминовой кислоты, поскольку необходимы определенные штаммы мутантных бактерий, которые трудно получить. Глутаминовая кислота может быть модифицирована добавлением гидроксида натрия с получением глутамата натрия.

Дополнительное чтение

Вся жизнь на Земле состоит из одних и тех же 20 аминокислот.Ученые теперь думают, что знают, почему

Вопрос о том, как впервые возникла жизнь на Земле, люди задают себе с незапамятных времен. Хотя ученые относительно уверены в том, когда это произошло, не было однозначного ответа на вопрос, почему это произошло. Как аминокислоты, химические строительные блоки жизни, собрались примерно четыре миллиарда лет назад, чтобы создать первые белковые молекулы?

Хотя на этот вопрос до сих пор нет ответа, ученые делают новые открытия, которые могут помочь его сузить.Например, группа исследователей из Центра химической эволюции (CCT) Технологического института Джорджии недавно провела исследование, которое показало, как некоторые из самых ранних предшественников белковой молекулы могли спонтанно соединяться, образуя цепь.

Исследование недавно появилось в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences . Исследование проводилось под руководством доктора Морана Френкель-Пинтера из Технологического института Джорджии, в нем участвовали несколько исследователей из CCT, поддерживаемого НАСА и Национальным научным фондом (NSF), при содействии доктора.Люк Леман и доцент кафедры химии Scripps Research, некоммерческого медицинского исследовательского института.

В течение десятилетий у ученых были теории о том, как первые аминокислоты объединились, чтобы сформировать белковые молекулы. К сожалению, все попытки проверить эти теории пока не увенчались успехом.Как объяснил доктор Леман:

«Как химия привела к сложной жизни — один из самых захватывающих вопросов, над которыми задумывалось человечество. Существует много теорий о происхождении белков, но не так много экспериментальной лабораторной поддержки этих идей».

Для своего исследования исследовательская группа провела эксперимент, в котором небольшой набор аминокислот (лизин, аргинин и гистидин) был помещен вместе с тремя небиологическими аминокислотами-конкурентами. Затем кислоты подвергали воздействию условий, подобных тем, которые, как полагают, существовали на Земле во времена Гадейского эона (ок.4 миллиарда лет назад).

Это заключалось в том, что выбранные аминокислоты помещались в воду, содержащую гидроксикислоты, которые, как известно, облегчают реакции аминокислот и были бы обычным явлением на добиотической Земле. Затем смесь нагревали до 85 ° C (185 ° F), что ускорило процесс реакции и вызвало испарение воды. Полученные химические реакции были затем изучены.

К их удивлению, биологические аминокислоты спонтанно сформировались в аккуратные сегменты, которые соединялись друг с другом с помощью групп β-аминов. Эти группы состоят из азота и водорода и весьма реакционноспособны. Однако они также являются частью ядра аминокислот, и другие амины, которые образуют боковые цепи, отходящие от ядра (которые использовались в этом эксперименте), часто более реакционноспособны. Как сказал доктор Френкель-Пинтер:

«Нас удивило, что эта химия отдавала предпочтение связи β-амина, обнаруживаемой в белках, даже несмотря на то, что химические принципы могли привести нас к мысли, что небелковая связь будет предпочтительнее.Предпочтение белковоподобной связи над небелковой было примерно семь к одному».

Еще одним сюрпризом стало то, что биологические аминокислоты превзошли небиологические по реакционной способности. Последние кислоты, которые сегодня не встречаются в белках, могли химически реагировать так же хорошо (или лучше), чем биологические. Более того, команда ожидала, что включение этих кислот даст фору биологическим и может даже привести к созданию новых белков.

Однако реакции в основном приводили к образованию пептидов (двух или более аминокислотных строительных блоков, связанных вместе), которые были ближе к современным белкам. В частности, исследователи думали, что небиологические аминокислоты превзойдут биологическую аминокислоту, известную как лизин, и что лизин не сможет надежно образовывать цепи.

В обоих случаях они ошибались и вместо этого обнаружили, что лизин преимущественно проникает в цепи таким же образом, как это происходит с белками сегодня.Исходя из этого, команда выдвинула гипотезу о том, что предварительно изготовленные цепочки аминокислот, полезные в живых системах, развились до того, как жизнь нашла способ производить белки.

Тот факт, что их эксперимент показал, что биологические аминокислоты предпочтительнее небиологических, может также дать новое понимание того, почему только 20 аминокислот пошли на формирование жизни. Ученые считают, что во времена Гадейского эона на Земле присутствовало более 500 встречающихся в природе кислот. Как объяснила Лорен Уильямс, профессор биохимии Технологического института Джорджии:

«Наша идея состоит в том, что жизнь началась со множества строительных блоков, которые были там, и выбрала их подмножество, но мы не знаем, сколько из них было отобрано на основе чистой химии или сколько биологических процессов сделали выбор.Глядя на это исследование, кажется, что современная биология может отражать эти ранние пребиотические химические реакции больше, чем мы думали».

«На добиотической Земле был бы гораздо больший набор аминокислот. Есть ли что-то особенное в этих 20 аминокислотах, или они просто застыли в какой-то момент времени в процессе эволюции?» Короче говоря, эксперимент предполагает, что виды аминокислот, используемых в белках, с большей вероятностью соединятся друг с другом, потому что они взаимодействуют более эффективно и имеют мало неэффективных побочных реакций.

Первые аминокислоты, вероятно, образовались в воде с оксикислотами, которые затем подверглись воздействию сухих условий. Предоставлено: Дэвид А. Агилар (CfA)

. Короче говоря, эксперимент предполагает, что виды аминокислот, используемых в белках, с большей вероятностью соединятся друг с другом, потому что они реагируют вместе более эффективно и имеют мало неэффективных побочных реакций. Это также придает дополнительную достоверность теории о том, что большинство биологических полимеров образовались во влажном и сухом циклах, что исследователи CCT спорят годами.

Эта теория, утверждающая, что первые белки появились на омываемых дождем грязных равнинах или на выжженных солнцем скалах на берегу озера, расходится с более традиционным представлением о том, что строительные блоки жизни зависят от редких и катастрофических событий, а также от множества ингредиентов. чтобы всплыть. Показав, что это, вероятно, будет гораздо более простой процесс, это исследование может приблизить нас на один шаг к разгадке этой вековой тайны.

Это также может иметь значение для поиска жизни за пределами Земли. Если строительные блоки жизни реагируют по своей природе и притягиваются друг к другу, то это, вероятно, увеличивает вероятность того, что подобные химические реакции происходили где-то еще во Вселенной!

Дополнительная литература; Скриппс Исследования

Нравится:

Нравится Загрузка…

Органическая химия: Аминокислоты — это просто

Аминокислоты являются строительными блоками белков. Существует 22 различных аминокислоты, и они могут комбинироваться множеством способов, образуя огромное количество белков. Все аминокислоты, кроме глицина, являются хиральными молекулами, то есть они существуют в двух зеркальных или энантиомерных формах, только одна из которых встречается в природе. Эти неестественные энантиомеры аминокислот пользуются большим спросом у фармацевтической промышленности в качестве сырья для производства различных лекарств, в том числе антибиотика амоксициллина и апрепитанта против тошноты (см. изображение).

Одним из методов, который широко используется для производства аминокислот, обычно является синтез Штрекера — химическая реакция, разработанная немецким химиком девятнадцатого века Адольфом Штрекером, которая объединяет альдегид, аммиак и цианистый водород для получения аминонитрила, который можно легко превратить в аминокислота. К сожалению, исходный синтез Штрекера позволяет получить только смесь энантиомерных форм аминокислоты.По этой причине многие химики проявляют интерес к разработке энантиоселективных или асимметричных каталитических реакций — реакций, в которых используется катализатор для селективного увеличения образования определенного энантиомера.

Уже сообщалось о некоторых каталитических энантиоселективных вариантах синтеза Штрекера, но есть проблемы. Многие требуют использования дорогостоящих источников цианида — обычно соединения, называемого триметилсилилцианидом, — и очень низких температур, чего трудно достичь в промышленных масштабах.

Абдул Маджид Сияд из Института химических и инженерных наук A*STAR и его коллеги разработали асимметричный протокол Штрекера, в котором в качестве источника цианида используется цианистый водород и который работает при комнатной температуре. Новая методология по-прежнему требует использования триметилсилилцианида, который, по мнению исследователей, необходим для достижения энантиоселективной реакции, но требуется лишь относительно небольшое каталитическое количество, и он регенерируется в реакции путем добавления более дешевого цианистого водорода.Сеяд и его коллеги показали, что они могут использовать свои условия для производства различных неестественных аминокислот.

Как и в случае с большинством разработок методологии, есть возможности для улучшения с помощью дальнейших исследований. «До сих пор мы занимались только аминокислотами с ароматическими боковыми цепями», — объясняет Саяд. «Мы хотели бы разработать процесс производства аминокислот с другими боковыми цепями. Цианистый водород стоит недорого, но он чрезвычайно токсичен, и для обращения с ним требуется специальное оборудование и обучение.Мы изучаем способы, с помощью которых мы могли бы генерировать его в реакции, что было бы намного безопаснее».

Предоставлено Агентство науки, технологий и исследований (A*STAR)

Цитата : Органическая химия: аминокислоты стали проще (4 мая 2011 г.) получено 7 января 2022 г. с https://физ.org/news/2011-05-chemistry-amino-acids-easy.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

новых аминокислот | Наука

Спустя шестнадцать лет после открытия 21-й аминокислоты, кодируемой ДНК, ученые обнаружили еще один из этих основных строительных блоков белка, закодированный в генах бактерий, производящих метан, обнаруженных в желудке коров.Открытие предполагает, что генетический код может быть более гибким, чем считали исследователи ранее.

В начале 1960-х годов ученые взломали генетический код, когда узнали, что четыре основания ДНК — A, T, G и C — собраны в 64 уникальных трехбуквенных слова или кодона. Первоначально исследователи думали, что кодоны могут представлять все известные аминокислоты, которые рибосомы внутри клеток связывают вместе в белки. Но, как оказалось, клетки имеют кодоны кодонов только для 20 аминокислот и для простых команд, таких как «стоп», которые говорят рибосомам прекратить строить белковую цепь.Другие редкие аминокислоты, обнаруженные в белках, производятся путем переделки членов исходных 20 после того, как они были последовательно соединены с белком. Эти странные аминокислоты не закодированы в ДНК.

22-я аминокислота, пирролизин, отличается. Модифицированная форма лизина — одной из 20 распространенных аминокислот — пирролизина имеет собственный кодон, для которого он присвоил один из трех стоп-кодонов ДНК. Как и другие кодируемые аминокислоты, он использует специализированную молекулу транспортной РНК, чтобы доставить ее к рибосоме.Джо Кржицки и его коллеги из Университета штата Огайо в Колумбусе сообщают об открытии новой аминокислоты, ее кодона и специализированной тРНК в выпуске Science от 24 мая.

Как «стоп» стало означать «добавить пирролизин»? Генетик Джон Аткинс из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити предполагает, что отчасти это может быть связано с тем, что рибосомному механизму требуется дополнительное время для обработки стоп-кодона. По его словам, система сборки белка может добавить 60 аминокислот к белковой цепи за время, необходимое для выполнения одной команды «стоп».Обычно встреча с пирролизиновым/стоп-кодоном отключает механизм. Но добавленное время дает тРНК, присоединенной к пирролизину, шанс вклиниться и подключиться к стоп-кодону, действие, которое добавляет пирролизин к концу цепи и перезапускает процесс построения цепи. Главный вывод, говорит Аткинс, «заключается в том, что процесс декодирования отличается разнообразием и богатством» и большей гибкостью, чем ожидалось от оригинальных декодеров ДНК в механизме конструирования белков.

Похожие сайты
Сайт Кржицкого
http://www.biosci.ohio-state.edu/~microbio/jak.html
Трехмерное сравнение аминокислот
http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/AAViewer/AAVFrameset.htm

D-аминокислоты в природе, сельском хозяйстве и биомедицине

Введение

Аминокислоты, как компоненты пептидов, пептидных гормонов, структурных и иммунных белков, являются важнейшими биорегуляторами, участвующими во всех жизненных процессах наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липиды. Благодаря высокой биологической активности и широкому использованию их производство постоянно растет.Основными потребителями аминокислот являются пищевая, биотехнологическая, фармацевтическая промышленность, медицина и животноводство (Martínez-Rodríguez et al. 2010; Sorokina et al. 2010).

Важным биохимическим свойством аминокислот является их оптическая активность. Все они, кроме глицина, имеют один или два асимметричных атома и поэтому могут существовать в двух (D- и L-) оптически активных (энантиомерных) формах, обладающих различной физиологической и биологической активностью. В то время как L-аминокислоты в большинстве случаев оказывают положительное влияние на организм, D-аминокислоты могут оказывать неблагоприятное воздействие.Таким образом, очень важно контролировать их оптическую чистоту (Чернобровкин и др., 2004).

В последние годы опубликованы многочисленные новые исследования биохимических свойств D-аминокислот, открывающие потенциально неосвоенные области применения этих изомеров в различных отраслях промышленности и биомедицине.

Стереоизомерия D-аминокислот

Когда говорят о химии D-аминокислот, обычно подразумевают их стереохимию и связанные с ней реакции химических превращений.

Как уже отмечалось, все аминокислоты, кроме глицина, имеют четыре различные группы заместителей у α -атома углерода. По этой причине говорят, что α -атом углерода обладает молекулярной асимметрией или хиральностью (от греческого – χειρ  – «рука»). Это явление зеркальности, то есть свойство молекулы не накладываться в пространстве на свое зеркальное отражение. Благодаря этой структурной особенности молекулы аминокислот могут существовать в различных стереоизомерных формах, различающихся только ориентацией радикальных групп при α -атоме углерода.

Исторически пространственная конфигурация радикалов при атоме углерода α сравнивалась с конфигурацией эталонного соединения, которым был глицеральдегид. Для глицеринового альдегида изначально было принято решение разделить эти положения на L- и D-конфигурации. Поэтому стереоизомеры аминокислот, соответствующие по своей конфигурации α -углеродному атому L,D-глицеральдегида, также обозначаются буквами L или D, хотя стереоизомерия аминокислот определяется расположением аминогруппы у хирального атома.Если в проекционной формуле Фишера аминогруппа расположена слева от центра хиральности, то она соответствует L-аминокислоте, иначе – ее D-стереоизомеру (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Проекционные формулы Фишера для эталонных глицеральдегидов (A) и аминокислот (B).

В настоящее время аминокислоты для сельского хозяйства и биомедицины получают микробиологическим синтезом, гидролизом соединительных тканей или химическим синтезом (Cartus 2012; Keating et al. 2018).Если в первом и втором случаях образуются в основном L-изомеры аминокислот, то в последнем случае образуются только рацемические L, D-смеси (например, при аммонолизе альфа-галогенкарбоновых кислот). В связи с тем, что в промышленности требуются в основном L-формы, возникает необходимость разделения таких смесей. Для разделения аминокислот на оптические антиподы применяют химические, микробиологические и особенно ферментативные методы.

Химические методы включают основные или кислотные взаимодействия изомерных форм аминокислот с оптически активными вспомогательными соединениями (производными винной кислоты, камфоры, сульфокислоты и др.) с образованием оптически активных солей и последующим их разделением и рафинированием фракционной кристаллизацией. Ферментативные методы основаны на использовании ряда свободных или иммобилизованных ферментов (ацилаз, эстераз) для селективного расщепления определенного вида энантиомерных форм аминокислот (Cartus 2012).

В последние годы для разделения рацемических смесей все чаще используется хроматография на селективных хиральных сорбентах (Keating et al. 2018).

Однако достичь 100% эффективности разделения рацемических смесей или полного превращения одного стереоизомера в другой затруднительно.Это связано с тем, что подавляющее большинство оптически активных веществ, в том числе и аминокислоты, обладают ограниченной стабильностью во времени, что выражается в постепенном стремлении системы к некоторому оптическому равновесию, т. е. к рацемизации, которая чаще всего ускоряется при влияние некоторых физических и химических факторов, например, в присутствии кислотных или щелочных примесей (Martínez-Rodríguez et al. 2010) (рис. 2).

Опубликовано онлайн:

Рис. 2. L, D- реакция рацемизации аминокислот (A- рацемизация, катализируемая кислотами. B – рацемизация, катализируемая основаниями).

Стремление к такому равновесию, скорее всего, зависит от многих факторов, так как при постоянных температуре, давлении и рН среды энтропия молекул хирально чистой системы оказалась равной нулю ( S  = 0), а для рацемической смеси она принимает совершенно иной вид: S  = kLn2, где ‘ k ‘ — постоянная Больцмана (Твердислов, Яковенко, 2008).

Следует отметить, что величина спонтанной рацемизации различна для разных аминокислот. Экспериментально показано, что его частота для свободных и связанных аминокислот уменьшается в следующем порядке (Cartus 2012): Cys > Asp > Pro > Glu > Met > His > Leu > Lys > Phe > Ala > Tyr > Arg > Иль > Сер > Тр.

Аспекты метаболизма D-аминокислот

Многочисленные катализируемые ферментами реакции с участием D-аминокислот происходят в основных типах клеток: прокариотических и эукариотических.D-аминокислоты выступают не только как регуляторные молекулы, но в ряде случаев могут включаться в катаболизм или оказывать токсическое действие, что приводит к необходимости включения механизмов детоксикации.

Ферменты, участвующие в биосинтезе, деградации или модификации D-аминокислот или их производных, могут быть специфичными в отношении конкретной аминокислоты или, напротив, могут иметь широкий спектр действия по отношению к субстратам. В список этих ферментов входят рацемазы, трансаминазы, оксидоредуктазы, дегидрогеназы и др.В данном обзоре мы не будем углубляться в энзимологию и метаболизм D-аминокислот, ограничившись общими данными об основных ферментах, участвующих в метаболизме, и катализируемых ими реакциях (см. табл. 1).

Опубликовано в сети:

Существует ряд пространственных барьеров для активного участия D-аминокислот в клеточном метаболизме и синтезе белка (подробнее в следующем разделе ).Но, несмотря на стерические ограничения, аппарат трансляции может ошибочно, вероятно, из-за частичного антагонизма с L-конкурентами, принимать D-аминоацил(аа)-тРНК в сайт связывания рибосомной аа-тРНК (А), использовать А-сайт D -aa-tRNA в качестве акцептора пептидил-переноса и транслоцируют полученный пептидил-D-aa-tRNA в сайт связывания рибосомного пептидил-tRNA (P) (Englander et al. 2015). Эти факты могут частично объяснить изомерно-токсическое действие D-аминокислот на клетки некоторых живых организмов (Soutourina et al.2000 г.; Такаяма и др. 2005 г.; Бардавил и др. 2013; Хенер и др. 2018).

Таким образом, клетки многоклеточного организма на протяжении всей своей жизни встречают необычные и даже токсичные варианты аминокислот. Детоксикация D-изомеров аминокислот, по-видимому, тесно связана с процессом окислительного дезаминирования, в результате которого образуются α -кетокислоты (D’Mello 2003; Bardaweel et al. 2013), которые можно использовать позже в цикле лимонной кислоты ( САС) (см. рис. 3).

Опубликовано в сети:

Рисунок 3.Реакция окислительного дезаминирования D-аминокислот. Аминокислота подвергается зависимому от FAD ферментативному окислению с помощью оксидазы D-аминокислот (DAO) с образованием иминопроизводного в качестве промежуточного продукта. Затем иминокислота подвергается неферментативному гидролизу, который превращает субстрат в соответствующую α -кетокислоту и аммиак.

Эволюционные аспекты происхождения D-аминокислот

В природе преобладают преимущественно L-энантиомеры, которые иначе называют протеиногенными аминокислотами.До сих пор ведутся споры о том, где и как впервые появилась молекулярная асимметрия аминокислот и почему L-изомеры стали протеиногенными.

Следует отметить, что изучение метеорита Мерчисон (крупный метеорит, упавший на Землю вблизи Мерчисона, штат Виктория, Австралия, в 1969 г.) показало, что в его веществе присутствуют оба изомера аминокислот с преобладанием L-энантиомеров (Кронин и Pizzarello, 1997; Elsila и др., 2016). Так как углеродистые хондриты, к которым относится этот метеорит, образовали 4.5 миллиардов лет назад авторы (Cronin and Pizzarello 1997) выдвинули смелую гипотезу о том, что молекулярная асимметрия аминокислот появилась задолго до возникновения жизни на Земле.

Несмотря на эти данные, до сих пор остается загадкой, как и почему L-аминокислоты стали доминирующей формой на планете. Предпочтительное использование L-энантиомеров для построения клеточных белков, очевидно, имеет глубокие эволюционные корни. В ходе молекулярной эволюции были выбраны, по-видимому, случайно основные механизмы, исключающие D-аминокислоты из белкового синтеза и тем самым поддерживающие гомохиральность пептидов.

Однако различные организмы по-прежнему продуцируют биологически активные пептиды, содержащие D-аминокислоты. Они синтезируются путем прямого включения свободных D-аминокислот, что осуществляется большими ферментными комплексами, называемыми нерибосомными пептидными синтетазами (NRPS), или посредством D-модификации предшественника пептида, сконструированного из L-аминокислот, иначе называемого пост трансляционная эпимеризация L-аминокислот. Первый механизм специфичен для прокариот, а второй встречается как в про-, так и в эукариотических клетках.D-аминокислоты в природном состоянии практически не встречаются среди рецепторов, структурных белков и белков иммунной системы. Тем не менее, их все еще можно увидеть в составе пептидных антибиотиков, гормонов, нейропептидов, гепатотоксинов и опиоидов.

Среди основных причин такой эволюционной избирательности особенно выделяются энергетические эффекты и влияние D-нуклеотидов. Например, исследования (Fisun, Savin, 1992) и (Soares et al., 1997) показали, что пептид α -спираль, построенная из D-аминокислот, менее стабильна с энергетической точки зрения, чем аналогичная спираль, построенная из L -изомеры.Теоретические расчеты показали, что различия в энергии между D- и L-аминокислотами составляют порядка 10 ⁻¹⁹  эВ на молекулу (Lins and Ferreira 2006).

Некоторые ответы на эти вопросы можно также получить при анализе белок-нуклеиновых взаимодействий, которые постоянно происходят между РНК, ДНК и белками, участвующими в метаболизме нуклеиновых кислот. Было показано, что полинуклеотиды, содержащие стандартные D-сахара, по-разному реагируют с D- или L-аминокислотами. Расчеты показывают, что примитивные тРНК, образованные из нескольких рибонуклеотидов и способные специфически связываться с L-аминокислотой посредством водородных связей, в большинстве случаев не способны распознавать D-аминокислоты с такой же специфичностью, поскольку их латеральные группы заместителей стерически трудно укладываются в сайт связывания аминокислот тРНК (Balasubramanian 1983).Кроме того, этот процесс осложняется наличием особого фермента D-аминоацил-тРНК-деацилазы (ДТД), обладающего корректирующей активностью и удаляющего случайно связывающиеся с тРНК D-изомеры аминокислот (Kuncha et al., 2018). Таким образом, сосуществование D-рибонуклеотидов и L-аминокислот необходимо для определенных типов биологических взаимодействий. Если принять во внимание популярную гипотезу о том, что рибонуклеиновые кислоты предшествовали белкам в «пребиотическом бульоне» (Joyce 1989), становится очевидным, что эволюционный выбор в пользу L-аминокислот мог быть результатом основных свойств D-рибонуклеотидов. и молекул РНК, построенных из них (Bailey 1998).

Распространение D-аминокислот в природе

D-аминокислоты ранее назывались «ненативными», поскольку в подавляющем большинстве случаев они не используются в качестве строительных блоков структурных белков клеточных и неклеточных форм жизни. В то же время эти соединения присутствуют в прокариотических и эукариотических клетках в свободном виде или в составе других веществ.

Da Silva и Da Silva (2009) выдвинули гипотезу о том, что D-аминокислоты у разных видов обладают разным действием: токсическим, защитным и сигнальным.

Одним из наиболее изученных примеров присутствия D-аминокислот в составе природных биологических структур являются пептидогликаны некоторых микроорганизмов. Аминокислоты, такие как D-аланин и D-глутамат, являются важными компонентами клеточных стенок эубактерий, что способствует их устойчивости к гидролизу пептидазами. D-аминокислоты характерны и для дрожжевых клеток, обеспечивая устойчивость их спор к действию протеолитических ферментов.

Среди пептидов, которые в природном состоянии содержат D-аминокислоты, встречаются не только пептидогликаны, но и антибиотики, гепатотоксины, гормоны, опиоидные пептиды, нейропептиды и др.

Пептидные антибиотики, содержащие D-аминокислоты и обладающие противомикробными свойствами, обнаружены у многих микроорганизмов. В частности, структура и синтез пептидных антибиотиков хорошо изучены у некоторых представителей рода Bacillus (Peypoux et al., 1985; Jack and Jung, 1998). Например, терапевтический индекс таких циклических антибиотиков, как грамицидин S и полимиксин В, сильно модулируется содержащимся в их структуре D-фенилаланином. Все эти пептиды синтезируются независимо от рибосом.Их действие основано на образовании трансмембранных каналов или ингибировании синтеза клеточной стенки.

Биологически активные пептиды, содержащие D-аминокислоты, обнаружены также в клетках высших эукариотических организмов; разница лишь в том, что они образуются преимущественно в результате посттрансляционной модификации предшественника, состоящего из L-аминокислот.

D-аминокислоты, содержащие пептиды с опиоидной или антимикробной активностью, были выделены из кожных выделений беспозвоночных и земноводных.К таким соединениям относятся ахатины улиток, дерморфины, дельторфины и бомбинины земноводных (Mignogna et al., 1998; Volkmann and Heck, 1998; Jilek et al., 2005; Negri et al., 2005; Checco et al., 2018). Плотоядные морские брюхоногие моллюски семейства Conidae производят выделения с ядовитыми пептидами, содержащими D-триптофан или D-лейцин, называемые конотоксинами, которые могут привести к гибели рыбы, а также быть смертельными даже для млекопитающих, блокируя нервно-мышечную передачу (Volkmann and Heck 1998; Jimenez). и другие.2001 г.; Бай и др. 2013; Миямото и Хомма, 2018 г.).

Наличие остатков D-аминокислот обнаружено также в пептидных гормонах некоторых членистоногих. Например, многие ракообразные содержат две изоформы особого гипергликемического гормона (Chung et al. 2010). Биологический эффект этого гормона заключается в повышении концентрации глюкозы в гемолимфе в ответ на стресс или линьку (Chung et al. 2010).

Другим примером является яд североамериканского воронкового паука Agelenopsis aperta, содержащий различные белковые токсины, способные блокировать кальциевые каналы (Heck et al.1994 год; Муркин и Таннер, 2002). Эти пептиды, называемые агатоксинами, отличаются только наличием D-серина в аминокислотной последовательности. Токсин, содержащий D-аминокислоту ( ω  – агатоксин IV), более эффективен, чем его L-аналог (агатоксин IVC) (Heck et al., 1994; Murkin and Tanner, 2002).

Большое количество исследований, проведенных на млекопитающих и птицах, показали, что свободные D-аминокислоты присутствуют в тканях и биологических жидкостях позвоночных (Errico et al. 2008; Hamase et al. 2009; Lin et al.2017). Среди D-аминокислот D-аспартат и D-серин встречаются в самых высоких концентрациях. D-аспартат широко распространен в ЦНС и в периферических эндокринных органах крыс, человека и куриных эмбрионов. Локализация D-аспартата и D-серина в определенных участках мозга позволяет предположить, что эти D-аминокислоты действуют как своего рода нейротрансмиттеры или нейромодуляторы (Wolosker et al. , 2008; Errico et al., 2011, 2015; Horio et al. 2011).

Одним из наиболее экзотических примеров присутствия изоформ D-аминокислот в белках млекопитающих является дефензин-подобный пептид (DLP-2), выделенный из яда утконоса (Torres et al.2002 г.; Уиттингтон и др. 2009). У самца утконоса ( Ornithorhynchus anatinus ) пяточные шпоры на каждой задней конечности достигают 1,5 см в длину к моменту полового созревания. Каждая шпора связана протоком со специальной бедренной железой, вырабатывающей ядовитый секрет. Яд утконоса вполне способен убить такое маленькое животное, как динго. Было обнаружено, что ядовитость DLP-2 связана с присутствием D-метионина во втором положении (Torres et al. 2002, 2007; Whittington et al.2009).

Производные D-аминокислот также присутствуют в талломах водорослей и проростках высших растений, где они появляются в основном в форме дипептидов и эфиров малоновой кислоты (Brückner and Westhauser 2003; Yokoyama et al. 2003; Herrero et al. 2007; Буйо и др. , 2013; Голизаде, 2015; Штраух и др., 2015). Было обнаружено, что различные растения реагируют на стресс образованием D-триптофана с последующим синтезом его малонилпроизводных (Yu et al. 2014). Согласно некоторым исследованиям, производные D-триптофана могут быть предшественниками растительных гормонов ауксинов, оказывающих мощное влияние на рост плодов и побегов высших растений (Рекославская, 1986).

D-аминокислоты в сельском хозяйстве и производстве кормов

Сельскохозяйственные животные остаются основой глобального продовольственного снабжения. Очевидно, что почти все функции живого организма в той или иной степени связаны с их белковыми компонентами. Белки выполняют разнообразные функции: каталитическую, структурную, регуляторную, рецепторную, молекулярно-транспортную, защитную и дыхательную.

Белки организма состоят исключительно из белков и L-аминокислот пищи.Поэтому эти соединения очень важны в регуляции питания промышленно значимого скота и птицы для создания основы для здоровья животных и для прижизненного формирования продуктов животного происхождения с заданными технологическими и потребительскими свойствами (Liu et al. 2016).

Длительный дефицит белка или любой из незаменимых L-аминокислот может привести к нарушениям терморегуляции, снижению продуктивности или возникновению ряда тяжелых заболеваний, важнейшее из которых — иммунные нарушения, так как иммуноглобулины являются основными структурными и функциональными компонентами иммунной системы являются сами белки.Таким образом, для нормального роста, развития, устойчивости к инфекционным агентам и неблагоприятным факторам внешней среды, а также для формирования продуктов животного происхождения с заданными свойствами сельскохозяйственным животным и птице необходимо постоянное поступление в организм L-аминокислотного комплекса. определенной пропорции и усвояемой формы. В рационах часто не хватает сырого протеина и некоторых незаменимых аминокислот, и их обычно добавляют синтетическим путем в коммерческие кормосмеси.

Для повышения питательности рационов по сырому протеину их балансируют белковосодержащими кормовыми добавками или свободными аминокислотами. Некоторые из этих аминокислот образуются в результате микробиологического синтеза в определенных видах автотрофных почвенных бактерий, а другие — в результате химического синтеза в виде хлорированных рацемических смесей, требующих последующих процедур разделения (см. выше). В большинстве случаев эта процедура не применяется из-за значительного удорожания конечного кормового продукта, поэтому сельскохозяйственным животным часто назначают Л, Д-рацематы.

Удаление D-изомеров аминокислот из кормов необходимо по нескольким причинам: они имеют низкую метаболическую и питательную ценность (D’Mello 2003) (таблица 2), снижают доступность L-аминокислот (Csapo et al.2009) и требуют участия как минимум двух энергозатратных путей их утилизации в клетках животных. Первый путь представляет собой окислительное дезаминирование в соответствующую α -кетокислоту, второй – L-специфическое переаминирование с участием специальных аминотрансфераз (D’Mello 2003; Bhagavan and Ha 2015). Следует отметить, что, например, в организме птицы просто нет таких аминотрансфераз для L-специфического переаминирования многих D-аминокислот, поэтому они остаются метаболически интактными и впоследствии попадают во внешнюю среду в виде различного балластного азота. соединения вместе с птичьим пометом, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду в районах интенсивного птицеводства (Махешвари, 2013 г.).

Ранее было показано, что ряд D-изомеров аминокислот оказывает токсическое действие на некоторых млекопитающих и птицу, что проявляется в ослаблении иммунного статуса, нефротоксичности, снижении продуктивности и потере массы тела (Черкин и др. .1978 год; Бейкер 2006; Чапо и др. 2009; Картус 2012). Хотя точный механизм этой токсичности до сих пор неизвестен, можно предположить, что он связан с упомянутым выше эффектом конкуренции D- и L-изомеров и ошибочным включением D-аа-тРНК в трансляционный аппарат (Englander et al. др. 2015).

Следует также отметить, что токсичными для организма могут быть не только D-, но и свободные формы некоторых L-аминокислот. Например, исследования на цыплятах показали, что потребление избыточного количества свободных серосодержащих L-аминокислот может значительно увеличить их смертность из-за сбоев в работе селезенки или центральной нервной системы (ЦНС) и дегенерации сетчатки. Авторы исследования предполагают, что эти аминокислоты могут действовать как хелатирующие агенты, связывающие ряд важных микроэлементов, что приводит к их дефициту (Persia et al. 2003, Baker 2006).

Очевидно, что в животноводстве и птицеводстве свободные D-аминокислоты, а также их L-энантиомеры иногда оказывают негативное влияние, поэтому поиск идеальных вариантов добавок для балансировки сырого протеина и незаменимых L-аминокислот по-прежнему актуален.

В связи с изложенным интересно, что в ряде исследований показано, что эффективность всасывания L-аминокислот из неполных полипептидных гидролизатов в пищеварительном тракте иногда выше, чем их всасывание из смесей свободных L, D -аминокислоты (Fairclough et al.1980 г.; Силк и др. 1980, 1985; Фриман и др. 1983 год; Гримбл и др. 1986 год; Рерат и др. 1988 год; Боза и др. 1995 год; Тутельян и др. 2003 г.; Тимофеева и др. 2005 г.; Юнг и др. 2007 г.; Тен Хав и др. 2007). По этой причине для получения сбалансированных по аминокислотам рационов в настоящее время активно разрабатываются альтернативные методы балансировки сырого протеина, где основная роль отводится не свободным, а пептидсодержащим аминокислотам. Ранее авторами данного обзора был предложен биотехнологический подход к созданию термостабильных кассет кормовых пептидов, обогащенных в необходимой пропорции остатками L-аминокислот, важными для метаболизма различных групп птицы (Гришин и соавт.2017, 2018).

D-аминокислоты в биомедицине и пищевой промышленности

Несмотря на то, что в сельском хозяйстве и кормопроизводстве D-аминокислоты играют скорее негативную роль, в области биомедицины все с точностью до наоборот. Поскольку D-аминокислоты часто обнаруживаются в составе природных антибиотиков, выделенных из микроорганизмов, беспозвоночных и земноводных, их часто используют в качестве основы для создания лекарственных и ветеринарных антимикробных средств.

Среди антибиотиков на основе L,D-аминокислот широко известны тиротрицин ( Bacillus brevis ), D-циклосерин ( Streptomyces orchidaceus ), даптомицин ( Streptomyces roseosporus ), бензилпенициллин ( , актиномицин D ( Streptomyces parvullus ), капреомицин ( Streptomyces capreolus ), полимиксин ( Bacillus polymyxa ) (Martínez-Rodríguez et al. 2010; Роббель и Марахиэль, 2010 г.; Гришин, Соколов, 2014). Среди них есть бактерицидные, бактериостатические средства и даже соединения с противоопухолевой активностью.

Такие антибиотики можно разделить на преимущественно содержащие протеиногенные или непротеиногенные аминокислоты. Например, антибактериальные полимиксины и противоопухолевый антибиотик актиномицин D состоят в основном из протеиногенных аминокислот, лишь некоторые из которых имеют D-конфигурацию. Такие антибиотики могут иметь как линейную, так и циклическую структурную организацию.

Антибиотики, состоящие в основном из непротеиногенных аминокислот, в большинстве случаев имеют законченную циклическую форму. В то же время они весьма разнообразны по молекулярным механизмам действия: от дефосфорилирования фосфолипидов плазматической мембраны бактерий (бацитрацин А) до образования псевдоионных каналов, нарушающих трансмембранный транспорт ионов (тиротрицин). Длительные цитотоксические эффекты таких пептидных антибиотиков могут быть связаны как с изомерно-токсическим действием, так и с устойчивостью пептидов, построенных из D-изомеров аминокислот, к расщеплению протеолитическими ферментами.

Следует отметить, что многие популярные антибиотики, такие как представители группы пенициллина, содержат остаток вторичного D-валина, который составляет основу ядра 6-аминопенициллановой кислоты (см. Рисунок 4).

Пептиды, содержащие D-аминокислоты, в биомедицинских подходах

Ссылки

1. Schleifer KH, Kandler O. Пептидогликановые типы стенок бактериальных клеток и их таксономические последствия. Бактериол Rev 1972; 36: 407–77. Search in Google Scholar

2. Dawson PE, Muir TW, Clark-Lewis I, Kent S. Синтез белков путем нативного химического лигирования. С 1994 г.; 266: 776–9.Поиск в Google Scholar

3. Милтон Рд, Милтон С., Кент С. Полный химический синтез D-фермента: энантиомеры протеазы ВИЧ-1 демонстрируют реципрокную хиральную субстратную специфичность [исправлено]. Наука 1992; 256: 1445–8. Поиск в Google Scholar

4. Шумахер Т.Н., Майр Л.М., Минор Д.Л., Милхоллен М.А., Берджесс М.В., Ким П. С. Идентификация лигандов D-пептида с помощью зеркального фагового дисплея. Наука 1996; 271: 1854–7. Поиск в Google Scholar

5. Эккерт Д.М., Малашкевич В.Н., Хонг Л.Х., Карр П.А., Ким П.С.Ингибирование проникновения ВИЧ-1: открытие ингибиторов D-пептида, нацеленных на карман gp41 спиральной спирали. Сотовый 1999; 99: 103–15. Поиск в Google Scholar

6. Liu M, Li C, Pazgier M, Li C, Mao Y, Lv Y, Gu B, Wei G, Yuan W, Zhan C, Lu WY. D-пептидные ингибиторы взаимодействия p53–MDM2 для таргетной молекулярной терапии злокачественных новообразований. Proc Natl Acad Sci USA 2010; 107: 14321–6. Поиск в Google Scholar

7. Гудман М., Хорев М. О концепции линейных модифицированных ретропептидных структур.Acc Chem Res 1979; 12: 1–7. Поиск в Google Scholar

8. Guichard G, Benkirane N, Zeder-Lutz G, Van Regenmortel M, Briand J-P, Muller S. Антигенная мимикрия природных L-пептидов с ретро-инверсо-пептидомиметиками. Proc Natl Acad Sci USA 1994; 91: 9765–9. Поиск в Google Scholar

9. Wei XL, Zhan CY, Shen Q, Fu W, Xie C, Gao J, Peng CM, Zheng P, Lu WY. D-пептидный лиганд никотин-ацетилхолиновых рецепторов для адресной доставки лекарств в головной мозг. Angew Chem Int Ed 2015; 54: 3023–7. Поиск в Google Scholar

10.Li C, Pazgier M, Li J, Li C, Liu M, Zou G, Li Z, Chen J, Tarasov SG, Lu WY. Ограничения ретро-инверсо-изомеризации пептидов в молекулярной мимикрии. J Биол Хим 2010; 285: 19572–81. Search in Google Scholar

11. Li J, Kuang Y, Gao Y, Du X, Shi J, Xu B. D-аминокислоты повышают селективность и образуют супрамолекулярные гидрогели нестероидных противовоспалительных препаратов. (НПВП). J Am Chem Soc 2013; 135: 542–5. Поиск в Google Scholar

12. Li JY, Gao Y, Kuang Y, Shi JF, Du XW, Zhou J, Wang HM, Yang ZM, Xu B.Дефосфорилирование производных D-пептида с образованием биофункциональных супрамолекулярных нановолокон/гидрогелей и их потенциальное применение для внутриклеточной визуализации и внутриопухолевой химиотерапии. J Am Chem Soc 2013; 135: 9907–14. Search in Google Scholar

13. Yang Z, Liang G, Xu B. Ферментативное гидрогелеобразование малых молекул. Acc Chem Res 2008; 41: 315–26. Search in Google Scholar

14. Zhou J, Du XW, Li J, Yamagata N, Xu B. Таурин повышает клеточное поглощение малых D-пептидов для инструктируемой ферментами внутриклеточной молекулярной самосборки.J Am Chem Soc 2015; 137: 10040–3. Search in Google Scholar

15. Zhao F, Gao Y, Shi J, Browdy HM, Xu B. Новый анизотропный супрамолекулярный гидрогель с высокой стабильностью в широком диапазоне pH. Ленгмюр 2010; 27: 1510–2. Search in Google Scholar

16. Brückner H, Fujii N. D-аминокислоты: в химии, науках о жизни и биотехнологии. Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2011. Search in Google Scholar

17. Tugyi R, Uray K, Ivan D, Fellinger E, Perkins A, Hudecz F. Частичная замена D-аминокислот: улучшенная ферментативная стабильность и сохраненное распознавание антител пептида эпитопа MUC2.Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: 413–8. Поиск в Google Scholar

18. Уэйд Д., Боман А., Волин Б., Дрейн С., Андреу Д., Боман Х.Г., Меррифилд Р.Б. Антибиотические пептиды, образующие каналы, содержащие все аминокислоты D. Proc Natl Acad Sci USA 1990; 87: 4761–5. Search in Google Scholar

19. Eller M, Jarv J, Toomik R, Ragnarsson U, Ekman P, Engstrom L. Субстратная специфичность протеинкиназы-c изучена с пептидами, содержащими D-аминокислоту. остатки. Дж. Биохим, 1993; 114: 177–80. Поиск в Google Scholar

20.Меррифилд Э.Л., Митчелл С.А., Убах Дж., Боман Х.Г., Андреу Д., Меррифилд Р.Б. D-энантиомеры гибридов цекропина-мелиттина из 15 остатков. Int J Pept Protein Res 1995; 46: 214–20. Search in Google Scholar

21. Shi J, Du X, Yuan D, Zhou J, Zhou N, Huang Y, Xu B. D-аминокислоты модулируют клеточный ответ ферментативно инструктированных супрамолекулярных нановолокон небольшие пептиды. Биомакромолекулы 2014; 15: 3559–68. Поиск в Google Scholar

22. Ван Х., Ван И, Хан А, Цай Ю, Сяо Н, Ван Л, Дин Д, Ян З.Обогащение клеточных мембран самособирающимися D-пептидами для инженерии клеточной поверхности. Интерфейсы Appl Mater ACS 2014; 6: 9815–21. Поиск в Google Scholar

23. Liang G, Yang Z, Zhang R, Li L, Fan Y, Kuang Y, Gao Y, Wang T, Lu WW, Xu B. Супрамолекулярный гидрогель D- аминокислотный дипептид для контролируемого высвобождения лекарственного средства in vivo. Ленгмюр 2009; 25: 8419–22. Поиск в Google Scholar

24. Li XM, Du XW, Li JY, Gao Y, Pan Y, Shi JF, Zhou N, Xu B. Введение D-аминокислоты или простого гликозида в небольшие пептиды для позволяют супрамолекулярным гидрогелатам противостоять протеолизу.Ленгмюр 2012; 28: 13512–7. Поиск в Google Scholar

25. д’Амур Д., Деснойерс С., д’Сильва И., Пуарье Г.Г. Реакции поли(АДФ-рибозил)ирования в регуляции ядерных функций. Биохим Дж. 1999; 342: 249–68. Поиск в Google Scholar

26. Pardridge WM. Рецепторно-опосредованный транспорт пептидов через гематоэнцефалический барьер. Эндокр, ред. 1986 г.; 7: 314–30. Поиск в Google Scholar

27. Futaki S, Suzuki T, Ohashi W, Yagami T, Tanaka S, Ueda K, Sugiura Y. Богатые аргинином пептиды.Обильный источник мембранопроницаемых пептидов, обладающих потенциалом в качестве носителей для внутриклеточной доставки белков. Дж. Биол. Хим. 2001; 276: 5836–40. Поиск в Google Scholar

28. Levine AJ, Momand J, Finlay CA. Ген-супрессор опухоли p53. Природа 1991; 351: 453–6. Поиск в Google Scholar

29. Haupt Y, Maya R, Kazaz A, Oren M. Mdm2 способствует быстрой деградации p53. Природа 1997; 387: 296–9. Поиск в Google Scholar

30. Wong C-H, Whitesides GM. Ферменты в синтетической органической химии.Cambridge, USA: Academic Press, 1994. Поиск в Google Scholar

31. Wehofsky N, Pech A, Liebscher S, Schmidt S, Komeda H, Asano Y, Bordusa F. Протеазы, специфичные для D-аминокислот, и нативные all-L- белки: удобная комбинация для полусинтеза. Angew Chem Int Ed 2008; 47: 5456–60. Поиск в Google Scholar

32. Naghavi M, Wang H, Lozano R, Davis A, Liang X, Zhou M, Vollset SE, Ozgoren AA, Abdalla S, Abd-Allah F. Global, Regional, и национальная возрастно-половая смертность от всех причин и причинно-специфическая смертность по 240 причинам смерти, 1990–2013 гг. : систематический анализ для исследования глобального бремени болезней, 2013 г.Ланцет 2015; 385: 117–71. Поиск в Google Scholar

33. Чжао Ф., Ма М.Л., Сюй Б. Молекулярные гидрогели терапевтических агентов. Chem Soc Rev 2009; 38: 883–91. Поиск в Google Scholar

34. Gao Y, Kuang Y, Guo Z-F, Guo Z, Krauss IJ, Xu B. Молекулярная самосборка под руководством фермента дает нановолокна и супрамолекулярный гидрогель производного таксола. J Am Chem Soc 2009; 131: 13576–7. Поиск в Google Scholar

35. Burtis CA, Ashwood ER, Burns DE. Учебник Титца по клинической и молекулярной диагностике.Сондерс, Сент-Луис, США: Elsevier, 2006. Поиск в Google Scholar

36. Yang Z, Xu K, Guo Z, Guo Z, Xu B. Внутриклеточное ферментативное образование нановолокон приводит к гидрогелированию и регулируемой гибели клеток. Adv Mater 2007; 19: 3152–6. Поиск в Google Scholar

37. Kuang Y, Shi J, Li J, Yuan D, Alberti KA, Xu Q, Xu B. Перицеллюлярный гидрогель/нанонетки ингибируют раковые клетки. Angew Chem Int Ed 2014; 53: 8104–7. Поиск в Google Scholar

38. Li J, Kuang Y, Shi J, Zhou J, Medina JE, Zhou R, Yuan D, Yang C, Wang H, Yang Z.Управляемая ферментом внутриклеточная молекулярная самосборка для повышения активности цисплатина против устойчивых к лекарствам клеток рака яичников. Angew Chem Int Ed 2015; 127: 13505–9. Поиск в Google Scholar

39. Yang C, Chu L, Zhang Y, Shi Y, Liu J, Liu Q, Fan S, Yang Z, Ding D, Kong D. Динамическая биостабильность, биораспределение и токсичность супрамолекулярных нановолокон на основе L/D-пептидов. Интерфейсы Appl Mater ACS 2015; 7: 2735–44. Поиск в Google Scholar

40. Ou C, Zhang J, Shi Y, Wang Z, Wang L, Yang Z, Chen M.Пептидный гидрогель с допингом D-аминокислот для получения клеточной колонии. РСК Ад 2014; 4: 9229–32. Search in Google Scholar

41. Marchesan S, Easton C, Styan K, Waddington L, Kushkaki F, Goodall L, McLean K, Forsythe J, Hartley P. Эффекты хиральности в каждой позиции аминокислоты в трипептиде самосборка в гидрогелевые биоматериалы.