¿Por qué los aminoácidos en biología son homoquirales?

Sé que te refieres a las proteínas L comúnmente traducidas por ribosomas, pero no puedo evitar agregar que hay algunos péptidos, llamados péptidos no ribosómicos, que no dependen del ARNm y pueden incorporar D-aminoácidos. Tienen propiedades farmacéuticas muy importantes. Recomiendo este (1) artículo de revisión si está interesado en el tema. También vale la pena mencionar que la D-alanina y la D-glutamina se incorporan al peptidoglicano de las bacterias.

Leí varios artículos (2, 3, 4) que discuten el problema de la quiralidad pero todos concluyen que no hay una razón aparente por la que vivimos en el mundo L. Los L-aminoácidos no deberían tener ventajas químicas sobre los D-aminoácidos, como ya señaló biocs.

Las razones de la aparición de los veinte aminoácidos proteicos codificados (2) tienen un esquema informativo e interesante. Este es el párrafo sobre el tema de la quiralidad:

Esto está relacionado con la cuestión del origen de la actividad óptica en los organismos vivos sobre la que existe una literatura muy amplia ( Bonner 1972 ; Norden 1978 ; Brack y Spack 1980 ). No proponemos abordar esta cuestión aquí, excepto para señalar que los argumentos presentados en este documento se aplicarían a organismos construidos a partir de aminoácidos D o L.

Podría ser posible que tanto la vida L como la D estuvieran presentes (aminoácidos L/D, enzimas L/D que reconocen sustratos L/D), pero, por casualidad, el mundo L superó al mundo D.

También encontré la misma pregunta en un foro donde una de las respuestas parece intrigante. No puedo comentar sobre la confiabilidad de la respuesta, pero espero que alguien tenga la experiencia para hacerlo:

Uno, nuestra galaxia tiene un espín quiral y una orientación magnética, lo que hace que las partículas de polvo cósmico polaricen la luz de las estrellas como una polarización circular en una sola dirección. Esta luz polarizada circularmente degrada los enantiómeros D de los aminoácidos más que los enantiómeros L, y este efecto es claro cuando se analizan los aminoácidos que se encuentran en los cometas y meteoros. Esto explica por qué, al menos en la vía láctea, se prefieren los enantiómeros L.

Dos, aunque la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte son aquirales, la fuerza nuclear débil (desintegración radiactiva) es quiral. Durante la desintegración beta, los electrones emitidos favorecen preferentemente un tipo de espín. Así es, la paridad del universo no se conserva en la descomposición nuclear. Estos electrones quirales una vez más degradan preferentemente los aminoácidos D frente a los aminoácidos L.

Por lo tanto, debido a la quiralidad de la luz solar y la quiralidad de la radiación nuclear, los aminoácidos L son los enantiómeros más estables y, por lo tanto, se favorecen para la abiogénesis.

1. BIOSÍNTESIS DE PÉPTIDOS NO RIBOSOMALES

2. Razones para la aparición de los veinte aminoácidos proteicos codificados

3. Base molecular para la selección quiral en la aminoacilación de ARN

4. Cómo trata la naturaleza con los estereoisómeros

5. La adaptación de derivados diastereoméricos de dipéptido S-prolilo a la estimación cuantitativa de enantiómeros R- y S-leucina. Bonner WA, 1972

6. La asimetría de la vida. Nordén B, 1978

7. Estructuras beta de polipéptidos con residuos L y D. Parte III. Evidencias experimentales de enriquecimiento en enantiómero. Brack A, Spach G, 1980

El ribosoma mantiene el tRNA unido al péptido y el aminoacil-tRNA en la orientación correcta para catalizar la reacción de la peptidiltransferasa.

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

Si el aminoacil-tRNA entrante fuera el otro enantiómero, el resto de aminoácido no encajaría correctamente en el sitio activo del ribosoma. En otras palabras, la forma del ribosoma selecciona enantiómeros de aminoácidos específicos. En las mezclas abióticas, la creación de aminoácidos y su polimerización no es catalítica, por lo que no existe especificidad ni selección para determinados enantiómeros.

Si está haciendo la pregunta de "biogénesis", entonces creo que la respuesta es que no conocemos la selección original, y puede ser solo casualidad. Pero una vez que la bioquímica comenzó a fabricarlos y usarlos, por supuesto que eran todos iguales. Pero, francamente, "¿por qué no D-aminoácidos" tiene tanto sentido como "¿por qué no 22 aminoácidos, o 23, o 24 o 25?" Porque eso es lo que pasó.

Hasta donde yo sé, se desconoce por qué solo vemos aminoácidos zurdos y no diestros. Un artículo reciente especula que la fuerza débil podría ser responsable de una pequeña asimetría en los niveles de energía entre los estereoisómeros. Sin embargo, si el efecto es pequeño, es difícil ver por qué debería tener implicaciones biológicas. En 2004, Tamura y Schimmel demostraron que el ARN tiene preferencia por los L-aminoácidos, mientras que el ARN reflejado tiene preferencia por los D-aminoácidos. Concluyen:

Estos resultados sugieren la posibilidad de que la selección de L-aminoácidos para proteínas estuviera determinada por la estereoquímica del ARN.

Entonces, la siguiente pregunta es: ¿Por qué observamos solo un tipo de ARN? Podría ser solo por casualidad que un polímero de una configuración de ARN se volviera autorreplicante.

El resultado normal de un intento de ensamblar proteínas con aminoácidos quirales mixtos es una proteína que no logra plegarse.

La suposición general debido a este resultado es que se debe hacer una elección muy pronto para usar todos los aminoácidos dextrógiros o todos los dextrógiros. No parece haber ninguna razón particular para elegir una forma sobre la otra, excepto por la prevalencia.

El uso de solo 1 quiralidad para el ecosistema simplifica la formación de proteínas y los marcos de plegado. En teoría, podría tener un sistema de codones con 40 valores distintos (y 24 valores redundantes): glicina, codón de terminación y variaciones izquierda/derecha de cada otro aminoácido. Sin embargo, las proteínas y la "maquinaria" nano necesaria para respaldar esto serían muy complejas. Es mucho más eficiente construir alrededor de 1 quiralidad y mantenerla.

Alternativamente, podría tener enzimas diseñadas específicamente para cambiar las proteínas de la quiralidad "incorrecta" según la especie.

Con eso en mente, un ecosistema con diferentes especies que tienen diferente quiralidad de aminoácidos sería un caos digestivo. Si comes un bistec dextroproteico, tu digestión descompondrá las proteínas en... dextroaminoácidos. El mejor resultado: no se absorben y se tiran por el inodoro. El peor resultado: se absorben y sus células las utilizan para producir proteínas, lo que provoca graves errores de plegamiento, proteínas no funcionales y una serie de problemas de salud imposibles de rastrear que probablemente se diagnosticarían erróneamente como una infección por espiroquetas (problemas de salud de gran alcance que no se limitan a a una región específica y no tienen un patrón perceptible).

La mayoría de las respuestas a la cuestión de la homoquiralidad han considerado la razón (si la hay) por la que los aminoácidos en las proteínas son L en lugar de D. Es decir, ¿por qué L? No tengo nada más que añadir a esa discusión.

Un par de respuestas han abordado la pregunta de por qué no hay una mezcla de aminoácidos L y D en las proteínas , es decir, ¿por qué solo L? Han surgido dos argumentos distintos. Los consideraré a su vez e intentaré desarrollarlos un poco más.

@Joshua declaró que "los resultados de un intento de ensamblar proteínas con aminoácidos quirales mixtos es una proteína que no se pliega". Creo que uno puede expresar esto con más precisión en términos evolutivos. El componente de estructura secundaria α-helicoidal de las proteínas probablemente surgió temprano, ya que involucra solo el esqueleto de la proteína, en lugar de la cadena lateral de aminoácidos en particular. Sin embargo, no es posible sustituir un D-aminoácido en una α-hélice de L-aminoácidos sin alterar la estructura . Por lo tanto, se puede suponer que la homoquiralidad era necesaria para la creación de "bloques de construcción" estándar para el desarrollo temprano de proteínas.

@KAM ha considerado la cuestión de la estereoquímica del sitio activo, específicamente la de la peptidil transferasa. La estereoquímica del sitio activo de la interacción de las enzimas con sus sustratos es un fuerte argumento a favor de la homoquiralidad, pero me llamó la atención que esto debe abordarse antes de la formación de enlaces peptídicos, en la síntesis de los propios aminoácidos.

Resulta que llegué tarde a la fiesta. En la edición de 2002 (no he consultado las anteriores) del libro de texto “Bioquímica”, de Berg et al. , el apartado 24.2.2 del capítulo de síntesis de aminoácidos se titula:

Un paso común determina la quiralidad de todos los aminoácidos.

Los aminoácidos se sintetizan, directa o indirectamente, mediante reacciones catalizadas por transaminasas (aminotransferasas) que convierten los cetoácidos en aminoácidos:

Oxaloacetato → Asp → (Asn, Met, (Thr→Ile), Lys)
Piruvato → (Ala, Val, Leu)
Fosfenolpiruvato → (Phe, Tyr, Trp)
α-Cetoglutarato → Glu → (Gln, Pro, Arg)
3 -Fosfoglicerato → Ser → (Cys, Gly)
Ribosa 5-fosfato → His

Estas transaminasas tienen un sitio activo similar que involucra un residuo de lisina y arginina y usan el cofactor, fosfato de piridoxal. El mecanismo de reacción (a continuación) puede parecer un poco complejo, pero el paso en el que se determina la quiralidad del aminoácido es la conversión del intermedio quinoide en aldimina externa:

Citando a Berg et al. (de donde se toman los diagramas):

La quiralidad del aminoácido formado está determinada por la dirección desde la cual se agrega este protón a la forma quinonoide. Este paso de protonación determina la configuración l de los aminoácidos producidos. La interacción entre el residuo de arginina conservado y el grupo α-carboxilato ayuda a orientar el sustrato de modo que, cuando el residuo de lisina transfiere un protón a la cara del intermedio quinonoide, genera una aldimina con una configuración L en el centro C _α .

Por lo tanto, parecería más probable que la estereoquímica del sitio activo de la peptidil transferasa fuera una respuesta evolutiva a la homoquiralidad existente de los aminoácidos, y no al revés .