Protein là cơ bản cho sự sống, và chức năng của chúng phụ thuộc vào sự sắp xếp ba chiều chính xác của các khối xây dựng của chúng.Một khía cạnh quan trọng của cấu trúc này là chirality, hoặc giao số phân tử, ảnh hưởng đến cách các protein gấp và tương tác với các phân tử sinh học khác.Gần như tất cả các axit amin xuất hiện tự nhiên trong protein tồn tại trong cấu hình L, một hiện tượng có ý nghĩa sinh hóa đáng kể.
Hiểu về axit amin cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự ổn định của protein, hoạt động enzyme và thậm chí là nguồn gốc của sự sống.Các nhà nghiên cứu cũng nghiên cứu độ lệch so với các mô hình chirality điển hình, chẳng hạn như sự hiện diện của axit d-amino trong một số hệ thống sinh học.
Nguyên tắc cơ bản của Chirality trong axit amin
Chirity trong các axit amin phát sinh từ sự hiện diện của một α-carbon trung tâm được liên kết với bốn nhóm riêng biệt: một nhóm amino (-NH₂), một nhóm carboxyl (-cooh), một nguyên tử hydro và chuỗi bên thay đổi (nhóm R).Cấu trúc này tạo ra hai hình ảnh phản chiếu không thể tăng cường, hoặc các chất đối kháng, được chỉ định là các dạng L- và D.Sự thống trị của axit L-amino trong protein là một đặc điểm xác định của hóa sinh, định hình các tương tác phân tử và tính đặc hiệu của enzyme.
Ưu tiên này đối với L-enantiomers không phải là trùng hợp mà là kết quả của việc lựa chọn tiến hóa.Các nghiên cứu cho thấy hóa học prebiotic ủng hộ axit L-amino do tự phân tích không đối xứng, như đã thấy trong các thí nghiệm như phản ứng SOAI, trong đó khuếch đại chirus xảy ra trong điều kiện cụ thể.Các phân tích thiên thạch, bao gồm cả các phân tích của thiên thạch Murchison, đã tiết lộ sự dư thừa của các axit L-amino, gợi ý về những đóng góp ngoài trái đất cho tính đồng nhất trên Trái đất.Những phát hiện này ủng hộ ý tưởng rằng các quá trình phi sinh học đã thiết lập một sự thiên vị ban đầu, sau đó được củng cố bởi sự tiến hóa sinh học.
Việc sử dụng độc quyền các axit L-amino trong protein đảm bảo tính đồng nhất trong các mẫu gấp thứ cấp và cấp ba.Các cấu trúc protein như xoắn ốc và β-sheet dựa vào hóa học lập thể nhất quán cho sự ổn định.Các mô hình tính toán và nghiên cứu tinh thể cho thấy rằng việc kết hợp các axit d-amino phá vỡ liên kết hydro và thay đổi các góc xoắn xương sống, thường dẫn đến việc sai hoặc mất chức năng.
Vai trò trong việc gấp peptide và protein
Một cấu trúc ba chiều của protein phụ thuộc vào hóa học lập thể của các axit amin của nó, với tính chất chirality đóng vai trò quan trọng trong việc gấp.Sự hiện diện độc quyền của axit L-amino đảm bảo hình học liên kết peptide đồng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc xương sống.Tính nhất quán này cho phép các protein hình thành các cấu trúc thứ cấp ổn định, chẳng hạn như xoắn ốc và β-tấm.Ví dụ, bản chất thuận tay phải của các chuỗi α phát sinh từ các ràng buộc được áp đặt bởi các axit L-amino, trong khi axit d-amino sẽ đảo ngược hướng xoắn ốc, phá vỡ tính toàn vẹn cấu trúc.
Chirality cũng ảnh hưởng đến sự sắp xếp đại học và bậc bốn.Định hướng không gian của chuỗi bên chỉ ra cách các polypeptide gấp thành các hình dạng chức năng.Mô phỏng động lực phân tử cho thấy giới thiệu các axit d-amino làm thay đổi đóng gói kỵ nước, tương tác tĩnh điện và lực van der Waals, thường làm mất ổn định protein.Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong các enzyme, trong đó kiến trúc trang web hoạt động phụ thuộc vào định vị dư lượng xúc tác chính xác.Bất kỳ sai lệch nào trong chirality đều có thể làm biến dạng liên kết cơ chất hoặc phá vỡ các cơ chế phản ứng, làm suy yếu hoạt động của enzyme.
Tương tác protein-protein cũng phụ thuộc vào tính chất lập thể, đảm bảo các hình dạng bổ sung và phân phối điện tích.Việc sai do tính không chính xác có thể dẫn đến các tương tác bất thường, như đã thấy trong các rối loạn amyloid trong đó kết quả gấp không đúng trong các tập hợp không hòa tan.Nghiên cứu về protein prion đã chỉ ra rằng ngay cả những thay đổi lập thể nhỏ có thể gây ra sự phù hợp sai, kích hoạt các tầng gây bệnh.
Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự chirality
Độ phân giải axit amin được định hình bởi các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, pH và bức xạ.Phân biệt chủng tộc, sự xen kẽ giữa L- và D-enantiomers, người dân dễ dàng hơn ở nhiệt độ cao hơn, đặc biệt là trong bối cảnh địa hóa và ngoài trái đất.Các nghiên cứu về các phân tử sinh học cổ đại từ băng vĩnh cửu cho thấy mức độ phân biệt chủng tộc thấp, trong khi môi trường ấm hơn làm tăng tốc độ suy thoái chirus, làm nổi bật vai trò ổn định nhiệt trong việc bảo tồn tính đồng nhất trong thời gian địa chất.
Biến thể pH cũng ảnh hưởng đến động học phân biệt chủng tộc.Điều kiện kiềm tăng tốc chuyển đổi enantomer bằng cách tạo điều kiện trao đổi proton tại α-carbon, một quá trình được quan sát thấy trong các protein hóa thạch và mẫu khảo cổ.Ngược lại, điều kiện axit, ổn định cấu hình chirus bằng cách giảm tính sẵn có proton tự do.Sự phụ thuộc pH này là rất quan trọng đối với tuổi thọ protein trong các hệ thống sinh học và tổng hợp, như đã thấy trong các công thức dược phẩm trong đó duy trì an toàn là cần thiết cho hiệu quả của thuốc và thời hạn sử dụng.
Bức xạ ảnh hưởng hơn nữa đến tính chrality axit amin, đặc biệt là trong môi trường ngoài trái đất.Ultraviolet (UV) và bức xạ ion hóa có thể gây ra quá trình quang hóa không đối xứng, có chọn lọc phá vỡ một đối với một đối thủ khác.Mô phỏng phòng thí nghiệm bắt chước các điều kiện không gian cho thấy ánh sáng phân cực tròn ưu tiên làm suy giảm axit d-amino, có khả năng giải thích sự dư thừa của L-enantiome trong một số thiên thạch.Hiểu các cơ chế này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về nguồn gốc của tính đồng nhất trên trái đất và tiềm năng cho sự thiên vị chirality trên các hành tinh khác.
Axit d-amino trong hệ thống sinh học
Sau khi được coi là dị thường, axit d-amino đóng vai trò thiết yếu trong các quá trình sinh lý khác nhau.Mặc dù vắng mặt trong hầu hết các protein, chúng được tích cực tổng hợp và sử dụng trong các mô và sinh vật cụ thể.Trong thành tế bào vi khuẩn, D-alanine và D-glutamate tăng cường các lớp peptidoglycan, tăng cường khả năng chống suy thoái enzyme bằng cách phòng thủ của vật chủ.Sự thích nghi này giúp vi khuẩn gây bệnh trốn tránh các phản ứng miễn dịch, làm cho chuyển hóa axit d-amino trở thành mục tiêu để phát triển kháng sinh.
Ở động vật có vú, D-serine điều chỉnh hệ thống thần kinh trung ương, đóng vai trò là người đồng chủ nhân tại các thụ thể NMDA (N-methyl-D-aspartate).Không giống như L-Vuntr của nó, D-serine ảnh hưởng đến tính dẻo và chức năng nhận thức của synap, với mức độ thay đổi liên quan đến các rối loạn thần kinh như tâm thần phân liệt và bệnh Alzheimer.Nghiên cứu liên kết chuyển hóa D-serine bất thường với rối loạn chức năng synap, thúc đẩy các thuốc ức chế điều trị D-amino axit oxyase (DAAO) để khôi phục dẫn truyền thần kinh cân bằng.
Ngoài khoa học thần kinh, D-aspartate đã được xác định trong các mô nội tiết, nơi nó ảnh hưởng đến bài tiết hormone, đặc biệt là trong tinh hoàn và tuyến yên.Các nghiên cứu cho thấy D-aspartate điều chỉnh tổng hợp testosterone, liên kết nó với sức khỏe và sự phát triển sinh sản.
Kỹ thuật phát hiện phân tích
Phân biệt giữa axit L- và D-amino là rất cần thiết để nghiên cứu cấu trúc protein, hoạt động enzyme và quá trình trao đổi chất.Những tiến bộ trong hóa học phân tích đã mang lại các phương pháp chính xác để phát hiện và định lượng chất chirality axit amin trong các mẫu sinh học và môi trường.
Các kỹ thuật sắc ký, đặc biệt là sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC) với các pha cố định của chirus, được sử dụng rộng rãi để phân tách enantomer.Các tác nhân dẫn xuất chirus tăng cường độ phân giải giữa các dạng L- và D, cho phép định lượng chính xác trong các ma trận sinh học phức tạp.Sắc ký khí (GC) kết hợp với quang phổ khối (MS) cung cấp một cách tiếp cận khác, đặc biệt hữu ích cho các dẫn xuất axit amin dễ bay hơi.Phương pháp này đã là công cụ trong việc phát hiện một lượng axit D-amino trong mô não và nuôi cấy vi khuẩn.
Các kỹ thuật quang phổ, bao gồm lưỡng sắc tròn (CD) và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), cung cấp những hiểu biết bổ sung bằng cách phân tích sự khác biệt về cấu trúc và điện tử giữa các đối thủ.Phổ CD đánh giá độ tinh khiết của chirus thông qua sự hấp thụ khác biệt của ánh sáng phân cực tròn, làm cho nó có giá trị cho các nghiên cứu gấp protein.NMR phân biệt sự thay đổi hóa học giữa các dạng L- và D, đặc biệt khi kết hợp với thuốc thử dịch chuyển chirus.Các công nghệ mới nổi, chẳng hạn như cảm biến sinh học vi lỏng và phân tích quang phổ hỗ trợ máy học, tiếp tục tinh chỉnh phát hiện axit amin chirus.
