為什么天然蛋白質中氨基酸都是L-構型？

關于天然蛋白質中氨基酸為什么是L-構型而不是其對映異構體D-構型，科學界至今仍然沒有能夠給出一個準確的有說服力的答案。在45億年前的地球隕石上也曾發現了D-氨基酸，但那個時期L-氨基酸就已經占據絕對性的主導地位?；谶@一發現，研究者提出了一個大膽的假設，即氨基酸的分子不對稱性早在地球上出現生命之前就已經出現了。[1]優先使用氨基酸的L-對映異構體構建蛋白質顯然具有深厚的進化根源，在分子進化過程中，D-氨基酸排除在蛋白質合成之外，從而維持肽的手性同源性。然而自然界為何以及如何選擇L-氨基酸作為生物體蛋白合成的基本單元，至今仍然無解。

自然界中的D-氨基酸

D-氨基酸以前被稱為“非天然”氨基酸其實并不算準確，盡管L-構型的氨基酸在自然界的蛋白質和多肽中占據絕對統治地位，但生物體仍會產生含有 D-氨基酸的生物活性肽和蛋白。這些肽和蛋白通過由非核糖體肽合成酶 (NRPS) 介導的游離 D-氨基酸的直接偶合而合成，或者通過L-多肽前體進行D-修飾——也稱為翻譯后L-氨基酸差向異構化（post translational epimerization）——而生成。前一種機制是原核生物所特有的，而后一種機制發生在原核細胞和真核細胞中。

存在于天然生物結構中的D-氨基酸最好的一個例子是微生物的肽聚糖。D-丙氨酸和D-谷氨酸等氨基酸是真細菌細胞壁的重要成分，有助于它們抵抗肽酶的水解。D-氨基酸也存在于酵母細胞中，幫助其孢子抵抗蛋白水解酶的影響。盡管在受體蛋白、結構蛋白和免疫蛋白質中幾乎沒有發現天然狀態的D-氨基酸，它們仍然可以在肽類抗生素、激素、神經肽、肝毒素和阿片肽等中出現。

科學家在許多微生物中發現了含有D-氨基酸并具有抗菌特性的肽類抗生素。在芽孢桿菌屬的一些成員中，肽類抗生素的結構和合成得到了很好的研究。[2]短桿菌肽S (gramicidin S) 和多粘菌素B (polymyxin B) 等環狀抗生素的治療效果與其結構中所含的D-苯丙氨酸強烈相關。所有這些肽的合成都是不經過核糖體。它們的抗生素機制一般基于跨膜通道的形成或細胞壁合成的抑制。

圖1. 短桿菌肽S（上）、多粘菌素B1（下左）、多粘菌素B2（下右）化學結構

在真核生物的細胞中，科學家也發現了含有D-氨基酸的生物活性肽，它們主要由 L-氨基酸組成的前體的翻譯后修飾形成。從無脊椎動物和兩棲動物的皮膚分泌物中，已經分離出具有阿片樣物質或抗菌活性的D-氨基酸多肽。芋螺科的食肉海洋腹足類軟體動物會分泌含有D-色氨酸或D-亮氨酸的毒液肽，稱為芋螺毒素，這會導致魚類死亡，甚至可通過阻斷神經肌肉傳遞對哺乳動物產生致命影響。[3]在一些節肢動物的肽激素中也檢測到了 D-氨基酸的存在，例如北美漏斗網蜘蛛（Agelenopsis aperta）的毒液中含有多種能夠阻斷鈣通道的蛋白質毒素。[4]

對哺乳動物和鳥類進行的大量研究表明，游離 D-氨基酸存在于脊椎動物的組織和生物體液中，其中D-天冬氨酸和 D-絲氨酸的濃度最高。D-天冬氨酸廣泛分布于整個中樞神經系統以及大鼠、人類和雞胚胎的內分泌外周器官中。D-天冬氨酸和 D-絲氨酸在大腦特定部位的定位表明這些 D-氨基酸可能充當一種神經遞質或神經調節劑。

由于從微生物、無脊椎動物和兩棲動物分離出來的天然抗生素中經?？梢詸z測到D-氨基酸，因此它們通常被用作開發抗菌藥物的基礎。在基于 L/D-氨基酸的抗生素藥物中，廣為人知的有酪絲氨酸（Bacillus brevis）、D-環絲氨酸（Streptomyces orchidaceus）、達托霉素（Streptomyces roseosporus）、芐青霉素（Penicillium chrysogenum）、放線菌素D（Streptomyces parvullus）、卷曲霉素（Streptomyces capreolus）、多粘菌素（Bacillus polymyxa）。[5]此類抗生素根據主要含有蛋白質氨基酸或非蛋白質氨基酸而為兩類。例如，多粘菌素和放線菌素 D 主要由蛋白質氨基酸組成，其中只有少數氨基酸具有 D 構型，此類抗生素可以具有線性和環狀結構。大多數情況下，主要由非蛋白氨基酸組成的抗生素具有完整的環狀結構。同時，它們的分子作用機制非常多樣化，從細菌質膜磷脂的去磷酸化（桿菌肽 A）到破壞離子跨膜轉運的假離子通道的形成（酪絲菌素）。這種肽抗生素的長期細胞毒性作用可能與異構體毒性和D-氨基酸肽鍵抗水解酶有關。

全D-型的多肽對映異構體可以表現出與L-型對應物不同的性質。全D 型theta 防御素，這種陽離子多肽比其L-型對映異構體更穩定，并在體外表現出抗逆轉錄病毒活性。[6]氨基酸消旋化會隨著生物體的老化而發生，這種情況會發生在骨鈣素、膠原蛋白、髓磷脂、β-淀粉樣蛋白等蛋白質中。例如白內障的形成可能與天門冬氨酸消旋化有一定的關聯。除此之外，阿爾茨海默病、慢性腎病以及某些癌癥也有氨基酸消旋化有關。[7]

多肽藥物中的D-氨基酸

多肽藥物分子設計中，D-氨基酸的引入可以有效緩解多肽水解酶對于藥物分子的酶降解，從而延長藥物分子的半衰期時間。D蛋白擁有與L蛋白相反的 Ramachandran 空間，因此它們在構象上能夠避免與天然蛋白質的許多（不利的）相互作用。例如D 蛋白和多肽對正常細胞機制的降解具有高度抗性。[8]這是因為蛋白酶的活性位點特異性非常高，D-肽由于空間結構和相應的水解酶不能匹配，可以躲過這些水解酶的破壞。在多肽藥物的開發上，L-肽很容易被細胞降解，并且通常具有較差的生物利用度。理論上，D-構型多肽的藥效可能會更好，如果D-型多肽可以與疾病相關的靶受體相互作用，加上它的生物體穩定性，它將是成為一種極具吸引力的候選藥物。

D型多肽的多功能性和穩定性為藥物開發的可能性打開了大門，目前有多項D型多肽類藥物正在研究中，有望用于治療阿爾茨海默病、艾滋病、瘧疾和其他疾病。D型多肽最早的治療應用之一是抑制 HIV 進入細胞。研究人員設計了許多 D型多肽來模擬 HIV-1 結合口袋，并且在抑制 HIV 感染方面取得巨大成功。[9]一些合成的D型多肽還可以與阿爾茨海默病淀粉樣蛋白-β 肽 (Aβ) 結合，在這種情況下，D型多肽不抑制任何受體，而是使Aβ 肽染色并可視化，讓醫生可以看到 Aβ 肽在大腦中聚集的位置。[10]

已上市的多肽藥物中，D-氨基酸的出現更是不勝枚舉。2021年美國FDA批準上市的多肽藥物中，就有voclosporin (D-Ala) 和odevixibat（D-4-hydroxyphenylalanine）含有D-氨基酸。而defelikefalin甚至采取了全D-氨基酸（D-Phe、D-Leu、D-Lys）的結構策略。Difelikefalin以 Korsuva 品牌銷售，是一種用于治療中度至重度瘙癢的鎮痛阿片肽。

圖2. FDA 2021年批準的含D-氨基酸的多肽藥物: voclosporin、odevixibat、difelikefalin。

總結

地球生命的演化中，自然選擇選中了L-氨基酸，但D-氨基酸并不是“棄兒”，在自然界中也展現出特殊的結構與生物學功能。D-氨基酸作為基本單元，參與了眾多多肽藥物的設計與應用。含D-氨基酸的多肽藥物在生物穩定性方面具有特殊的優勢，為多肽藥物分子設計提供了重要的工具。隨著D-氨基酸在自然界蛋白質和多肽中的更多發現，我們對其結構學和生物學功能的認識也將不斷加深，最終會在多肽治療領域發揮更重要的作用。