为什么天然蛋白质中氨基酸都是L-构型？
关于天然蛋白质中氨基酸为什么是L-构型而不是其对映异构体D-构型，科学界至今仍然没有能够给出一个准确的有说服力的答案。在45亿年前的地球陨石上也曾发现了D-氨基酸，但那个时期L-氨基酸就已经占据绝对性的主导地位。基于这一发现，研究者提出了一个大胆的假设，即氨基酸的分子不对称性早在地球上出现生命之前就已经出现了。[1]优先使用氨基酸的L-对映异构体构建蛋白质显然具有深厚的进化根源，在分子进化过程中，D-氨基酸排除在蛋白质合成之外，从而维持肽的手性同源性。然而自然界为何以及如何选择L-氨基酸作为生物体蛋白合成的基本单元，至今仍然无解。
自然界中的D-氨基酸
D-氨基酸以前被称为“非天然”氨基酸其实并不算准确，尽管L-构型的氨基酸在自然界的蛋白质和多肽中占据绝对统治地位，但生物体仍会产生含有 D-氨基酸的生物活性肽和蛋白。这些肽和蛋白通过由非核糖体肽合成酶 (NRPS) 介导的游离 D-氨基酸的直接偶合而合成，或者通过L-多肽前体进行D-修饰——也称为翻译后L-氨基酸差向异构化（post translational epimerization）——而生成。前一种机制是原核生物所特有的，而后一种机制发生在原核细胞和真核细胞中。
存在于天然生物结构中的D-氨基酸最好的一个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细菌细胞壁的重要成分，有助于它们抵抗肽酶的水解。D-氨基酸也存在于酵母细胞中，帮助其孢子抵抗蛋白水解酶的影响。尽管在受体蛋白、结构蛋白和免疫蛋白质中几乎没有发现天然状态的D-氨基酸，它们仍然可以在肽类抗生素、激素、神经肽、肝毒素和阿片肽等中出现。
科学家在许多微生物中发现了含有D-氨基酸并具有抗菌特性的肽类抗生素。在芽孢杆菌属的一些成员中，肽类抗生素的结构和合成得到了很好的研究。[2]短杆菌肽S (gramicidin S) 和多粘菌素B (polymyxin B) 等环状抗生素的治疗效果与其结构中所含的D-苯丙氨酸强烈相关。所有这些肽的合成都是不经过核糖体。它们的抗生素机制一般基于跨膜通道的形成或细胞壁合成的抑制。
图1. 短杆菌肽S（上）、多粘菌素B1（下左）、多粘菌素B2（下右）化学结构
在真核生物的细胞中，科学家也发现了含有D-氨基酸的生物活性肽，它们主要由 L-氨基酸组成的前体的翻译后修饰形成。从无脊椎动物和两栖动物的皮肤分泌物中，已经分离出具有阿片样物质或抗菌活性的D-氨基酸多肽。芋螺科的食肉海洋腹足类软体动物会分泌含有D-色氨酸或D-亮氨酸的毒液肽，称为芋螺毒素，这会导致鱼类死亡，甚至可通过阻断神经肌肉传递对哺乳动物产生致命影响。[3]在一些节肢动物的肽激素中也检测到了 D-氨基酸的存在，例如北美漏斗网蜘蛛（Agelenopsis aperta）的毒液中含有多种能够阻断钙通道的蛋白质毒素。[4]
对哺乳动物和鸟类进行的大量研究表明，游离 D-氨基酸存在于脊椎动物的组织和生物体液中，其中D-天冬氨酸和 D-丝氨酸的浓度最高。D-天冬氨酸广泛分布于整个中枢神经系统以及大鼠、人类和鸡胚胎的内分泌外周器官中。D-天冬氨酸和 D-丝氨酸在大脑特定部位的定位表明这些 D-氨基酸可能充当一种神经递质或神经调节剂。
由于从微生物、无脊椎动物和两栖动物分离出来的天然抗生素中经常可以检测到D-氨基酸，因此它们通常被用作开发抗菌药物的基础。在基于 L/D-氨基酸的抗生素药物中，广为人知的有酪丝氨酸（Bacillus brevis）、D-环丝氨酸（Streptomyces orchidaceus）、达托霉素（Streptomyces roseosporus）、苄青霉素（Penicillium chrysogenum）、放线菌素D（Streptomyces parvullus）、卷曲霉素（Streptomyces capreolus）、多粘菌素（Bacillus polymyxa）。[5]此类抗生素根据主要含有蛋白质氨基酸或非蛋白质氨基酸而为两类。例如，多粘菌素和放线菌素 D 主要由蛋白质氨基酸组成，其中只有少数氨基酸具有 D 构型，此类抗生素可以具有线性和环状结构。大多数情况下，主要由非蛋白氨基酸组成的抗生素具有完整的环状结构。同时，它们的分子作用机制非常多样化，从细菌质膜磷脂的去磷酸化（杆菌肽 A）到破坏离子跨膜转运的假离子通道的形成（酪丝菌素）。这种肽抗生素的长期细胞毒性作用可能与异构体毒性和D-氨基酸肽键抗水解酶有关。
全D-型的多肽对映异构体可以表现出与L-型对应物不同的性质。全D 型theta 防御素，这种阳离子多肽比其L-型对映异构体更稳定，并在体外表现出抗逆转录病毒活性。[6]氨基酸消旋化会随着生物体的老化而发生，这种情况会发生在骨钙素、胶原蛋白、髓磷脂、β-淀粉样蛋白等蛋白质中。例如白内障的形成可能与天门冬氨酸消旋化有一定的关联。除此之外，阿尔茨海默病、慢性肾病以及某些癌症也有氨基酸消旋化有关。[7]
多肽药物中的D-氨基酸
多肽药物分子设计中，D-氨基酸的引入可以有效缓解多肽水解酶对于药物分子的酶降解，从而延长药物分子的半衰期时间。D蛋白拥有与L蛋白相反的 Ramachandran 空间，因此它们在构象上能够避免与天然蛋白质的许多（不利的）相互作用。例如D 蛋白和多肽对正常细胞机制的降解具有高度抗性。[8]这是因为蛋白酶的活性位点特异性非常高，D-肽由于空间结构和相应的水解酶不能匹配，可以躲过这些水解酶的破坏。在多肽药物的开发上，L-肽很容易被细胞降解，并且通常具有较差的生物利用度。理论上，D-构型多肽的药效可能会更好，如果D-型多肽可以与疾病相关的靶受体相互作用，加上它的生物体稳定性，它将是成为一种极具吸引力的候选药物。
D型多肽的多功能性和稳定性为药物开发的可能性打开了大门，目前有多项D型多肽类药物正在研究中，有望用于治疗阿尔茨海默病、艾滋病、疟疾和其他疾病。D型多肽最早的治疗应用之一是抑制 HIV 进入细胞。研究人员设计了许多 D型多肽来模拟 HIV-1 结合口袋，并且在抑制 HIV 感染方面取得巨大成功。[9]一些合成的D型多肽还可以与阿尔茨海默病淀粉样蛋白-β 肽 (Aβ) 结合，在这种情况下，D型多肽不抑制任何受体，而是使Aβ 肽染色并可视化，让医生可以看到 Aβ 肽在大脑中聚集的位置。[10]
已上市的多肽药物中，D-氨基酸的出现更是不胜枚举。2021年美国FDA批准上市的多肽药物中，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）的结构策略。Difelikefalin以 Korsuva 品牌销售，是一种用于治疗中度至重度瘙痒的镇痛阿片肽。
图2. FDA 2021年批准的含D-氨基酸的多肽药物: voclosporin、odevixibat、difelikefalin。
总结
地球生命的演化中，自然选择选中了L-氨基酸，但D-氨基酸并不是“弃儿”，在自然界中也展现出特殊的结构与生物学功能。D-氨基酸作为基本单元，参与了众多多肽药物的设计与应用。含D-氨基酸的多肽药物在生物稳定性方面具有特殊的优势，为多肽药物分子设计提供了重要的工具。随着D-氨基酸在自然界蛋白质和多肽中的更多发现，我们对其结构学和生物学功能的认识也将不断加深，最终会在多肽治疗领域发挥更重要的作用。
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