Верно ли, что Оспод и Погг, не ограничиваясь обычным загрязнением беззащитной, пустынной планеты, решили, по пьяному делу, учинить на ней, самым бесстыдным и возмутительным образом, биологическую эволюцию, какой еще свет не видывал? <...> Верно ли, что эти безобразники, лишенные всякого чувства приличия и нравственных тормозов, вылили на скалы безжизненной Земли шесть бочек заплесневелого желатинового клея и два ведра испорченной альбуминовой пасты, подсыпали туда забродившей рыбозы, пентозы и левуллозы и, словно им мало было всех этих гадостей, добавили три больших бидона с раствором прокисших аминокислот, а получившееся месиво взболтали угольной лопатой, скособоченной влево, и кочергой, скрученной в ту же сторону, в результате чего белки всех будущих земных существ стали ЛЕВОвращающими?!
Вступив из своей комнаты в загадочный мир зазеркалья, маленькая героиня Льюиса Кэррола — английская девочка Алиса — узнала, что эти два мира, на первый взгляд выглядящие столь похожими, на самом деле существенно отличаются. Алиса интуитивно чувствует, что даже молоко в мире-отражении совсем не такое, как тот вкусный и полезный напиток, которым она привыкла наслаждаться у себя в Англии: «Впрочем, не знаю, можно ли пить зазеркальное молоко? Не повредит ли оно тебе, Китти...» [1]. И правда: то ли Кэррол (то есть, конечно,Чарльз Лютвидж Доджсон) уже знал о стереохимических свойствах органических соединений, то ли предвосхитил это знание, — но так или иначе, подавляющее большинство биологических молекул может существовать в виде двух зеркальных отражений друг друга, не совмещаемых простым наложением. Девятнадцать из 20 природных аминокислот (кроме глицина) являются хиральными, — то есть, расположение заместителей вокруг центрального атома углерода (Cα) может дать две зеркально-симметричные молекулы, похожие друг на друга как перчатки с левой и правой руки. Пары таких молекул называются стереоизомерами (илиоптическими изомерами, или энантиомерами), и по одной из классификаций обозначаются L- и D-аминокислотами(см. рисунок в заглавии).
Одной из самых интересных загадок зарождения жизни является преимущественное использование в качестве «строительных блоков» белков именно L-аминокислот, в то время как их D-аналоги долгое время считались чуть ли не биохимическим недоразумением, которым можно с чистой совестью пренебречь [2–4]. (Впрочем, определённые соображения на этот счет все же есть: см. эпиграф. — А. Ч.) Однако, время не стоит на месте: в журнале Science появилась статья, авторы которой бросают вызов этому устаревшему представлению и показывают, что D-аминокислоты играют важную роль в жизни бактерий, управляя их реакцией на различные пищевые стимулы [5].
Если вернуться к Алисе, то её сомнения насчет молока были отнюдь не беспочвенными: ведь пара «зеркальных» молекул, хотя во многих отношениях и идентична (например, молекулярная масса, углы и длины связей у них равны), может иметь разительно отличающиеся биологические характеристики. В частности, Алисе вряд ли удалось бы переварить молоко, белки которого состоят исключительно из D-аминокислот. Такое смещение «равновесия» в сторону L-аминокилот, безусловно, ставит вопрос: а играют ли D-аминокислоты какую-то роль в природе? Исследование Губерта Лэма (Hubert Lam) [5] — учёного из Гарварда и Института Ховарда Хьюза в США, — а также его коллег, показывает, что неизвестное — не значит «не существующее»: согласно их данным, D-аминокислоты управляют у бактерий таким важным процессом как «сборка» клеточной стенки.
Клеточная стенка является, по сути, «крепостной стеной» бактериальной клетки, защищая её от разнообразных неблагоприятных факторов окружающей среды. Состоит она главным образом из пептидогликана — эластичного полимера, в котором сахара и аминокислоты «сшиваются» между собой подобно сетке и охватывают бактериальную мембрану целиком. Одна из ролейD-аминокислот здесь — образовывать поперечные пептидные сшивки между длинными углеводными тяжами пептидогликанов; эти сшивки обогащены D-аланином и D-глутаминовой кислотой, роль которых предположительно заключается в противостоянии расщеплению клеточной стенки враждебными ферментами-гидролазами, «настроенными» только на L-аминокислоты.
Для успешного роста и процветания микроорганизмов пептидогликан должен обладать незаурядной пластичностью: ведь бактерии, оказавшись в богатой питательными веществами среде, немедленно начинают делиться, и клеточная стенка должна делиться вместе с ними, чтобы не оставить потомство без защиты. В период сомнений и тягостных раздумий стресса же пептидогликан должен, наоборот, становиться жёстче, чтобы максимально усилить защиту бактерии. Однако факторы, управляющие этими сложными превращениями при переходе от «довольства» к голоданию, практически не были известны.
Одним из объектов, с которым работала команда Лэма, является бактерия Vibrio cholerae, или холерный вибрион, являющийся возбудителем острой кишечной инфекции. Исследователи отметили, что состояние клеточной стенки бактерии меняется в зависимости от содержания в питательной среде определённых аминокислот. К удивлению учёных, D- (а не L-!) энантиомеры метионина и лейцина вызывали замедление синтеза пептидогликана и смену «режима» образования поперечных сшивок в клеточной стенке. Роль этих аминокислот в перестройке клеточной стенки была дополнительно подтверждена открытием у холерного вибриона нового фермента, синтезирующего эти D-аминокислоты. Что интересно, в аналогичный процесс у грамположительной бактерии Bacillus subtilis (сенной палочки) оказались также вовлечены две D-аминокислоты, но другие:D-тирозин и D-фенилаланин.
Как именно под действием D-аминокислот происходит перестройка клеточной стенки, пока в точности не ясно. По-видимому,увеличение их содержания как-то влияет на частоту и/или длину сшивок пептидогликана и, следовательно, на прочность и гибкость. Нельзя исключить также возможность, что D-аминокислоты регулируют активность периплазматических ферментов, синтезирующих и перестраивающих клеточную стенку.
Постепенно накапливаются и другие примеры функциональной важности D-аминокислот. У некоторых видов бацилл образование вегетативных клеток из спор регулируется именно относительным содержанием в среде L- и D-аминокислот,которые, соответственно, индуцируют или замедляют проращивание посредством взаимодействия со специальными рецепторами на поверхности спор [6]. На поверхности капсулы B. anthracis — возбудителя сибирской язвы — находятся полимеры с высоким содержанием D-глутаминовой кислоты, что, по-видимому, защищает бактерию от действия протеаз [7].D-аминокислоты во множестве содержатся в природных антибиотиках, иммуносупрессорных лекарствах и противоопухолевых веществах [8].
Хотя еще совсем недавно D-аминокислоты считались исключительно «артефактом» бактерий и грибов, появляются данные и о роли этих веществ у эукариот. Эндогенный D-серин выполняет в мозгу млекопитающих функцию нейротрансмиттера [9].D-аспарагиновая кислота найдена в нейроэндокринных тканях млекопитающих, где она модулирует гормональную секрецию [10].
Возвращаясь напоследок снова к Алисе — точнее, к её создателю Чарлзу Доджсону, — можно высказать предположение, что он (Доджсон) всё-таки знал о вопросах, возникающих в стереохимии, поскольку Луи Пастер (знаменитый химик и микробиолог) был его современником. Пастер к тому моменту уже опубликовал несколько работ по хиральным свойствам винной кислоты, найденной на дне бутылки во многих восхитительных яствах по эту сторону зеркального стекла, — например, в винах и некоторых фруктах и растениях.
Открытия новых функций D-аминокислот, несомненно, продолжатся, и несправедливой дискриминации этих неплохих, в сущности, соединений недолго ещё осталось жить на Земле :-)
По материалам рубрики «Перспектива» Science [11].
Литература
- Сквозь зеркало и что там увидела Алиса, или Алиса в Зазеркалье. // Перевод Н. М. Демиурговой, М.: Наука, 1991;
- Lamzin V.S., Dauter Z., Wilson K.S. (1995). How nature deals with stereoisomers. Curr. Opin. Struct. Biol. 5, 830–836;
- Mason S. F. (1984). Origins of biomolecular handedness. Nature 311, 19–23;
- Prelog V. (1976). Chirality in chemistry. Science 193, 17–24;
- Lam H., Oh D.C., Cava F., Takacs C.N., Clardy J., de Pedro M.A., Waldor M.K. (2009). D-amino acids govern stationary phase cell wall remodeling in bacteria. Science 325, 1552–1555;
- McKevitt M.T., Bryant K.M., Shakir S.M., Larabee J.L., Blanke S.R., Lovchik J., Lyons C.R., Ballard J.D. (2007). Effects of endogenous D-alanine synthesis and autoinhibition of Bacillus anthracis germination on in vitro and in vivo infections. Infect. Immun. 75, 5726–5734;
- Ezzell J.W., Welkos S.L. (1999). The capsule of bacillus anthracis, a review. J. Appl. Microbiol. 87, 250;
- Grünewald J., Marahiel M.A. (2006). Chemoenzymatic and template-directed synthesis of bioactive macrocyclic peptides.Microbiol. Mol. Biol. Rev. 70, 121–146;
- Panatier A., Theodosis D.T., Mothet J.P., Touquet B., Pollegioni L., Poulain D.A., Oliet S.H. (2006). Glia-derived D-serine controls NMDA receptor activity and synaptic memory. Cell 125, 775–784;
- Huang A.S., Beigneux A., Weil Z.M., Kim P.M., Molliver M.E., Blackshaw S., Nelson R.J., Young S.G., Snyder S.H. (2006). D-aspartate regulates melanocortin formation and function: behavioral alterations in D-aspartate oxidase-deficient mice. J. Neurosci.26, 2814–2189;
- Blanke S.R. (2009). Expanding Functionality Within the Looking-Glass Universe. Science 325, 1505–1506.
|
