D-Aminosäuren

Definition, Chiralität und Benennung

D-Aminosäuren sind Aminosäuren, deren α-ständige Carboxygruppe (–COOH) und Aminogruppe (–NH₂) in D-Konfiguration angeordnet sind. Sie sind Enantiomere, also nicht deckungsgleiche Spiegelbilder, der entsprechenden L-Aminosäuren. Mit Ausnahme von Glycin besitzen die proteinogenen Aminosäuren mindestens ein asymmetrisches Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Substituenten; dieses Stereozentrum ermöglicht die beiden spiegelbildlichen Formen.

In der Fischer-Projektion steht die Carboxygruppe oben und der Rest R unten. Befindet sich die Aminogruppe rechts, liegt eine D-Aminosäure vor; links entspricht der L-Form. Diese Bezeichnung sagt nichts über die optische Drehrichtung aus. D- und L-Enantiomere drehen linear polarisiertes Licht zwar unter gleichen Bedingungen gleich stark in entgegengesetzte Richtungen, doch kann eine D-Aminosäure links- oder rechtsdrehend sein. Beispielsweise ändert L-Leucin seine Drehrichtung abhängig von Lösungsmittel und pH-Wert.

Nach der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention besitzen D-Aminosäuren fast immer die (R)-Konfiguration. Ausnahmen sind unter anderem D-Cystein, D-Cystin und D-Selenocystein mit (S)-Konfiguration. Ein Gemisch aus 50 % D- und 50 % L-Form heißt Racemat und ist optisch inaktiv. In einem achiralen Umfeld stimmen beide Enantiomere – abgesehen von der optischen Drehung – in Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Dichte, Löslichkeit und isoelektrischem Punkt überein. In einer chiralen biologischen Umgebung können sie dagegen sehr unterschiedlich wirken.

Vorkommen und Bildung

D-Aminosäuren sind wesentlich seltener als L-Aminosäuren, kommen aber in Bakterien, Pflanzen, Pilzen, Tieren, Menschen und Lebensmitteln vor. Verbesserte chromatographische Verfahren widerlegten seit den 1980er und 1990er Jahren die frühere Vorstellung, sie seien bedeutungslose oder „unnatürliche“ Laborartefakte. Die Ursache dafür, dass das Leben überwiegend L-Aminosäuren verwendet, ist ungeklärt. Ein anfänglich kleiner Überschuss könnte durch chirale Amplifikation verstärkt worden sein. Als mögliche Auslöser werden unter anderem die Paritätsverletzung beim β-Zerfall und extraterrestrische Aminosäuren diskutiert. Im Murchison-Meteoriten wurde etwa ein Überschuss von 18,5 % an L-Isovalin, im Orgueil-Meteoriten von etwa 15,2 % festgestellt.

D-Aminosäuren entstehen vor allem durch Racemisierung von L-Aminosäuren. Ein Racemat ist thermodynamisch begünstigt; bei 25 °C beträgt die Änderung der freien Enthalpie etwa −1,6 kJ/mol. Geschwindigkeit und Ausmaß hängen von Temperatur, pH-Wert, Feuchtigkeit beziehungsweise Lösungsmittel, Aminosäure und Katalysatoren ab. Säuren und Basen entfernen am α-Kohlenstoff ein Proton; über eine planare Zwischenstufe kann die erneute Protonierung von beiden Seiten erfolgen, sodass die stereochemische Information verloren geht.

In Organismen erzeugen Racemasen den größten Anteil der D-Aminosäuren unter milden Bedingungen. Viele verwenden Pyridoxalphosphat (PLP), das die Deprotonierung am α-C-Atom erleichtert und die Zwischenstufe stabilisiert. PLP-unabhängige Racemasen arbeiten mit zwei Cystein-Thiolgruppen. Auch Erhitzen sowie stark saure oder basische Bedingungen bei der Lebensmittelzubereitung fördern die Racemisierung. Besonders leicht können Asparagin und Asparaginsäure neben Glycin über ein zyklisches Succinimid epimerisieren.

Der vorhersagbare Racemisierungsgrad ermöglicht die Aminosäuredatierung. Im Dentin lässt sich das Alter über Asparaginsäure mit etwa ±4 Jahren bestimmen. Bei „Ötzi“ lagen 37 % des Hydroxyprolins in D-Konfiguration vor; bei einer 3000 Jahre alten Mumie waren es 31 %, in mittelalterlichen Haaren 19 % und in frischem Haar 4 %.

Biologische Funktionen und natürliche Peptide

Bakterien benötigen D-Alanin und D-Glutamat für ihre Peptidoglycan-Zellwand. Diese Aminosäuren schützen sie vor Peptidasen. Alaninracemase bildet dafür D-Alanin aus L-Alanin; ihr alr-Gen kommt in allen Bakterien vor. Die D-Alanin-Transpeptidase vernetzt Peptidoglycane und ist Angriffspunkt von β-Lactam-Antibiotika wie Penicillin. Manche Enterokokken bilden D-Ala-D-Ser, was zur Resistenz gegen Glykopeptid-Antibiotika wie Vancomycin beiträgt.

Viele natürliche Wirkstoffe enthalten D-Aminosäuren. Vancomycin besteht aus sieben Aminosäuren, davon vier in D-Konfiguration. Weitere Beispiele sind Penicilline mit D-Penicillamin, Bacitracin, Polymyxine, Actinomycine, Gramicidin und Cycloserin. Solche Peptide entstehen häufig durch nichtribosomale Peptidsynthese. Bei eukaryotischen Peptiden kann eine zunächst ribosomal eingebaute L-Aminosäure nach der Translation enzymatisch epimerisiert werden. Das Froschpeptid Dermorphin enthält D-Alanin, bindet an den µ₁-Rezeptor und ist 30- bis 40-mal potenter als Morphin.

In Pflanzen treten freie, peptidgebundene sowie N-malonylierte oder N-acetylierte D-Aminosäuren auf. In Sonnenblumenwurzeln liegen 40 % des Alanins in D-Konfiguration vor, in Reis ungefähr 10 % des Serins. Auch Erbsen, Knoblauch, Kohl und Obst enthalten geringere Mengen; ihre Funktion ist weitgehend ungeklärt.

Bei Säugetieren sind besonders D-Serin und D-Asparaginsäure wichtig. D-Serin wird durch Serinracemase gebildet, durch D-Aminosäureoxidase abgebaut und wirkt als Co-Agonist und Neuromodulator am NMDA-Rezeptor. Es beteiligt sich an Lernen und Gedächtnis. Eine verminderte NMDA-Rezeptoraktivität und niedrige D-Serin-Konzentrationen werden mit Schizophrenie in Verbindung gebracht. Klinische Studien mit zusätzlichem D-Serin zeigten eine moderate Symptomverbesserung; D-Aminosäureoxidase-Inhibitoren waren 2012 noch nicht zugelassen. Zu hohe D-Serin-Konzentrationen werden außerdem als möglicher Faktor bei amyotropher Lateralsklerose untersucht.

D-Asparaginsäure entsteht durch D-Aspartatracemase und wird von D-Aspartatoxidase abgebaut. Bei neugeborenen Ratten wurden im Großhirn 164 nmol/g gemessen, entsprechend 8,4 % der gesamten Asparaginsäure. Die Konzentration sinkt mit dem Alter stark. Versuche weisen auf eine wichtige Funktion bei neuronaler Entwicklung und Neurogenese im Hippocampus hin; die genauen Wirkungen sind jedoch noch weitgehend ungeklärt.

Eigenschaften, Alterung und gesundheitliche Bewertung

In biologischen Systemen unterscheiden sich Enantiomere deutlich, weil Rezeptoren und Enzyme selbst chiral sind. Die meisten L-Aminosäuren schmecken bitter, D-Aminosäuren meist süß. D-Tryptophan besitzt die 37-fache Süßkraft von Saccharose, während L-Tryptophan zu den bittersten Aminosäuren gehört.

Eine D-Aminosäure in einem sonst aus L-Aminosäuren bestehenden Peptid verändert dessen räumliche Struktur und kann einen Funktionsverlust oder eine neue, möglicherweise toxische Wirkung verursachen. Sie wirkt in solchen Peptiden helixbrechend. Zugleich erschweren D-Aminosäuren den Abbau durch Proteasen. Mit dem Alter racemisieren vor allem Asparaginsäurereste langlebiger Proteine. In Augenlinsen betrifft dies jährlich 0,14 % der Asparaginsäure, bei einem 30-Jährigen durchschnittlich 4,2 %. Der Funktionsverlust und die Ansammlung schlecht abbaubarer Proteine werden unter anderem bei Arteriosklerose, Lungenemphysem, Presbyopie, grauem Star sowie Knorpel- und Gehirndegeneration als relevant angesehen. In β-Amyloid kann die Racemisierung von Asparaginsäure an Position 23 die Aggregation beschleunigen, an Position 7 dagegen vermindern.

D-Aminosäuren aus üblichen Nahrungsmengen gelten für Menschen als ungefährlich. Fermentierte Lebensmittel enthalten mehr davon; Emmentaler etwa 0,7 g/kg. In Kartoffelchips liegen ungefähr 14 % der Asparaginsäure als D-Form vor, in Kaffeeweißer 17 %, in Frühstücksspeckstreifen 13 %. Kommerzielle Gelatine kann mehr als 30 % D-Aspartat am Gesamt-Aspartat enthalten. D-Aminosäuren können die Verdauung von Proteinen erschweren, weil menschliche Verdauungsenzyme Bindungen zwischen D- und L-Aminosäuren nicht spalten. Freie D-Aminosäuren sowie entsprechende Di- und Tripeptide können jedoch aufgenommen werden; sie werden ausgeschieden, in L-Aminosäuren umgewandelt oder durch D-Aminosäureoxidase zu Ketocarbonsäuren abgebaut.

Extrem hohe Dosen sind gesondert zu bewerten: Bei Ratten verursachten 0,8 g D-Serin pro kg Körpergewicht eine reversible akute tubuläre Nekrose; nach etwa sechs Tagen war die Nierenfunktion vollständig regeneriert. Allgemeine Aussagen über nicht-proteinogene D-Aminosäuren und D-Peptide sind nicht möglich. Die verbreitete Behauptung, Mikrowellenerwärmung erzeuge gefährliche Mengen D-Prolin, beruhte auf Milch, die zehn Minuten bei 174 bis 176 °C in einem geschlossenen Druckgefäß erhitzt wurde. Haushaltsübliche Mikrowellengeräte erzeugen keine überdurchschnittlichen Mengen; die reale Gefahr für Kleinkinder ist eine ungleichmäßige Erwärmung mit Verbrennungsrisiko.

Nachweis und Herstellung

Ein Polarimeter bestimmt den optischen Drehwinkel und erlaubt unter standardisierten Bedingungen die Berechnung des D-/L-Verhältnisses einer einzelnen Aminosäure, eignet sich aber nicht für Gemische. Weitere klassische Verfahren sind enzymatische Tests mit D- oder L-Aminosäureoxidase, Ionenaustauschchromatographie und Kapillarelektrophorese.

Für komplexe Gemische werden vor allem Gaschromatographie (GC) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) verwendet. Entweder trennt eine chirale stationäre Phase die Enantiomere direkt, oder sie werden mit einem chiralen Reagenz in Diastereomere mit unterschiedlichen Eigenschaften umgewandelt. Detektoren sind insbesondere UV- und Massenspektrometer, bei GC auch Flammenionisationsdetektoren. Weil Aminosäuren nicht unzersetzt verdampfen, müssen sie für GC derivatisiert werden, etwa durch Veresterung und anschließende Bildung eines Trifluoracetyl-Derivats. Bei HPLC kann L-N-Acetylcystein zusammen mit Phthaldialdehyd ein trennbares Diastereomerenpaar erzeugen. Erst solche Methoden ermöglichten den zuverlässigen Nachweis kleinster Mengen in höheren Organismen.

Chemische Synthesen wie die Strecker-Synthese liefern Racemate, die anschließend getrennt werden müssen. Industriell eignet sich besonders das Hydantoinase-Verfahren. Substituierte Hydantoine werden nach der Bucherer-Bergs-Reaktion aus Aldehyden, Kaliumcyanid und Ammoniumcarbonat hergestellt. Eine D-Hydantoinase erzeugt daraus N-Carbamoyl-D-Aminosäure, eine D-Carbamoylase anschließend die enantiomerenreine D-Aminosäure. Das nicht umgesetzte Hydantoin-Enantiomer wird racemisiert und erneut eingesetzt. Dadurch sind theoretische Ausbeuten bis 100 % möglich.

Technische und medizinische Verwendung

D-Aminosäuren dienen als Bausteine für Süßstoffe, Insektizide, Kosmetika und vor allem peptidische Arzneimittel. Für 2017 wurde eine weltweite Marktgröße von etwa 3,7 Milliarden US-Dollar prognostiziert. Jährlich werden mehrere tausend Tonnen D-4-Hydroxyphenylglycin und D-Phenylglycin für Penicilline wie Amoxicillin und Cephalosporine wie Cefaclor benötigt.

Der gezielte Einbau von D-Aminosäuren kann Arzneimittel gegen proteolytischen Abbau stabilisieren und ihre räumliche Struktur sowie Wirkung verändern. Das vollsynthetische Dekapeptid Cetrorelix enthält fünf D-Aminosäuren und wird als GnRH-Analogon in der Reproduktionsmedizin eingesetzt. Auch Leuprorelin, Buserelin, Degarelix, Histrelin, Nafarelin und Abarelix enthalten mindestens eine D-Aminosäure. Tadalafil wird aus D-Tryptophan und das Antidiabetikum Nateglinid aus D-Phenylalanin hergestellt. D-Alanin ist Bestandteil des Süßstoffs Alitam, D-Valin Ausgangsstoff des Insektizids Fluvalinat. D-Phenylalanin trägt im racemischen Arzneimittel durch Hemmung der Enkephalinase zur antidepressiven und schmerzstillenden Wirkung bei.