Les acides aminés D sont une classe d'acides aminés, ou pour ce qui intéresse le plus la biologie, les acides α-aminés, pour lesquels les groupes fonctionnels carboxyle (-COOH) et amine (-NH2) sont liés à un carbone α en configuration D par rapport d'une part à une chaîne latérale dépendant du type d'acide et d'autre part à un atome d'hydrogène. Ce sont les énantiomères des acides aminés L.
Dans tous les systèmes biologiques, les acides aminés D sont bien plus rares que leurs isomères L, qui sont les briques de construction importantes de la matière vivante, sous la forme des aminés protéinogènes. C'est pourquoi on en a longtemps déduit que les acides aminés D n'ont pas de fonction biologique, et ne sont pas « naturels ». Ce tableau s'est complètement modifié à partir du début des années 1990. Aujourd'hui, on sait que des acides aminés D sont contenus par exemple dans des antibiotiques peptidiques sécrétés par des bactéries, ou bien diverses plantes, telles le riz, l'ail ou les pois.
Certains acides aminés D remplissent aussi d'importantes fonctions physiologiques chez l'homme. En particulier, dans le système nerveux central, ce sont la D-sérine et le D-aspartate. Mais les acides aminés D semblent aussi jouer un rôle dans certaines maladies, comme dans la schizophrénie. Ce domaine de recherche est relativement nouveau, et beaucoup de fonctions des acides aminés D libres ou liés dans des peptides ou des protéines sont encore largement inconnues, ou incomprises.
Au moyen de procédés d'analyse chromatographiques, on a pu mettre en évidence des acides aminés D dans une série d'aliments et d'organismes. Une application en est la datation par racémisation des acides aminés pour la détermination de l'âge des fossiles.
Selon des recherches, les acides aminés D libres absorbés journellement avec la nourriture, ne sont pas dangereux pour l'homme. Beaucoup de médicaments importants contiennent des acides aminés D. Des acides aminés D produits artificiellement sont utilisés comme éléments pour la fabrication d'antibiotiques (semi-)synthétiques et d'un grand nombre de produits de la vie courante, et notamment de médicaments.
Fondements
Chiralité
thumb|upright=1.6|Les deux énantiomères d'un acide aminé. Les aminés protéinogènes ne se distinguent que par leur chaîne latérale R. Dans les formes D et L d'un acide aminé, ces radicaux sont les mêmes, cependant ils ne sont pas placés au même endroit par rapport aux autres ligands, si bien que les deux énantiomères ne sont pas superposables. Ceci correspond à l'exemple quotidien des deux mains. Elles sont semblables comme un objet et son image dans le miroir, mais ne sont pas superposables.
Tous les acides aminés protéinogènes (spécifiés par le code génétique), à l'exception de la glycine, le plus simple d'entre eux, possèdent un atome de carbone, lié à quatre radicaux différents. Ces radicaux occupent dans l'espace les quatre sommets d'un tétraèdre. Cet arrangement cause une asymétrie, ce qui a pour conséquence deux possibilités pour leur arrangement relatif. Ces deux formes, appelées énantiomères ou isomères par réflexion, se comportent comme un objet et son image dans le miroir. L'atome de carbone asymétrique y forme le centre asymétrique. L'énantiomère et son image miroir ne sont pas superposables. Ceci arrive aussi pour des objets de la vie courante qui n'ont pas de plan de symétrie. Un exemple en est les deux mains. Les mains droite et gauche sont comme un objet et son image dans le miroir, mais elles ne sont pas superposables. Leur différence devient particulièrement importante quand ils interagissent avec d'autres systèmes chiraux (du mot grec pour main). Par exemple quand une main droite tente de prendre une autre main droite ou gauche, ou essaie d'enfiler un mauvais gant. Dans des environnements chiraux, les différences entre énantiomères moléculaires apparaissent particulièrement clairement.
thumb|upright=1.8|Projection de Fischer sur l'exemple de L- et D-sérines . À gauche, la L-sérine . Au milieu de la molécule, le centre asymétrique, atome C-α, avec quatre ligands différents.
Le Prix Nobel de chimie Emil Fischer a mis au point un procédé de projection, la projection de Fischer, par laquelle on peut décrire de façon univoque en deux dimensions la structure spatiale d'une liaison chimique chirale. Pour cela, il a choisi une substance de référence (le glycéraldéhyde). Selon les règles de la projection de Fischer, le groupe acide (carboxyle) est toujours représenté en haut, et le radical R qui fait la différence entre acides aminés toujours en bas. Si le groupe amine se situe dans cette projection à gauche (en latin laevus), on parle d'un acide aminé L. Si le groupe amine est à droite (latin : dexter) en projection de Fischer, il s'agit d'un acide aminé D. Les adjectifs gauche et droit ne se rapportent qu'à la configuration en projection de Fischer.
Dans leurs propriétés physiques, comme le point de fusion, la masse spécifique, la solubilité dans l'eau ou autres milieux, le pH isoélectrique, les acides aminés D et L sont totalement identiques. De plus, dans un milieu achiral, c'est-à-dire dans un environnement dépourvu d'autres molécules chirales, ils se comportent exactement de la même manière, à une exception près : à conditions identiques, deux énantiomères font tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée linéairement d'une quantité égale en valeur absolue, mais en sens opposé. S'ils la font tourner dans le sens des aiguilles d'une montre (pour un observateur faisant face à la source de lumière), on parle de forme dextrogyre ou forme (+). Dans le cas opposé, il s'agit de forme lévogyre, ou (-). Ces distinctions ne jouent pratiquement aucun rôle dans la vie courante. Dans la littérature, des confusions arrivent même entre formes L et formes (-). De plus, la valeur du pouvoir rotatoire, et même son signe, dépendent fortement des conditions. Par exemple, l'acide aminé L-leucine à température ambiante en solution de molarité 6 M d'acide chlorhydrique a un pouvoir rotatoire spécifique de +15,1° (à droite), et dans l'eau pure de -10,8° (à gauche). En solution de soude de molarité 3 M, elle est à nouveau à +7,6° (à droite)..
Un mélange de 50 % d'énantiomère D et de 50 % de L s'appelle un racémique. Les racémiques sont notamment fabriqués dans les opérations de synthèse artificielle d'acides aminés. Ils n'ont pas d'activité optique, c'est-à-dire qu'ils ne changent pas le plan de polarisation de la lumière. Les racémiques ont en partie des propriétés physiques différentes des énantiomères purs (par exemple, le point de fusion), mais couramment des propriétés physiologiques différentes.
Conventions de dénomination et nomenclature
La projection de Fischer est jusqu'à présent le système préféré de projection pour les acides aminés et les glucides. À côté, il existe pour les acides aminés la convention de Cahn-Ingold-Pregold (Système CIP), qui décrit la configuration de molécules chirales. Dans ce système, la plupart des acides aminés L protéinogènes sont des acides aminés S. Leurs énantiomères, les acides aminés D sont pour la plupart en configuration R. Les exceptions sont la L-cystéine, la L-cystine et la L-sélénocystéine, parce que le soufre ou le sélénium a dans la nomenclature CIP une priorité plus élevée que l'oxygène. Ces trois acides aminés L sont dans une configuration R. Leurs énantiomères ont par contre une configuration S.
Dans les séquences d'acides aminés, les acides aminés D sont notés dans l'abréviation à 3 lettres par un préfixe D en petite capitale.
Par exemple, l'heptapeptide dermorphine : H-Tyr-D-Ala-Phe-Gly-Tyr-Pro-Ser-NH2 .
Dans les codes canoniques à une lettre, les acides aminés D sont représentés par la minuscule de la lettre correspondant à l'acide aminé L correspondant.
Par exemple, la dermorphine : YaFGYPS-NH2.
Présence naturelle et histoire de la découverte
Les acides aminés D sont bien plus rares dans la nature que leurs énantiomères L, qui forment, avec les acides nucléiques, les pierres de construction de la vie. Une asymétrie du même genre, avec l'apparition de deux énantiomères, se présente pour les glucides. Dans ce dernier cas, c'est la forme D, par exemple le D-glucose, qui est la configuration « naturelle ». On estime la quantité de D-glucose sur Terre égale à 1015 fois celle de L-glucose.. Pour les acides aminés, il n'y a pas encore d'estimation fiable.
Pendant longtemps, on est parti du fait que seuls les acides aminés L avaient été sélectionnés au cours de l'évolution pour la formation de peptides et de protéines.. Depuis les années 1980, des méthodes d'analyse améliorées ont conduit à réviser cette hypothèse. Des acides aminés D ont été trouvés dans toujours plus d'êtres vivants, si bien qu'ils ont une diffusion et une variété bien plus grande que ce qui avait été supposé tout d'abord. Dans la littérature récente, les acides aminés D sont maintenant considérés comme composants ordinaires de plantes et d'aliments. Et même chez des êtres vivants supérieurs, jusque chez l'homme, les acides aminés D sont impliqués dans des processus physiologiques importants, qui sont encore largement incompris (Review).
Le développement de la vie sur Terre supposait une homochiralité, c'est-à-dire une configuration homogène des acides aminés et des autres pierres de construction de la vie. Dans un milieu racémique, il ne peut y avoir aucune réplication.. Il y a toute une série d'hypothèses sur la cause du déséquilibre extrême entre les quantités des deux formes énantiomères des acides aminés. Il y a unanimité sur le fait qu'il y aurait eu dans la nature un premier déséquilibre entre acides aminés D et L. À partir de là, on peut très bien expliquer l'extrême enrichissement de l'une des deux formes, par amplification chirale, c'est-à-dire un effet d'auto-amplification qui conduit dans une réaction chimique, en présence d'un léger excès d'une des formes énantiomères, à un résultat encore plus déséquilibré. Il reste néanmoins totalement à résoudre le problème du fait qu'une symétrie initiale aurait été brisée, très probablement bien avant le début de la vie sur Terre. On a discuté, parmi les sources possibles, de la brisure de la symétrie de parité dans la radioactivité β (hypothèse de Vester-Ulbricht) (Review) (Review) ou la contamination de la soupe primordiale par des excès d'acides aminés L extraterrestres.
En faveur de cette dernière théorie, parle le fait que dans la météorite de Murchison, on a mis en évidence un excès d'acides aminés L non protéinogènes : acide 2-Amino-2,3-diméthylpentanoïque. et isovaline.. Dans la météorite de Murchison, l'excès en L-isovaline était d'environ 18,5 %, et dans celle dOrgueil, de 15,2 %.. Ces excès ont pu être provoqués par un rayonnement UV polarisé circulairement, qui — comme on le confirme expérimentalement — détruit préférentiellement les acides aminés D..
Formation d'acides aminés D par racémisation
De grandes quantités d'acides aminés D peuvent provenir d'acides aminés L par racémisation. La formation d'un racémique d'acides aminés, c'est-à-dire d'un mélange à parties égales d'acides aminés D et L, est privilégiée thermodynamiquement. Certes, l'enthalpie reste inchangée, mais le degré supérieur de « désordre » conduit à une augmentation de l'entropie, ce qui amène une diminution de l'enthalpie libre G de ΔG. La valeur de cette décroissance est de -1,6 kJ/mole à ..