蛋白质合成的精确性由氨酰-tRNA合成酶、延伸因子与核糖体三个层面的手性筛选共同保证。D-蛋氨酸（分子式C₅H₁₁NO₂S，绝对构型为R）作为L-蛋氨酸的对映异构体，具有完全相同的侧链结构，却在α-碳上呈现镜像排列。这种手性差异决定其在常规蛋白质合成通路中没有进入途径，其后果不表现为错误蛋白质的生成，而是表现为代谢转化、营养无效性和特定条件下的代谢干扰。
一、氨酰-tRNA合成酶仅识别L型氨基酸
氨酰-tRNA合成酶是翻译机器的第一个过滤器。以蛋氨酰-tRNA合成酶为例，其氨基酸结合口袋利用氢键网络和疏水残基同时识别L-蛋氨酸的三个功能基团：α-氨基、α-羧基和甲硫基侧链。L-蛋氨酸的α-氨基与口袋里保守的酸性残基形成盐桥，α-羧基与精氨酸残基形成离子对，侧链则伸入一个尺寸匹配的疏水腔。D-蛋氨酸的氨基相对于羧基处于镜像方向，无法同时满足上述三个结合位点的空间排布。活性构象中，L-型的α-氢指向蛋白质内部，而D-型对应位置被氨基占据，产生不可忽略的位阻冲突。
在催化第一步反应时，氨基酸的α-羧基需要攻击ATP的α-磷原子形成氨基酰腺苷酸。该过程要求氨基酸的α-碳取代基按特定取向排列，D-蛋氨酸无法进入催化态，也不能稳定后续的过渡态。因此，蛋氨酰-tRNA合成酶不会生成D-蛋氨酰-AMP，更不可能将其转移至tRNA的3'-末端。天然蛋白质合成中的氨基酸底物专一性由此建立。
二、编辑结构域与延伸因子构成第二道手性屏障
即使极少数情况下氨基酸在催化口袋中被错误活化，氨酰-tRNA合成酶所含的编辑结构域也能水解错误产物。该编辑位点的作用是把与tRNA错误连接的氨基酸酯键切断，释放游离氨基酸和tRNA。D-蛋氨酸的酯键几何构型与L型不同，在编辑位点的结合亲和力更高，水解速率也更快。这一步骤保证了任何泄漏的D-蛋氨酰-AMP都不能在细胞内积累。
原核延伸因子EF-Tu和真核延伸因子eEF1A在负责将氨酰-tRNA运送至核糖体时，同样对氨基酸的构型进行辨别。冷冻电镜结构显示，延伸因子的氨基酸结合凹槽与tRNA 3'-CCA末端氨酰酯的α-氨基存在严格接触。D型的α-氨基改变朝向，迫使氨酰部分与延伸因子的疏水表面互相排斥，无法形成稳定的三元复合物。这条途径再一次排除了D-蛋氨酸进入蛋白质合成的可能性。
三、肽酰转移酶中心不接纳D型底物
核糖体大亚基中的肽酰转移酶中心催化新生肽链从P位点tRNA转移到A位点氨酰-tRNA。该反应的本质是P位肽酰酯的羰基碳接受A位氨酰-tRNA上α-氨基的亲核进攻。催化中心的核苷酸和蛋白质残基共同创建了一个只能容纳L型α-氨基的位置。A位氨酰-tRNA的α-氨基必须指向P位肽酰酯的酯键方向，并且需要与23S rRNA的A位柔性区域产生精确的氢键网络。
D-蛋氨酸的α-氨基偏离约120°，无法靠近酯羰基，也不能与A位点的催化碱基形成正确排布。即便该分子被化学连接到tRNA上（如体外合成实验），肽酰转移酶中心也会因其氨酰基构型不符而拒绝反应。蛋白质合成是一个线性聚合过程，任何位置的错误掺入都会被后续延伸所放大，因此核糖体通过绝对的手性选择将D-氨基酸彻底排除在多肽链之外。
四、D-蛋氨酸的代谢去向与生物学后果
即使D-蛋氨酸不能进入蛋白质，它仍然可以被生物体代谢。在动物肝脏和肾脏的过氧化物酶体中，D-氨基酸氧化酶以FAD为辅基催化D-蛋氨酸氧化脱氨，生成2-氧代-4-甲硫基丁酸（CH₃SCH₂CH₂COCOOH）、氨和过氧化氢。过氧化氢随即被过氧化氢酶分解为水和氧气。2-氧代-4-甲硫基丁酸作为α-酮酸，在转氨酶作用下从谷氨酸接受氨基，重新生成L-蛋氨酸。因此，D-蛋氨酸是L-蛋氨酸的前体物质，但这一转化过程完全发生在氨基酸代谢网络内，与tRNA和核糖体无关。
对于不具备D-氨基酸氧化酶的微生物，D-蛋氨酸不能被直接利用，也不会被掺入蛋白质。它的存在并不改变蛋白质的氨基酸序列，也不产生含有D-蛋氨酸的异常多肽。细胞若在含D-蛋氨酸的环境中生长受到抑制，其作用靶点是氨基酸转运蛋白或代谢酶的竞争性结合，而不是翻译过程的保真性。D-蛋氨酸不会造成肽链错义延伸或终止差错，因为它在氨基酰-tRNA合成酶阶段已经被截断。
五、对实验室与化学工艺的明确约束
在无细胞蛋白合成系统中加入D-蛋氨酸，产物蛋白质的序列不受任何影响，因为系统内没有能够活化D-蛋氨酸的酶。在微生物发酵中，若将D-蛋氨酸作为唯一的蛋氨酸源，只能支持携带完整手性逆转酶系的特定菌株的生长；对于普通大肠杆菌等宿主，该化合物是代谢惰性物。在手性拆分生产L-蛋氨酸的工艺中，D-蛋氨酸属于对映体杂质，必须通过结晶或酶法拆分去除，以控制最终产品的对映体过量值。
对于研究蛋氨酸代谢的人而言，D-蛋氨酸是一种有用的手性探针，用于考察氨基酸转运蛋白的立体选择性以及D-氨基酸氧化酶的体内活性。其不会被核糖体掺入这一特性，使实验结论能够排除翻译干扰，直接指向代谢路径。
综上，D-蛋氨酸在蛋白质合成中被三重手性筛选机制严格排除，不存在错误掺入事件。其生理意义完全位于氨基酸分解与再合成的代谢循环中，与蛋白质错误合成相关的后果不成立。