Пептиди, різноманітні молекули життя
Головна навігація
Пептиди є у всіх організмах, скрізь, де є клітини. Діапазон їх фізіологічних функцій значний. Біологічно активні пептиди зустрічаються, наприклад, як гормони, нейромедіатори або фактори росту, але також як токсини та антибіотики. Вони відповідно цікаві як активні інгредієнти; їх, серед іншого, використовують для лікування аутоімунних захворювань та раку. Незважаючи на певні труднощі, пептиди приділяють підвищену увагу в останні роки, і ведеться інтенсивний пошук нових природних та синтетичних пептидів.
Пептиди - це молекули, що складаються з амінокислот, але вони менші за білки. Із 50 амінокислот (в деяких джерелах також зі 100 амінокислот) говорять про білки. Амінокислоти пов'язані між собою відносно жорсткими і не обертовими пептидними зв'язками. Вони виникають, коли карбоксильна група (-COOH) однієї амінокислоти пов’язана з аміногрупою (-NH2) наступної амінокислоти шляхом елімінації води. На додаток до пептидних зв'язків, є дисульфідні зв'язки всередині і між пептидними ланцюгами, складними ефірними та тіоефірними зв'язками. Перш за все, пептиди - це ланцюги амінокислот, - каже хімік Ульму Таня Вейл. Але є також розгалужені та кругові пептиди.
Пептиди синтезуються різними способами
Природні пептиди можуть складатися з протеїногенних та непротеїногенних амінокислот. Для того, щоб приборкати їх величезну різноманітність, їх сортують за місцем їх виготовлення. Еукаріоти синтезують пептиди рибосомним шляхом із 20 протеїногенних амінокислот. Утворюються білки, які потім розщеплюються на пептиди. Часто рибосомні пептиди переживають, як їхні "великі сестри", білки, посттрансляційні модифікації (включаючи фосфорилювання, глікозилювання, сульфатування, гідроксилювання, дисульфідні містки).
Бактерії та гриби також мають можливість поступово накопичувати короткі пептиди за допомогою різних ферментів. Таким чином, непротеїногенні L-амінокислоти та D-амінокислоти також можуть бути включені. Наприклад, ці варіації підвищують стабільність. Тому ці пептиди представляють особливий інтерес для фармацевтичної промисловості. Багато свинцевих структур є похідними таких бактеріальних пептидів.
Численні пептиди з бактерій та грибів утворюються за допомогою модульно організованого мультиферментного комплексу (NonRibosomal Peptide Synthetase, NRPS). Тим часом (станом на 7/2013) було виявлено майже 1200 таких пептидів (https://www.gesundheitsindustrie-bw.debioinfo.lifl.fr/norine) у 247 організмів.
Високий рівень перешкод і ізоляція
Перш ніж пептиди можуть бути отримані хімічним або рекомбінантним способом, їх слід витягти та виділити. Потрібно багато аналітичних навичок, щоб використовувати мас-спектрометрію, рідинну хроматографію (ВЕРХ), тандемну спектрометрію та ядерно-магнітний резонанс, щоб виявити всі секрети молекули до її повторного синтезу. Тільки використання багатьох методів аналізу дає загальну картину. Це не закінчується тим, що хімік Таня Вейл порівнює з детективними роботами, оскільки, наприклад, реконструйований пептид втратив свою біологічну активність. Після подолання високих початкових перешкод можна спробувати відтворити пептид.
Сьогодні інтерес викликають довгі пептиди
Сам термін «пептид» сходить до німецького хіміка та лауреата Нобелівської премії (1902) Еміля Фішера, якому в 1901 році вдалося вперше синтезувати дипептид. З встановленням твердофазного синтезу дослідження пептидів (Р. М. Мерріфілд отримав за це Нобелівську премію в 1984 р.) Отримали поштовх - був досягнутий доступ до більших кількостей і чистіших речовин. Пізніше твердофазний синтез був автоматизований, а синтезатори пептидів комерціалізовані. Також існувала можливість рекомбінантного продукування.
Сьогодні пептидна хімія займається виробництвом особливо довгих пептидів. Оскільки завдяки цьому процесу синтезатори пептидів можна використовувати лише до 30 амінокислот, пояснює Таня Вейль. Синтез довших пептидів тепер можливий за допомогою так званих лігувань, при яких кілька коротких пептидів пов'язані, утворюючи довгі структури.
Пептиди завжди були привабливими для хіміків, оскільки вони дають їм багатофункціональні будівельні блоки. Їх дві реакційноздатні групи (карбокси, аміно) можуть бути використані для полімеризації. Існують також бічні ланцюги (за винятком гліцину), які в свою чергу також можуть нести функціональні групи. За допомогою «складної хімічної захисної групи» (Таня Вейл) можна отримати дуже точні макромолекули (послідовність, довжина).
PEPperPRINT з Гейдельберга застосовує дуже особливий підхід до синтезу пептидів, виробляючи пептидні масиви, друкуючи пептиди на чіпах за допомогою лазерного принтера.
Пептиди як активні інгредієнти
Вже кілька років пептиди як активні інгредієнти користуються все більшою увагою. Дійсно, спостерігачі ринку виявили сотні кандидатів на лікарські препарати на основі пептидів у клінічній розробці та багато інших на просунутих стадіях доклінічного розвитку у фармацевтичних та біотехнологічних трубопроводах. Оскільки всі організми утворюють антимікробні пептиди, інтенсивно шукають нові діючі речовини у різних, часто екзотичних організмів - таких як жаби, павуки та змії, а також рослини та гриби. Тим часом були також виявлені пептиди з антибіотичним ефектом, що виробляються такими бактеріями, як кишкова паличка, так звані мікрозини (див. Zschüttig et al.).
З іншого боку, нещодавно заснований Ульмський центр пептидних фармацевтичних препаратів (UPEP) зосереджується на людських пептидах. Там дослідники шукають біоактивні та імуномодулюючі речовини в пептидомі людини. Крім усього іншого, дослідники UPEP вже знайшли пептиди, які впливають на інфекційність ВІЛ.
Яскравим прикладом використання пептидів у терапевтичних цілях є вакцина проти раку нирок на основі пептидів, що перебуває в даний час у фазі III від біотехнологічної компанії Tübingen Immatics Biotechnologies. Але пептиди також використовуються в медичних технологіях. Розробляються імплантати, покриті антимікробними пептидами або на які наносяться пептиди, що підвищують біосумісність імплантату.
Існують також цікаві способи використання пептидів поза медициною. В Інституті технічної біохімії Університету Штутгарта проводяться дослідження композиційних матеріалів, виготовлених з пептидів та неорганічних компонентів. Такі структури шарів цікаві, наприклад, для побудови електронних компонентів.
Література:
Königshoff M, Brandenburger T. Короткий підручник з біохімії. Штутгарт/Нью-Йорк: Тієма 2012 (3-е, перероблене видання)
Caboche S, Leclère V, Pupin M, Kucherov G, Jacques P: Різноманітність мономерів у нерибосомних пептидах: до прогнозування походження та біологічної активності. J Bacteriol 2010; 192 (19), 5143-50, doi: 10.1128/JB.00315-10
Venoms for Health, проект ЄС 7-го ФРП (2011-2015): https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.venomics.eu
Zschüttig A, Zimmermann K., Blom J, Goesmann A, Pöhlmann Ch, Gunzer F: Ідентифікація та характеристика мікроцину S, нового антибактеріального пептиду, виробленого пробіотиком Escherichia coli G3/10, 30 березня 2012 р., DOI: 10.1371/журнал. поне.003335 (PLoS ONE), https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0033351
Еміль Фішер - біографічний: https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1902/fischer-bio.html
База даних про антимікробні пептиди: https://www.gesundheitsindustrie-bw.deaps.unmc.edu/AP/main.php
Проблеми з дизайном ліків
Хоча пептиди використовуються в якості активних інгредієнтів протягом багатьох років, введення все ще створює проблему.Пептиди швидко руйнуються в шлунково-кишковому тракті, тому їх слід вводити підшкірно або внутрішньовенно. Вони також швидко виводяться через нирки та печінку. Тому проводяться інтенсивні дослідження щодо розробки нових форм упаковки, а також модифікованих пептидних структур, які роблять молекули більш стабільними, наприклад. Оскільки пептиди можуть бути синтезовані порівняно добре з одного боку і мати вирішальний вплив на різні процеси в організмі, з іншого, вони дуже цікаві для фармацевтичної промисловості, незважаючи на згадані проблеми.