Белки составляют материальную основу химической деятельности клетки. Функции белков в природе универсальны. Названию белки, наиболее принятому в отечественной литературе, соответствует термин протеины (от греч. proteios - первый). К настоящему времени достигнуты большие успехи в установлении соотношения структуры и функций белков, механизма их участия в важнейших процессах жизнедеятельности организма и в понимании молекулярных основ патогенеза многих болезней.

В зависимости от молекулярной массы различают пептиды и белки. Пептиды имеют меньшую молекулярную массу, чем белки. Для пептидов более свойственна регуляторная функция (гормоны, ингибиторы и активаторы ферментов, переносчики ионов через мембраны, антибиотики, токсины и др.).

12.1. α -Аминокислоты

12.1.1. Классификация

Пептиды и белки построены из остатков α-аминокислот. Общее число встречающихся в природе аминокислот превышает 100, но некоторые из них обнаружены лишь в определенном сообществе орга- низмов, 20 наиболее важных α-аминокислот постоянно встречаются во всех белках (схема 12.1).

α-Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу у одного и того же атома углерода.

Схема 12.1. Важнейшие α-аминокислоты*

* Сокращенные обозначения применяются только для записи аминокислотных остатков в молекулах пептидов и белков. ** Незаменимые аминокислоты.

Названия α-аминокислот могут быть построены по заместительной номенклатуре, но чаще используются их тривиальные названия.

Тривиальные названия α-аминокислот обычно связаны с источниками выделения. Серин входит в состав фиброина шелка (от лат. serieus - шелковистый); тирозин впервые выделен из сыра (от греч. tyros - сыр); глутамин - из злаковой клейковины (от нем. Gluten - клей); аспарагиновая кислота - из ростков спаржи (от лат. asparagus - спаржа).

Многие α-аминокислоты синтезируются в организме. Некоторые аминокислоты, необходимые для синтеза белков, в организме не образуются и должны поступать извне. Такие аминокислоты называют незаменимыми (см. схему 12.1).

К незаменимым α-аминокислотам относятся:

валин изолейцин метионин триптофан

лейцин лизин треонин фенилаланин

α-Аминокислоты классифицируют несколькими способами в зависимости от признака, положенного в основу их деления на группы.

Одним из классификационных признаков служит химическая природа радикала R. По этому признаку аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические (см. схему 12.1).

Алифатические α-аминокислоты. Это наиболее многочисленная группа. Внутри нее аминокислоты подразделяют с привлечением дополнительных классификационных признаков.

В зависимости от числа карбоксильных групп и аминогрупп в молекуле выделяют:

Нейтральные аминокислоты - по одной группе NH 2 и СООН;

Основные аминокислоты - две группы NH 2 и одна группа

СООН;

Кислые аминокислоты - одна группа NH 2 и две группы СООН.

Можно отметить, что в группе алифатических нейтральных аминокислот число атомов углерода в цепи не бывает больше шести. При этом не существует аминокислоты с четырьмя атомами углерода в цепи, а аминокисоты с пятью и шестью атомами углерода имеют только разветвленное строение (валин, лейцин, изолейцин).

В алифатическом радикале могут содержаться «дополнительные» функциональные группы:

Гидроксильная - серин, треонин;

Карбоксильная - аспарагиновая и глутаминовая кислоты;

Тиольная - цистеин;

Амидная - аспарагин, глутамин.

Ароматические α-аминокислоты. К этой группе относятся фенилаланин и тирозин, построенные таким образом, что бензольные кольца в них отделены от общего α-аминокислотного фрагмента метиленовой группой -СН 2-.

Гетероциклические α-аминокислоты. Относящиеся к этой группе гистидин и триптофан содержат гетероциклы - имидазол и индол соответственно. Строение и свойства этих гетероциклов рассмотрены ниже (см. 13.3.1; 13.3.2). Общий принцип построения гетероциклических аминокислот такой же, как и ароматических.

Гетероциклические и ароматические α-аминокислоты можно рассматривать как β-замещенные производные аланина.

К героциклическим относится также аминокислота пролин, в которой вторичная аминогруппа включена в состав пирролидинового

В химии α-аминокислот большое внимание уделяется строению и свойствам «боковых» радикалов R, которые играют важную роль в формировании структуры белков и выполнении ими биологических функций. Большое значение имеют такие характеристики, как полярность «боковых» радикалов, наличие в радикалах функциональных групп и способность этих функциональных групп к ионизации.

В зависимости от бокового радикала выделяют аминокислоты с неполярными (гидрофобными) радикалами и аминокислоты c поляр- ными (гидрофильными) радикалами.

К первой группе относятся аминокислоты с алифатическими боковыми радикалами - аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин - и ароматическими боковыми радикалами - фенилаланин, триптофан.

Ко второй группе принадлежат аминокислоты, у которых в радикале имеются полярные функциональные группы, способные к иони- зации (ионогенные) или не способные переходить в ионное состояние (неионогенные) в условиях организма. Например, в тирозине гидроксильная группа ионогенная (имеет фенольный характер), в серине - неионогенная (имеет спиртовую природу).

Полярные аминокислоты с ионогенными группами в радикалах в определенных условиях могут находиться в ионном (анионном или катионном) состоянии.

12.1.2. Стереоизомерия

Основной тип построения α-аминокислот, т. е. связь одного и того же атома углерода с двумя разными функциональными группами, радикалом и атомом водорода, уже сам по себе предопределяет хираль- ность α-атома углерода. Исключение составляет простейшая аминокислота глицин H 2 NCH 2 COOH, не имеющая центра хиральности.

Конфигурация α-аминокислот определяется по конфигурационному стандарту - глицериновому альдегиду. Расположение в стандартной проекционной формуле Фишера аминогруппы слева (подобно группе ОН в l-глицериновом альдегиде) соответствует l-конфи- гурации, справа - d-конфигурации хирального атома углерода. По R, S-системе α-атом углерода у всех α-аминокислот l-ряда имеет S-, а у d-ряда - R-конфигурацию (исключение составляет цистеин, см. 7.1.2).

Большинство α-аминокислот содержит в молекуле один асимметрический атом углерода и существует в виде двух оптически активных энантиомеров и одного оптически неактивного рацемата. Почти все природные α-аминокислоты принадлежат к l-ряду.

Аминокислоты изолейцин, треонин и 4-гидроксипролин содержат в молекуле по два центра хиральности.

Такие аминокислоты могут существовать в виде четырех стереоизомеров, представляющих собой две пары энантиомеров, каждая из которых образует рацемат. Для построения белков животных организмов используется только один из энантиомеров.

Стереоизомерия изолейцина аналогична рассмотренной ранее стереоизомерии треонина (см. 7.1.3). Из четырех стереоизомеров в состав белков входит l-изолейцин с S-конфигурацией обоих асимметрических атомов углерода С-α и С-β. В названиях другой пары энантиомеров, являющихся диастереомерами по отношению к лейцину, используется приставка алло-.

Расщепление рацематов. Источником получения α-аминокислот l-ряда служат белки, которые подвергают для этого гидролитическому расщеплению. В связи с большой потребностью в отдельных энантиомерах (для синтеза белков, лекарственных веществ и т. п.) разработаны химические методы расщепления синтетических рацемических аминокислот. Предпочтителен ферментативный способ расщепления с использованием ферментов. В настоящее время для разделения рацемических смесей используют хроматографию на хиральных сорбентах.

12.1.3. Кислотно-основные свойства

Амфотерность аминокислот обусловлена кислотными (СООН) и основными (NH 2) функциональными группами в их молекулах. Аминокислоты образуют соли как со щелочами, так и с кислотами.

В кристаллическом состоянии α-аминокислоты существуют как диполярные ионы H3N+ - CHR-COO- (обычно используемая запись

строения аминокислоты в неионизированной форме служит лишь для удобства).

В водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм.

Положение равновесия зависит от рН среды. У всех аминокислот преобладают катионные формы в сильнокислых (рН 1-2) и анион- ные - в сильнощелочных (рН >11) средах.

Ионное строение обусловливает ряд специфических свойств аминокислот: высокую температуру плавления (выше 200 ?С), растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. Способность большинства аминокислот хорошо растворяться в воде является важным фактором обеспечения их биологического функционирования, с нею связаны всасывание аминокислот, их транспорт в организме и т. п.

Полностью протонированная аминокислота (катионная форма) с позиций теории Брёнстеда является двухосновной кислотой,

Отдавая один протон, такая двухосновная кислота превращается в слабую одноосновную кислоту - диполярный ион с одной кислотной группой NH 3 + . Депротонирование диполярного иона приводит к получению анионной формы аминокислоты - карбоксилат-иона, являющегося основанием Брёнстеда. Значения характеризую-

щие кислотные свойства карбоксильной группы аминокислот, обычно лежат в интервале от 1 до 3; значения рK а2 характеризующие кислотность аммониевой группы, - от 9 до 10 (табл. 12.1).

Таблица 12.1. Кислотно-основные свойства важнейших α-аминокислот

Положение равновесия, т. е. соотношение различных форм аминокислоты, в водном растворе при определенных значениях рН существенно зависит от строения радикала, главным образом от присутствия в нем ионогенных групп, играющих роль дополнительных кислотных и основных центров.

Значение рН, при котором концентрация диполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм аминокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (p/).

Нейтральные α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют значения рI несколько ниже 7 (5,5-6,3) вследствие большей способности к ионизации карбоксильной группы под влиянием -/-эффекта группы NH 2 . Например, у аланина изоэлектрическая точка находится при рН 6,0.

Кислые α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу и в сильнокислой среде находятся в полностью протонированной форме. Кислые аминокислоты являются трехосновными (по Брёндстеду) с тремя значениями рК а, как это видно на примере аспарагиновой кислоты (р/ 3,0).

У кислых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой) изоэлектрическая точка находится при рН много ниже 7 (см. табл. 12.1). В организме при физиологических значениях рН (например, рН крови 7,3-7,5) эти кислоты находятся в анионной форме, так как у них ионизированы обе карбоксильные группы.

Основные α-аминокислоты. В случае основных аминокислот изоэлектрические точки находятся в области рН выше 7. В сильно- кислой среде эти соединения также представляют собой трехосновные кислоты, этапы ионизации которых показаны на примере лизина (р/ 9,8).

В организме основные аминокислоты находятся в виде катионов, т. е. у них протонированы обе аминогруппы.

В целом ни одна α -аминокислота in vivo не находится в своей изоэлектрической точке и не попадает в состояние, отвечающее наименьшей растворимости в воде. Все аминокислоты в организме находятся в ионной форме.

12.1.4. Аналитически важные реакции α -аминокислот

α-Аминокислоты как гетерофункциональные соединения вступают в реакции, характерные как для карбоксильной, так и для аминогруппы. Некоторые химические свойства аминокислот обусловлены функциональными группами в радикале. В настоящем разделе рассматриваются реакции, имеющие практическое значение для идентификации и анализа аминокислот.

Этерификация. При взаимодействии аминокислот со спиртами в присутствии кислотного катализатора (например, газообразный хлороводород) с хорошим выходом получаются сложные эфиры в виде гидрохлоридов. Для выделения свободных эфиров реакционную смесь обрабатывают газообразным аммиаком.

Сложные эфиры аминокислот не имеют диполярного строения, поэтому, в отличие от исходных кислот, они растворяются в органических растворителях и обладают летучестью. Так, глицин - крис- таллическое вещество с высокой температурой плавления (292 ?С), а его метиловый эфир - жидкость с температурой кипения 130 ?С. Анализ эфиров аминокислот можно проводить с помощью газожидкостной хроматографии.

Реакция с формальдегидом. Практическое значение имеет реакция с формальдегидом, которая лежит в основе количественного определения аминокислот методом формольного титрования (метод Сёренсена).

Амфотерность аминокислот не позволяет проводить непосредственно титрование их щелочью в аналитических целях. При взаимодействии аминокислот с формальдегидом получаются относительно устойчивые аминоспирты (см. 5.3) - N-гидроксиметильные производные, свободную карбоксильную группу которых затем титруют щелочью.

Качественные реакции. Особенность химии аминокислот и белков заключается в использовании многочисленных качественных (цветных) реакций, составлявших ранее основу химического анализа. В настоящее время, когда исследования проводятся с помощью физико-химических методов, многие качественные реакции продолжают применять для обнаружения α-аминокислот, например, в хроматографическом анализе.

Хелатообразование. С катионами тяжелых металлов α-аминокислоты как бифункциональные соединения образуют внутрикомплексные соли, например, со свежеприготовленным гидроксидом меди(11) в мягких условиях получаются хорошо кристаллизующиеся хелатные

соли меди(11) синего цвета (один из неспецифических способов обнаружения α-аминокислот).

Нингидринная реакция. Общая качественная реакция α-аминокислот - реакция с нингидрином. Продукт реакции имеет синефиолетовый цвет, что используется для визуального обнаружения аминокислот на хроматограммах (на бумаге, в тонком слое), а также для спектрофотометрического определения на аминокислотных анализаторах (продукт поглощает свет в области 550-570 нм).

Дезаминирование. В лабораторных условиях эта реакция осуществляется при действии азотистой кислоты на α-аминокислоты (см. 4.3). При этом образуется соответствующая α-гидроксикислота и выделяется газообразный азот, по объему которого судят о количестве вступившей в реакцию аминокислоты (метод Ван-Слайка).

Ксантопротеиновая реакция. Эта реакция используется для обнаружения ароматических и гетероциклических аминокислот - фенилаланина, тирозина, гистидина, триптофана. Например, при действии концентрированной азотной кислоты на тирозин образуется нитропроизводное, окрашенное в желтый цвет. В щелочной среде окраска становится оранжевой в связи с ионизацией фенольной гидроксильной группы и увеличением вклада аниона в сопряжение.

Существует также ряд частных реакций, позволяющих обнаруживать отдельные аминокислоты.

Триптофан обнаруживают при помощи реакции с п-(диметиламино)бензальдегидом в среде серной кислоты по появляющемуся красно-фиолетовому окрашиванию (реакция Эрлиха). Эта реакция используется для количественного анализа триптофана в продуктах расщепления белков.

Цистеин обнаруживают с помощью нескольких качественных реакций, основанных на реакционной способности содержащейся в нем меркаптогруппы. Например, при нагревании раствора белка с ацетатом свинца (СНзСОО)2РЬ в щелочной среде образуется черный осадок сульфида свинца PbS, что указывает на присутствие в белках цистеина.

12.1.5. Биологически важные химические реакции

В организме под действием различных ферментов осуществляется ряд важных химических превращений аминокислот. К таким пре- вращениям относятся трансаминирование, декарбоксилирование, элиминирование, альдольное расщепление, окислительное дезаминирование, окисление тиольных групп.

Трансаминирование является основным путем биосинтеза α-ами- нокислот из α-оксокислот. Донором аминогруппы служит аминокислота, имеющаяся в клетках в достаточном количестве или избытке, а ее акцептором - α-оксокислота. Аминокислота при этом превращается в оксокислоту, а оксокислота - в аминокислоту с соответствующим строением радикалов. В итоге трансаминирование представляет обратимый процесс взаимообмена амино- и оксо- групп. Пример такой реакции - получение l-глутаминовой кислоты из 2-оксоглутаровой кислоты. Донорной аминокислотой может служить, например, l-аспарагиновая кислота.

α-Аминокислоты содержат в α-положении к карбоксильной группе электроноакцепторную аминогруппу (точнее, протонированную аминогруппу NH 3 +), в связи с чем способны к декарбоксилированию.

Элиминирование свойственно аминокислотам, у которых в боковом радикале в β-положении к карбоксильной группе содержится электроноакцепторная функциональная группа, например гидроксильная или тиольная. Их отщепление приводит к промежуточным реакционноспособным α-енаминокислотам, легко переходящим в таутомерные иминокислоты (аналогия с кето-енольной таутомерией). α-Иминокислоты в результате гидратации по связи C=N и последующего отщепления молекулы аммиака превращаются в α-оксокислоты.

Такой тип превращений имеет название элиминирование-гидратация. Примером служит получение пировиноградной кислоты из серина.

Альдольное расщепление происходит в случае α-аминокислот, у которых в β-положении содержится гидроксильная группа. Например, серин расщепляется с образованием глицина и формальдегида (последний не выделяется в свободном виде, а сразу связывается с коферментом).

Окислительное дезаминирование может осуществляться с участием ферментов и кофермента НАД+ или НАДФ+ (см. 14.3). α-Аминокислоты могут превращаться в α-оксокислоты не только через трансаминирование, но и путем окислительного дезаминирования. Например, из l-глутаминовой кислоты образуется α-оксоглутаровая кислота. На первой стадии реакции осуществляется дегид- рирование (окисление) глутаминовой кислоты до α-иминоглутаровой

кислоты. На второй стадии происходит гидролиз, в результате которого получаются α-оксоглутаровая кислота и аммиак. Стадия гидролиза протекает без участия фермента.

В обратном направлении протекает реакция восстановительного аминирования α-оксокислот. Всегда содержащаяся в клетках α-оксоглутаровая кислота (как продукт метаболизма углеводов) превращается этим путем в L-глутаминовую кислоту.

Окисление тиольных групп лежит в основе взаимопревращений цистеиновых и цистиновых остатков, обеспечивающих ряд окислительно-восстановительных процессов в клетке. Цистеин, как и все тиолы (см. 4.1.2), легко окисляется с образованием дисульфида - цистина. Дисульфидная связь в цистине легко восстанавливается с образованием цистеина.

Благодаря способности тиольной группы к легкому окислению цистеин выполняет защитную функцию при воздействии на орга- низм веществ с высокой окислительной способностью. Кроме того, он был первым лекарственным средством, проявившим противолучевое действие. Цистеин используется в фармацевтической практике в качестве стабилизатора лекарственных препаратов.

Превращение цистеина в цистин приводит к образованию дисульфидных связей, например, в восстановленном глутатионе

(см. 12.2.3).

12.2. Первичная структура пептидов и белков

Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (что соответствует молекулярной массе до 10 тыс.), а белки - более 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10 тыс. до нескольких миллионов).

В свою очередь, в группе пептидов принято различать олигопептиды (низкомолекулярные пептиды), содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, в состав цепи которых входит до 100 аминокислотных остатков. Макромолекулы с числом аминокислотных остатков, приближающимся или немного превышающим 100, не разграничивают по понятиям полипептиды и белки, эти термины часто используют как синонимы.

Пептидную и белковую молекулу формально можно представить как продукт поликонденсации α-аминокислот, протекающей с обра- зованием пептидной (амидной) связи между мономерными звеньями (схема 12.2).

Конструкция полиамидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся пептидных (амидных) групп -СО-NH- и фрагментов -CH(R)-.

Один конец цепи, на котором находится аминокислота со свободной группой NH 2, называют N-концом, другой - С-концом,

Схема 12.2. Принцип построения пептидной цепи

на котором находится аминокислота со свободной группой СООН. Пептидные и белковые цепи записывают с N-конца.

12.2.1. Строение пептидной группы

В пептидной (амидной) группе -СО-NH- атом углерода находится в состоянии sp2-гибридизации. Неподеленная пара электронов атома азота вступает в сопряжение с π-электронами двойной связи С=О. С позиций электронного строения пептидная группа представляет собой трехцентровую p,π-сопряженную систему (см. 2.3.1), электронная плотность в которой смещена в сторону более электроотрицательного атома кислорода. Атомы С, Ои N, образующие сопряженную систему, находятся в одной плоскости. Распределение электронной плотности в амидной группе можно представить с по- мощью граничных структур (I) и (II) или смещения электронной плотности в результате +M- и - M-эффектов групп NH и C=O соответственно (III).

В результате сопряжения происходит некоторое выравнивание длин связей. Двойная связь С=О удлиняется до 0,124 нм против обычной длины 0,121 нм, а связь С-N становится короче - 0,132 нм по сравнению с 0,147 нм в обычном случае (рис. 12.1). Плоская сопряженная система в пептидной группе служит причиной затруднения вращения вокруг связи С-N (барьер вращения составляет 63-84 кДж/моль). Таким образом, электронное строение предопре- деляет достаточно жесткую плоскую структуру пептидной группы.

Как видно из рис. 12.1, α-атомы углерода аминокислотных остатков располагаются в плоскости пептидной группы по разные стороны от связи С-N, т. е. в более выгодном тpанс-положении: боковые радикалы R аминокислотных остатков в этом случае будут наиболее удалены друг от друга в пространстве.

Полипептидная цепь имеет удивительно однотипное строение и может быть представлена в виде ряда расположенных под углом друг

Рис. 12.1. Плоскостное расположение пептидной группы -CO-NH- и α-атомов углерода аминокислотных остатков

к другу плоскостей пептидных групп, соединенных между собой через α-атомы углерода связями Сα-N и Сα-Сsp 2 (рис. 12.2). Вращение вокруг этих одинарных связей весьма ограничено вследствие затруднений в пространственном размещении боковых радикалов аминокислотных остатков. Таким образом, электронное и пространственное строение пептидной группы во многом предопределяет структуру полипептидной цепи в целом.

Рис. 12.2. Взаимное положение плоскостей пептидных групп в полипептидной цепи

12.2.2. Состав и аминокислотная последовательность

При единообразно построенной полиамидной цепи специфичность пептидов и белков определяется двумя важнейшими характе- ристиками - аминокислотным составом и аминокислотной последовательностью.

Аминокислотный состав пептидов и белков - это природа и количественное соотношение входящих в них α-аминокислот.

Аминокислотный состав устанавливается путем анализа пептидных и белковых гидролизатов в основном хроматографическими методами. В настоящее время такой анализ осуществляется с помощью аминокислотных анализаторов.

Амидные связи способны гидролизоваться как в кислой, так и щелочной среде (см. 8.3.3). Пептиды и белки гидролизуются с образованием либо более коротких цепей - это так называемый частичный гидролиз, либо смеси аминокислот (в ионной форме) - полный гидролиз. Обычно гидролиз осуществляют в кислой среде, так как в условиях щелочного гидролиза многие аминокислоты неустойчивы. Следует отметить, что гидролизу подвергаются также амидные группы аспарагина и глутамина.

Первичная структура пептидов и белков - это аминокислотная последовательность, т. е. порядок чередования α-аминокислотных остатков.

Первичную структуру определяют путем последовательного отщепления аминокислот с какого-либо конца цепи и их идентификации.

12.2.3. Строение и номенклатура пептидов

Названия пептидов строят путем последовательного перечисления аминокислотных остатков, начиная с N-конца, с добавлением суффикса -ил, кроме последней С-концевой аминокислоты, для которой сохраняется ее полное название. Другими словами, названия

аминокислот, вступивших в образование пептидной связи за счет «своей» группы СООН, оканчиваются в названии пептида на -ил: аланил, валил и т. п. (для остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот используют названия «аспартил» и «глутамил» соответствен- но). Названия и символы аминокислот означают их принадлежность к l -ряду, если не указано иное ( d или dl ).

Иногда в сокращенной записи символами Н (как часть аминогруппы) и ОН (как часть карбоксильной группы) уточняется незамещенность функциональных групп концевых аминокислот. Этим способом удобно изображать функциональные производные пептидов; например, амид приведенного выше пептида по С-концевой аминокислоте записывается Н-Asn-Gly-Phe-NH2.

Пептиды содержатся во всех организмах. В отличие от белков они имеют более разнородный аминокислотный состав, в частнос- ти, довольно часто включают аминокислоты d -ряда. В структурном отношении они также более разнообразны: содержат циклические фрагменты, разветвленные цепи и т. д.

Один из наиболее распространенных представителей трипептидов - глутатион - содержится в организме всех животных, в растениях и бактериях.

Цистеин в составе глутатиона обусловливает возможность существования глутатиона как в восстановленной, так и окисленной форме.

Глутатион участвует в ряде окислительно-восстановительных процессов. Он выполняет функцию протектора белков, т. е. вещества, предохраняющего белки со свободными тиольными группами SH от окисления с образованием дисульфидных связей -S-S-. Это касается тех белков, для которых такой процесс нежелателен. Глутатион в этих случаях принимает на себя действие окислителя и таким образом «защищает» белок. При окислении глутатиона происходит межмолекулярное сшивание двух трипептидных фрагментов за счет дисульфидной связи. Процесс обратим.

12.3. Вторичная структура полипептидов и белков

Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой характерны и более высокие уровни организа- ции, которые называют вторичной, третичной и четвертичной струк- турами.

Вторичная структура описывается пространственной ориентацией основной полипептидной цепи, третичная - трехмерной архитектурой всей белковой молекулы. Как вторичная, так и третичная структура связана с упорядоченным расположением макромолекулярной цепи в пространстве. Третичная и четвертичная структура белков рассматривается в курсе биохимии.

Расчетным путем было показано, что для полипептидной цепи одной из наиболее выгодных конформаций является расположение в пространстве в виде правозакрученной спирали, названной α-спиралью (рис. 12.3, а).

Пространственное расположение α-спирализованной полипептидной цепи можно представить, вообразив, что она обвивает некий

Рис. 12.3. α-Спиральная конформация полипептидной цепи

цилиндр (см. рис. 12.3, б). На один виток спирали в среднем приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг спирали составляет 0,54 нм, диаметр - 0,5 нм. Плоскости двух соседних пептидных групп располагаются при этом под углом 108?, а боковые радикалы аминокислот находятся на наружной стороне спирали, т. е. направлены как бы от поверхности цилиндра.

Основную роль в закреплении такой конформации цепи играют водородные связи, которые в α-спирали образуются между кар- бонильным атомом кислорода каждого первого и атомом водорода NН-группы каждого пятого аминокислотного остатка.

Водородные связи направлены почти параллельно оси α-спирали. Они удерживают цепь в закрученном состоянии.

Обычно белковые цепи спирализованы не полностью, а лишь частично. В таких белках, как миоглобин и гемоглобин, содержатся довольно длинные α-спиральные участки, например цепь миоглобина

спирализована на 75%. Во многих других белках доля спиральных участков в цепи может быть небольшой.

Другим видом вторичной структуры полипептидов и белков является β-структура, называемая также складчатым листом, или складчатым слоем. В складчатые листы укладываются вытянутые полипептидные цепи, связываемые множеством водородных связей между пептидными группами этих цепей (рис. 12.4). Во многих белках одновременно содержатся α-спиральные и β-складчатые структуры.

Рис. 12.4. Вторичная структура полипептидной цепи в виде складчатого листа (β-структура)

ПЕПТИДЫ , природные или синтетич. соед., к-рых построены из остатков a -аминокислот, соединенных между собой пептидными (амидными) связями C(O) NH. Могут содержать в также неаминокислотную компоненту (напр., остаток ). По числу аминокислотных остатков, входящих в пептидов, различают ди-пептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, наз. олигопептидами, содержащие более 10 аминокислотных остатков полипепти-дами Прир с мол. м. более 6 тыс. наз.

Историческая справка. Впервые пептиды были выделены из ферментативных гидролизатов . Термин "пептиды" предложен Э. Фишером. Первый синтетический пептид получил T. Курциус в 1881 Э. Фишер к 1905 разработал первый общий метод синтеза пептидов и синтезировал ряд олигопептидов разл. строения. Существ. вклад в развитие пептидов внесли ученики Э. Фишера Э. Абдергальден, Г. Лейке и M. Бергман. В 1932 M Бергман и Л. Зервас использовали в синтезе пептидов бензилоксикарбонильную группу (карбобензоксигруппу) для защиты a -аминогрупп , что ознаменовало новый этап в развитии синтеза пептидов. Полученные N-защищенные (N-карбобензоксиаминокислоты) широко использовали для получения различных пептидов, к-рые успешно применяли для изучения ряда ключевых проблем и этих B-B, напр, для исследования субстратной протеолитич. . С применением N-карбобензоксиаминокислот были впервые синтезированы ( , и др.). Важное достижение в этой области разработанный в нач. 50-х гг. P. Воганом и др. синтез пептидов методом смешанных (подробно методы синтеза пептидов рассмотрены ниже). В 1953 В. Дю Виньо синтезировал первый пептидный -окситоцин. На основе разработанной P. Меррифилдом в 1963 концепции твердофазного пептидного синтеза были созданы автоматич. синтезаторы пептидов. Получили интенсивное развитие методы контролируемого ферментативного синтеза пептидов. Использование новых методов позволило осуществить синтез и др.

Успехи синтетич. пептидов были подготовлены достижениями в области разработки таких , очистки и анализа пептидов, как , на разл. , гель-фильтрация, высокоэффективная (ВЭЖХ), иммуно-хим. анализ и др. Получили большое развитие также методы анализа концевых групп и методы ступенчатого расщепления пептидов. Были, в частности, созданы автоматич. аминокислотные анализаторы и автоматич. приборы для определения первичной структуры пептидов-т.наз. секвенаторы.

Номенклатура пептидов. Аминокислотный остаток пептидов, несущий своб. a -аминогруппу, наз. N-концевым, а несущий своб. a -карбоксильную группу - С-концевым. Название пептида образу ется из назв. входящих в его состав аминокислотных остатков, перечисляемых последовательно, начиная с N-концево-го. При этом используют тривиальные назв. , в к-рых окончание "ин" заменяется на "ил"; исключение C-концевой остаток, назв. к-рого совпадает с назв. соответствующей . Все аминокислотные остатки, входящие в пептиды, нумеруются, начиная с N-конца. Для записи первичной структуры пептидов () широко используют трехбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислотных остатков (напр., Ala Ser -Asp Phe -GIy аланил-серил-аспарагил-фенилаланил-гли-цин).

Строение. имеет св-ва частично . Это проявляется в уменьшении длины этой связи (0,132 нм)по сравнению с длиной C N (0,147 нм). Частично двоесвязный характер делает невозможным своб. вращение заместителей вокруг нее. поэтому пептидная группировка является плоской и имеет обычно транс-конфигурацию (ф-ла I). T. обр., остов пептидной цепи представляет собой ряд жестких плоскостей с подвижным ("шарнирным") сочленением в месте, где расположены асимметрич. С (в ф-ле I обозначены звездочкой).

В р-рах пептидов наблюдается предпочтительное образование определенных конформе-ров. С удлинением цепи более выраженную устойчивость приобретают (аналогично ) упорядоченные элементы вторичной структуры (a -спираль и b -струк-тура). Образование вторичной структуры особенно характерно для регулярных пептидов, в частности для полиаминокислот.

Свойства. Олигопептиды по св-вам близки к , подобны . Олигопептиды представляют собой, как правило, кристаллич. в-ва, разлагающиеся при нагр. до 200 300 0 C. Они хорошо раств. в , разб. к-тах и , почти не раств. в орг. р-рителях. Исключение Олигопептиды, построенные из остатков гидрофобных .

Олигопептиды обладают амфотерными св-вами и, в зависимости от кислотности среды, могут существовать в форме , или . Осн. полосы поглощения в ИК спектре для группы NH 3300 и 3080 см -1 , для группы C=O 1660 см -1 . В УФ спектре полоса поглощения пептидной группы находится в области 180-230 нм. Изоэлектрич. точка (рI) пептидов колеблется в широких пределах и зависит от состава аминокислотных остатков в . Величины рК а пептидов составляют для а-СООН ок. 3, для a -N H 2 ок. 8.

Хим. св-ва олигопептидов определяются содержащимися в них функц. группами, а также особенностями . Их хим. превращения в значит. мере аналогичны соответствующим р-циям . Они дают положит. и . Дипептиды и их производные (особенно эфиры) легко циклизуются, превращаясь в . Под действием 5,7 н.

соляной к-ты пептиды гидролизуются до в течение 24ч при 105 0 C.

Синтез. Хим. синтез пептидов заключается в создании между группой COOH одной и NH 2 др. или пептида. В соответствии с этим различают карбоксильную и аминную компоненты р-ции пептидного синтеза. Для проведения целенаправленного контролируемого синтеза пептидов необходима предварит. временная защита всех (или нек-рых) функц. групп, к-рые не участвуют в образовании , а также предварит. активация одной из компонент пептидного синтеза. После окончания синтеза удаляют. При получении биологически активных пептидов необходимое условие - предотвращение на всех этапах пептидного синтеза.

Наиб. важные способы образования при осуществлении р-ции в р-ре-методы активир. эфиров, кар-бодиимидный, смешанных и азидный метод.

Метод активированных эфиров основан на предварит. образовании сложноэфирного производного карбоксильной компоненты путем введения в нее спиртового остатка, содержащего сильный электроноакцепторный заместитель. В результате образуется высокореакционноспо-собный эфир, легко подвергающийся под действием аминокомпоненты пептидного синтеза. В качестве активир. эфиров при синтезе пептидов широко используют пента-фтор-, пентахлор-, трихлор- и n-нитрофениловые и ряд др. эфиров защищенных и пептидов.

Карбодиимидный метод образования предусматривает использование в качестве конденсирующих разл. замещенных . Особенно широкое применение при синтезе пептидов получил дициклогексил-карбодиимид:

X и Y-соотв. N- и С-защитные группы С этим конденсирующим можно осуществлять синтез пептидов и в водных средах, т. к. скорости р-ций и промежуточно образующейся О-ацилизомо-чевины (II) существенно различаются. При синтезе пептидов находят также применение разл. водорастворимые карбодиими-ды (напр., N-диметиламинопропил-N"-этилкарбодиимид).

Метод смешанных основан на предварит. активации карбоксильной компоненты пептидного синтеза путем образования смешанного с карбоновой или неорг. к-той. Наиб. часто используют алкиловые эфиры хлормуравьиной (хлоругольной) к-ты, особенно этиловый и изобутиловый эфиры, напр.:

В - третичный

При синтезе пептидов по этому методу весьма эффективны смешанные N-ациламинокислот и пивалиновой (триметилуксусной) к-ты. Благодаря сильному положит. трет-бутилъной группы электро-фильность карбоксильного С в остатке пивалиновой к-ты существенно снижена, и это, наряду со стерич. препятствиями, подавляет нежелат. побочную р-цию образования и своб. N-ациламинокислоты, к-рая осуществляется по схеме:

В одном из вариантов метода смешанных применяют в качестве конденсирующего агента 1-этоксикар-бонил-2-этокси-1,2-дигидрохинолин. Это соед. легко образует с карбоксильной компонентой пептидного синтеза про-межут. смешанный , быстро вступающий в р-цию , причем полностью исключается нежелат. побочная р-ция.

Частный случай метода смешанных - метод симметрич. , в к-ром используют 2 O. Их применение исключает возможность или неправильного .

Азидный метод синтеза предусматривает активацию карбоксильной компоненты предварит, превращением ее в N-замещенной или пептида:

Ввиду нестойкости их в своб. виде из р-ра, как правило, не выделяют. Если вместо для р-ции с гидразидом использовать алкиловые эфиры азотистой к-ты (напр., трет-бутилнитрит), то азид-ную можно проводить в орг. р-рителе; образующуюся HN 3 связывают третичными . Нередко азидная осложняется нежелат. побочными р-циями (превращ. гидразида не в , а в амид; р-ция гидразида с , ведущая к образованию 1,2-диацил-гидразина; промежут. образование , к-рый в результате перегруппировки Курциуса может приводить к производному или соответствующему и др.). Преимущества азидного метода-малая степень , возможность применения и без защиты .

Для превращ. защищенных пептидов в свободные используют спец. методы деблокирования, к-рые основаны на р-циях, обеспечивающих отщепление разл. , гарантирующих сохранение всех в . Примеры деблокирования: удаление оксикарбониль-ной группы каталитич. при атм. и комнатной т-ре, отщепление трет-бутилоксикарбонильной группы мягким , а также гидролитич. отщепление трифторацетильной группы под действием разб. р-ров .

При синтезе биологически активных пептидов важно, чтобы не происходила , к-рая может осуществляться в результате обратимого отщепления H + от a -атома С N-ациламинокислоты или пептида. способствуют и к-ты, высокая т-ра и полярные р-рители. Решающую роль играет , катализируемая , к-рая может протекать по т. наз. азлактоновому механизму или через енолизацию по схеме:

Наиб. важные способы исключения : 1) наращивание пептидной цепи в направлении от С-конца к N-концу с применением N-защитных групп типа ROC(O). 2) Активация N-защищенных пептидных фрагментов с С-концевы-ми остатками или . 3) Использование азид-ного метода (при отсутствии избытка третичного и поддержании низких т-р в реакц. среде). 4) Применение активир. эфиров , к-рых протекает через переходное состояние, стабилизир. водородными мостиками (напр., эфиров, образованных с N-гидроксипипери-дином и 8-гидроксихинолином). 5) Использование карбоди-имидного метода с N-гидроксисоед. или к-т Льюиса.

Наряду с синтезом пептидов в р-рах, важное значение имеет синтез пептидов с применением нерастворимых . Он включает пептидов (р-ция, или метод, Мэр-рифилда) и синтез пептидов с использованием полимерных .

Стратегия твердофазного пептидного синтеза предусматривает временное закрепление синтезируемой пептидной цепи на нерастворимом полимерном и осуществляется по схеме:

Благодаря этому способу удалось заменить весьма сложные и трудоемкие процедуры разделения и очистки промежут. пептидов простыми операциями промывки и , а также свести процесс пептидного синтеза к стандартной последовательности периодически повторяющихся процедур, легко поддающихся автоматизации. Метод Меррифилда позволил существенно ускорить процесс синтеза пептидов. На основе этой методологии созданы разл. типы автоматич. синтезаторов пептидов.

Соединение высокопроизводит. пептидов с разделяющими способностями препаративной ВЭЖХ обеспечивает выход на качественно новый уровень хим. синтеза пептидов, что, в свою очередь, благотворно влияет на развитие разл. областей , мол. биологии, фармакологии и медицины.

Стратегия синтеза пептидов с применением полимерных предусматривает временное связывание с высокомол. активир. карбоксильной компоненты или конденсирующего агента пептидного синтеза. Преимущество этого метода: закрепленные на могут вводиться в избытке, а отделение синтезированных пептидов от нерастворимых не представляет затруднений.

Пример такого синтеза-пропускание аминокомпоненты в заданной последовательности через неск. колонок, в каждой из к-рых находится связанный с полимерным активир. эфир определенной

На рис. 4.1 изображен трипептид, состоящий из аминокислотных остатков аланина, цистеина и валина. Отметим, что трипептид содержит три остатка, но не три пептидные связи.

Рис. 4.1. Структурная формула трипептида. Пептидные связи для наглядности затенены.

Структуру пептида принято изображать так, чтобы N-концевой остаток (содержащий свободную а-аминогруппу) располагался слева, а С-концевой остаток (со свободной а-карбоксильной группой) - справа. Такой пептид имеет только одну свободную а-аминогруппу и только одну а-карбоксильную группу. Это справедливо для всех полипептидов, которые образованы только аминокислотными остатками, соединенными друг с другом пептидными связями, образовавшимися между а-аминогруппой и а-карбоксильной группой. В некоторых пептидах концевая аминогруппа или концевая карбоксильная группа модифицирована (примером могут служить ацильное производное аминогруппы или амид карбоксильной группы) и, таким образом, не является свободной.

Запись структурной формулы пептидов

Укажем самый простой способ записи. Во-первых, нарисуем «остов» из связанных друг с другом и из атомов а-углерода. Эти группы чередуются вдоль остова цепи. Затем подсоединим к a-углеродным атомам соответствующие боковые группы. Опишем эту процедуру подробнее.

1. Вычертим зигзагообразную линию произвольной длины и добавим слева N-концевую аминогруппу:

2. Встроим в цепочку а-углеродные атомы, а-карбоксильную и а-аминную группы:

3. Присоединим соответствующие -группы (они затенены) и атомы а-водорода к а-углеродным атомам:

Рис. 4.2. Представление первичной структуры гексапептида с помощью трехбуквенных и однобуквенных обозначений аминокислотных остатков. Данный гексапептид содержит на N-конце глутамат (Glu. Е). а на С-конце аланин

Первичная структура пептида

Линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называется первичной структурой пептида. Чтобы определить первичную структуру Полипептида, нужно установить число, химическую структуру и порядок расположения всех аминокислотных остатков, входящих в его состав.

Полипептиды (белки) могут содержать 100 и более остатков, поэтому традиционные структурные формулы оказываются неудобными для представления первичной структуры. «Химическая скоропись» использует либо трехбуквенные, либо однобуквенные обозначения аминокислот, выписанные во втором столбце табл. 3.3 (рис. 4.2). При наименовании пептида его рассматривают как производное С-концевого аминокислотного остатка.

Если первичная структура однозначно установлена, то трехбуквенные обозначения аминокислотных остатков соединяют черточками. Однобуквенные обозначения черточками не соединяют. Если на каком-то участке полипептидной цепи точный порядок следования аминокислотных остатков неизвестен, эти остатки заключают в скобки и разделяют запятыми (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Гептапептид, содержащий участок, точная первичная структура которого не установлена.

Физиологические последствия изменений в первичной структуре

Замена всего одной аминокислоты на другую в линейной последовательности из 100 и более аминокислот может привести к снижению или полной потере биологической активности пептида, а это повлечет за собой весьма серьезные последствия (в качестве примера можно привести серповидноклеточную анемию; см. гл. 6). Многие наследуемые нарушения метаболизма обусловлены именно одиночными заменами такого типа. С развитием новых мощных методов определения структуры белков и ДНК удалось выяснить биохимическую основу многих наследуемых болезней, связанных с нарушениями метаболизма.

ὀλίγος «малочисленный»); при большей длине последовательности они называются полипепти́дами (от греч. πολυ- «много»); полипептиды могут иметь в молекуле неаминокислотные фрагменты, например углеводные остатки. Белка́ми обычно называют полипептиды, содержащие, примерно, от 50 аминокислотных остатков с молекулярной массой более 5000 (6000 )-10000 дальтон .

На сегодняшний день известно более 1500 видов пептидов, определены их свойства и разработаны методы синтеза.

Панкреатические молекулы полипептидного характера

• APP Avian pancreatic polypeptide
• en:HPP Human pancreatic polypeptide

Свойства пептидов

Пептиды постоянно синтезируются во всех живых организмах для регулирования физиологических процессов. Свойства пептидов зависят, главным образом, от их первичной структуры - последовательности аминокислот, а также от строения молекулы и её конфигурации в пространстве (вторичная структура).

Классификация пептидов и строение пептидной цепочки

Молекула пептида - это последовательность аминокислот: два и более аминокислотных остатка, соединённых между собой амидной связью, составляют пептид. Количество аминокислот в пептиде может сильно варьировать. И в соответствии с их количеством различают:

1. олигопептиды - молекулы, содержащие до десяти аминокислотных остатков; иногда в их названии упоминается количество входящих в их состав аминокислот, например, дипептид, трипептид, пентапептид и др.;
2. полипептиды - молекулы, в состав которых входит более десяти аминокислот.

Соединения, содержащие более ста аминокислотных остатков, обычно называются белками. Однако это деление условно, некоторые молекулы, например, гормон глюкагон, содержащий лишь двадцать девять аминокислот, называют белковым гормоном. По качественному составу различают:

1. гомомерные пептиды - соединения, состоящие только из аминокислотных остатков;
2. гетеромерные пептиды - вещества, в состав которых входят также небелковые компоненты.

Пептиды также делятся по способу связи аминокислот между собой:

1. гомодетные - пептиды, аминокислотные остатки которых соединены только пептидными связями;
2. гетеродетные пептиды - те соединения, в которых помимо пептидных связей встречаются ещё и дисульфидные, эфирные и тиоэфирные связи.

Цепочка повторяющихся атомов называется пептидным остовом: (-NH-CH-OC-). Участок (-CH-) с аминокислотным радикалом образует соединение (-NH-C(R1)H-OC-), называемое аминокислотным остатком. N-концевой аминокислотный остаток имеет свободную α-аминогруппу (-NH), в то время как у C-концевого аминокислотного остатка свободной является α-карбоксильная группа (OC-). Пептиды различаются не только по аминокислотному составу, но и по количеству, а также расположению и соединению аминокислотных остатков в полипептидную цепочку. Пример: Про-Сер-Про-Ала-Гис и Гис-Ала-Про-Сер-Про Несмотря на одинаковый количественный и качественный состав, эти пептиды имеют совершенно разные свойства.

Пептидная связь

Пептидная (амидная) связь - это вид химической связи, которая возникает вследствие взаимодействия α-аминогруппы одной аминокислоты и α-карбоксигруппы другой аминокислоты. Амидная связь очень прочная, и в нормальных клеточных условиях (37 °C, нейтральный pH) самопроизвольно не разрывается. Пептидная связь разрушается при действии на неё специальных протеолитических ферментов (протеаз, пептидгидролаз).

Значение

Пептидные гормоны и нейропептиды , например, регулируют большинство процессов организма человека, в том числе, принимают участие в процессах регенерации клеток. Пептиды иммунологического действия защищают организм от попавших в него токсинов. Для правильной работы клеток и тканей необходимо адекватное количество пептидов. Однако с возрастом и при патологии возникает дефицит пептидов, который существенно ускоряет износ тканей, что приводит к старению всего организма. Сегодня проблему недостаточности пептидов в организме научились решать. Пептидный пул клетки восполняют синтезированными в лабораторных условиях короткими пептидами.

Синтез пептидов

Образование пептидов в организме происходит в течение нескольких минут, химический же синтез в условиях лаборатории - достаточно длительный процесс, который может занимать несколько дней, а разработка технологии синтеза - несколько лет. Однако, несмотря на это, существуют довольно весомые аргументы в пользу проведения работ по синтезу аналогов природных пептидов. Во-первых, путём химической модификации пептидов возможно подтвердить гипотезу первичной структуры. Аминокислотные последовательности некоторых гормонов стали известны именно благодаря синтезу их аналогов в лаборатории.

Во-вторых, синтетические пептиды позволяют подробнее изучить связь между структурой аминокислотной последовательности и её активностью. Для выяснения связи между конкретной структурой пептида и его биологической активностью была проведена огромная работа по синтезу не одной тысячи аналогов. В результате удалось выяснить, что замена лишь одной аминокислоты в структуре пептида способна в несколько раз увеличить его биологическую активность или изменить её направленность. А изменение длины аминокислотной последовательности помогает определить расположение активных центров пептида и участка рецепторного взаимодействия.

В-третьих, благодаря модификации исходной аминокислотной последовательности, появилась возможность получать фармакологические препараты. Создание аналогов природных пептидов позволяет выявить более «эффективные» конфигурации молекул, которые усиливают биологическое действие или делают его более продолжительным.

В-четвёртых, химический синтез пептидов экономически выгоден. Большинство терапевтических препаратов стоили бы в десятки раз больше, если бы были сделаны на основе природного продукта.

Зачастую активные пептиды в природе обнаруживаются лишь в нанограммовых количествах. Плюс к этому, методы очистки и выделения пептидов из природных источников не могут полностью разделить искомую аминокислотную последовательность с пептидами противоположного или же иного действия. А в случае специфических пептидов, синтезируемых организмом человека, получить их возможно лишь путём синтеза в лабораторных условиях.

Биологически активные пептиды

Пептиды, обладая высокой физиологической активностью, регулируют различные биологические процессы. По биорегуляторному действию пептиды принято делить на несколько групп:

• соединения, обладающие гормональной активностью (глюкагон , окситоцин , вазопрессин и др.);
• вещества, регулирующие пищеварительные процессы (гастрин , желудочный ингибирующий пептид и др.);
• пептиды, регулирующие аппетит (эндорфины , нейропептид-Y, лептин и др.);
• соединения, обладающие обезболивающим эффектом (опиоидные пептиды);
• органические вещества, регулирующие высшую нервную деятельность, биохимические процессы, связанные с механизмами памяти, обучения, возникновением чувства страха, ярости и др.;
• пептиды, которые регулируют артериальное давление и тонус сосудов (ангиотензин II, брадикинин и др.).
• пептиды, которые обладают противоопухолевым и противовоспалительным свойствами (Луназин)

Однако такое деление условно, так как действие многих пептидов не ограничивается каким-либо одним направлением. Так, например, вазопрессин , помимо сосудосуживающего и антидиуретического действия, улучшает память.

Пептидные гормоны

Пептидные гормоны - это многочисленный и наиболее разнообразный по составу класс гормональных соединений, представляющий собой биологически активные вещества. Их образование происходит в специализированных клетках железистых органов, после чего активные соединения поступают в кровеносную систему для транспортировки к органам-мишеням. По достижении цели гормоны специфически воздействуют на определённые клетки, взаимодействуя с соответствующим Пептидные биорегуляторы

На основе разработанной петербургскими учеными технологии из органов и тканей животных были выделены пептиды, обладающие тканеспецифическим действием, способные восстанавливать на оптимальном уровне метаболизм в клетках тех тканей, из которых они выделены. Важным отличием этих пептидов является их регулирующее действие: при подавлении функции клетки они её стимулируют, а при повышенной функции - снижают до нормального уровня. Это позволило создать новый класс лекарственных препаратов - пептидные биорегуляторы.

Первый из них - иммуномодулятор тималин - уже более 28 лет находится на фармацевтическом рынке и применяется для восстановления функции иммунной системы при заболеваниях различного генеза, включая онкологические заболевания. За ним последовали эпиталамин (биорегулятор нейроэндокринной системы), сампрост (препарат для лечения заболеваний предстательной железы), кортексин (препарат для лечения широкого спектра неврологических заболеваний), ретиналамин (препарат для лечения дегенеративно-дистрофических заболеваний сетчатки). За 25 лет широкого применения пептидных биорегуляторов их получили более 15 млн человек. При этом не было выявлено противопоказаний к их применению и побочного действия.

В настоящее время обнаружено, что тималин и ему подобные противопоказаны при аутоиммунных заболеваниях, так как тималин стимулирует, в том числе, область перевозбужденного иммунитета. По всей видимости, в тималине полностью отсутствует супрессорная функция, которая чрезвычайно важна при борьбе с аутоиммунными заболеваниями.

Спасибо

Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!

Общая информация

Пептиды – это белки, молекулы которых образованы из остатков альфа-аминокислот, соединённых пептидными (амидными) связями.

Пептиды непрерывно производятся во всех живых организмах для регуляции клеточных и тканевых процессов. Их активность в основном определяется их строением – последовательностью аминокислот, а также структурой частицы и её положением в пространстве.

Пептиды подразделяются на полипептиды и олигопептиды. Полипептиды построены из сотен аминокислот, тогда как олигопептиды (короткие пептиды) образованы не более чем 10-50 аминокислотами.

Также пептиды классифицируют по входящим в их частицы компонентам:
1. Гомомерные пептиды – образованы исключительно остатками аминокислот.
2. Гетеромерные пептиды – содержат также соединения небелковой природы.

Кроме того, пептиды классифицируют по способу связи аминокислот:
1. Гомодетные – частицы, остатки аминокислот которых соединены только амидными связями.
2. Гетеродетные – частицы, образованные также дисульфидными, эфирными и тиоэфирными связями.

Пептиды, обладая выраженной биологической активностью, регулируют ряд физиологических процессов. По своим регулирующим функциям их классифицируют следующим образом:

• вещества, характеризующиеся гормональной активностью (глюкагон, окситоцин, антидиуретический гормон и др.);
• соединения, отвечающие за пищеварение (гастрин , гастроингибирующий пептид и др.);
• вещества, отвечающие за пищевое поведение (эндорфины , нейропептид Y, лептин и др.);
• вещества, купирующие болевой синдром (опиоидные пептиды);
• органические соединения, регулирующие высшую нервную деятельность, химические реакции, отвечающие за память, обучение, эмоции и т.д. (вазопрессин, окситоцин);
• соединения, регулирующие давление в артериях и диаметр просвета сосудов (ангиотензин II, брадикинин и др.).

Однако такая классификация весьма условна, поскольку многие пептиды выполняют несколько важных функций. К примеру, вазопрессин, помимо контроля памяти, отвечает за тонус сосудов и функцию снижения выработки мочи.

Антимикробные пептиды

Древний механизм защиты

Иммунитет не является синонимом понятия ”иммунная система”, поскольку он состоит не только в синтезе иммуноглобулинов и активизации фагоцитов. Представители растительного и животного царства борются с болезнетворными бактериями с помощью особых пептидов. Антимикробные пептиды растений, одноклеточных организмов, насекомых и животных, в т.ч. человека, сходны по строению. Это позволяет говорить о том, что они являются древнейшим механизмом защиты организма от бактерий, который имеется даже у животных с эффективной иммунной системой почти в первозданном виде. Несмотря на своё “древнее происхождение”, данный класс пептидов эффективно справляется с бактериями, что навело учёных на идею их применения в медицине.

Общеизвестно, что иммунная система служит высшим животным системой защиты от инфекционных заболеваний. Её деятельность воплощается в борьбе с примитивными одноклеточными болезнетворными микроорганизмами: бактериями, протистами, грибами и вирусами . Однако немногие задумываются о том, что иммунитет есть и у низших представителей животного царства, к примеру, у насекомых. Исследования в данной сфере биологии способствовали обнаружению ранее неизвестного класса уникальных биологически активных веществ.

Дело в том, что иммунная система, подобная человеческой, у насекомых отсутствует. У них нет механизмов синтеза защитных протеиновых молекул – иммуноглобулинов, способных разрушать проникающие в организм чужеродные организмы. Вместе с тем биологи давно выяснили, что насекомые способны успешно противостоять инфекционным микроорганизмам. Но каким же образом? Первое обоснованное предположение выдвинула в 1980 г. группа учёных под руководством Ганса Бомана из Стокгольмского университета. Гусенице павлиноглазки ввели раствор, содержащий болезнетворные бактерии, после чего собрали и изучили биоактивные вещества, которые выделило заражённое насекомое в ответ на инфекцию . В результате химики нашли два новых органических вещества – пептидные молекулы, образованные из 35-39 аминокислот. Им дали название – цекропины. Антибактериальный эффект цекропинов оказался крайне высоким. Позже подобные соединения нашли у бабочек и мух.

В целом, антимикробные соединения, представляющие собой короткие белки из 24-40 аминокислот, открыты учёными уже давно. Ещё в середине XX века были получены вещества грамицидин и низин, которые активно применяются в производстве пищевых продуктов и лекарственных средств. Давно изучены растительные антимикробные пептиды, и пептиды из пчелиного яда. Тем не менее, открытие Ганса Бомана стало особенным. Полученные пептиды по структуре схожи с давно открытым соединением – мелиттином, найденном в яде пчёл. Однако было установлено важное отличие – цекропины эффективны исключительно против кишечной палочки . Столь высокая избирательность воздействия заинтересовала производителей лекарственных средств. Кроме того, стало ясно, что цекропины и сходные с ними пептиды обеспечивают гусеницам защиту от целого ряда заболеваний, т.е. обеспечивают иммунитет.

Вслед за цекропинами был обнаружен и изучен ряд других соединений из секреторных выделений некоторых насекомых. Одни избирательно действуют на грамположительные бактерии, другие – на патогенные грибы. Большое разнообразие антибактериальных пептидов получено из ядов различных насекомых и рептилий: змей, скорпионов, паукообразных, пчёл. В конце 80-х в США было установлено, что в коже лягушки в случае инфекционного поражения или повреждения активируется мощный механизм антимикробной защиты – в больших концентрациях секретируются пептиды, образованные из 23 аминокислот. Открытые вещества назвали “магайнины”. Первооткрыватель, Майкл Заслофф, уже в1988 создал фармацевтическую компанию Magainin Pharmaceuticals, которая до сих пор весьма успешно занимается производством лекарственных препаратов.

Первое время среди учёных было распространено мнение, что антибактериальные пептиды способны создавать только низшие животные, не обладающие развитой иммунной системой. Но уже в 1988 г. было установлено, что и млекопитающие – мыши, коровы и даже люди – способны производить подобные соединения. Причём этот процесс протекает в основном в кишечнике , дыхательной системе и мочеточниках. Пептиды непрерывно создаются даже в стабильном состоянии организма, а при воспалительных реакциях или повреждении тканей их синтез резко возрастает. Поэтому сейчас учёные активно ищут соединения, активирующие секрецию антибактериальных пептидов в человеческом организме. К их удивлению, вещество, активирующее природный иммунитет, было обнаружено в дрожжах и йогурте. Это жирная аминокислота изолейцин. Организм человека не способен её производить, поэтому она поступает только через пищу.

Как уже было упомянуто, антимикробные пептиды производят даже представители царства растений. Пептиды растительного происхождения – тионины – обнаружены ещё в середине XX века. По строению они схожи с антимикробными пептидами насекомых, и не менее эффективны против патогенных грибков, а против бактерий совершенно бесполезны. Пептид дрозомицин, производимый мушкой дрозофилом, структурно схож с дефензином из семян редьки . Антимикробные пептиды чешуекрылых схожи с тионинами ячменя и пшеницы .

Многие учёные полагали, что у насекомых и рептилий антимикробные пептиды служат единственной защитой от инфекционных заболеваний, а у млекопитающих, снабжённых иммунной системой, это лишь атавизм. Но позже, в результате многочисленных экспериментов, исследователи признали, что антимикробные пептиды крайне необходимы и высшим животным. Так, в 1999 г. в Калифорнийском университете у белых мышей блокировали ген, который активировал процесс образования энзима , участвовавшего в производстве антимикробного пептида в тонкой кишке. По сравнению с контрольными группами мышей, первые быстрее заражались теми или иными кишечными инфекциями, и чаще гибли от них.

Механизм действия

Каков механизм быстрого и эффективного уничтожения микроорганизмов антимикробными пептидами, до сих пор достоверно неизвестно. Однако некоторые закономерности в строении и особенностях их действия учёные уже выявили. Сегодня уже известно, что большая часть антибактериальных пептидов воздействует на мембрану бактерий, точнее, на её жировой слой. Кроме того, такие пептиды всегда обладают положительным зарядом, а жировой слой мембраны бактерии заряжен отрицательно. Поэтому ясно, что главный принцип антибактериального эффекта – это электростатический эффект. Однако лишь этим объяснением учёные не удовлетворились. Ведь иногда пептиды эффективны в отношении одного типа микроорганизмов, а других, с идентичным зарядом мембраны, нисколько не повреждают. Кроме того, нет объяснений, каким образом положительно заряженные пептиды воздействуют на электрически нейтральный липидный слой клеточной мембраны млекопитающих. А главной загадкой является то, что пептиды, вызывая гибель клеток высших животных, никогда не разрушают клетки организма, в котором были синтезированы.

Многое объясняет тот факт, что молекулы основных известных антимикробных пептидов, при приближении к жирам клеточной мембраны, преобразуются из линейных в правосторонние спиральные. По всей видимости, спиральная форма требуется для того, чтобы проходить сквозь мембрану инфекционной клетки. Но ещё одно немаловажное проявление пептидов – амфифильность. Это означает, что заряженные и нейтральные аминокислоты находятся по разные стороны цепочки, т.е. заряд принадлежит не всему пептиду, а лишь одному его концу. Пептид как бы собрал весь заряд в одну точку, чтобы разрушить мембрану чужеродной клетки.

Чтобы обрисовать процесс разрушения пептидом клеточной мембраны учёные разработали ряд моделей. Наиболее известна т.н. “порообразующая” модель, в соответствии с которой пептиды при попадании в окружение липидов , входят в мембрану, пронизывая её насквозь; при этом структура образующихся пор может различаться. Иногда несколько пептидов принимают положение, перпендикулярное мембране, плотно скучиваясь, создавая цилиндрическую бочку. Отсюда и произошло название такой модели – “бочковая”. А в других моделях стенки поры образованы как из пептидов, так и из жировых частиц. В данном случае пора принимает форму тороида (“тороидальная” модель). Когда в мембране образуется большое количество пор, она теряет устойчивость, и тогда цитоплазма вместе с клеточными органоидами выходит во внешнюю среду – при этом микроорганизм гибнет. Существует ещё одна модель (именуемая “ковровой”), согласно которой положительно заряженные частицы пептидов равномерно покрывают клеточную мембрану, создавая молекулярный “ковёр”. При этом мембрана микроорганизма начинает активно разрушаться сразу в нескольких местах.

Замена антибиотикам

Антимикробные пептиды вполне могут заменить антибиотики , к большинству которых бактерии уже стали нечувствительны. Чтобы противостоять патогенным микроорганизмам, учёные разрабатывают всё новые и новые виды антибиотиков, которые по сути являются лишь производными старых. Такая работа требует колоссальных трудовых и временных ресурсов, а у больных нет времени ждать. Антибактериальные пептиды, хотя в некоторой степени слабее антибиотиков по эффективности, работают значительно быстрее и, что важнее всего, разрушают бактерии, невосприимчивые к устаревшим антибиотикам.

Но дело в том, что использовать в медицине в качестве антибактериальных и антимикотических препаратов можно лишь те пептиды, что не воздействуют на клетки млекопитающих. Увы, основной спектр натуральных пептидов вместе с антимикробными способны разрушать эритроциты крови. Конечно, хорошей идеей выглядит создание синтетических двойников натуральных пептидов, которые разрушали бы микроорганизмы, но при этом не воздействовали на эритроциты. Однако механизм действия пептидов в основе своей и по сей день остаётся загадкой, а потому направленный синтез молекул пока невозможен.

Но, несмотря на это, в последние годы обрисовались перспективы применения антимикробных пептидов в клинической практике. Так, в Европе уже проходят клинические исследования медикамента , основу которого составляет антимикробный пептид, полученный из секрета мушки дрозофила. Он показывает достаточный уровень эффективности в борьбе с тяжёлой грибковой инфекцией, которая часто прогрессирует после химиотерапии или трансплантации органов. Антимикробные пептиды начинают активно вырабатываться клетками человеческого организма при локальных повреждениях или наличии болезнетворных микроорганизмов. Поэтому они оптимальны в терапии местных воспалений. Магайнины успешно применяются (правда, пока лишь в клинических исследованиях) в терапии множественных инфекций стопы при сахарном диабете . В Соединённых Штатах осуществляют исследования пептида из нейтрофильных гранулоцитов свиньи. Его планируют применять в терапии язв ротовой полости у страдающих раком после химио- и лучевой терапии , а также (в форме спрея) тяжёлых форм воспаления лёгких , при которых необходима их искусственная вентиляция. Современные антибиотические препраты недостаточно эффективны в уничтожении грамположительных бактерий – они маловосприимчивы ко всем известным сегодня медикаментам. Такие бактерии нередко локализируются на тканях, соприкасающихся с катетерами. В то же время пептиды, полученные канадскими учёными, эффективно уничтожают их.

Сфера применения

Сфера применения антибактериальных пептидов довольно широка. Так, низин применяется в качестве консерванта продуктов питания , для продления свежести цветов и даже как лекарство для рыб. Учёные видят возможность применения цекропинов для хранения и обработки контактных линз . Не так давно установили, что магайнины способны не только уничтожать инфекцию, вызывающую ЗППП (в том числе и вирус иммунодефицита человека), но и разрушать сперматозоиды, что даёт возможность разработать на его основе средство, являющееся одновременно антисептиком и контрацептивом .

Вначале было изучено воздействие данных веществ на тонус кровеносных сосудов. Однако позже было доказано, что определённые нейропептиды активируют процесс воспаления, называемого “нейрогенным”.

Нейропептидами являются любые пептиды, находящиеся в нервной системе и принимающие участие в биорегуляции функций центральной нервной системы. На сегодняшний день открыто примерно 100 нейропептидов, которые создаются различными типами нейронов головного мозга. Их молекулы состоят из нескольких аминокислот, и образуются в результате разделения протеиновых молекул-предшественников энзимами протеолиза лишь в определённом месте и в определённое время, в зависимости от востребованности их организмом. Жизненный цикл нейропептидов длится лишь несколько секунд, но продолжительность их эффекта измеряется часами.

Опиоидные пептиды

Опиоидные пептиды – это группа нейропептидов, естественно связанные с опиатными рецепторами.
Эндогенные опиоидные пептиды – энкефалины и эндорфины – содержатся в подбугорье и в головном мозге, в железах внутренней секреции (в нижнем мозговом придатке , надпочечниковых железах , а также в женских и мужских половых железах). Также вышеуказанные пептиды присутствуют в желудочно-кишечном тракте (в т.ч. в поджелудочной железе). Эти пептиды образуют особый класс, включающий примерно 10-15 веществ. Молекула каждого из опиоидных пептидов состоит из 5-31 аминокислот.

Данные пептиды обладают рядом свойств:

• обезболивающее действие, схожее с действием морфина;
• влияние на поведение;
• способность выполнять функции нейротрансмиттеров и нейромодуляторов.

Опиоидные пептиды могут принимать участие в ряде физиологических процессов, таких как запоминание, способность к обучению, реакция на стресс , репродукция, передаче болевых сигналов, биорегуляция аппетита, температуры тела и функции дыхания. Также есть основания полагать, что активность энкефалинов и эндорфинов определяет реакцию плацебо, снижение болевого синдрома посредством иглоукалывания , а также аменорею и шок, спровоцированных стрессом. Кроме того, с активностью эндорфинов связаны такие феномены, как:

• успокоительный эффект;
• раздражительность;
• психомоторное возбуждение;
• буйность;
• нарколепсия;
• кататонический синдром.

Другие поведенческие патологии, такие как табакокурение , алкоголизм , наркотическая зависимость , могут быть обусловлены биохимическим дисбалансом в этой системе.

Биологическое воздействие опиоидных пептидов на организм:

• устранение боли;
• кататонические состояния;
• контроль температуры тела;
• регуляция аппетита;
• размножение;
• половое поведение;
• падение артериального давления;
• реакция на стресс;
• секреция гормонов подбугорья и нижнего мозгового придатка;
• нарушение памяти;
• контроль дыхания;
• модулирование иммунной реакции.

Эндогенные опиоидные пептиды играют промежуточную роль в эффекте обезболивания, спровоцированном процедурой иглоукалывания. В ряде исследований было доказано, что анальгезия в результате иглоукалывания сопровождалась ростом концентрации эндорфинов в спинномозговой жидкости , в то время как одновременное с иглоукалыванием введение антагонистов опиоидных рецепторов блокировало анальгетический эффект. Таким же образом эффект плацебо может объясняться способностью организма активизировать систему опиоидных пептидов. В ходе испытаний, при которых источником болевого синдрома служила операция по удалению зуба, анальгетический эффект, достигнутый благодаря плацебо, блокировался введением антагонистов опиоидных рецепторов.

Инъекция опиоидных нейропептидов животным в количествах, недостаточных для достижения анальгетического эффекта, приводит возникновению специфических и поразительных изменений в поведении. У крыс, которым в спинномозговую жидкость вводили бета-эндорфин, возникало состояние, схожее с кататонией в результате судорожных припадков. Также возникали определённые стереотипные поведенческие реакции, такие как “встряхивание вымокшей собаки”. У кошек возникает реакция ярости.

Опиоидные пептиды и алкоголизм

Бытовое пьянство, алкоголизм – это насущная проблема человечества. Учёные ищут новые методы, которые могли бы решить её. Однако главной проблемой является нежелание зависимого человека обращаться за помощью, и наивная уверенность в том, что он здоров. Сегодня разрабатывается новый класс лекарственных средств для лечения алкоголизма и восстановления биохимического баланса, нарушенного в результате регулярного потребления алкоголя. Такие препараты основаны на опиоидных нейропептидах.

Врачи и учёные всегда искали ответ на вопрос, почему у одних людей не развивается зависимость от спиртного, а другие стремительно превращаются в запойных алкоголиков. Многочисленные клинические исследования продемонстрировали, что этаноловая зависимость обусловлена нарушением биохимического метаболизма. Серотонин – это гормон, являющийся ключевым компонентом в создании положительных эмоций и хорошего настроения. Его дефицит приводит к психоэмоциональной неудовлетворённости, с которой люди пытаются бороться неумеренностью в еде, табакокурением и употреблением спиртных напитков. Сотрудники Балтиморского Университета обосновали теорию, что предрасположенность к алкогольной зависимости имеет под собой генетические факторы, и часто передаётся по наследству.

Современные учёные считают перспективным лечение алкоголизма с помощью протеиновых соединений – опиоидных нейропептидов (эндорфины, энкефалины и др.) Синтезируемые в организме человека, они участвуют в ряде физиологических и психоэмоциональных процессах, в т.ч. в производстве серотонина. Нейропептиды определяют такие состояния, как хорошее настроение, ощущение удовольствия, аппетит и чувство насыщения, сон, сосредоточение внимания и функции памяти. Во время полового акта организм в повышенных количествах синтезирует опиоидный пептид эндорфин, действие которого сопоставимо с действием алкалоидов опиума. Сегодня учёные уже умеют создавать искусственные аналоги этих веществ.

При оптимальном количестве нейропептидов физиологическое и психоэмоциональное состояние человека находится в норме. У людей, страдающих алкогольной зависимостью, темпы синтеза таких пептидов от природы недостаточный. После небольшого количества употреблённого алкоголя они начинают активно производиться, однако через некоторое время так же быстро распадаются. Стремясь к возвращению приятных ощущений, наркозависимый употребляет всё больше алкоголя. Новое лекарственное средство на основе нейропептидов, поступая в организм, обеспечивает необходимый эффект, вызывает ощущение удовольствия и снижает потребность в алкоголе. Синтетические “двойники” нейропептидов оказывают действие, аналогичное эндогенно синтезируемым пептидам. Исследования подтвердили, что применение данного средства у запойных алкоголиков способствовало предотвращению очередных запоев почти у 70% лиц.

Нейропептиды помогают человеку убедиться в том, что хорошее самочувствие и настроение может быть достигнуто и без спиртных напитков. Употребление нейропептидов в постзапойный период предотвращает похмельный и абстинентный синдромы. Преимущества нейропептидов в том, что они почти не обладают побочными проявлениями и противопоказаниями, а после завершения лечения процент рецидивов достаточно низок. Применение вышеупомянутых медикаментов позволят эффективно лечить алкогольную зависимость, не оказывая отрицательного воздействия на организм.

Пептиды сна

История открытия

Для чего человек спит? Почему мы испытываем необходимость в том, чтобы проводить треть нашей жизни в неподвижности и бессознательности. Учёные, философы и врачи с древнейших времён бились над этими вопросами. Древнегреческий философ Аристотель представлял сон как некое промежуточное состояние между жизнью и смертью, между существованием и несуществованием. В те времена такой взгляд на природу сна казался логичным.

Во второй половине XX века процесс сна был глубоко изучен. Сегодня известно, что сон – гораздо более сложный процесс, чем считалось ранее. В 50-е годы было доказано, что данный процесс делится на фазы – медленный (ортодоксальный) сон, и следующий за ним парадоксальный (быстрый), в течение которого мы видим сновидения. Парадоксальный сон получил такое название, поскольку в течение него нейроны мозга не менее активны, чем в состоянии бодрствования, однако при этом мышцы остаются расслабленными, а восприятие через органы чувств отсутствует.

Многие учёные ещё с начала двадцатого века пытались найти и выделить некое “вещество сна”, под воздействием которого протекает смена фаз. Такие вещества были открыты совсем недавно – это биорегуляторные пептиды. Они выделяются в результате прицельного расщепления протеинов , и играющие роль информационных передатчиков в организме, регулируя таким образом ряд основных физиологических процессов.

Предположение о том, что определённые пептиды могут регулировать процесс сна, появились ещё в 70-80-е годы, когда группа учёных из США выделили 30 микрограмм “вещества, провоцирующего сон” из нескольких тысяч мозгов кроликов и четырёх тонн человеческой мочи. Это вещество называется мурамилпептидом. Такие пептиды создаются в результате ферментации в бактериальных клетках, и являются “строительным материалом” для муреина – важнейшего компонента клеточной стенки бактерий. В организме человека мурамилпептиды создаются двумя путями – как продукт жизнедеятельности кишечных микроорганизмов, либо выделяются фагоцитами при уничтожении инфекционных микроорганизмов.

Мурамилпептиды

Благодаря особенностям своей структуры, данные пептиды обладают высокой степенью устойчивости к расщеплению в человеческом организме. Они способны преодолевать гемато-энцефалический барьер , и оказывать ощутимое влияние на ряд процессов в организме даже в незначительном количестве. Такие влияния можно классифицировать на два типа: кратковременное и продолжительное. Продолжительное воздействие, измеряемое днями и даже неделями, связано с деятельностью иммунной системы. Однако в данном случае нас интересует именно кратковременные воздействия на физиологические реакции, измеряемые часами. Основное из них – это влияние на состояние сна и бодрствования, а также на температуру тела.

Институтом проблем экологии и эволюции РАН были проведены исследования по изучению некоторых натуральных мурамилпептидов, их синтетических аналогов, а также фрагментов в испытаниях на кроликах, в ходе которых были обнаружены удивительные результаты. Оказалось, что мурамилпептиды натурального происхождения, при введении их напрямую в кровь или в мозг, уже в мизерных объёмах провоцируют изменение фазы сна (увеличение ортодоксальной и подавление быстрой фазы), резкий скачок температуры тела. При увеличении дозы возникает тяжёлая интоксикация , животные гибнут.

Однако при энтеральном введении пептидов сна подобная реакция не проявляется: при значительном увеличении дозы наблюдается увеличение медленной фазы без изменения структуры сна. При этом температура тела остаётся неизменной, а интоксикация не возникает. Результаты данных исследований позволяют предположить, что мурамилпептиды из болезнетворных бактерий являются факторами распространённых симптомов бактериальных инфекционных заболеваний (гиперсомния , беспокойный сон, повышение температуры тела).

С другой стороны, те же самые пептиды сна, выделяемые безвредными кишечными бактериями, могут служить регуляторами нормальной структуры сна. Эта информация имеет большое значение для медицины, т.к. мурамилпептиды уже нашли применение в качестве компонентов лекарственных средств, применяемых в лечении раковых заболеваний, а также заболеваний, связанных с иммунной системой. При этом лечащему врачу важно знать об их воздействии на сон больного.

Пептид дельта-сна

Поиски регуляторов сна велись не только в Соединенных Штатах, но и в Европе. Швейцарские исследователи Монье и Шоненберг выделили 300 мкг “вещества сна” из крови подопытных кроликов, с помощью аппарата “исскуственная почка”.

Исследовав полученное вещество, учёные определили, что это неизвестный ранее короткий пептид. Ему было дано название “пептид, вызывающий дельта-сон” ввиду его свойства (по мнению Монье и Шоненберга) усиливать наиболее глубокую стадию медленноволнового сна. Однако многочисленные клинические исследования, осуществлённые в разных странах мира, не подтвердили его “снотворных проявлений”. Однако позже было установлено, что пептид дельта-сна – крайне нестабилен, и при попадании в организм спустя несколько минут расщепляется под действием энзимов. Специалисты Института проблем экологии и эволюции РАН провели новое исследование, в ходе которого животным вводили не сам пептид, а его более устойчивые синтетические аналоги, химическая структура которых схожа со структурой пептида дельта-сна.

Большая группа таких родственных веществ была создана в Институте биоорганической химии (Москва) и в Институте химии при Санкт-Петербургском университете. Учёны исследовали их влияние на сон подопытных животных при различной дозировке и методах введения в организм. Оказалось, что, изменяя молекулу пептида дельта-сна, можно добиваться как увеличения, так и снижения продолжительности сна. При этом выраженность, характер и динамика наблюдаемых изменений зависят от строения вводимого вещества. Например, одни пептиды усиливают преимущественно медленноволновую фазу сна, другие – быстроволновую, а третьи – обе фазы. У одних максимальный эффект достигается через несколько минут после введения медикамента, а у других – через несколько часов.

Широкий спектр разнообразия эффектов позволяет предположить, что процесс сна регулируется сотнями различных по структуре биохимических веществ. При этом имеется возможность воздействовать на сон, изменяя строение молекулы всего одного вещества. Роль данного пептида и его аналогов на процесс сна пока недостаточно ясна. Однако сейчас уже достоверно установлено, что пептид дельта-сна участвует в эндокринной регуляции организма, ингибируя секрецию гормонов стресса и активируя выброс гормонов роста. Поскольку оба этих гормона играют важную роль в регуляции сна, то возможно, что пептид дельта-сна влияет на сон не только непосредственно, но и косвенно, через эндокринные системы, с которыми он связан. В связи с этим было выдвинуто предположение, что пептид дельта-сна входит в класс регуляторов “высокого уровня”, ранее существовавшего лишь в теории, поскольку он регулирует активность различных органов и систем организма.

Перспективы применения

Т.о., в результате исследования пептидов сна, из набора неструктурированных фактов и предположений начинает формироваться сложная, многокомпонентная система биохимической регуляции сна. Аналоги пептида дельта-сна оказывают мягкий, модулирующий эффект, который в корне отличается от действия фармацевтических снотворных медикаментов , которые по сей день изготавливаются на базе веществ, чужеродных для человеческого организма (барбитураты , этаноламины, альдегиды и т.д.). Поэтому создание нового типа снотворных препаратов, основанных на аналогах пептида дельта-сна, выглядит крайне перспективно и инновационно. Такие препараты, схожие по строению с нашими естественными регуляторами сна, безопаснее и эффективнее. Они будут обладать удивительными свойствами, например, провоцировать быстрое засыпание, либо полностью исключать бессонницу и т.д.

Вводиться такие лекарства будут, по всей видимости, капельно через носоглотку. Востребованность в таких препаратах крайне высока. Стоит отметить, что исследование влияния различных пептидных препаратов на сон подопытных животных – дело достаточно трудоёмкое, и требующее большого количества времени. Поэтому вполне естественно, что до недавних пор подобные работы проводились достаточно медленно. Однако сегодня, благодаря использованию новейших разработок в сфере компьютерной техники, продолжительность и трудоёмкость таких работ существенно сократилась.

Пептидная косметика

Преимущества пептидной косметики

Пептиды обладают свойством замедлять процесс старения . При этом комплекс пептидов работает не только с последствиями, но и с первоначальными причинами процесса старения.

Важнейшее преимущество пептидов по сравнению с аминокислотами и протеинами в косметических средствах состоит в том, что их действие можно чётко дифференцировать и измерить. Хотя протеины и аминокислоты также биологически активны в организме, с точки зрения косметологии молекулы протеинов слишком крупны, чтобы абсорбироваться кожей, а аминокислоты слишком примитивны, чтобы оказывать существенный эффект в составе косметического средства. Пептиды же крайне малы по сравнению с белками, что позволяет им абсорбироваться кожей; в то же время их строение уже достаточно сложно, благодаря чему они способны оказывать влияние на биохимические процессы. Пептиды совершенно безопасны для организма, характеризуются высокой химической чистотой (в частности синтезируемые, в противопоставление появляющихся в результате расщепления протеина). В создание пептидных косметических средств вкладываются немалые интеллектуальные ресурсы. Перед тем, как в продаже появляется то или иное средство на основе пептидов, сам пептид проходит через многочисленные биохимические и клинические испытания. Все вышеперечисленные факторы указывают на то, что пептиды являются одними из наиболее перспективных компонентов косметических средств.

Пептиды для кожи

Существует ряд компаний-изготовителей пептидов, применяемых в качестве основы для косметической продукции.

Аргирелин (ацетил гексапептид-3) – пептид, ингибирующий активность нейромедиатора катехоламина , вызывающего нервные импульсы. Предотвращает напряжение мышц, сокращение которых приводит к появлению мимических морщин . Данный эффект достигается путём блокирования кожных рецепторов, с которыми соединяется информационный протеин катехоламин. По своему действию аргирелин сопоставим с ботулотоксином А, однако его действие не вызывает паралича мимических мышц, что приводит к эффекту “маски”.

Матриксил ТМ (пальмитоил пентапептид-4) – регуляторный пептид, активирующий восстановление строительных компонентов кожи – коллагена , эластина , фибронектина и мукополисахаридов , путём активизации клеток, ответственных за синтез вышеперечисленных компонентов (фибробласты). Применение косметических средств на основе матриксила приводит к существенному улучшению состояния и внешнего вида кожи.

Меланостатин-5ТМ (аква-декстран-нонапептид-1) – пептид, придающий коже светлый цветовой тон. Ингибирует действие альфа-меланоцитов (клеток, вырабатывающих меланин под действием определённых гормонов). Препятствует активизации процесса производства меланина под действием гормонов, ингибируя гиперхромию и отбеливая кожу.

Пальмитоил тетрапептид-3 – часть иммуноглобулина G, присоединённая к гексадекановой кислоте для более эффективного абсорбирования кожей; активный пептидный комплекс, изготовленный с применением современных технологий из сои и риса. Оказывает выраженное противовоспалительный и протекторный эффект, укрепляет иммунитет, увлажняет, подтягивает и повышает упругость кожи. Также активирует восстановление соединительной ткани и укрепление интимы капилляров. Служит основой косметических средств для устранения отёков и тёмных пятен под глазами. Ингибирует активность эластазы и коллагеназы, исключая сбои в процессе образования коллагена и эластина. Проявляет выраженные антиокислительные свойства.

Ригин (пальмитоил тетрапептид-7) – пептид, тормозящий активность воспалительных медиаторов. Существенно снижает синтез интерлейкинов, в особенности интерлейкина 6, противовоспалительного цитокина, производство которого в организме с годами возрастает. Ригин способен оптимизировать соотношение цитокинов в организме, способствуя омоложению кожи.

New snap-8 (ацетил октапептид-3) – пептид, содержащий 8 аминокислот. Разглаживает морщины путём дестабилизации длинной цепочки протеина, отвечающего за сокращение мимических мышц. Механизм препятствия воздействия биотоков на рецепторы мимических мышц сопоставим с эффектом вышеописанного Аргирелина, однако расслабляющее действие от Snap-8 более выражено.

New Syn-Ake (дипептид диаминобутирол бензиламида диацетат) – комплекс пептидов, воспроизводящий эффект нейро-мышечного антидота яда гадюки храмовой куфии. Данный комплекс блокирует холинергические рецепторы мимической мускулатуры, благодаря чему предотвращает их сокращения.

New Syn-Coll (пальмитоил трипептид-5) – пептид, образованный тремя остатками аминокислот: аминоуксусной кислоты, гистидина и лизина. Хорошо проникает в кожу, активирует производство коллагена и мукополисахаридов кожи, а также увеличивает её эластичность. Активирует фибробласты, стимулирует восстановление и регенерацию соединительной ткани и сосудистой стенки. Усиливая образование эндогенного ТРФ-бета (трансформирующего ростового фактора бета) способствует укреплению кожи и исчезновению глубоких морщин.

Перед применением необходимо проконсультироваться со специалистом.