Пептиди, разнообразни молекули на живота
Основна навигация
Пептидите са във всички организми, навсякъде, където има клетки. Обхватът на техните физиологични функции е значителен. Биологично активните пептиди се срещат например като хормони, невротрансмитери или растежни фактори, но също и като токсини и антибиотици. Те са съответно интересни като активни съставки; те се използват, наред с други неща, за лечение на автоимунни заболявания и рак. Въпреки някои трудности, пептидите получават повишено внимание през последните години и усилено се търсят нови естествени и синтетични пептиди.
Пептидите са молекули, изградени от аминокиселини, но те са по-малки от протеините. От 50 аминокиселини (в някои източници също и от 100 аминокиселини) се говори за протеини. Аминокиселините са свързани помежду си чрез относително твърди и не въртящи се пептидни връзки. Те възникват, когато карбоксилната група (-COOH) на една аминокиселина е свързана с аминогрупата (-NH2) на следващата аминокиселина с елиминиране на водата. В допълнение към пептидните връзки има дисулфидни връзки в и между пептидни вериги, естерни и тиоестерни връзки. Преди всичко пептидите са аминокиселинни вериги, казва химикът от Улм Таня Вайл. Но има и разклонени и кръгови пептиди.
Пептидите се синтезират по редица начини
Естествените пептиди могат да се състоят от протеиногенни и непротеиногенни аминокиселини. За да укротят огромното си разнообразие, те се сортират според мястото, където са направени. Еукариотите синтезират пептиди по рибозомния път от 20 протеиногенни аминокиселини. Произвеждат се протеини, които след това се разделят на пептиди. Често рибозомните пептиди преминават като техните "големи сестри", протеините, пост-транслационни модификации (включително фосфорилиране, гликозилиране, сулфатиране, хидроксилиране, дисулфидни мостове).
Бактериите и гъбите също имат възможност постепенно да изграждат къси пептиди с помощта на различни ензими. По този начин могат да бъдат включени и непротеиногенни L-аминокиселини и D-аминокиселини. Тези вариации например увеличават стабилността. Следователно тези пептиди са особено интересни за фармацевтичната индустрия. Много оловни структури са получени от такива бактериални пептиди.
Многобройни пептиди от бактерии и гъбички се образуват чрез модулно организиран мулти-ензимен комплекс (NonRibosomal Peptide Synthetase, NRPS). Междувременно (към 7/2013 г.) са открити почти 1200 такива пептида (https://www.gesundheitsindustrie-bw.debioinfo.lifl.fr/norine) в 247 организма.
Извличане и изолиране с висока пречка
Преди пептидите да могат да бъдат произведени химически или рекомбинантно, те трябва да бъдат извлечени и изолирани. Необходими са много аналитични умения, за да се извлекат всички тайни на молекулата, като се използва масова спектрометрия, течна хроматография (HPLC), тандемна спектрометрия и ядрено-магнитен резонанс, преди да се синтезира отново. Само използването на много техники за анализ дава цялостна картина. Това в никакъв случай не е краят на това, което химикът Таня Вайл сравнява с детективската работа, тъй като например репликираният пептид е загубил своята биологична активност. След като високите първоначални препятствия бъдат преодолени, може да се опита да пресъздаде пептида.
Днес интересът е към дългите пептиди
Самият термин "пептид" се връща към германския химик и носител на Нобелова награда (1902 г.) Емил Фишер, който през 1901 г. успява да синтезира дипептид за първи път. С установяването на синтез на твърда фаза, изследванията на пептидите (R. M. Merrifield получи Нобелова награда за това през 1984 г.) получи тласък - беше постигнат достъп до по-големи количества и по-чисти вещества. По-късно синтезът на твърда фаза беше автоматизиран и синтезаторите на пептиди бяха комерсиализирани. Имаше и възможност за рекомбинантно производство.
Днес пептидната химия се занимава с производството на особено дълги пептиди. Тъй като поради процеса пептидните синтезатори могат да се използват само до 30 аминокиселини, обяснява Таня Уейл. Синтезът на по-дълги пептиди вече е възможен с помощта на така наречените лигирания, чрез свързване на няколко къси пептида, за да се образуват дълги структури.
Пептидите винаги са били привлекателни за химиците, защото им дават многофункционални градивни елементи. Двете им реактивни групи (карбокси, амино) могат да се използват за полимеризация. Съществуват и странични вериги (с изключение на глицин), които от своя страна също могат да носят функционални групи. Използвайки „усъвършенствана защитна групова химия“ (Tanja Weil), могат да се получат макромолекули, които са много точно определени (последователност, дължина).
PEPperPRINT от Хайделберг възприема много специален подход към пептидния синтез, произвеждайки пептидни масиви чрез отпечатване на пептиди върху чипове с помощта на лазерен принтер.
Пептиди като активни съставки
От няколко години пептидите като активни съставки се радват на все по-голямо внимание. Всъщност наблюдателите на пазара са идентифицирали стотици кандидати за лекарства на базата на пептиди в клинично развитие и много повече в напредналите етапи на предклиничното развитие във фармацевтичните и биотехнологичните тръбопроводи. Тъй като всички организми образуват антимикробни пептиди, човек интензивно търси различни, често екзотични организми - като жаби, паяци и змии, но също и растения и гъби - за нови активни съставки. Междувременно са открити и пептиди с антибиотични ефекти, произведени от бактерии като Е. coli, така наречените микрозини (вж. Zschüttig et al.).
За разлика от това, новоучреденият Улмски център за пептидни фармацевтични продукти (UPEP) се фокусира върху човешките пептиди. Изследователите там търсят биоактивни и имуномодулиращи вещества в човешкия пептидом. Наред с други неща, изследователите на UPEP вече са открили пептиди, които влияят върху заразността на ХИВ.
Виден пример за използването на пептиди за терапевтични цели е ваксината на основата на пептид срещу рак на бъбреците, която в момента е във фаза III от биотехнологиите на биотехнологичната компания Tübingen. Но пептидите се използват и в медицинските технологии. Разработват се импланти, които са покрити с антимикробни пептиди или върху които се прилагат пептиди, които повишават биосъвместимостта на импланта.
Има и интересни приложения на пептидите извън медицината. В Института за техническа биохимия към Университета в Щутгарт се провеждат изследвания върху композитни материали, направени от пептиди и неорганични компоненти. Такива слоеви структури са интересни за изграждането на електронни компоненти например.
Литература:
Königshoff M, Brandenburger T. Кратък учебник по биохимия. Щутгарт/Ню Йорк: Thieme 2012 (3-то, преработено издание)
Caboche S, Leclère V, Pupin M, Kucherov G, Jacques P: Разнообразие от мономери в нерибозомни пептиди: към прогнозирането на произхода и биологичната активност. J Bacteriol 2010; 192 (19), 5143-50, doi: 10.1128/JB.00315-10
Venoms for Health, проект на ЕС на 7-ми FRP (2011-2015): https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.venomics.eu
Zschüttig A, Zimmermann K., Blom J, Goesmann A, Pöhlmann Ch, Gunzer F: Идентифициране и характеризиране на Microcin S, нов антибактериален пептид, произведен от пробиотик Escherichia coli G3/10, 30 март 2012 г., DOI: 10.1371/сп. поне.003335 (PLoS ONE), https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0033351
Емил Фишер - биографичен: https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1902/fischer-bio.html
Базата данни за антимикробните пептиди: https://www.gesundheitsindustrie-bw.deaps.unmc.edu/AP/main.php
Проблеми с дизайна на лекарства
Въпреки че пептидите се използват като активни съставки в продължение на много години, прилагането все още създава проблем.Пептидите се разграждат бързо в стомашно-чревния тракт, така че те трябва да се прилагат подкожно или интравенозно. Те също така бързо се екскретират през бъбреците и черния дроб. Поради това се извършват интензивни изследвания върху разработването на нови форми на опаковки, но също така и върху модифицирани пептидни структури, които правят молекулите по-стабилни например. Тъй като пептидите могат да бъдат синтетично произведени сравнително добре от една страна и да имат решаващо влияние върху различни процеси в тялото, от друга страна, те са много интересни за фармацевтичната индустрия въпреки споменатите проблеми.