Структура и свойства природных пептидов

ГБОУ ВПО АСТРАХАНСКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра общей и биоорганической химии

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ПЕПТИДОВ

Астрахань 2012

А. А. НИКОЛАЕВ, ДЛЛУЦКИЙ

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ПЕПТИДОВ

Рецензенты:д.х.н., профессор Н.М.АЛЫКОВ д.х.н., профессор В.С. КАРАСЕВ

Утверждено Редаквдокно-ишпельаким советом Астраханской государственной медицинской академии

16 оектябр* 2011г.

Астрахань 2012

Организм состоит из миллиардов клеток, отдельные группы которых различаются как по морфологическим, так и по функциональным признакам. Действие этого огромного скопле­ ния клеток как единого целого обеспечивают различные интегративные системы биорегуляции. Среди них необходимо особо выделить системы межклеточной передачи информации, дейст­ вующие посредством так называемых информонов - продуктов метаболизма клеток, играющих роль специфических сигналов - переносчиков информации. Информоны транспортируются от клетки к клетке диффузным путем либо переносятся циркулирующими жидкостями (кровью или лимфой). Большая часть информонов по своей природе являются пептидами.

Свое название данная группа веществ получила от сочетания двух названий ПЕПТоны

иполисахарИДЫ. Их структурными компонентами являются а-аминокислоты связанные посред­ ством амидной (пептидной) связи CO-NH - между карбоксильной группой одной аминокислоты

иаминогруппой другой. По числу содержащихся аминокислот различают ди-, три-, тетрапепти­ ды и т. д. Один конец цепи, на котором находится аминокислота со свободной NHrrpynnofi, называют N-концом другой, на котором находится аминокислота, имеющая свободную СООН - группу, называют С-концом. Пептидные и белковые цепи принято записывать с N-конца. При упоминании пептидов в литературе приводится их химическое строение, при этом сокращается название аминокислот до трех первых букв тривиального наименования соответственной амино­ кислоты. Каждый из известных биологически активных пептидов, как правило, имеет свое три­ виальное имя. Многое в названии пептидов носит исторический характер. Так название пептидов «гастрин», «холесцистокинин», «антидиуретический гормон» и др. отражают пионерское иссле­ дование физиологических свойств этих веществ.

Число выделенных из животных тканей пептидов с установленным числом аминокис­ лотных остатков и их последовательностью в настоящее время превышает 1000 и продолжает увеличиваться. Во многих лабораториях мира кропотливо изучаются физиологические свойства каждого из обнаруженных эндогенных пептидов. В огромном современном списке биологически активных пептидов наряду с группами давно изученных соединений (ангиотензины, кинины, эндорофиновые производные, энкефалины и др.) представлены много недавно описанных (из последних - галанин (пептид, имеющий отношение к процессам фиксированной памяти и демен­ ции), Т-пептид (фрагмент вируса ВИЧ человека блокирующий связывание вируса с CD4рецептором), хроморостатин (модулирует клеточный ответ на катехоламины), харибдотоксин (селективный ингибитор мембранных кальциевых каналов в переднем гипофизе). Кроме этого в этом списке есть новые представители эволюционного банка природы - пептиды, выделенные из

тканей беспозвоночных или амфибий. Эти соединения представляют собой необычные сочета­ ния аминокислотных остатков и обладают подчас значительной физиологической активностью при тестировании отдельных реакций высших организмов. Исследование таких пептидов весьма интересно с точки зрения анализа природного разнообразия и выверенных в эволюции комбина­ ций аминокислотных последовательностей, которые создают структуры высокой активности.

Метаболизм биологически активных пептидов

Существует два возможных ими биосинтеза регулятивных биопептидов. Один из них связан с короткими биологически активными пептидами - глутатионом, карпозином, для кото­ рых показан нерибосомальный биосинтез, осуществляемый с помощью ферментов - синтетаз. Второй путь - рибосомальный; в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме синтезируется высокомолекулярный биологически неактивный белок - предшественник (прогормон, пронейро­ пептид и т. д.) пептидного гормона, из которого при дальнейшем расщеплении протеолитическими ферментами образуется биологически активный информон. Для некоторых пептидов в качестве белков-предшествеяников могут выступать циркулирующие белки крови - иммунноглобулины, киниогены и т. д. Как правило, в процессах прицельного протеолиза участвуют трип­ синоподобные ферменты и карбоксинептидазы. Образовавшиеся при протеолизе пептиды при­ нимают определенную пространственную форму и их аминокислотные участки (прежде всего высокогидрофобные радикалы циклических аминокислот), спрятанные до этого в структуре белка-предшественника, становятся доступны для внешних реакций, в том числе для взаимодей­ ствия с рецепторами.

Для большинства регуляторных пептидов обнаружен достаточно короткий жизненный

3

период и их быстрая деградация до фрагментов и отдельных аминокислот. Установлено, что время распада энкефалинов в плазме человека составляет примерно 2 минуты. Быстрый гидролиз энкефалинов осуществляется тремя типами пептидаз: аминопептидазами, дипептидиламинопептидазами, энкефапиназами, а также кининазой, которая гидролизует ангиотензин, брадикинин и другие пептиды с незамещенной концевой карбоксильной группой.

Большой успех достигнут в изучении метаболизма вещества Р. Период полураспада вещества Р равен 3-4 мин. В его гидролизе могут принимать участие ацетилхолинэстераза и холинэстераза сыворотки крови. Так как холинэстераза находится и в мозге, предполагается, что этот фермент может принимать участие в физиологической регуляции вещества Р.

Период полураспада брадикинина составляет около 24 секунд. В его инактивации при­ нимают участие ферменты плазмы - кининазы, обладающие высокой активностью. Кининазы отщепляют от молекулы кинина С-концевые дипептиды. В метаболизме брадикинипа участвуют также эндопептидазы, гидролизующие пептидную связь Фен-Сер, и карбоксипептидазы, отщеп­ ляющие от С-конца аргининовый остаток.

а-МСГ имеет период полураспада 1,6 мин, гастрин - 3 минуты, люлиберин - 4-6 мин, окситоцин и вазопрессип примерно 3-4 минуты, тиролнберин - 2-6,5 мин.

Таким образом, для большинства пептидов длительность жизненного периода не пре­ вышает 5 мин и в большей мере зависит от активности инактивирующих ферментов. При этом не следует забывать, что расщепляющие ферменты в целостном организме, так же как любой дру­ гой белок, находятся под постоянным влиянием непрерывных процессов взаимодействия регуля­ торных систем. В ответ на стимулы окружающей среды с целью сохранения целостности внут­ ренней среды отдельные этапы расщепления пептидов (а также белков) могут или стимулиро­ ваться, или ингибироваться определенными эндогенными субстанциями (нейромедиаторами, гормонами и др.).

Особенности аминокислотного состава и строения биологически активных пептидов.

Л/

ул

он

Замечено, что эндогенные регуля­ торные пептиды часто содержат положи­ тельно заряженные (особенно аргинин) и циклические радикалы аминокислот. В тоже время, дпя них характерно заметно меньшее содержание аминокислотных остатков с отрицательно заряженными боковыми

5-O X O -pyrTO lidine-2-CarbOX yliC a c id Радикалами (аспарагиновая и глюта

миновая кислоты). Часто также встречаются пролин, фенилаланин, тирозин, триптофан и цистеин Именно поэтому у большинства регуляторных пептидах положительно заряженных групп содержится существенно больше, чем отрицательно заряженных. В состав части пептидов (особенно это характерно для нейропептидов) входит нитроглутаминовая кислота, ацетилированная N-концевая группа и амидированная (С-концевая группа - СООН

Структура пироглутаминовой кислоты (пГпу)

Конформационные состояния пептидов определяются теми же силами и взаимодейст­ виями, <pt> и пространственная структура белков. Однако меньшие размеры молекул уменьшают число внутримолекулярных контактов в пептиде, что приводит к увеличению роли среды в стабилизации конформации пептида. Уменьшению энергетической дифференциации форм и в целом к увеличению конформационной подвижности пептидов, по сравнению с белками, фраг­ ментами которых они, в большинстве случаев, и являются. Именно поэтому для большинства природных и синтетических пептидов исследования в растворах не обнаружили четко фиксиро­ ванных структур. Вероятнее всего участие в равновесии принимает сложный ансамбль конфор-

4

меров, из которых с большей или меньшей степенью надежности можно охарактеризовать от* дельные формы. При этом остается открытым вопрос о том, какая из форм отвечает «биологиче­ ски активной» структуре, то есть структуре, ответственной за выполнение биологической функ­ ции.

Доказано, что пептидные цепи способны спонтанно укладываться в сложные структу­ ры, принимая в растворе наиболее предпочтительные для данного соединения состояния кон­ формации. При этом для небольших пептидов чаще прослеживается присутствие свернутых форм со сближенными С- и N-концевыми участками. Например, СООН-концевой трипептид окситоцина образует (3-изгиб со стабилизированной водородной связью структурой между транскарбоксиамидным протоном и карбоксильной группой пролина. Начиная с 10-12-членных пеп­ тидов повышается вероятность образования упорядоченных ^-структурных ассоцнатов и а- спиральных участков. В пептидах с большим количеством аминокислот (как правило, более 20) можно говорить о вторичной и третичной пространственной структуре.

Исследования последних лет доказывают, что часть биологически активных пептидов присутствует в водной среде (и соответственно осуществляют свое действие) в виде циклических форм. Большинство этих пептидов в цикле содержат полиметилековую цепь бокового радикала лизина, так как цикл замкнут через его е-аминогруппу и С-концевую карбоксильную группу. У части пептидов цикл формируется за счет взаимодействия между собой остатков цистеина и образование циклического дисульфида (окситоцин, вазопрессин, соматостатин и др.). В настоя­ щее время из полученных циклопептидов самым маленьким является циклотафцин (в цикле 3 аминокислотных остатка), самым большим - циклобрадикинин и циклокаллидин (соответствен­ но 9 и 10 аминокислот). В большинстве случаев активные циклы включают не более 5-8 амино­ кислотных остатков.

Предполагается, что образование фиксированных изгибов и циклических структур био­ активных пептидов является необходимой предпосылкой процессов биологического «узнава­ ния». Данные пространственные конформации молекул обеспечивают многоточечные контакты пептида с клеточными рецепторами и, следовательно, высокую селективность такого взаимодей­ ствия.

Классификация регуляторных пептидов

1.Нейропептиды.

1.1.Факторы регуляции гормональной секреции (либерины, статины) и гормоны (окситоцин, вазо­ прессин, тропины).

1.2.Опиатные (эндорфины и энкефалины) - опосредуют свое действие через опиатные рецепторы.

2.3.Неопиатные (бомбезин, субстанция Р, пейротензин, пептид дельта-сна) - опосредуют свое дейст­ вие не через опиатные рецепторы.

2.Иммунопептиды - принимают участие в иммунных реакциях

3.Тканевые гормоны.

3.1. Кинины (брадикинин, каллидин и др.).

3.2.Ангиотензины.

4.Пептиды, регулирующие деятельность пищеварительной системы (гастрин, секретин и т . д.).

1. Нейропептиды

Нейропептиды - пептиды, обнаруженные в нервной ткани и способные влиять на функцию центральной нервной системы. Данную группу можно разделить на гормоны выраба­ тываемые различными клетками мозга (прежде всего гипоталамуса и гипофиза) и обладающие широким спектром биологического действия, а также пептидами присутствующими в различных структурных компонентах нервной ткани. К первой группе можно отнести факторы регуляции гормональной секреции (либерины, статины), гормоны (окситоцин, вазопрессин, тропины) и группу опиатных пептидов, а ко второй неопиатные (бомбезин, субстанция Р, нейротензин, пептид дельта-сна) нейропептиды.

1.1. Факторы регудяиии гормональной секреиии (либерины. статины) и гормоны (окситоиин> вазопрессин. тропины)

В начале 50-х годов английский физиолог Г, У. Харрис сформулировал гипотезу регу­

5

ляции гипоталамусом секреции тропных гормонов аденогипофиза. В дальнейшем эта гипотеза была экспериментально подтверждена Э. Шелли, которым было обнаружено, что экстракты гипоталамуса и нейрогипофиза стимулируют секрецию кортикотропина из изолированных фраг­ ментов гипофиза. В конце 60-х годов были выделены и охарактеризованы эти факторы гипота­ ламуса, которые назвали релизинг-факторами. Позднее им было дано название либеринов и статинов.

На сегодняшнем уровне знаний о либеринах и статинах представляется возможным предположить очень широкий спектр биологического действия данной группы нейропептидов, в частности участие их в сложных поведенческих актах, процессах консолидации памяти, обуче­ ния, сна.

1.1.1. Тиреолибери

Тиреолиберин (ТРГ) - один из самых маленьких природных пептидов: в нем всего три аминокислотных остатка.

пГлу-ГИС-Про-ЫН2

Образуется ТРГ, как и все либерины в клетках гипоталамуса, а затем транс­ портируется в переднюю долю гипофиза. Основным биологическим эффектом ТРГ является стимуляция синтеза тиреотропного гормона и пролактина. Кроме этого, он усиливает выделение норадреналина из нервных окончаний, повышает обмен кате­ холаминов в головном мозге.

1.1.2. Люлиберин Iпютеинизируюший релизинг гормон - ЛГРП
Лю-пГлу-Гис-Трп-С ер-Т ир-Гли-Лей-Арг-Про-Гли-ЫН2	либе-
рин стимули-	рует

6

синтез аденогинофизим лютейнизирующего гормона (ЛГ).

1.1.3. Соматостатин

Соматостатин - нейропептид структура которого построена из 14 аминокис­ лотных остатков. В организме соматостатин присутствует в двух формах: восстанов­ ленной, или линейной и окисленной, или циклической, причем обе формы биологически активны.

В связи с чрезвычайно широкой локализацией в мозге, гастроинтестиналь­ ном тракте, сетчатке и т.д. наблюдается многостороннее ингибирующее влияние на

Ала-Гли-Цис-Лиз-Асн-Фен-Фен-Трп-Лиз-Тре-Фен-Тре-Сер-Цис-ОН

S-------------------------------------------------------------------- S

секрецию различных гипофизарных пептидов (гормон роста, пролакпгин, тиротропин, гонадотропин), гормонов гастроэнтерального тракта (инсулин, глюкагон), стероид­ ных гормонов (кортикостерон, тестостерон) и др. Предполагается также, что сомато­ статин принимает участие в регуляции потребления пищи и воды, а также иммуно­ логических реакциях.

1.1.4. Меланостатин

Меланостатин (МИФ), ингибирующий высвобождение меланотропина, по своей структуре соответствует С-концевому трипептиду окситоцина.

пГлу-Лей-Гли-ЫН2

Главным биологическим действием МИФ является торможение выброса ме­ ланотропина гипофизом. Кроме этого, МИФ принимает участие в иммунологических реакциях, а также регулирует некоторые поведенческие акты.

1.1.5. Окситоиин и вазопрессин

Окситоцин и вазопрессин - первые биологически активные пептиды, выде­ ленные из нервной ткани. Оба пептида синтезируются и секретируются в циркуля­ цию клетками задней доли гипофиза - питуицитами. Деятельность этих клеток регу­ лируется отростками нейронов гипоталамуса.

Конформация окситоцина и вазопрессина в растворе отличается достаточ­ ной жесткостью (прежде всею за счет внутримолекулярной S-S-связи); в такой кон­ формации прослеживается элемент p-структуры. Окситоцин имеет следующую структуру:

Цис-Тир-Иле-Глн-Асн-Цис-ПрО“Лей-Гли-МН2

Ок-	g _____________________ g	ситоцин
стимулирует		сокращение

гладких мышц матки, особенно в конце беременности (в медицине используется для стимуляции родовой деятельности) Наличие этого гормона является обязательным условием нормального течения родового акта. Также окситоцин влияет на отделение молока.

Вазопрессин (антидиуретический гормон) имеет следующую формулу:

7

LJhoTир-Фен-Глн-Асн-Цис-Про-Арг-Гли-МН2

S-----------------------------S

Вазопрессин является первым гормоном гипоталамуса, признанным продуктом деятельности секреторных клеток мозговой ткани. Гипоталамус находится в химической связи с белком-носителем - нейрофизином. Вазопрессин сокращает периферические артериолы и усиливает обратное всасывание воды стенками собирательных трубочек почек, повышая тем самым давление крови; участвует в регуляции минерального обмена. В последние годы установлено, что вазопрессин принимает участие в меха­ низмах формирования памяти, в частности он стимулирует долговременную память. У животных с генетическими нарушениями в синтезе вазопрессина обнаруживается дефицит обучаемости. Кроме этого, подтверждено участие этою пептида в процессах сна, а также в некоторых поведенческих реакциях.

1.1.6. Тропины

Тропины - представляют собой пептидные гормоны, синтезируемые гипо­ физом. Действуя на органы мишени, они стимулируют синтез различных гормонов. К группе тропинов относятся такие важные гормоны как соматотропин (гормон роста), адренокортикотропин (АКТГ), тиротропин, гонадотропин, меланотропины. Все эти гормоны, кроме меланотропинов, по химической структуре представляют собой полипептиды с большим количеством аминокислотных остатков (соматотро­ пин содержит 191 остаток, а АКТГ - 39).

Меланотропины (меланоцитстимулирующие гормоны)

Пептиды, имеющие аминокислотную последовательность меланотронинов, синтезируются в промежуточной доле гипофиза. Различают а-, (3-, у-меланотропины.

а-Меланотропин представляет собой пептид из 13 аминокислот, в котором N-концевая аминогруппа Сер-I ацетилирована, а С-концевая Вал-13 амидирована. Предполагают, что молекулой-предшественником для этого пептида является адренокортикотропный гормон (АКТГ). а-Меланотропин имеет следующую формулу:

Ацетил-Сер-Тир-Сер-Мет-Глу-Гис-Фен-Арг-Трп-Гли- -Лиз-Про-Вал-ГМН2

Позднее в ткани мозга были обнаружены (З-меланотропин и у- меланотро-

пин.

р-Меланотропин:

Асп-Глу-Лиз-Лиз-Асл-Глу-Гли-Про-Тир-Арг-Мет-Глу- -Гис-Фен-Арг-Трп-Гли-Сер-Про-Про-Лиз-Асп-ОН Ме

ланотронин:

Тир-Вал-Мет-Гли-Гис-Фен-Арг-Трп-Асл-Арг-Фен-Гли-ОН

Основным биологическим эффектом меланотропинов является стимуляция пигментных клеток (меланоцитов), что приводит к усилению биосинтеза пигмента меланина. Кроме этого, доказано участие этой группы тропинов в формировании

8

краткосрочной и долгосрочной памяти.

1.2. Эндорфины

Особая роль в организме играет группа так называемых опиоидных пепти­ дов Опиоидные пептиды - группа пептидов, способных конкурировать с раститель­ ным алкалоидом морфином за связывание с опиоидными редеторами в организме человека и животных. Это сравнительно новый класс соединений, выполняющих в организме роль межклеточных и межтканевых нейропептидов. Открытие эндоген­ ных опиоидов стало возможным после обнаружения в начале 70-х годов в мозге животных рецепторов, специфически связываемых морфин и другие опиоиды. Опиоидные рецепторы позднее также были обнаружены в дыхательном центре, аденогипофизе, тимусе, надпочечниках, клетках слизистой оболочки желудочно* кишечного тракта и других органах.

Открытие опиоидных рецепторов заставило предположить, что они предна­ значены для каких-то эндогенных соединений. Позже были описаны первые два пентапептида обладающие опиоидной активностью. По названию С-концевоп> ос­ татка эти соединения были названы метионин-энкефалин (мет-энкефалин) и лейцинэнкефалин (лей-энкефалин). В последующем в экстрактах мозга и гипофиза были обнаружены еще четыре пептида обладающих опиоидной активностью - а-, Ж у- и 5-эндорфины. Наиболее активным представителем этого семейства оказался р- эндорфин. Энкефалины представляют собой фрагмент в молекуле эндорфина, необ­ ходимый для проявления биологической активности, но, сами но себе, энкефалины обладают относительно слабой активностью.

р-Эндорфин:

Тир-Гли-Гли-Фен-Мет-Трп-Сер~Глу-Лиз-Сер-Глн-Тре- -ПрсхПей-Вал-Тре-Лей-Фен-Лиз-Асп-Ала-Иле-Иле- -Лиз-Асп-Ала-Гис-Лиз-Лиз-Гли-Глн-ОН

а'Эндорфин

Тир-Гли-Гли-Фен-Мет-Тре-Сер-Глу-Лиз-Сер-Глн-Тре- -Про-Лей-Вал-Тре-ОН

у-Эндорфин

Тир-Гли-Глу-Фен-Мет-Тре-Сер-Глу-Лиз-Сер-Глн-Тре- -Про-Лей-Вал-Тре-Мет-ОН

б-Эндорфин

Тир-Гли-Гли-Фен-Мет-Тре-Сер-Глу-Лиз-Сер-Глн-Тре- -Про-Лей-Вал-Тре-Лей-Фен-Лиз-ОН

Тир-Гли-Гли-Фен-Мет-ОН

Лейцин-энкефалин

Тир-Гли-Гли-Фен-Лей-ОН

Все опиоидные пептиды синтезируются в составе высокомолекулярных предшественников. Вероятным предшественником эндорфинов и метэнкефалина является р-липотропин. В настоящее время известно, что из Э-липотронина, наряду с вышеупомянутыми пептидами, также происходит формирование р- меланоцитстимулирующего гормона и так называемого «стимулятора запоминания». Разрушение эндорфинов и энкефалинов происходит под действием аминопептвдаз, присутствующих в ЦНС.

Распределение опиоидных пептидов в основных чертах совпадает с топо­ графией опиатных рецепторов. Поэтому высокие уровни определяются в спинном мозге, гипоталамусе, лимбической системе. При этом содержание эндорфинов и энкефалинов в разных отделах мозга неодинаково. Так, концентрация p-эндорфина в гипоталамусе и среднем мозге, в 4-5 раз выше, чем энкефалинов, в коре головного мозга, полосатом теле энкефалины, наоборот, преобладают, а в аденогипофизе опио­ идные пептиды в основном представлены эндорфинами. Характерно также неравно­ мерное распределение энкефалинов в разных отделах мозга, так соотношение ме- тионин-энкефалинов и лейцин-энкефалинов в разных отделах головного мозга раз­ лично: самым низким оно оказывается в коре головного мозга, самым высоким в гипоталамусе.

Физиологические эффекты эндогенных опиоидов многообразны. Основны­ ми известными эффектами в спектре биологической активности можно считать их участие в ингибировании болевых ощущений, регуляции деятельности сердечно­ сосудистой, дыхательной и эндокринной систем, функции желудочно-кишечного тракта. Многочисленные экспериментальные работы свидетельствуют о выражен­ ном влиянии эндорфинов на различные врожденные формы поведения, процессы обучения и памяти. Кроме того, учитывая их способность вызывать эйфорическое изменение настроения, их относят к эндогенным эйфорогенам или медиаторам воз­ буждения.

Имеются также данные, что эндорфины играют роль не только гормонов, но и нейротрансмиттеров: они, подобно норадреналину и дофамину выделяются в си­ наптическую щель и взаимодействуют с постсинаптической мембраной, влияя тем самым, на передачу нервных импульсов.

Предполагается, что роль опиоидной системы в организме человека этими функциями не ограничивается, и она выступает в качестве связующего звена между центральной нервной системой, эндокринной системой и иммунной системой, в

10