Пептиды

Пепти́ды (от др.-греч. πεπτός — «переваренный», от др.-греч. πέσσω — «перевариваю»)^[1] — семейство веществ, молекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот, соединённых в цепь пептидными (амидными) связями −C(O)NH−. Обычно подразумеваются пептиды, состоящие из ${\displaystyle \alpha }$-аминокислот, однако термин не исключает пептидов, полученных из любых других аминокарбоновых кислот^[2].

Образование пептидной связи

Пример пептидной молекулы — гормон окситоцин

Пептиды, последовательность которых короче примерно 10—20 аминокислотных остатков, могут также называться олигопепти́дами (от др.-греч. 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^[3] с молекулярной массой более 5000^[4], 6000^[5] или 10000^[6][7] дальтон.

В 1900 году немецкий химик-органик Герман Эмиль Фишер выдвинул гипотезу о том, что пептиды состоят из цепочки аминокислот, образованных определёнными связями, и в 1902 году он получил неопровержимые доказательства существования пептидной связи, а к 1905 году разработал общий метод, при помощи которого стало возможным синтезировать пептиды в лабораторных условиях. Постепенно учёные изучали строение различных соединений, разрабатывали методы разделения полимерных молекул на мономеры, синтезировали всё больше и больше пептидов^[8].

Олиго- и полипептиды, белки

Грань между олигопептидами и полипептидами (тот минимальный размер, при котором молекула пептида перестаёт считаться олигопептидом и становится полипептидом) достаточно условна. Источники, в которых проводится различие между олигопептидами и полипептидами, как правило, определяют границу между ними на уровне 10 (согласно Химической Энциклопедии^[5]) или 10—20 (согласно определению ИЮПАК^[2]) аминокислотных остатков. Иногда чёткая грань не проводится вообще (так, например, согласно учебнику Ленинжера^[7], размер олигопептидов — несколько, а полипептидов — много аминокислотных остатков), и формально олигопептидная молекула окситоцин, состоящая из 9 аминокислотных остатков, может упоминаться как полипептид.

Белки, как правило, представляют собой полипептиды, состоящие из более чем 50 аминокислотных остатков и имеющие молекулярную массу свыше 5000—10 000 Да.^[9]. Эта граница тоже условна, однако в основных источниках справочной информации, где эта граница обозначена (включая ИЮПАК), она лежит в указанных пределах. Диапазон масс согласуется с диапазоном размеров подстановкой средней массы аминокислотного остатка (110 Да).

История

Пептиды впервые были выделены из гидролизатов белков, полученных с помощью ферментирования.

• Термин пептид предложен Э. Фишером, который к 1905 г. разработал общий метод их синтеза^[10].

В 1953 году В. дю Виньо синтезировал окситоцин, первый полипептидный гормон^[11]. В 1963 году, на основе концепции твердофазного пептидного синтеза (Р. Меррифилд) были созданы автоматические синтезаторы пептидов.

Использование методов синтеза полипептидов позволило получить синтетический инсулин и некоторые ферменты.

По данным специализированных баз данных, таких как PeptideAtlas и UniProt, к 2023 году известно более 20 000 охарактеризованных пептидов, для которых определены свойства и разработаны методы синтеза.^[12].

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.^[13];
2. полипептиды — молекулы, в состав которых входит более десяти аминокислот^[13].

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^[14].

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.

Пептидный остов — это повторяющаяся цепочка атомов −[NH−CHR−CO]−, соединяющая аминокислотные остатки в линейную молекулу. Каждый аминокислотный остаток состоит из α-углерода, к которому присоединены аминогруппа (−NH₂), карбоксильная группа (−COOH) и уникальный боковой радикал (R-группа).^[15]. N-концевой аминокислотный остаток имеет свободную α-аминогруппу (−NH), в то время как у C-концевого аминокислотного остатка свободной является ${\displaystyle \alpha }$-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^[16].

Пептидная связь

Мономер пептидной связи

Основная статья: 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)^[17].

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 рецептором.

Нейропептиды

Нейропептиды — соединения, синтезируемые в нейронах, обладающие сигнальными свойствами. Действие нейропептидов на ЦНС очень разнообразно. Они воздействуют непосредственно на мозг и контролируют сон, влияют на память, поведение, процесс обучения, обладают обезболивающим действием.

Биорегуляторные пептиды - это короткие цепочки аминокислот, которые играют ключевую роль в регуляции различных процессов в организме. Их уникальность заключается в том, что они способны взаимодействовать со специфическими рецепторами на клеточных мембранах, "включая" или "выключая" определенные гены и, таким образом, контролируя функции клеток и тканей.

Панкреатические молекулы полипептидного характера

• neuropeptide Y^[англ.]➤
• пептид YY
• avian pancreatic polypeptide, APP
• (human) pancreatic polypeptide^[англ.], (H)PP

Тахикининовые пептиды (Tachykinin peptides)

Основная статья: Тахикинины

• Субстанция Р
• Kassinin^[англ.]
• Нейрокинин А^[англ.]
• Eledoisin^[англ.]
• Нейрокинин В^[англ.]

Пептиды иммунологического действия

Наиболее изученные пептиды, участвующие в иммунном ответе — тафцин, тимопотин II и тимозин ${\displaystyle \alpha }$1. Их синтез в клетках организма человека обеспечивает функционирование иммунной системы.

Терминология по теме

• Полипептиды — пептиды, с числом аминокислотных остатков больше 10—20
• Олигопептиды — пептиды с числом аминокислот в цепи до 10—20
• Дипептиды
• Трипептиды
• Гексапептиды
• Нейропептиды пептиды, ассоциированные с нервной тканью
• Пептидные гормоны — пептиды с гормональной активностью

См. также

• Белки
• Аминокислоты
• Рибосома