2.5. Аминокислоты

2.5.1. Производные а-аминокислот. Витамин U. Эндогенные олигопептиды

В настоящее время суммарное производство а-аминокислот составляет в мире около полумиллиона тонн в год. Оно стало крупнотоннажным благодаря их широкому применению как в медицине, так и в сельском хозяйстве (ростстимулирующие кормовые добавки) и в пищевой промышленности (вкусовые и консервирующие вещества). О практическом значении индивидуальных аминокислот говорят масштабы их химического и биохимического синтеза: триптофан производят в количестве от 0,2 до 0,3 тыс. т, глицин - 7-10 тыс. т, лизин - около 50 тыс. т, метионин - 150-200 тыс. т и глутаминовую кислоту - более 200 тыс. т в год.

Метионин (4) (2-амино-4-метилтиобутановая кислота) используют в медицине для лечения и профилактики токсических поражений печени и при диабете. Его получают синтетически, исходя из акролеина и тиометанола. Реакция присоединения тиометанола по -связи акролеина дает метилтиопропаналь (1). Последний по реакции Штреккера легко цианируется по карбонильной группе с образованием циангидрина (2), в котором затем аммиак нуклеофильно замещает ОН-группу. На следующей стадии образовавшийся таким образом геминальный аминонитрил (3) гидролизуют в щелочной среде до рацемического метионина (4). Его активную -форму выделяют ферментативным

путем или раскристаллизацией с оптически активными соединениями:

Природный метилметионинсульфонийхлорид (5) называют витамином U. Им богаты капуста, томаты и петрушка. Он рекомендуется для лечения язвы желудка. Этот витамин играет в биопроцессах роль донора метальных групп. В производстве его получают хлорметилированием L-метионина (4):

Триптофан (8) (аминокислота с гетероароматическим - индольным - заместителем) используется для лечебного питания. На первой стадии его синтеза проводят аминометилирование индола по методу Манниха. Полученный при этом 3-амино-метилиндол (6) конденсируют затем с эфиром нитроуксусной кислоты. В ходе реакции метиленовая группа этого эфира отщепляет протон (как СН-кислота), и образовавшийся карбанион легко вытесняет диметиламиногруппу в индоле (6), что приводит к метилату 3-индолилнитропропионовой кислоты (7). Далее восстанавливают нитрогруппу до аминной и после щелочного гидролиза получают триптофан (8) или его натриевую соль:

Глутаминовая кислота (11) (2-амино-1,5-пентандиовая кислота) находит применение при лечении заболеваний ЦНС (эпилепсии, психозов; у детей - при полиомиелите и задержке

психического развития). Ее натриевая соль используется как вкусовая и консервирующая добавка в пищевые продукты. Глутаминовую кислоту (11) синтезируют на основе акрилонитрила, который гидрокарбонилируют в присутствии катализаторов (триарилфосфинкарбонилы кобальта или рения) до нитрилальдегида (9). Последний превращают по методу Штреккера в аминодинитрил глутаровой кислоты (10), который затем омыляют в присутствии щелочи при 100 °С в -динатрийглутамат. Расщепление рацемата на индивидуальные энантиомеры осуществляют кристаллизацией его раствора в присутствии -глутаминовой кислоты (-форма соли при этом выпадает в осадок):

(9)

В 1999 г. был открыт необычный нейромедиатор - -серин, Оказалось, что эта правосторонняя а-аминокислота вырабатывается в организме человека из левосторонних а-аминокислот (из их -форм). Еще одна неожиданность заключалась в том, что биосинтез -серина осуществляется не в самих нейронах, а в астроцитах - клетках, покрывающих нейроны. Из астроцита этот нейромедиатор затем диффундирует в нервную клетку и взаимодействует со специальными рецепторами. Начинается разработка лекарственных веществ, регулирующих активность фермента, контролирующего синтез -серина. Эти лекарства, как ожидается, могут оказаться полезными при инсультах, гипертонических кризах и помогут защищать нейроны от необратимых повреждений.

Ряд олигомеров а-аминокислот играет значительную роль в жизнедеятельности организма и некоторые из них применяют в медицинской практике. Так, метиловый эфир дипептида -аспарагил--фенилаланина (аспартат, аспартам) используют при диабете как малокалорийный заменитель сахара (в 150 раз слаще глюкозы). Его производят синтетическим или микробиологическим путем конденсацией аспарагина и метилата фенилаланина:

Природный антибиотик грамицидин S, продуцируемый споровой палочкой (Bacillus brevis), представляет собой циклический декапептид:

Он обладает бактериостатическим и бактерицидным действием и применяется для лечения ран, ожогов, воспалительных заболеваний, а также в качестве противозачаточного средства. Этот антибактериальный пептид интересен также тем, что в его составе фенилаланин имеет -форму. В последнее время было выделено несколько небольших природных пептидов (из кожи древесных лягушек, ганглий улиток, яда пауков), которые содержат одну или две -аминокислоты. Было подтверждено, что -форма аминокислотного остатка в такого рода пептидах резко увеличивает их устойчивость к гидролитическому действию экзо- и эндопротеаз. Этот факт учитывается при создании олигопептидных лекарственных веществ пролонгированного действия.

За последние 25 лет выделены и охарактеризованы многообразные эндогенные пептиды человеческого организма: пептиды сна, нейропептиды и пептидные гормоны. Так, сон вызывается нонапептидом . Подобные пептиды оказались очень лабильны и пока их трудно использовать в качестве снотворных лекарственных веществ. Энкефалины и эндорфины являются природными опиоидными пептидами, обладающими мощным агонистическим действием на опиатные рецепторы (нейропептиды):

Некоторые пептиды обладают гормональным действием. Эти гормоны синтезируются в разных органах - гипоталамусе, гипофизе, поджелудочной железе, плазме крови. Пептидные гормоны, как и все гормоны, выполняют роль регуляторов активности органов и клеток, служа в основном для изменения скорости синтеза ферментов, биокатализа и проницаемости биомембран. Их синтез железами внутренней секреции и выброс в кровь находится под контролем нервной системы. Инсулин представляет собой димер, в котором унэйкозапептид связан с трикозапептидом двумя дисульфидными мостиками. Он вырабатывается у человека поджелудочной железой и служит регулятором уровня

Рис. 4 Схема образования ангиотензинов и внутриклеточного вторичного сигнала (ц-АМФ) Указаны места возможного действия лнтигипсртензивных лекарственных веществ Обозначения АТГ - ангиотензиноген, - ангиотензин I, AT-II - ангиотензин II, АТФ - аденозинтрифосфат, -АМФ - циклоаденозинмонофосфат, лекарственное иешество

глюкозы в крови. Его применяют против сахарного диабета. Важнейшими регуляторами кровяного давления являются гормональные окта- и декапептиды, названные ангиотензинами II и I (они повышают давление крови):

а также нонапептиды брадикинин (понижает давление) и вазопрессин (повышает давление и является, кроме того, антидиуретиком).

Почки обладают эндокринной функцией и выделяют в кровь протеолитический фермент ренин, который превращает один из белков плазмы крови (ангиотензиноген) в декапептид ангиотензин I (рис. 4). От последнего затем ферментативно удаляется -концевой дипептид, что приводит к образованию более активного ангиотензина II.

Поскольку пептидные гормоны не проникают в клетку, они передают заключенную в них сигнальную информацию внутрь клетки посредством связывания с рецептором (хеморецептором или ионным каналом), представляющим собой совокупность белковых или небелковых молекул.

В данном случае ангиотензин II образует с хеморецептором (-белок) комплекс, который активирует (через внутриклеточный

специальный G-белок) фермент аденилатциклазу. Она затем ускоряет внутриклеточный синтез вторичного сигнального мессенджера из аденозинтрифосфата (АТФ):

Этот циклический нуклеотид был открыт в 50-х годах, что привело к созданию концепции вторичных сигналов (в отличие от первичных, внешнеклеточных: гормональных и нейротранс-миттерных) передачи информации внутри клетки.

Он является универсальным посредником передачи гормонального сигнала в клетке и активирует внутриклеточные ферменты (протеинкиназы), участвующие в синтезе белков и различных ферментов. Кроме цикло-АМФ вторичными мессенджерами служат также гуанозинцикломонофосфат (цикло-ГМФ), инозит-1,4,5-трифосфат (ИТФ), катион и др.:

Лекарственные вещества, снимающие артериальную гипертонию (анаприлин и капотен - см. разд. 4.3 и 5.3.2), блокируют фермент, который ускоряет превращение ангиотензина I в II. В последнее время разработаны лекарственные вещества, служащие антагонистами (блокаторами) рецепторов ангиотензина II, которые сами "садятся" на рецептор, вытесняя с него нативный гормон.