4.4. Полипептиды

Полипептиды и белки (а белки являются полипептидами большой степени конденсации) очень широко распространены как в растительном, так и в животном мире — это обязательные компоненты любого живого организма. Их также отличает большое разнообразие. Провести четкую грань между полипептидами и белками нельзя, так как в природе найдены представители этого класса производных а-аминокислот практически сплошного спектра распределения по массе или по количеству аминокислотных остатков: от нескольких аминокислот (3-5) до нескольких десятков и даже сотен тысяч таких компонент в одной такой биополимерной молекуле. Разнообразие полипептидов можно подсчитать, исходя из того факта, что в их построении может участвовать (и обычно участвует) 20 аминокислот, которые могут соединяться между собой в любом порядке, в любом сочетании, с любой степенью повторяемости. Полипептидная цепь из 300 аминокислотных остатков на базе 20 протеногенных аминокислот может быть представлена 10350 структур. Это практически бесконечное число возможных изомеров. Отсюда и бесконечные возможности белковых молекул в плане полифункциональности их свойств, поэтому они и составляют основу всего живого.

В связи с вышесказанным, полипептидами условно считают те биополимеры на основе а-аминокислот, которые содержат до 100 аминокислотных остатков. В свою очередь, их подразделяют на низкомолекулярные полипептиды, содержащие до нескольких десятков аминокислотных остатков, и более высокомолекулярные. С другой стороны, все полипептиды можно разделить на две группы в соответствии с их структурными особенностями и вытекающими отсюда функциональными особенностями.

Первая группа — это пептиды, структура которых типична для белка — линейная цепочка, аминокислоты L-ряда, а-амидная связь. Эти полипептиды — прерогатива животных организмов, наибольший интерес среди них представляют полипептиды, обладающие гормональной активностью.

Нейрогипофизные гормоны позвоночных представлены полипептидами из 9 аминокислот с дисульфидным мостиком между первым и шестым остатками цистеина, тогда как аминокислоты в положениях 3, 4 и 8 варьируют в зависимости от природы источника (схема 4.4.1).

К пептидным гормонам относятся: инсулин, продуцируемый поджелудочной железой, регулирующий метаболизм углеводов, жиров и белков, содержащий 51 аминокислотный остаток; секретин, вырабатываемый в желудочно-кишечном тракте, определяющий секреторную функцию желудочно-кишечного тракта, содержащий 21 аминокислотный остаток; в передней доле гипофиза вырабатываются адренокор-тикотропин (34 аминокислоты), контролирующий активность коры надпочечников, пролактин (198 аминокислот), влияющий на рост грудных желез и секрецию молока; в задней доле гипофиза вырабатываются вазопрессин (9 аминокислот), действующий как диуретик и сосудосуживающее, и окситоцин (9 аминокислот), стимулирующий сокращение гладкой мускулатуры. Это только иллюстративный перечень гормонов пептидной структуры — их значительно больше, многие из них еще изучены не полностью, как в плане строения, так и функциональности. Особенно важно и проблематично исследование связи их строения с активностью. Данные по связи структура — активность позволяют иногда получать синтетические полипептиды с активностью, превосходящей природные. Так, варьируя аминокислотный состав нейрогипофизных гормонов (схема 4.4.1) было получено около 200 аналогов, из которых один, оказался высокоактивным.

Схема 4.4.1

Некоторые низкомолекулярные пептиды широко распространены в нервных тканях теплокровных и обладают активностью по отношению к этим тканям. Из мозга млекопитающих в 1975 г. были выделены два пентапептида, обладающих наркотическим действием, но в отличие от морфия и подобных ему соединений, не обладающие эффектом привыкания, энкефалины (схема 4.4.2).

Схема 4.4.2

Впоследствии из тканей гипофиза и гипоталамуса млекопитающих были выделены и другие полипептиды с аналогичной физиологической активностью. Такие полипептиды, как природные, так и синтетические, получили название опиоидные полипептиды. Все они характеризуются присутствием остатка энкефалина в N-концевой области цепи. Их действие обусловлено способностью связываться с опиатными рецепторами организма вследствие сходности пространственного строения энкефалинового фрагмента и морфина (алкалоида опиумного мака).

Большую группу биологически активных белковоподобных полипептидов представляют нейротоксины некоторых животных. Обычно это смеси нескольких полипептидов близкой структуры. Нейротоксины низших морских червей (Nemertini) представлены четырьмя полипептидами со средней молекулярной массой Нейротоксины скорпиона являются смесью нескольких полипептидов с молекулярной массой от 4.000 до 7.000 и количеством аминокислотных остатков от 33 до 67. Нейротоксины яда змей представлены также смесью полипептидов: основными в яде кобры среднеазиатской являются содержащие соответственно 73 и 61 аминокислотных остатка. Следует отметить высокую токсичность последних: (мг/кг, мыши) равно 0,01 для яда морской змеи, 0,04 — тигровой змеи, 0,08 — гадюки.

Схема 4.4.3

Общим и любопытным структурным фактом для всех вышеописанных полипептидых нейротоксинов является наличие в их молекулярных структурах, как правило, 8 цистеиновых аминокислот, что соответствует 4 дисульфидным мостикам, и только нейротоксин-1 (яд кобры) содержит пять таких мостиков (схема 4.4.3).

Яды таких хорошо известных насекомых, как пчелы и осы, (многими из нас испытанные на себе) представляют собой довольно сложные смеси различных веществ, и в качестве основных активных компонентов также содержат полипептиды. Мелиттин — основной компонент яда пчелы медоносной (его содержание достигает 50%) состоит из 26 аминокислотных остатков. В отличие от предыдущих групп нейротоксинов, его молекула не содержит цистеина вообще. Кроме мелиттина, следует отметить MCD-пептид (22 аминокислоты) и апамин (18 аминокислот) — молекулы этих полипептидов содержат по 4 цистеиновых остатка, т.е. по два дисульфидных мостика (схема 4.4.4).

Каждый из этих полипептидов обладает различной физиологической активностью: мелиттин является ионо-фором, вызывает прямой гемолиз тучных клеток, очень эффективный детергент, обладает ганглиоблокирующим действием; MCD-пептид дегранулирует тучные клетки, высвобождает гистамин из них, его противовоспалительный эффект в 100 раз превышает действие гидрокортизона; апамин действует на и -зависимые каналы нервной системы, под его действием усиливаются моносинаптические разгибательные и полисинаптические сгибательные рефлексы, т.е. широта спектра физиологического действия яда пчелы обусловлена разнообразием его полипептидного состава.

Вторая группа полипептидов, как уже указывалось, представляет собой группу различных по структуре соединений полипептидной природы с нетипичными для белков структурными особенностями. Такими особенностями в разных случаях могут быть: образование пептидной (амидной связи с участием

Схема 4.4.4

карбоксильной или аминной группы боковой цепи, появление в составе полипептида а-аминокислоты D-конфигурации; включение в полипептидную цепь аминокислот небелковой природы; включение в полипептидную цепь оксикислот; образование циклических полипептидных структур. Внутри этой группы выделяют несколько обособленных классов полипептидов.

Линейные минипептиды. Это действительно очень маленькие полипептиды — три и немногим больше аминокислотных остатка. Типичным и наиболее хорошо изученным представителем этой группы является трипептид глутатион. По-видимому, он присутствует во всех живых организмах и находится обычно в межклеточном пространстве в достаточно высокой концентрации. Так как он выделен почти 70 лет назад, его физиологические функции изучены достаточно хорошо — он защищает тиольные группы белков, инактивирует радикальные частицы, разрушает перекисные соединения, выполняет роль кофермента в биохимическом процессе переноса аминокислот сквозь клеточные мембраны.

Необычный структурный элемент молекулы глутатиона — амидная связь, образованная взаимодействием аминогруппы цистеина и у-карбоксильной группы глутаминовой кислоты. Ее биологическое действие обязано присутствию тиольной группы и может быть проиллюстрировано реакцией с органическими гидроперекисями (детоксикация) — для удобства обозначим весь полипептидный фрагмент, исключая сульфгидрильную функцию, одной буквой G (схема 4.4.5).

Недавно было установлено, что в состав фермента млекопитающих

Схема 4.4.5

Схема 4.4.6

глутатион пероксидазы (молекулярная масса каждого из его четырех полипептидных фрагментов входит аминокислота селеноцистеин (один остаток на один полипептид), которая играет роль каталитического центра вышеописанной реакции, так какселенольная функция окисляется легче тиольной. В соответствии с этим, схема реакции детоксикации гидроперекисей приобретает несколько иной вид (схема 4.4.6).

Эти данные показывают, почему селен является необходимым элементом в питании млекопитающих, и человека в том числе.

Некоторые другие у-глутамильные пептиды представлены на схеме 4.4.7: офтальмовая кислота, содержащая небелковую аминокислоту (а-аминомас-ляную); из Е. coli выделен глутатионил-спермидин, содержащий полиаминный фрагмент, участвующий в процессах роста и метаболизма нуклеиновых кислот.

Схема 4.4.7

Фрагмент -аланина входит в состав биологически активных дипептидов анзерина и карнозина (схема 4.4.8), которые в большом количестве содержатся в мозгу и скелетных мышцах большинства позвоночных. Анзерин обладает антидиуретическим действием, недостаток его в организме обуславливает развитие несахарного диабета; карнозин является предшественником анзерина — он стимулирует образование АТР, увеличивает эффективность катионного транспорта.

Схема 4.4.8

Появление различных аминокислот небелковой природы — явление в живой природе довольно частое, и часто даже несколько неожиданное по структурной модификации и по своим свойствам. Приведем лишь несколько примеров такого типа (табл. 4.4.1).

В заключение этого раздела надо отметить, что такие хорошо известные антибиотики, как пенициллин и цефалоспорин, в природном исполнении (имеется широкая серия их полусинтетических производных) также относятся к минипептидам с фрагментом -аминокислоты

Таблица 4.4.1. Некоторые небелковые пептиды.

(см. скан)

Таблица 4.4.1 (продолжение).

(см. скан)

в виде -лактамного цикла Впоследствии были найдены и другие антибиотики, содержащие (наряду с а-аминокислотами) -лактамный фрагмент.