Peptidy, rozmanité molekuly života
Hlavná navigácia
Peptidy sú vo všetkých organizmoch, nech sú bunky kdekoľvek. Rozsah ich fyziologických funkcií je značný. Biologicky aktívne peptidy sa vyskytujú napríklad ako hormóny, neurotransmitery alebo rastové faktory, ale tiež ako toxíny a antibiotiká. Zodpovedajúcim spôsobom sú zaujímavé ako účinné látky; používajú sa okrem iného na liečbu autoimunitných chorôb a rakoviny. Napriek niektorým ťažkostiam sa peptidom v posledných rokoch venuje zvýšená pozornosť a intenzívne sa hľadajú nové prírodné a syntetické peptidy.
Peptidy sú molekuly zložené z aminokyselín, sú však menšie ako bielkoviny. Z 50 aminokyselín (v niektorých zdrojoch aj zo 100 aminokyselín) sa hovorí o bielkovinách. Aminokyseliny sú navzájom spojené relatívne tuhými a neotočiteľnými peptidovými väzbami. Vznikajú, keď je karboxylová skupina (-COOH) jednej aminokyseliny spojená s aminoskupinou (-NH2) nasledujúcej aminokyseliny elimináciou vody. Okrem peptidových väzieb existujú vnútri a medzi peptidovými reťazcami aj disulfidové väzby, esterové a tioesterové väzby. Peptidy sú predovšetkým aminokyselinové reťazce, hovorí chemikka z Ulmu Tanja Weil. Existujú však aj rozvetvené a cirkulárne peptidy.
Peptidy sa syntetizujú mnohými spôsobmi
Prírodné peptidy môžu pozostávať z proteinogénnych a neproteinogénnych aminokyselín. Aby sa skrotila ich obrovská rozmanitosť, sú roztriedené podľa toho, kde boli vyrobené. Eukaryoty syntetizujú peptidy ribozomálnou cestou z 20 proteinogénnych aminokyselín. Produkujú sa bielkoviny, ktoré sa potom štiepia na peptidy. Ribozomálne peptidy často prechádzajú ako ich „veľké sestry“, proteíny, posttranslačné modifikácie (vrátane fosforylácie, glykozylácie, sulfatácie, hydroxylácie, disulfidových mostíkov).
Baktérie a huby majú tiež možnosť postupného vytvárania krátkych peptidov pomocou rôznych enzýmov. Týmto spôsobom môžu byť tiež začlenené neproteinogénne L-aminokyseliny a D-aminokyseliny. Tieto variácie napríklad zvyšujú stabilitu. Tieto peptidy sú preto zvlášť zaujímavé pre farmaceutický priemysel. Mnoho olovených štruktúr je odvodených z takýchto bakteriálnych peptidov.
Početné peptidy z baktérií a húb sa tvoria prostredníctvom modulárne organizovaného multienzýmového komplexu (NonRibozomal Peptide Synthetase, NRPS). Medzitým (k 7/2013) bolo objavených takmer 1 200 takýchto peptidov (https://www.gesundheitsindustrie-bw.debioinfo.lifl.fr/norine) v 247 organizmoch.
Vysoká ťažba a izolácia prekážok
Predtým, ako môžu byť peptidy vyrobené chemicky alebo rekombinantne, musia byť extrahované a izolované. Využitie hmotnostnej spektrometrie, kvapalinovej chromatografie (HPLC), tandemovej spektrometrie a nukleárnej magnetickej rezonancie vyžaduje veľa analytických schopností na odhalenie všetkých tajomstiev molekuly pred jej opätovnou syntézou. Celkový obraz poskytuje iba použitie mnohých analytických techník. To v žiadnom prípade nie je koniec toho, čo chemička Tanja Weil porovnáva s detektívnou prácou, pretože napríklad replikovaný peptid stratil svoju biologickú aktivitu. Po prekonaní vysokých počiatočných prekážok sa možno pokúsiť znovu vytvoriť peptid.
Dnes je záujem o dlhé peptidy
Samotný výraz „peptid“ siaha až k nemeckému chemikovi a nositeľovi Nobelovej ceny (1902) Emilovi Fischerovi, ktorému sa v roku 1901 po prvýkrát podarilo syntetizovať dipeptid. Zavedením syntézy na pevnej fáze získal výskum peptidov (R. M. Merrifield za to v roku 1984 dostal Nobelovu cenu) - získal sa prístup k väčšiemu množstvu a čistejším látkam. Syntéza na pevnej fáze bola neskôr automatizovaná a peptidové syntetizátory boli komerčne dostupné. Existovala tiež možnosť rekombinantnej produkcie.
Dnes sa peptidová chémia zaoberá produkciou obzvlášť dlhých peptidov. Pretože vďaka tomuto procesu sa peptidové syntetizátory môžu používať iba do dĺžky 30 aminokyselín, vysvetľuje Tanja Weil. Syntéza dlhších peptidov je dnes možná pomocou takzvaných ligácií, v ktorých je niekoľko krátkych peptidov spojených za vzniku dlhých štruktúr.
Peptidy boli pre chemikov vždy atraktívne, pretože im dávali multifunkčné stavebné bloky. Ich dve reaktívne skupiny (karboxy, amino) sa môžu použiť na polymerizáciu. Existujú aj vedľajšie reťazce (s výnimkou glycínu), ktoré môžu tiež niesť funkčné skupiny. Pomocou „sofistikovanej chémie ochranných skupín“ (Tanja Weil) možno vyrábať makromolekuly, ktoré sú veľmi presne definované (postupnosť, dĺžka).
Spoločnosť PEPperPRINT z Heidelbergu uplatňuje veľmi špeciálny prístup k syntéze peptidov a produkuje skupiny peptidov tlačením peptidov na čipy pomocou laserovej tlačiarne.
Peptidy ako účinné látky
Už niekoľko rokov sa peptidy ako aktívne zložky tešia stále väčšej pozornosti. Pozorovatelia trhu skutočne identifikovali stovky kandidátov na lieky na báze peptidov v klinickom vývoji a mnoho ďalších v pokročilých štádiách predklinického vývoja vo farmaceutických a biotechnologických potrubiach. Pretože všetky organizmy tvoria antimikrobiálne peptidy, človek intenzívne hľadá nové účinné látky v rôznych, často exotických organizmoch - ako sú ropuchy, pavúky a hady, ale aj rastliny a huby. Medzitým boli tiež objavené peptidy s antibiotickými účinkami produkované baktériami, ako je E. coli, takzvané mikrozíny (pozri Zschüttig et al.).
Naopak, novozaložené Ulmské centrum pre peptidové liečivá (UPEP) sa zameriava na ľudské peptidy. Vedci tam hľadajú bioaktívne a imunomodulačné látky v ľudskom peptidóme. Vedci UPEP už okrem iného našli aj peptidy, ktoré ovplyvňujú infekčnosť HIV.
Prominentným príkladom použitia peptidov na terapeutické účely je peptidová vakcína proti rakovine obličiek, ktorá sa v súčasnosti nachádza vo fáze III od biotechnologických spoločností Tübingen biotechnology. Ale peptidy sa používajú aj v lekárskej technológii. Vyvíjajú sa implantáty, ktoré sú potiahnuté antimikrobiálnymi peptidmi alebo na ktoré sú aplikované peptidy, ktoré zvyšujú biokompatibilitu implantátu.
Zaujímavé použitia peptidov existujú aj mimo medicíny. V Ústave pre technickú biochémiu na univerzite v Stuttgarte sa realizuje výskum kompozitných materiálov vyrobených z peptidov a anorganických zložiek. Takéto vrstvové štruktúry sú zaujímavé napríklad pre konštrukciu elektronických komponentov.
Literatúra:
Königshoff M, Brandenburger T. Krátka učebnicová biochémia. Stuttgart/New York: Thieme 2012 (3., prepracované vydanie)
Caboche S, Leclère V, Pupin M, Kucherov G, Jacques P: Diverzita monomérov v neribozomálnych peptidoch: smerom k predikcii pôvodu a biologickej aktivity. J Bacteriol 2010; 192 (19), 5143-50, doi: 10,1128/JB.00315-10
Venoms for Health, projekt EÚ 7. FRP (2011-2015): https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.venomics.eu
Zschüttig A, Zimmermann K., Blom J, Goesmann A, Pöhlmann Ch, Gunzer F: Identifikácia a charakterizácia mikrocínu S, nového antibakteriálneho peptidu produkovaného probiotickou Escherichia coli G3/10, 30. marca 2012, DOI: 10,1371/časopis. pone.003335 (PLoS ONE), https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0033351
Emil Fischer - životopis: https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1902/fischer-bio.html
Databáza antimikrobiálnych peptidov: https://www.gesundheitsindustrie-bw.deaps.unmc.edu/AP/main.php
Problémy s dizajnom liekov
Aj keď sa peptidy používajú ako aktívne zložky už mnoho rokov, ich podávanie stále predstavuje problém. Peptidy sa rýchlo rozkladajú v gastrointestinálnom trakte, preto sa musia podávať subkutánne alebo intravenózne. Tiež sa rýchlo vylučujú obličkami a pečeňou. Vykonáva sa preto intenzívny výskum vývoja nových foriem balenia, ale napríklad aj modifikovaných peptidových štruktúr, vďaka ktorým sú molekuly stabilnejšie. Pretože peptidy sa dajú na jednej strane synteticky vyrobiť relatívne dobre a na druhej strane majú rozhodujúci vplyv na rôzne procesy v tele, sú napriek spomenutým problémom veľmi zaujímavé pre farmaceutický priemysel.