Дипептиды
L-α-дипептиды (дипептиды) изучены значительно меньше, чем белки и аминокислоты. Основные исследования были посвящены L-аспартил-L-фенилаланин метилэстеру (аспартаму) и Ала-Gln (L-аланил-L-глутамину), поскольку они используются в популярных коммерческих продуктах. Кроме того, одной из причин слабой изученности многих дипептидов является отсутствие эффективных процессов их производства, несмотря на то, что были описаны различные химические и хемоэнзиматические методы.
Карнозин — пример дипептида
До недавнего времени были разработаны новые методы синтеза дипептидов, в которых дипептиды производятся ферментативным путём. Некоторые дипептиды обладают уникальными физиологическими свойствами, что позволяет предположить возможность их применения в различных областях научных исследований. L-α-дипептиды представляют собой простейшую пептидную связь двух аминокислот, однако они труднодоступны в основном из-за нехватки экономически эффективных методов производства. Тем не менее, дипептиды обладают весьма интересными функциями, и научная информация о них стремительно растёт. Это побуждает многих исследователей разрабатывать более эффективные и экономичные методы синтеза дипептидов. По мере развития этой области мы сможем узнать гораздо больше о ценности пептидов.
У дипептидов две основные функции:
1. Производное аминокислот
2. Сам дипептид
Как производные аминокислот, дипептиды и содержащиеся в них аминокислоты обладают различными физико-химическими свойствами, но, как правило, оказывают схожее физиологическое действие. Это связано с тем, что в живых организмах дипептиды расщепляются на отдельные аминокислоты, обладающие разными физико-химическими характеристиками. Например, L-глутамин (Gln) чувствителен к нагреванию, тогда как Ала-Gln (L-аланил-L-глутамин) термоустойчив.
Химический синтез дипептидов осуществляется следующим образом:
1. Все функциональные группы дипептида защищаются (кроме тех, которые участвуют в образовании пептидной связи между аминокислотами).
2. Защищённая аминокислота с свободной карбоксильной группой активируется.
3. Активированная аминокислота реагирует с другой защищённой аминокислотой.
4. Защитные группы в составе дипептида удаляются.
Преимущества и недостатки синтеза дипептидов
Одним из ключевых преимуществ химического синтеза дипептидов является возможность получать широкий спектр дипептидов путём тщательного подбора защитных групп и активирующих реагентов. Кроме того, процесс обычно даёт высокий выход продукта и сравнительно прост в реализации. Однако синтез необходимо проводить пошагово. К недостаткам химического синтеза дипептидов относится относительно высокая стоимость, обусловленная множественными стадиями реакции, необходимыми для создания дипептида и образования пептидной связи. Методы синтеза дипептидов можно разделить на три основных подхода:
• Химический синтез
• Энзиматический синтез
• Хемоэнзиматический синтез — в этом подходе используется фермент в комбинации как минимум с одной защищённой аминокислотой в качестве субстрата.
Согласно исследованиям, проведённым Гулевичем и Амирадзиби (1990), а также Хайнсом и Суфтином (1956), карнозин (β-аланил-Гис) и родственный ему дипептид ансерин (β-аланил-N-метил-Гис) обнаружены в тканях различных млекопитающих, птиц и рыб. Считается, что эти дипептиды выполняют ряд биологических функций, включая:
• Антиоксидантную активность (Guiotto и др., 2005)
• Регуляцию pH в клетках (Begum и др., 2005)
Подробно о гистидинсодержащих дипептидах
Дипептиды, содержащие гистидин, представляют собой семейство растворимых пептидов. Они состоят из гистидина (или аминокислоты, подобной гистидину), а также содержат имидазольное кольцо и нетипичную аминокислоту (например, β-аланин) на N-конце пептида. Имидазольное кольцо, по-видимому, играет ключевую роль в ряде биологических функций, предполагаемых для этого семейства дипептидов. Известно, что они специфичны как для тканей, так и для видов.
Если подробнее рассмотреть карнозин — основной дипептид в этом семействе — он получил своё название от русского учёного Гулевича, который открыл его в мясе. Слово «мясо» на латыни — carnos. Так или иначе, все гистидинсодержащие дипептиды являются представителями этой группы, и именно карнозин был открыт первым. Относительно карнозина, хотя и с отличиями в структуре, выделяют:
• Метилирование по p-положению (ансерин)
• По s-положению (баленин) — азот в имидазольном кольце гистидина
• Замещение β-аланина на γ-аминомасляную кислоту (гомокарнозин)
• Ацетилирование аминогруппы β-аланина (N-ацетилкарнозин)
Кроме того, научное сообщество предполагает, что гистидинсодержащие дипептиды могут точно настраивать биологические функции в соответствии с задачами и потребностями, варьирующимися в зависимости от тканей. Эти модификации являются видоспецифичными и тканеспецифичными. В зависимости от метаболических потребностей гликолитических мышечных волокон, гистидиновые дипептиды в значительном количестве присутствуют в быстрых мышечных сокращениях.
Карнозин обладает способностью связываться с металлами и используется в комплексе карнозин-цинк, который, как было установлено, обладает способностью стабилизировать мембраны, а также обладает антиоксидантным и ранозаживляющим действием. Два типа карнозина (дипептидный цинк и N-ацетилкарнозин) применялись соответственно в качестве противоязвенного препарата (Cho и др., 1991) и средства против катаракты (Babizhayev и др., 2001). Их производные нашли применение в различных областях, включая спортивное питание. Первичные исследования показали, что карнозин способен связывать:
• Гидроксильные радикалы
• Пероксильные радикалы
• Супероксидные радикалы
• Синглетный кислород
Гистидин (Карнозин) и Альдегиды
При некоторых заболеваниях возникают метаболические нарушения и окислительный стресс. Повышенный уровень окисленных липидов и углеводов приводит к образованию альдегидов при таких состояниях, как ишемия миокарда и головного мозга, диабет, атеросклероз, нейродегенеративные заболевания и травмы.
В большинстве тканей альдегиды дезактивируются путём каталитического окисления или восстановления, а также посредством ферментативного и неферментативного связывания с дипептидами, такими как глутатион и гистидин.
Гистидинсодержащие дипептиды обнаруживаются в тканях позвоночных. Там они участвуют в ряде физиологических функций, включая:
• Буферизацию pH
• Хелатирование металлов
• Связывание (обезвреживание) окислителей и альдегидов
Гистидиновые пептиды (например, карнозин) образуют аддукты с непредельными альдегидами, а затем реагируют с альдегидами, образованными из углеводов. Исследования in vitro показали, что карнозин снижает ишемические повреждения, улучшает контроль уровня глюкозы, уменьшает осложнения при диабете у животных и при ожирении, способствует заживлению ран и снижает уровень атеросклероза.
Начальное применение карнозина дало впечатляющие результаты, включая:
• Антиоксидантные свойства
• Стимуляцию гликолиза
• Детоксикацию реактивных альдегидов
• Повышение уровня гистамина
Заболевания, сопровождающиеся высоким уровнем карбонильных соединений, возможно, в будущем будут эффективно лечиться с помощью карнозина и связанных с ним гистидинсодержащих пептидов.
Подробнее о типах дипептидов
Циклические дипептиды (CDPs) представляют собой молекулы, которые изначально обнаружены у бактерий, а затем были изучены в контексте кворумного восприятия (quorum sensing) у человека. Установлено, что они могут быть полезны в контроле нейродегенеративных заболеваний. В кворумном восприятии CDPs передают информацию о численности и плотности популяции, переключая взаимодействие от симбиоза с хозяином к вирулентности. У млекопитающих CDPs воздействуют на глиальные клетки, регулируя переход между гомеостатическим и воспалительным состоянием. Благодаря своей способности контролировать воспаление через глиальные клетки и тем самым индуцировать защитные реакции в нейрональных клетках, эти соединения рассматриваются как потенциально терапевтически значимые для лечения множества воспалительных заболеваний.
Циклические дипептиды — одни из простейших производных пептидов, часто встречающиеся в природе. Большинство циклических дипептидов образуются в результате ферментации и переработки пищевых продуктов. Однако многие из них образуются эндогенно — внутри самих организмов животных и растений. Из пяти известных циклических дипептидов только один — а именно цикло (His-Pro) — был достоверно выявлен как эндогенный для млекопитающих.
Тем не менее, цикло (Leu-Gly), цикло (Tyr-Arg) и цикло (Asp-Pro) структурно связаны с эндогенными пептидами Pro-Leu-Gly-NH₂ (ингибитор высвобождения меланоцит-стимулирующего гормона), Tyr-Arg (киторфин) и Val-Pro-Asp-Pro-Arg (энтеростатин), соответственно, и могут служить предшественниками этих пептидов. Однако важно отметить, что необходимо провести дополнительные исследования, чтобы выяснить, действительно ли эти циклические дипептиды образуются в результате переработки своих предшественников. Большинство учёных уверены, что биоактивные пептиды имеют большой потенциал для будущего лечения заболеваний и патологических процессов у человека.
Биологические альдегиды являются частью нормального метаболизма. Они образуются в процессе промежуточного обмена веществ, а также при синтезе липидов и нуклеотидов. Альдегиды также содержатся в различных продуктах питания и могут вырабатываться в очень высоких концентрациях при неконтролируемом окислении липидов и углеводов. Считается, что избыточное образование и накопление альдегидов (окислительный стресс) лежит в основе патогенеза ряда заболеваний. Альдегиды легко реагируют с нуклеофильными функциональными группами, содержащимися в белках, липидах и ДНК, что связано с присутствием электрофильной карбонильной группы.
Клеточный окислительный стресс связан с альдегидами, и они образуются в результате двух классов биологических реакций:
1. Окисление полиненасыщенных жирных кислот
2. Ферментативный или неферментативный метаболизм углеводов
И наконец, дитерпеновая смола и дегидроабиетиновая кислота (DHA) и её производные показали усиление ингибирующей активности противораковых препаратов в различных типах раковых клеток, включая рак молочной железы, шейки матки и гепатоцеллюлярную карциному. Среди множества положительных эффектов дипептидов в отношении патологических процессов, способность ингибировать развитие рака — один из наиболее перспективных направлений. Очевидно, почему исследованию дипептидов стоит уделить больше внимания и почему они вызывают столь живой интерес и энтузиазм у учёных, получивших столь обнадёживающие первичные результаты.
Ссылки
1. P. Fürst. Glutamine containing dipeptides: an overview. Clinical Nutrition, 12 (1), 1993, 62-65. [Article].
2. Bellezza I, Peirce MJ, Minelli A. Cyclic dipeptides: from bugs to brain. Trends Mol Med. 2014 Oct;20(10):551-8. [PubMed].
3. Huang XC et al. Synthesis and antitumor activities of novel dipeptide derivatives derived from dehydroabietic acid. Bioorg Med Chem Lett. 2014 Mar 15;24(6):1511-8. [PubMed].
4. Prasad C. Bioactive cyclic dipeptides. Peptides. 1995;16(1):151-64. [PubMed].
5. Santos S et al. Biomedical applications of dipeptides and tripeptides. Biopolymers. 2012;98(4):288-93. [PubMed].
6. Yagasaki M, Hashimoto S. Synthesis and application of dipeptides; current status and perspectives. Appl Microbiol Biotechnol (2008) 81:13–22. [PubMed].