PEPTYDY BIOLOGICZNIE CZYNNE Aleksander Kołodziejczyk PEPTYDY BIOLOGICZNIE CZYNNE Gdańsk 2011

Peptydy należą do bardzo rozpowszechnione związków w przyrodzie; pośród nich są: hormony, regulatory, antybiotyki, toksyny, glikopeptydy, lipopeptydy, substancje sygnałowe. Przykłady peptydów naturalnych Glutation - GSH Biosynteza Występuje we wszystkich komórkach zwierząt wyższych i u wielu mikroorganizmów. Znane są jego naturalne analogi, w których zamiast Glu występuje Asp lub pGlu. Jest składnikiem koenzymów: hydrolazy acyloglutationowej, dehydrogenazy foraldehydowej, tautomerazy indolilopirogronowej i innych ciał czynnych.

Jeden z syntetycznych analogów TRF jest Tyreoliberyna, uwalnia tyreotropinę. pGlu-His-ProNH2 TRF - Thyreotropin Releasing Factor Jeden z syntetycznych analogów TRF jest aktywniejszy od hormonu natywnego. Peptydy opioidowe. Ich nazwa wywodzi się od opium. Z produktów naturalnych wyizolowano kilkanaście peptydów opioidowych, a syntetycznie otrzymano kilka tysięcy ich analogów. Poszukuje się peptydu opioidowego odziałaniu przeciwbólowym, ale pozbawionego niekorzystnych cech morfiny. Zsyntezowano peptydy opioidowe znacznie aktywniejsze od morfiny w działaniu przeciwbólo-wym, ale one też wykazują właściwości narkotyczne: uszkadzają organy wewnętrzne, działają szkodliwie na układ oddechowy i krążenia.

Prekursorem enkefalin jest białko – proenkefalina A – zawierające Enkefaliny, są to pentapeptydy, początkowo odkryte w mózgu, stąd ich nazwa (gr. enkephalos = mózg), później okazało się, że występują prawie we wszystkich tkankach. Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu Leu-enkefalina Tyr-Gly-Gly-Phe-Met Met-enkefalina Prekursorem enkefalin jest białko – proenkefalina A – zawierające 271 reszt AA, w tym 6 sekwencji Met-enkefaliny i 1 sekwencje Leu-enkefaliny . Peptydy opioidowe oddziałują z tymi samymi receptorami co morfina: m, d, k i e. Aktywność opiatów i opioidów sprawdza się za pomocą testów, np. dawniej gorącej płytki czy cofania szczurzego ogona , a obecnie in vitro: GPI – jelita skrętnego świnki morskiej (quina pig ileum) MVD – nasieniowodu myszy (mouse vas deferens) HVD – nasieniowodu chomika RVD – nasieniowodu szczura

Enkefaliny jak większość peptydów szybko ulega enzymatycznej hydrolizie tracąc aktywność. Zwiększoną odporność enkefalin na biodegradację uzyskano poprzez - zastąpienie L-AA aminokwasami D-AA, - modyfikację C-końca – amidowanie, redukcja -COOH, - modyfikację N-końca – N-alkilowanie, N-acylowanie, - wprowadzenie wiązań izosterycznych czy cyklizację. Enkefaliny modyfikowane:

Na podstawie aktywności w testach GPI i MVG można oszacować względną selektywność preparatu wobec receptorów m i d Aktywność przeciwbólowa i selektywność morfiny i opioidów   Analgetyk IC50(nM) Selektyw- ność (m/d) MVD/GPI GPI MVD Morfina 70 390 5,6 Met-enkefalina 157 15 0,1 Leu-enkafelina 246 11 0,05 b-endorfina 67 82 1,2 Dermorfina 3 29 9 Dynorfina A(1-13) 231 162 0,1 [b-Ala]-Met-enkefalina >1500 >3000 >2 [Ala1]-dynorfina A(1-13) 750 25 500 34 Tyr-Ala-Gly-NHCH(CH3)CH2CH(CH3)2 >5.104 ~1 Tyr-D-Met-Gly-MePhe-ol (syndyphalin) >105  

Morfina i enkefaliny są zupełnie różnymi związkami; różnią się składem i kształtem. Morfina jest sztywnym policyklicznym związkiem, a cząsteczki enkefalin są elastyczne, a to pozwala im przyjmować różne kształty, w tym zbliżone do pewnych fragmentów morfiny. W morfinie i w enkefalinach występuje podobny strukturalnie fragment przypominający tyraminę – endogenną aminę. tyramina morfina enkefalina nalokson

Znane są a, b, g i d endorfiny; różnią się one długością łańcucha Endorfiny – endogenne morfiny Znane są a, b, g i d endorfiny; różnią się one długością łańcucha peptydowego (około 30 AA) i nieznacznie składem AA. b-endorfina człowieka 1 5 10 15 Thr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val-   20 25 30 - Thr- Leu-Phe-Lys-Asn-Ala-Ile-Ile-Lys-Asn-Ala-Tyr-Lys-Lys-Gly-Glu Endorfiny występują w wielu tkankach, np. w mózgu, płynie mózgowo-rdzeniowym, nerkach, we krwi, w żołądku, jelitach, a nawet w łożysku. Wysiłek fizyczny, zadowolenie z osiągniętego sukcesu akupunktura i stres wywołują wydzielanie się endorfin. Przyjmowanie egzogennnych endorfin prowadzi do uzależnienia. Inne peptydy opioidowe: dynorfiny, kazomorfiny, dermorfiny.

miejsce aktywne hormonu Adrenokortykotropina – ACTH, (kortykotropina), 39-peptyd, wykryty w latach 50. XX w., pierwsza syntezę przeprowadzono w 1963 r. Hormon produkowany przez przedni płat przysadki mózgowej, działa w nadnerczach, gdzie stymuluje wytwarzanie kortykosterydów 1 5 10 15 Ser-Tyr-Ser-Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly-Lys-Pro-Val-Gly-Lys-   20 25 30 -Lys-Arg-Arg-Pro-Val-Lys-Val-Tyr-Pro-Asn-Gly-Ala-Glu-Asp-Glu- 35 39 -Ser-Ala- -Glu-Ala-Phe-Pro-Leu-Glu-Phe ACTH ludzkie W ACTH różnych ssaków obserwuje się niewielkie różnice w składzie AA. N-końcowy fragment 1-24 zachowuje pełną aktywność biologiczną. AA 5-10 stanowią miejsce aktywne hormonu Syntetyczne analogi ACTH (głównie 1-24), produkowane od 1967 r., są stosowane klinicznie do leczenia alergii, zapalenia stawów i innych organów, stymulowania przysadki, w onkologii, hematologii, endokrynologii, dermatologii ...

Przysadka mózgowa wytwarza trzy melanotropiny: Prekursorem ACTH jest glikoproteina - proopiomelanokortyna . Z niej powstają także melanotropiny, lipotropiny oraz peptydy opioidowe. Melanotropina – MSH 1 10 Ac-Ser-Tyr-Ser-Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly-Lys-Pro-Val-NH2 a-MSH Przysadka mózgowa wytwarza trzy melanotropiny: Stymulują one syntezę melaniny i regulują dystrybucję tego barwnika w skórze. Poziom MSH regulują melanoliberyna i melanostatyna. Żaby i jaszczurki pod wpływem MSH dostosowują swoje zabarwienie do koloru otoczenia. Syntetyczny analog [Nle4,D-Phe7]a-MSH jest znacznie aktywniejszy i działa dłużej niż peptyd natywny.

dokrewne, np. androgeny, estrogeny czy kortykosteroidy) Oksytocyna i wazopresyna 9-peptydy wytwarzane w podwzgórzu i magazynowane w przysadce; należą do neuropeptydów, czyli hormonów peptydowych wydziela-nych przez tkankę nerwową. Nazywane są też a hormonami tylnego płata przysadki mózgowej. Są znane również hormony tkankowe, wytwarzane przez tkanki pełniące inne funkcje (np. w żołądku wydzielana jest gastryna) i hormony gruczołowe (wydzielane przez specjalne gruczoły dokrewne, np. androgeny, estrogeny czy kortykosteroidy) Oksytocyna i wazopresyna są cyklicznymi nonapeptydami. OT ludzka i wołowa AVP

Oksytocyna wywołuje skurcze mięśni gładkich ciężarnej macicy – aktywność oksytotyczna , wraz z prolatyną stymuluje laktację – aktywność laktacyjna. Wpływa na zespół zachowań macierzyńskich - ZZM. Podana dziewiczym samicom szczura wywołuje ZZM u >40% samic; podana dziewiczym samicom szczura wraz z estrogenami wywołała ZZM w >80% przypadków. Jest odpowiedzialna za aktywność socjalną. Wazopresyna reguluje stężenia moczu, jest to aktywność antydiurety-czna. Zagęszcza promocz do dziesięciu razy. Nazywana też jest antydiuretyną (hormonem antydiuretycznym). Brak lub małe stężenie AVP wywołuje moczówkę prostą. AVP wpływa na zwiększenie ciśnienia tętniczego krwi jest to aktywność presyjna. Stymuluje także proces zapamiętywania i uczenia się.

Zbliżona budowa OT i VP są odpowiedzialne za resztkową hormonalną aktywność obu peptydów Peptyd Aktywność [jednostki międzynarodowe IU] oksytotyczna laktacyjna antydiu-retyczna presyjna OT 520 475 4 AVP 14 70 323 369 [Thr4]OT 923 543 0,9 0,5 [Phe2,Orn8]OT ~1 7 0,6 124 dVDAVP ~8 - 1230 antagonista dDAVP 3 1200 0,4

Oksytocynę wytwarza się syntetycznie metodą SPPS. Produkcja oksytocyny Oksytocynę wytwarza się syntetycznie metodą SPPS. Znana jest również synteza enzymatyczna OT CT: chymotrypsyna; CP: chymopapaina; P: papaina; Y: karboksypeptydaza; PPSE: postprolinowa specyficzna endoproteaza

a nawet heksamery zawierające ponad 100 reszt AA. Insulina 51-peptyd wytwarzany w trzustce należy do jednych z najlepiej znanych peptydów, ponieważ jest powszechnie stosowanym lekiem przez diabetyków. Zaliczana jest czasami do białek, ponieważ tworzy dimery, a nawet heksamery zawierające ponad 100 reszt AA. Została odkryta w 1921 r. a jej odkrywcy otrzymali nagrodę Nobla już w 1923 r. Insulina zbudowana jest z dwóch łańcuchów: A, w którym jest 21 reszt AA i B, zawierającym 30 reszt. Oba łańcuchy połączone są dwoma mostkami disilfidowymi, a ponadto w łańcuchu A znajduje się trzeci mostek disulfidowy.

Insulina jest lekiem ratującym życie diabetykom Insulina jest lekiem ratującym życie diabetykom. Przez dziesiątki lat w terapii stosowano insulinę izolowaną z trzustek zwierząt rzeźnych – wołową i wieprzową. Z 1 kg trzustek wołowych otrzymuje się około 2000 IU insuliny, a jednorazowa dawka lecznicza wynosi kilkaset IU. 1 mg insuliny = 24 IU Insulina wieprzowa i wołowa wykazują aktywność biologiczną prawie identyczną z HI, jednak po długotrwałym stosowaniu mogą, jako obce białka, wywoływać reakcje alergiczne, nawet groźne dla życia.

Chemiczna synteza HI jest ekonomicznie nieopłacalna, nie można jej również ze względów oczywistych pozyskiwać z materiału ludzkiego. W latach 80. XX w. rozpoczęto produkcję HI dzięki inżynierii genetycznej wykorzystując bakterie E. coli zawierające gen odpowiedzialny za wytwarzanie tego hormonu. Produkcję prowadzi się dwoma sposobami: wytwarzanie proinsuliny i jej hydrolizę do insuliny osobną syntezę obu łańcuchów i utlenianie ich do HI

proinsulina 84 AA insulina 51 AA

Łączenie obu łańcuchów A i B tak, żeby powstała insulina początkowo napotykało na ogromne trudności. Utlenianie obu łańcuchów prowadzi do powstania wielu produktów: monomerów, oligomerów liniowych i cyklicznych, w tym tylko 1-2% właściwej HI. Powstają 4 monomery: 3 A i 1 B ; dimerów jest więcej: 57 A2, 2 B2, 12 AB; tworzy się ~ 3000 trimerów: A3, B3, A2B, AB2 ; ponadto tetramery i wyższe oligomery.

+ + 6

DTT – odczynnik Clelanda HI 50% butano-2,3-diol-1,4-ditiol

Znana jest także mikrobiologiczno-chemiczna metoda otrzymywania HI. Są drożdże wytwarzające peptyd zbliżony budową do HI, tzw des(B30), znany jako insulina jednołańcuchowa. Ma ona mostki disulfidowe w tych samych miejscach co HI, brakuje jej jednak Thr30. des(B30) przekształca się w HI w reakcji transpeptydacji za pomocą trypsyny w obecności estru Thr.

Insulina do celów farmakologicznych musi być dokładnie oczyszczona Insulina jednoskładnikowa – jeden pik w HPLC   Proces Zawartość białka drożdży [ppm] SCI lub HI [%] (HPLC) Fermentacja drożdżowa Odwirowanie komórek drożdżowych Oczyszczanie na jonitach >15 000 90 Krystalizacja <10 97 Transpeptydacja do estru HI Filtracja żelowa, oddzielenie CT Usuwanie osłony estrowej Preparatywna HPLC <1 >99,5

Od końca XX w. insulinę zaczęto wykorzystywać do dopingu Od końca XX w. insulinę zaczęto wykorzystywać do dopingu. Pomaga ona zwiększać masę mięśni, działa synergicznie ze sterydami anabolicznymi i hormonem wzrostu. Podana wraz z glukozą bezpośrednio przed zawodami zwiększa wydolność zawodnika, ponieważ zwielokrotnia szybkość spalania glukozy. Egzogenna insulina jest trudna do wykrycia, gdyż trudno ją odróżnić od endogennej, a ponadto połowiczny czas rozpadu insuliny wynosi tylko kilka minut. Insulina jest nie tylko nielegalnym anabolikiem, ale i substancją niezwykle groźną dla zdrowia i życia. Niszczy system immunologiczny, degeneruje organy wewnętrzne, wywołuje bezpłodność, a przedawkowanie prowadzi do śpiączki i zgonu.

Bombezynę I wyizolowana ze skóry żab europejskich rodzaju Bombina. Tuftsyna, jest to tetrapeptyd – Thr-Lys-Pro-Arg – o właściwościach immuno-regulacyjnych, antybakteryjnych, antywirusowych i antykancero-gennych, wyizolowany został z krwi ssaków. Pomimo wielu prób i otrzymaniu dużej liczby analogów nie znalazła zastosowania terapeutycznego; szybko ulega biodegradacji. Proktolina– peptydowy hormon owadzi – Arg-Tyr-Leu-Pro-Thr . Działa jako neurotransmiter i czynnik miotropowy – wywołuje skurcze odbytnicy, mięśni gładkich, szkieletowych, serca, jelit i jajowodów. Prowadzono próby wykorzystania proktoliny do zwalczania niepożądanych owadów. Bombezynę I wyizolowana ze skóry żab europejskich rodzaju Bombina. pGlu-Gln-Arg-Leu-Gly-Asp-Gln-Trp-Ala-Val-Gly-His-Leu-Met-NH2 Obniża ciśnienie krwi, wywołuje skurcze mięśni gładkich, silnie oddziałuje na centralny układ nerwowy, zaburza działanie mechanizmu utrzymującego stałą temperaturę ciała ssaków. 1 ng wprowadzony do mózgu szczura przetrzymywanego w pomieszczeniu o temp. 4oCpowoduje obniżenie temperatury jego ciała do 5oC w ciągu 15 min.

Somatotropina – STH, hormon wzrostu – GH Ludzka STH zawiera 191 reszt AA, jest więc białkiem, jednak zwykle omawia się ją razem z h. peptydowymi. Nazwa somatotropina pochodzi odtego, że oddziałuje na całe ciało – działa anabolicznie. Jej synteza zachodzi w przednim płacie przysadki mózgowej. Stymuluje wzrost ciała (stąd h. wzrostu), wpływa głównie na podłużny wzrost kości, co umożliwia rozrost tkanek miękkich. Syntezę STH uruchamia somatoliberyna, a wstrzymuje somatostatyna. Brak STH w okresie wzrostu prowadzi do karłowatości; zdarza się kilkanaście przypadków na 1 mln urodzeń. Nadmiar STH w okresie wzrostu prowadzi do gigantyzmu, w wieku dorosłym też wywołuje akromegalię – przerost kończyn, języka, nosa, podbródka i uszu. Karłowatość można leczyć somatoliberyną. W wielu przypadkach trzeba stosować STH, można za pomocą tego hormonu zwiększyć wzrost o 20 cm, a nawet więcej. Hormon należy podawać od momentu wykrycia karłowatości do osiągnięcia wieku dorosłego. Koszt kuracji – tysiące euro miesięcznie.

Nie leczy z bezpłodności STH stosuje się też w przypadku zespołu Turnera, rzadkiego schorzenia dziewcząt wynikającego z braku u nich drugiego chromosomu X. Podawanie takim dziewczynkom STH nie leczy, ale zmniejsza objawy schorzenia poprzez przyspieszenie wzrostu pacjentek i zapewnia zachowanie żeńskich proporcji ich ciała. Nie leczy z bezpłodności Chemiczna synteza STH jest nierealna otrzuje się go z 1% wydajnością i 2% aktywnością. Pozyskiwanie STH z ludzkich zwłok jest mało wydajne i niebezpieczne ze zdrowotnego punktu widzenia. STH innych ssaków jest nieaktywne dla ludzi. STH jest pierwszym białkiem, którego produkcja została uruchomiana dzięki inżynierii genetycznej. STH jest szeroko stosowana w terapii, między innymi do leczenia oparzeń, niepłodności, dystrofii mięśniowej, rzeszotowienia kości, odleżyn i złamań, przewlekłej niewydolności nerek, zaburzeń okresu przekwitania. Przedawkowanie STH prowadzi do cukrzycy i nowotworów.

Wykorzystywanie STH w sporcie jest zakazane! Pod koniec XX w. STH zaczęto stosować jako środek dopingowy. Jest również reklamowana jako cudowny eliksir młodości. Wykorzystywanie STH w sporcie jest zakazane! Ze względu na obecność endogennej STH wykrycie stosowania jej jako dopingu było bardzo trudne. Początkowo domyślano się stosowania STH jako dopingu na podstawie wzmożonego przemytu tego preparatu przed ważnymi zawodami. Obecnie można wykryć endogenny STH w próbce krwi pobranej od zawodnika.

Amatoksyna toksyczny peptyd jadu muchomora sromotnikowego Toksyny Wiele toksyn ma budowę peptydową. Zawierają one często AA niebiał-kowe, w tym D-AA, i a-rozgałęzione, co utrudnia ich biodegradację w organizmie, a więc przeciwdziała szybkiej utracie aktywności. Podobną rolę pełni cykliczna budowa toksycznych peptydów. Amatoksyna toksyczny peptyd jadu muchomora sromotnikowego

Do antybiotyków peptydowych należą m.i. penicyliny i cefalosporyny. Antybiotyki peptydowe Do antybiotyków peptydowych należą m.i. penicyliny i cefalosporyny. benzylopenicylina (penicylina G) Wydzielana przez pleśń Penicilinum notatum penicylina G odkryta w 1929 r. przez Fleminga; w terapii została zastosowana w 1942 r. W 1945 r. Fleming oraz Florey i Chain otrzymali nagrodę Nobla. W 1998 r. czytelnicy Polityki uznali penicylinę za największe odkrycie XX w.

lub pod innym względem przewyższające związek macierzysty. Penicylina G przez dziesiątki lat była najczęściej stosowanym antybio-tykiem. Później wprowadzono do terapii jej półsyntetyczne analogi odporniejsze na działanie b-laktamazy, przyjmowane doustnie, lub pod innym względem przewyższające związek macierzysty. Produkcja penicylin półsyntetycznych oparta jest na aminokwasie – 6-AP (kwasie 6-aminopenicylanowym) otrzymywanym z penicyliny G w reakcji hydrolizy, enzymatycznej lub chemicznej pierścień tiazolidynowy kwas 6-aminopenicylanowy 6-AP penicylina G

Kwas 6-AP można acylować dowolnym kwasem. R V-cylina –fenoksymetylopenicylina, zawiera resztę kwasu fenoksyoctowego, powstaje fermentacyjnie po dodaniu kwasu fenoksyoctowego do brzeczki fermentacyjnej penicyliny półsyntetyczne ampicylina – aminofenylometylopenicylina, reszta fenyloglicyny. metycylina – 2,6-dimetoksyfenylopenicylina reszta kwasu 2,6-dimetoksybenzoesowego

temocylina – metoksypenicylina, bardzo odporna na działanie b-laktamaz oksacylina – 3-fenylo-5-metylo- 4-izoksazolilopenicylina, reszta kwasu 3-fenylo-5-metyloizoksazolokarboksylowego temocylina – metoksypenicylina, bardzo odporna na działanie b-laktamaz piwampicylina – wchłania się szybko i prawie całkowicie z przewodu pokarmowego pierścień tetrahydrotiazynowy cefalosporyna C

Bacytracyny są wytwarzane przez Bacillus licheniformis 11-peptyd Antybiotyk bardzo toksyczny dla ludzi; używany zewnętrznie, w postaci kropel, maści lub proszku.

Aktynomycyny są wytwarzane przez szczepy Streotomyces aktomycyna D2 (daktynomycyna); ma pomarańczowe zabarwienie. dwa pierścienie pentadepsi-peptydowe przyłączone do barwnego układu aminofeno- ksazonowego – kwasu 2-amino-4,6-dimetylo--3-okso-3H-fenoksazono-1,9-dikarboksylowego Należą do chromopeptydów, barwnych związków zawierających chromofory. Polimyksyny są wytwarzane przez bakterie Bacillus polymyxa i-oktanoilo-A2bu-Thr-A2bu-A2bu-A2bu-D-Phe-A2bu-A2bu-Thr polimyksyna B2 N-acylowane cykliczne dekapeptydy , bardzo aktywne przeciw bakteriom Gram-ujemnym; toksyczne dla ludzi. Stosowane są zewnętrznie, np. w kroplach do oczu i uszu.

Walinomycyna Cykliczny 12-peptyd o właściwościach jonoforowych L-mle: kwas L-mlekowy D-HO-i-wal: kwas D-hy- droksyizowaleraianowy trzykrotnie powtarzający się tetradepsipeptyd: L-mle-Val-D-HO-i-wal-D-Val

K+ Gramicydyny wytwarzane przez Bacillus brevis Mają właściwości jonoforowe gramicydyna S K+ dwykrotnie powtórzony fragment pentapeptydowy Zagnieżdża się w błonach komórkowych tworząc wyrwy, przez które transportowane są protony i jony metali alkalicznych, co zaburza gospodarkę mineralną komórki

Gramicydyna A jest liniowym 15-peptydem, który przyjmuje kształt helisy z hydrofobowymi grupami bocznymi ustawionymi na zewnątrz Taka helisa w postaci dimeru ogon-ogon zagnieżdżając się w błonie komórkowej tworzy transbłonowy kanał transportujący jony kationów metali alkalicznych, np. Na+ Pojedynczy kanał jest w stanie przetransportować 107 kationów/sek