Начиная с 50-х годов текущего столетия наблюдается устойчиво растущий интерес химиков, биологов, медиков к обширному классу биологически активных соединений, называемых пептидами.
Пептиды построены из аминокислот, т. е. из тех же элементов, что и белки, но отличаются от них меньшими размерами (меньшим молекулярным весом) и поэтому легче поддаются детальному физико-химическому исследованию.
Как известно, белки универсальны по своим биологическим функциям: они — основной строительный материал живой клетки; все ферменты — белки; энергетику клетки обеспечивают белки; явление иммунитета также основано на работе белковых тел. Спектр функций пептидов не столь широк. ,В сущности, пептиды выполняют в природе только одну функцию — регуляторную, но зато по эффективности регуляторного действия и разнообразию точек приложения они не имеют конкурентов. Известны пептиды — гормоны, антибиотики, токсины и антитоксины, ингибиторы и активаторы ферментов, иммуностимуляторы, переносчики ионов через мембраны, нейромедиаторы и т. д.
Не удивительно, что вскоре после открытия и химического синтеза первого пептидного гормона окситоцина, выполненного в начале 50-х годов американским исследователем Дювиньо, получившим за эти работы Нобелевскую премию, начинается промышленное производство биологически активных пептидов и их использование в медицине. Сейчас в мире химическим синтезом производится более 10 пептидов, применяемых как терапевтические средства (почти все — гормонального действия) и приблизительно столько же препаратов используют в клинике для диагностических целей. Кроме того, микробиологическим способом производятся некоторые пептидные антибиотики.
Конечно, на фоне того громадного разнообразия лекарственных средств, которым пользуется современная медицина, это число пептидных препаратов представляется довольно скромным. Однако есть все основания считать, что в ближайшее десятилетие мы будем свидетелями существенного расширения сферы применения биологически активных пептидов в медицине. Об этом говорит, в частности, тот факт, что в последние годы в связи с развитием методов клеточной биологии, биохимии и аналитической химии резко возрос темп открытия новых эндогенных, т. е. присутствующих в нормальном организме, пептидов и расшифровки их химической структуры. Перечислим лишь некоторые, наиболее яркие достижения последнего десятилетия,
В гипоталамусе (области головного мозга, расположенной над зрительными буграми) обнаружена серия пептидных гормонов нового типа. Поступая в придаток мозга — гипофиз, они подают сигнал для целого каскада биохимических реакций, включающих выработку гормонов гипофиза, стероидных гормонов, и все связанные с ними процессы обмена веществ. Среди известных к настоящему времени биопрепаратов гипоталамические факторы — своего рода «рекордсмены» по эффективности и глубине биологического действия.
В других отделах мозга животных и человека обнаружены пептиды, присутствующие, правда, в ничтожных, неуловимо малых количествах, но оказывающие сильнейшее влияние на процессы высшей нервной деятельности. В частности, найдены пептиды, ответственные за ощущения боли, страха, других эмоций, за развитие различных стадий сна, процессы выработки условных рефлексов, влияющие на оперативную и долговременную память. Прослеживается связь между отклонениями психической деятельности человека от нормы (например, шизофренией) и содержанием тех или иных пептидов в мозге. Лавинообразно увеличивается число работ, посвященных связи между химической структурой и биологическим действием пептидов мозга, механизму их действия. Десятки фармацевтических фирм настойчиво ищут варианты структурных модификаций пептидов мозга, максимально усиливающие нужные свойства и снижающие нежелательные эффекты.
Среди пептидов обнаружен богатый спектр веществ, действующих на биологические мембраны: вещества, индуцирующие избирательную проницаемость мембран по отношению к другим веществам или ионам металлов, а также разрушающие или, наоборот, стабилизирующие мембраны. Рассмотрим подробнее эту проблему.
Как известно, биологические мембраны представляют собой сложные, высокоорганизованные и высокоспециализированные образования толщиной около 70—100 Å, построенные в основном из белков и липидов и окружающие любую клетку или субклеточную частицу. Функции биомембран весьма разнообразны. Любая мембрана образует барьер проницаемости между средой и содержимым клетки или органеллы. Мембраны отвечают за регуляцию ионного баланса клетки, осуществляя активный (с использованием энергии АТФ) либо пассивный (по градиенту потенциала или ионной концентрации) транспорт ионов. Они снабжают клетку необходимыми ей веществами, выводят из нее в наружную среду различные вещества, например гормоны. Гормональная регуляция клеточного метаболизма, в свою очередь, также часто происходит на мембранном уровне. С помощью таких специализированных образований, как мембраны митохондрий и хлоропластов, осуществляются внутриклеточное дыхание и фотосинтез, Мы знаем мембраны — рецепторы запаха, вкуса, света, нервные мембраны и т. д. В целом, трудно представить себе какой-либо процесс в клетке, который протекал бы без прямого или косвенного участия мембранных структур.
Одна из фундаментальных функций биологических мембран — поддержание необходимых концентраций жизненно важных для клетки ионов Na+, К+, Са2+, Mg2+ и некоторых других. Именно на этом этапе, этапе обеспечения ионного баланса, вмешиваются в клеточную деятельность, регулируют ее ионофоры — вещества, связывающие ионы металлов в растворах и переносящие их через биологические или искусственные мембраны. С открытием принципа действия ионофоров исследователи получили недостижимую до этого возможность избирательно регулировать потоки ионов щелочных (а в последние годы — и щелочноземельных) металлов в биологических системах. Свойства ионофоров оказались столь важными и интересными, что большая часть исследований ионного транспорта через биомембраны выполняется сейчас с помощью ионофоров.
По принципу действия ионофоры разделяются на два основных класса: вещества-переносчики и вещества, образующие ион-проницаемые поры, или «каналы». Среди ионофоров-переносчиков центральное место занимают пептидные антибиотики, валиномицин и энниатины, а наиболее изученным представителем ионофоров «канального» типа являются антибиотики грамицидины А, В, С, также имеющие пептидную природу.
Валиномицин отличает универсальность действия на мембранах — практически нет мембранных систем, искусственных или биологических, в которых антибиотик не индуцировал бы калиевую проводимость; его действие проявляется в весьма низких концентрациях (10-8 М и ниже) и при этом обнаруживается чрезвычайно высокая, достигающая четырех порядков K/Na-избирательность действия. Физико-химическое исследование валиномицина вскрыло причины эффективности и K/Nа-избирательности его действия, а также позволило перейти к направленному синтезу аналогов валиномйцина со свойствами, отсутствующими у природного ионофора. К настоящему времени получено несколько десятков аналогов валиномицииа.
Энниатины уступают валиномицину по устойчивости К+-комплексов, по K/Na-избирательности и эффективности действия на мембранах. Вместе с тем они представляют интерес как комплексы широкого спектра действия, способные связывать и транспортировать ионы разных размеров и валентностей.
Грамицидины А—С — 15-члеиные линейные пептиды, построенные из остатков гидрофобных аминокислот со строго чередующимися L и D конфигурациями асимметричных центров. В исключительно малых концентрациях (10-10 М и ниже) грамицидины индуцируют проводимость искусственных и биологических мембран к ионам щелочных металлов, таллия, а также протонам.
Антаманид — циклический декапептид, выделенный’ из экстрактов бледной поганки и ингибирующий токсическое действие фаллотоксинов — мощных ядов, вырабатываемых тем же грибом. Действие фаллотоксинов сводится к необратимому поражению печени млекопитающих. Антаманид предотвращает это действие, специфически уплотняя мембраны клеток печени и понижая тем самым их проницаемость по отношению к токсинам. Видимо, антитоксическое действие антамаиида основано на его взаимодействии с ионами натрия или кальция, сорбированными на поверхности мембраны ее белковыми или липидными компонентами. В результате связывания антаманид «накрывает» определенный участок мембраны (256—300 Å), меняя ее свойства, в том числе проницаемость по отношению к токсинам бледной поганки.
В медицине, химической технологии и сельском хозяйстве широко используются К+-чувствительные электроды на основе валиномицина, намного превосходящие по K/Na-избирательности обычные стеклянные электроды. В Японии в больших масштабах (десятки тонн в год) выпускают ионофор тетраиактин, используемый для защиты плодовых деревьев от вредных насекомых и практически не загрязняющий внешнюю среду, а потому успешно вытесняющий ряд других инсектицидов (например, производные ДДТ). Не вызывает сомнений высокая потенциальная ценность ионофоров для научных исследований, медицины, сельского хозяйства и техники, а также те обширные перспективы, которые открываются перед химией этого оригинального класса органических соединений.
Продолжая перечень биологически активных пептидов, отметим пептиды, воздействующие на различные стадии иммунной реакции млекопитающих. В первую очередь, здесь следует упомянуть пептиды, представляющие собой фрагменты клеточных стенок бактерий, пептиды, продуцируемые тимусом, а также ряд активных фрагментов иммуноглобулинов. С этой группой веществ связывают надежды на получение эффективных средств борьбы с вирусными инфекциями и иммунотерапии рака, а также новых противоаллергических средств.
Говоря о проблеме терапии рака, нельзя не упомянуть кейлоны — вещества, избирательно тормозящие развитие тех или иных видов клеток. Имеются данные о том, что некоторые кейлоны, имеющие пептидную природу, способны тормозить развитие опухолевых тканей.
Относительно малая доступность пептидов, связанная с их исключительно низким содержанием в животных источниках и большей сложностью химического синтеза, чем для подавляющего большинства применяемых синтетических лекарств, сдерживают их широкое применение в практической медицине. Однако эти трудности носят временный характер, ибо быстро развиваются методы синтеза пептидов и появляются новые методы очистки (особенно высокоэффективная жидкостная хроматография). А вот будущее более сложных пептидов, приближающихся по своим размерам к белкам, по-видимому, тесно связано с методами генной инженерии — области науки и биотехнологии, переживающей сейчас пору бурного роста.
Немаловажно, что у пептидов часто отсутствуют многие недостатки, присущие искусственным лекарственным средствам. Будучи эндогенными компонентами живой клетки, которые природа отбирала в течение миллионов лет эволюции для выполнения четко определенной функции, они эффективны в чрезвычайно низких дозах, обладают удивительной избирательностью действия, не вызывают нежелательных иммунологических реакций, легко выводятся из организма без образования токсических продуктов.
Таким образом, имеются все предпосылки для того, чтобы существенно расширить область применения пептидных препаратов в лекарственной терапии. Однако для реализации этой возможности необходимо решить ряд научных и организационных задач. Дело в том, что механизмы действия биологически активных пептидов чрезвычайно сложны и, как правило, недостаточно изучены. Серьезное препятствие для практического использования пептидов — кратковременность, а иногда и чересчур широкий спектр их действия. Путь к преодолению этих трудностей лежит в структурной модификации природной молекулы, что требует разработки и выполнения специальных научно-исследовательских программ.
Нет сомнений в том, что известные к настоящему времени биологически важные пептиды составляют лишь небольшую часть реально функционирующих факторов. Сложившееся положение напоминает ситуацию с надводной, видимой частью айсберга и его подводной частью, невидимой, но наиболее значительной. Дальнейший прогресс в этой области во многом будет зависеть от того, насколько успешно и интенсивно мы будем исследовать эту невидимую часть. Специалисты, работающие в этой области, пока еще в долгу перед отечественной наукой, ибо подавляющее число известных биологически активных пептидов открыто и структурно изучено пока в зарубежных лабораториях.
Автор: В. Г. Иванов, член-корреспондент АН СССР, лауреат Ленинской премии