63

Cys-Tyr-I1e-G1n-flsn-Cys-Pro-Leu-Gly-NHg

Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NhL

Окситоцин Вазопрессин

Биологическая роль пептидов

Дю Внньо (Du Vlgn ud| Винсент

(1901—197В), американский биохимик. Образование получил в Иллинойсском университете в Норма л е и Ро чес терском университете, с 193В г.— профессор медицинского колледжа Корн лл ского университета. Основные работы — по изучению обмена аминокислот, химического строения витаминов и гормонов. Открыл витамин Н, назвал его биотином и определил структуру. Выделил, расшифровал структуру и синтезировал гормоны окситоцин и вазопрессин. Лауреат Нобелевской премии по химии (19SS).

CONH

Gl, С* ^сО-СН—NH /СНэ-СНз

|Н Чсн ... \нЧнз

со

Leu

C0NH2 I

СНа I

сн2

/ 7 \

| /СНз СО л.п NH

в" СН—СН2—СН j 5 ^

NH ЧсНч ЫН СО

СО _СН—N—СО—СН Су. 6 СН—СН —A \V_c

г \ / \=/

CHi 1 NH

Си /

__СН

I

NH2

Онситоцин

264

Белки и пептиды

Швицер (Schwyzer) Роберт (р. 1920), швейцарский иимик-биоорганик. Окончил Цюрихский университет; с 1963 г.— профессор Высшей технической школы в Цюрихе, основатель Института молекулярной биологии и биофизики ВТШ. Основные работы посвящены синтезу биологически активных полипептидов, изучению их конформации в растворе, выделению и изучению рецепторов гормонов. Осуществил (1963, совместно с П. Зибером) полный синтез АКТГ.

Конформация окситоцина в растворе установлена на основании данных ЯМР-спектроскопии (Р. Уолтер, Д. Урри) и отличается достаточной жесткостью (прежде всего за счет внутримолекулярной S—S связи) в такой конформации легко прослеживается элемент Р-структуры (рис. 155).

Окситоцин и вазопрессин отличаются весьма широким спектром биологического действия. Они влияют на сокращение гладкой мускулатуры: твк, окситоцин вызывает сокращение гладких мышц матки (греческие слова 6?w + тохогт означают «быстрые роды»), в вазопрессин сокращает периферические артериолы и капилляры и тем самым обусловливает повышение давления крови. Кроме того, окситоцин стимулирует лактацию, а вазопрессин оказывает заметное действие на водный обмен (является антидиуретическим гормоном) и способствует твкже распаду гликогена в печени. Оба гормона, а твкже их многочисленные аналоги широко используются в медицинской и сельскохозяйственной практике и производвтся на основе химического синтеза в промышленных мв штабах

Оба гормона синтезируются в гипоталамусе и с помощью специальных белков-переносчиков (нейрофнзинов I и II) поступают в нейрогипофиз.

Секреция вазопрессина н окситоцина происходит в ответ на возбуждение соответствующих нейронов. Поскольку вазопрессин регулирует в основном водный баланс в организме, то стимулами его секреции служат изменение осмотического давления крови, изменение артериального давления, аноксия. Нервные импульсы передают информацию об этих изменениях б головной мозг, и возбуждение снитветствующнх нейросекреторных клеток приводит к освобождению вазон ре сина Стимулами секреции окситоцина служат, в частности, нервные импульсы, возникающие в результате раздражения сосков при кормлении молоком.

Вазопрессин активирует в тканях — мишенях аденилатциклазу. и его «вторым мессенджером» служит с AMP. Таким посредником у окситоцина, вероятно, является Са''f. В печени вазопрессин функционирует также через ннозиттрифосфатный механизм.

Имеются данные об участии вазопресснна в механизмах памяти, в частности вазопрессин стимулирует долговременную память. V животных с генетическими нарушениями в синтезе вазопресснна обнаруживается дефицит обучаемости.

Адренокортикотропныи гормон. Адренокортикотропный гормон (АКТГ, кортикотропин) — 39-членный полипептид, вырабатываемый клетками передней доли гипофиза. На рисунке 156 представлены структуры АКТГ ряда животных и человека. Полный синтез 39-членного пептида со структурой, первоначально предложенной для АКТГ свиньи, был осуществлен в 1963 г. Р. Швицером и П. Зибером. Полученное соединение было близко по своим свойствам природному гормону, однако позднее структура последнего была уточнена. Синтез АКТГ человека был проведен независимо группами К. Хофманна и Р. Швицера.

Адренокортикотропный гормон обладает широким спектром биологического действия. Основной из вызываемых им эффектов заключается в стимуляции коры надпочечников, продуцирующей гормоны адвптации — кортикостеронды. Кроме того, АКТГ проявляет липотропную активность, стимулируя синтез жирных кислот в жировых клетках, снижает содержание глюкозы в крови, влияет на белковый обмен, нервную систему и поведение животных.

Хотя пространственное строение АКТГ окончательно не установлено, внализ биологического действия большого числа синтетических аналогов и природных вариантов гормоне позволяет сделать важные выводы о закономерностях связи его структуры и функции. В частности, уствновлено, что фрагмент (1 — 24) обладвет практически полной активностью АКТГ, он выпускается в промышленных масштабах под названием «Синактен» (фирма CIBA, Швейцария) -Участок (25 — 33), где локализованы структурные различия, служит своего рода «антигенной детерминантой» при определении видовой специфичности и несуществен для проявления гормональной активности- Наконец, участки (11 —20) и (4— 10) важны для связывания с рецептором и генерации биологического импульса соответственно. Фрагмент АКТГ (4— 10), получивший название «актона», входит в структуру ряда других гормонов гипофиза. Еще более короткий фрагмент (4 — 7) влияет иа формирование рефлексов обучаемости у крыс.

Значительная часть работ по синтезу и исследованию взаимо связи между структурой и функцией в ряду аналогов и фрагментов АКТГ выполнена венгерскими химиками К. Медзиградским, Л. Кишфа уди, С. Байюшем и сотрудниками.

Меланоцитстнмулирующие гормоны (МСГ, или меланотропины) выделяются из промежуточной доли гипофиза. Эти соединения способны стимулировать пигментные клетки (меланоциты), что приводит к усилению биосинтеза пигмента меланина и потемнению кожи (в опытах на земноводных).

265

Биологическая роль пептидов

Хофманн lHofmann] Клаус (р. 1911), американский химик-биооргяник. Окончил Высшую техническую школу в Цюрихе; с 193В г. работает в США, с 1964 г.— профессор Питтсбургского университета- Основные работы посвящены химии стероидных и пептидным гормонов, терпенов, витаминов, ферментов. Открыл лактобацилловую кислоту, осуществил синтез меланоцит-стимулирующего гормона, полный синтез АКТГ, провел первый частичный синтез рибонуклеаэы А.

Ac—Ser—Туг—Ser—Mel—Glu- His—Phe—Arg—Trp—Gly -Lys—Pro— Val— NH?

СС-МСГ

Asp—Ser—Gly— Pro—Tyr— Lys—Met—Glu—His— Phe— Arg— Trp—Gly—Ser—Pro—Pro—Lys—Asp р-МСГ

Tyr—VbI—Met—Gly—His—Phe —Arg—Trp—Asp—Arg—Phe—Gly у-МСГ

266

Белки и пептиды

Рис. 156. Аминокислотные последовательности АКТГ: I) быка; 2) 3) человека.

ci-Меланотропин представляет собой фрагмент (I — 13) АКТГ, в котором N-концевая аминогруппа Ser-1 ацетилирована, а С-концевой Val-13 амидирован. у-Меланотропин, так же как АКТГ и а- и 0-меланотропины, входит в состав препроопиомеланокортина (см. с. 271), но не является частью какого-либо другого более короткого биологически активного пептида. Присутствие в гене препроопиомеланокортина последовательности, гомологичной а- и к.-меланотропинам, дало основание сначала предположить существование у-меланотропина как нового гипотетического гормона, а затем выделить его из гипофиза.

В последнее время появились данные, согласно которым р-меланотропин не является истинным гормоном, а представляет собой продукт разрушения белкового гормона р1 липотропина в ходе разделения биологического материала на фракции.

Существенно, что меланотропины обнаружены и в других отделах мозга (например, гипоталамусе), поэтому не исключено, что их основной биологической функцией является регуляция деятель ности центральной нервной системы.

Либерины и статины. В начале 50-х годов английский физиолог Г. У. Харрис сформулировал гипотезу регуляции гипоталамусом секреции троп ных гормонов аденогипофиза. В дальнейшем эта гипотеза была экспериментально подтверждена Э. Шелли, который в 1955 г. обнаружил, что экстракты гипоталамуса и нейрогипофиза стимулируют секрецию кортикотропина из изолированных фрагментов гипофиза. С использованием этой же тест-системы было показано, что экстракты гипоталамуса влияют на секрецию тиротро-пина, соматотропина, лютропина, фоллитропина и пролактина. В конце 60-х годов две группы американских исследователей во главе с Р. Гиллемином и Э. Шелли выделили и охарактеризовали эти факторы гипоталамуса, которые были названы рилизинг-фак-торами. Позднее им было дано название либеринов и статинов.

Выделение либеринов и выяснение их структуры было сопряжено с большими трудностями. Как и другие гормоны, факторы гипоталамуса вызывают биологическую реакцию в очень низких концентрациях - 10 v — 10 М. Для их выделения исследователям пришлось переработать десятки тонн исходного биологического сырья. Например, в группе Р. Гнллемина в течение нескольких лет было переработано 50 т гипоталамусов, выделенных из мозгов 5 млн. овец. В конце 1У6Н г. в этой группе в результате обработки 300 тыс. гипоталамусов овец был выделен 1 мг чистого тнреолиберина, а затем у та ни иле на его структура. Практически одновременно структура этого фактора была определена в группе Э. Шелли В последующие несколько лет в этих же группах были установлены структуры люлиберина и соматостаткна — фактора, ингибируюшего секрецию гормона роста.

25 26

Asn Gly

Asn Gly

Asn Gly

27 28

Ala Glu

Ala Glu

Ala Glu

29 30 31

Asp Glu Ser

Asp Glu Leu

Asp Glu Ser

Phe 39

Gly 38

Leu 37

Pro 36

Phe 35

Ala 34

32 33

Ala Gin 1

Ala Glu 2

Ala Glu 3

Тиреолиберин (ТРГ) —один нэ самых маленьких природных 267

пептидов: в нем всего три аминокислотных остатка. Его строение -

было установлено Р. Гиллемином с помощью синтетических ме- Биологическая роль пептидов тодов; особенностью структуры является наличие остатка пироглу-таминовой кислоты (> Glu).

-NH—СН—С—I I

СН

9

с о

I

NH

v

Тиреолиберин [ >Glu-His-Pro-NH2-)

Этот гормон стимулирует секрецию тиреотропина и пролактина, вероятно, путем активации аденилатциклазы.

Аналогичной активностью обладает люлиберин (гонадолибе-рин), стимулирующий секрецию аденогипофизом лютеинизирующе-го гормона, или лютропина. Его структура была установлена в 1971 г. (Э. Шелли) и подтверждена полным синтезом (Р. Гилле-мин).

Интересно, что ряд аналогов люлиберина, например [D-Trp' 1 - иолиберин и Aei-GIy'"- ID-Тгр''. Pro''- NEi|-люлиберин. обладают в десятки раз более высокой активностью, чем природный гормон. Это связано, вероятна, с повышенной устойчивостью этих соединений к инактивации тканевыми ферментами. Аналоги люлиберина с пролонгированным действием успешно применяются при лечении некоторых форм бесплодия у женщин и в качестве контрацептивных средств. Весьма перспективно использование люлиберина а животноводстве для синхронизации астрального цикла и других целей.

В 1973 г. Р. Гиллемином была определена структура гипотала-мического фактора, ингибирующего синтез гормона роста (сома-тотропина), этот фактор был назван соматостатином. Как и окситоцин, соматостатин представляет собой циклический дисульфид, его структура подтверждена полным синтезом (1974). Биологическую активность проявляют как восстановленная, так и окисленная формы гормона, в то же время аналоги соматостатина, неспособные образовывать дисульфидную связь, полностью неактивны.

Соматостатин ингибирует секрецию не только соматотропнна, не и тиротропина, инсулина глюка юна, гастрина и секретина. Соматостатин, влияющий на секрецию гормонов поджелудочной железы, не переносится в этот орган из гипоталамуса, а образуется непосредственно в других органах н тканях организма: в поджелудочной железе, в спннном мозге, в секреторных клетках вдоль всего желудочно-кишечного тракта.

Соматостатин — перспективное средство для лечения акромегалии (гигантизма), связанной с избыточным образованием соматотропнна в гипофизе, а также некоторых форм диабета. Широкий

ни—со

р

НП_СНа—СН

С—nh (CHi),—СН

СН—СНз

СН—' 1 -СИ

р

HjN О

268

Белки и пептиды

СНз I

HjN—СН—СО—N

-СНз—СО-

CONHj I

СН,

I ^со'

CHj I

.NH-CH—CO,

nh, n

(Ы)4/со

ch

/

NH I

CO

/

H—CH cr.

I

CH,

CHj

\h

Соматостатин

CH

^н -

CH-

\

co

\

NH \

CH_(CH,)4-

I

CO

/

NH OH

/. /

CH—CH-

-CH.

Y^h-co-ch-"'

CHiOH

ch

/ \

СНз OH

N< У

Рис. 157. Синтез соматостатина в бактериальной системе.

Ген ал ктоэидаэы Е. coli

Синтетичесний ген соматостатина

ATG GCT GGT TGT AAG А AC TTC ТГТ т^

GATAGTTGTGCTTCACTTTCA Gj

ДНК ла мид pBR322

Фрагмент -галактоэидазы

Антив

соматостатин

спектр и кратковременность действия соматостатина пока препятствуют его использованию в медицине. Усилия ученых-синтетиков направлены на получение аналогов гормона, обладвющих большей специфичностью действия.

Соматостатин был первым гормоном животных, биосинтез которого был осуществлен методом генной инженерии. В 1977 г. К. Итакура и Г. У. Бойер с сотр. синтезировали ген соматостатина и встроили его в плазмиду Клетки Е. coli были трансформированы с помощью этой химерной плазмидной ДНК, н в них синтезировался полипептид, включающий последовательность аминокислот, соответствующую соматостатину (рис. 157) (см. с. 437).

В настоящее время известны и другие пептиды класса либеринов и статинов. Помимо их основной, тройной активности, они действуют также на кору больших полушарий, мозжечок, влияют на поведение и двигательную активность н перспективны при лечении нервно-психических расстройств.

Вещество Р. Открыто в 1931 г. в связи с его способностью стимулировать сокращения гладкой мускулатуры, расширение сосудов и слюноотделение. Строение установлено в 1971 г.:

Arg- Pro—Lys—Pro—Gin—Gin —Phe—Phe—Gly—Leu—Met.

Вещество P содержится в большом количестве в гипоталамусе, субстанции nigra и других отделах мозга: обнаружено также в спинном мозге. Оно регулирует двигательную активность и болевые ощущения, влияет на эмоции и поведение (например, подввляет агрессию). Широкий спектр фармакологической активности вещества Р связывают с его нейромодуляторными и нейромедиаторными функциями. Некоторые вопросы регуляторного действия вещества Р исследованы П. Оме с сотр. Среди синтетических аналогов вещества Р, находящих практическое применение, наиболее известны препараты с сильным антистрессорным действием.

Пептиды-коннекторы. Одним из первых пептидов этой группы стал скотофобин, выделенный в США Г. Унгаром В ходе экспериментов было установлено, что если крысу приучить избегать темноты, то в ответ на этот привитый рефлекс в мозге животного синтезируется скотофобин; при введении этого пептида контрольным животным рефлекс полностью воспроизводится. Строение ско тофобина установлено в 1972 г. на основании масс спектрометри ческого метода и химического синтеза:

269

Биологическая роль пептидов

i Вадим Тихонович (р. 1937), советский хими