Химический синтез пептидов. Примеры пептидов, используемых в качестве лекарственных средств

Введение
За чуть более чем 100-летний период биологическая химия прошла путь от синтеза L-стереоизомеров аминокислот к синтезу искусственных пептидов и белков. Синтез аминокислот - по сути, первый шаг к синтезу природных белков.
На сегодняшний день известно более 7000 встречающихся в природе пептидов, многие из которых выполняют важные функции в организме, включая действия в качестве гормонов, нейротрансмиттеров, факторов роста, лигандов ионных каналов или противоинфекционных средств. Пептиды относятся к селективным сигнальным молекулам, которые находятся в тесной взаимосвязи со специфическими поверхностными рецепторами клеток, такими как G-белок-связанные рецепторы (GPCR) или ионными каналами, запуская тем самым внутриклеточные реакции.
Способы синтеза пептидов связаны с более низкой сложностью производства относительно биофармацевтических препаратов на основе белков и, следовательно, характеризуются более низкими расходами. Однако природные пептиды во многих случаях не могут быть использованы в качестве терапевтических средств, поскольку характеризуются рядом недостатков, к которым относятся химическая и физическая нестабильность, а также кратка длительность периода полураспада в циркулирующей плазме крови. В виду этих недостатков были разработаны несколько методов химического синтеза пептидов.

История химического синтеза пептидов
Попытки получить белковоподобных вещества прямым синтезом делались с 70-х годов XIX века.
Пептидный синтез - это построение пептидной цепи путем соединения аминокислот с помощью химических методов. Однако один из первых линейных пептидов был получен не прямым связыванием свободных аминокислот или их производных, а реакцией частичного гидролиза дикетопиперазин, содержащий в своей структуре два пептидных связи. Таким способом было получено глицилглицы.
В 1871 году Шааль при нагревании аспарагиновой кислоты до 200 ° С и пропускании СО2 получил ее димер, включавший, очевидно, соединения 2-х типов.
В 1882 году Курциусом получил пептидоподобное соединение при взаимодействии серебряной соли глицина с хлорангидридом бензойной кислоты. Э. Фишер к 1905 разработал первый общий метод синтеза пептидов и синтезировал ряд олигопептидов различного строения.
Первый синтетический пептид получил T. Курциус в 1881. Э. Фишер к 1905 разработал первый общий метод синтеза пептидов и синтезировал ряд олигопептидов различного строения.
Существенный вклад в развитие химии пептидов внесли ученики Э. Фишера: Э. Абдергальден, Г. Лейке и M. Бергман. В 1932 M Бергман и Л. Зервас использовали в синтезе пептидов бензилоксикарбонильную группу (карбобензоксигруппу) для защиты α-аминогрупп аминокислот, что ознаменовало новый этап в развитии синтеза пептидов. Полученные N-защищенные аминокислоты (N-карбобензоксиаминокислоты) широко использовали для получения различных пептидов, которые успешно применяли для изучения ряда ключевых проблем химии и биохимии, например, для исследования субстратной специфичности протеолитических ферментов. С применением N-карбобензоксиаминокислот были впервые синтезированы природные пептиды (глутатион, карнозин и др.).
Важное достижение в этой области - разработанный в начале 50-х гг. P. Воганом и др. синтез пептидов методом смешанных ангидридов.
В 1953 В. Дю Виньо синтезировал пептидные гормоны окситоцин и вазопрессин, состоящие из 9 аминокислот, которые владели всеми биологическими свойствами природных аналогов, за что был удостоен Нобелевской премии.
В 1950-е - 1960-е годы велись работы по синтезу пептидных антибиотиков: грамицидина S, актиномицина, валиномицина.
В 1963 году был синтезирован инсулин, включает 2 полипептидные цепи и 51 аминокислотный остаток. Затем были получены синтетические полипептиды, родственные природным гистонов, которые активно используются для изучения взаимодействия гистонов и ДНК и уточнения их когенетического действия.
В 1969 году был осуществлен синтез фермента рибонуклеазы, включающий 124 аминокислотных остатка.
Полученный белок давал ~ 30% энзиматической активности природного фермента, но его количество было настолько мала (доли миллиграмма), что дальнейшее его очистки и характеристика не представлялись возможными.
Все описанные синтеза осуществлялись в растворе и были чрезвычайно длительными.
При этом необходимо было добиться полного растворения образующихся промежуточных пептидов, вызвало серьезные трудности в работе, так как по ходу наращивание полипептидной цепи существенно менялась растворимость продуктов.
На основе разработанной P. Меррифилдом в 1963 концепции твердофазного пептидного синтеза были созданы автоматические синтезаторы пептидов. Получили интенсивное развитие методы контролируемого ферментативного синтеза пептидов

. Использование новых методов позволило осуществить синтез гормона инсулина и др.
При этом значительно упрощаются операции выделения промежуточных продуктов, полностью снимается проблема нерастворимости пептида, и создаются предпосылки для автоматизации процесса.
Успехи синтетической химии пептидов были подготовлены достижениями в области разработки таких методов разделения, очистки и анализа пептидов, как ионообменная хроматография, электрофорез на различных носителях, гель-фильтрация, высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), иммуно-химический анализ и др. Получили большое развитие также методы анализа концевых групп и методы ступенчатого расщепления пептидов. Были, в частности, созданы автоматические аминокислотные анализаторы и автоматические приборы для определения первичной структуры пептидов - секвенаторы.
Различные методы химического синтеза пептидов
Стратегия химического синтеза пептидов:
Защита амино- и карбоксильной групп, не участвующих в образовании пептидной связи
Активация карбоксильной группы, участвующей в образовании пептидной связи
Образование пептидной связи
Снятие защиты
Карбодиимидный метод.
Значительный интерес представляет метод активированных эфиров, в котором в реакцию вводились этиловый эфир алкиламинокислоты и эфир аминокислоты, карбоксильная группа которой этерифицированные оксисоединения, содержащий электроотрицательным фрагмент. Это обеспечивало его легкое замещение на остаток производного аминокислоты, вводится в реакцию.
Использование ДЦГ в качестве конденсирующего реагента позволяет осуществлять синтез пептидов и в водных средах, т. к. скорости реакций гидролиза и аминолиза промежуточно образующейся О-ацилизомочевины существенно различаются. При синтезе пептидов этим методом находят также применение различные водорастворимые карбодиимиды (например, N-диметиламинопропил-N'-этилкарбодиимид).
Метод смешанных ангидридов.
Этот предложенный более 100 лет назад метод весьма актуален и в настоящее время.
В 1903 году Фишер предложил хлорангидридний метод синтеза пептидов, который впоследствии был усовершенствован его учеником Варбургом.
Указанный метод включал синтез хлорангидрида этоксикарбонилглицина с последующей его взаимодействием с эфиром другой кислоты с образованием пептидной связи. Образовавшееся соединение при обработке хлористым тионилом превращали в хлорангидрид, способно вступать в конденсацию с новым производным аминокислоты.
Достаточно широкое распространение получил так называемый ангидритовый метод получения пептидов.
В этом методе ангидрид алкиламинокислоты конденсировали с этиловым эфиром другой аминокислоты с последующим образованием дипептида:
В одном из вариантов метода смешанных ангидридов в качестве конденсирующего агента применяют 1-этоксикарбонил-2-этокси-1,2-дигидрохинолин. Это соединение легко образует с карбоксильной компонентой промежуточный смешанный ангидрид, быстро вступающий в реакцию конденсации, причем полностью исключается нежелательная побочная реакция.
Частный случай метода смешанных ангидридов - метод симметричных ангидридов, в котором используют ангидриды аминокислот [XNHCH(R)C(O)]2O. Их применение исключает возможность диспропорционирования или неправильного аминолиза.
Азидный метод.
Ввиду нестойкости азидов их в свободном виде из раствора, как правило, не выделяют. Если вместо нитритов щелочных металлов для реакции с гидразидом использовать алкиловые эфиры азотистой кислоты (например, трет-бутилнитрит), то азидную конденсацию можно проводить в органическом растворителе; образующуюся HN3 связывают третичными аминами.
Нередко азидная конденсация осложняется нежелательными побочными реакциями (превращение гидразида не в азид, а в амид; реакция гидразида с азидом, ведущая к образованию 1,2-диацил-гидразина; промежуточное образование изоцианата, который в результате перегруппировки Курциуса может приводить к производному мочевины или соответствующему уретану и др.).
Преимущества азидного метода - малая степень рацемизации, возможность применения серина и треонина без защиты гидроксильных групп.
Примеры пептидов, которые используются для лекарственных препаратов и их биологическую активность
Основными заболеваниями, при которых в настоящее время используются и активно изучаются пептидные препараты, являются метаболические и онкологические заболевания. Заболевания из первой группы включают в себя ожирение и сахарный диабет 2 типа, характеризующиеся в последнее время эпидемическим ростом, заболевания второй группы характеризуются ростом смертности и необходимости замены химиотерапии, а также поддерживающей терапии. Примером пептидных препаратов для лечения сахарного диабета 2 типа (СД2) является новый класс пептидов - агонистов глюкагоноподобного пептида-1 (GLP-1).
Помимо перечисленных заболеваний в последнее время разрабатываются пептидные препараты для лечения редких заболеваний, например, тедуглутид - агонист рецептора GLP-2, используемый для лечения синдрома короткой кишки, а также пасиреотид - агонист соматостатиновых рецепторов, используемый для лечения синдрома Кушинга