Мир β- и γ-пептидов, состоящих из гомологов протеиногенных аминокислот и других компонентов

Описаны истоки нашей почти десятилетней программы химических и биологических исследований пептидов, созданных на основе гомологов протеиногенных аминокислот. Путь от биополимера поли[этил (R)-3-гидроксибутирата] к β-пептидам стал прежде всего переходом от методологии органического синтеза — получения энантиомерно чистых соединений (EPC) — к супрамолекулярной химии, изучающей структуры более высокого порядка, стабилизированные нековалентными взаимодействиями. Проведение биохимических и биологических испытаний β- и γ-пептидов, отличающихся от природных пептидов и белков наличием одной или двух дополнительных групп CH2 на аминокислотный остаток, привело затем к исследованиям в области биоорганической и медицинской химии.

Отдельные главы этого обзорного материала начинаются с описания работ по β-аминокислотам, β-пептидам и полимерам (Nylon-3), проводившихся начиная с 1960-х годов и даже во времена Эмиля Фишера, но не позволивших получить представлений об их структуре или биологических свойствах. Далее представлены многочисленные природные соединения, часто обладающие выраженной физиологической активностью или даже токсичностью, в состав которых входят фрагменты β- и γ-аминокислот. Затем рассматриваются получение гомологизированных аминокислот с боковыми цепями протеиногенных аминокислот, их соединение с образованием соответствующих пептидов в растворе (в том числе методом тиолигирования) и на твёрдой фазе, выделение препаративной ВЭЖХ и характеристика с помощью масс-спектрометрии (HR-MS и секвенирование методом MS).

После этого описываются их структуры, преимущественно определённые методом ЯМР-спектроскопии в растворе метанола: спирали, складчатые листки и повороты, а также структуры, напоминающие стопку, коленчатый вал, лопастное колесо и лестницу. Наличие дополнительных связей C–C в остове новых пептидов не привело к хаотическому увеличению числа вторичных структур, как могли бы предполагать многие специалисты по белкам. Хотя типов структур действительно больше, чем в мире α-пептидов — например, если включить олигомеры транс-2-аминоциклогентанкарбоновой кислоты, наблюдаются три различные спирали (10/12-, 12- и 14-членные), — эти структуры уже формируются в цепях, состоящих всего из четырёх компонентов, и после накопления опыта их можно конструировать целенаправленно. Структуры коротких β-пептидов также можно надёжно определять с помощью расчётов молекулярной динамики в растворе (пакет программ GROMOS). В отличие от природных спиралей, сворачивание этих соединений во вторичные структуры не является кооперативным.

В β- и γ-пептиды можно вводить заместители с гетероатомами, например галогены или OH, в остов либо непосредственно включать в цепь гетероатомы (NH, O). Благодаря этому стало возможным изучать эффекты, которые невозможно наблюдать в мире α-пептидов. Испытания с протеолитическими ферментами всех типов — млекопитающих, микроорганизмов и дрожжей — и исследования in vivo на мышах, крысах, насекомых и растениях показали, что β- и γ-пептиды полностью устойчивы к протеолизу. Как было продемонстрировано для двух β-пептидов, они также исключительно устойчивы к метаболизму, даже если содержат функционализированные боковые цепи, например цепи треонина, тирозина, триптофана, лизина или аргинина. Исследованные β-пептиды обычно не обладают либо обладают лишь очень слабой цитотоксичностью, антипролиферативной, антимикробной, гемолитической, иммуногенной или провоспалительной активностью — как в клеточных культурах, так и in vivo. Биологическое разложение микробными сообществами, характерными для очистных сооружений или почвы, также происходит очень медленно.

Тем не менее β- и γ-пептиды взаимодействуют с биологическими системами, что подтверждается следующими наблюдениями: i) после внутривенного введения крысам происходит органоспецифическое распределение; ii) у грызунов наблюдался транспорт через кишечник; iii) β-пептиды с положительно заряженными боковыми цепями (Arg и Lys) адсорбируются на поверхности клеток, способны проникать в клетки млекопитающих (фибробласты, кератиноциты, клетки HeLa) и перемещаться в их ядра и ядрышки; iv) в одном случае было установлено, что производное β-пептида способно повышать и снижать уровень экспрессии генов. Помимо этих взаимодействий, которые труднее точно охарактеризовать, удалось целенаправленно конструировать агонисты β- и γ-пептидов к природным пептидным гормонам, β-пептиды, связывающиеся с главным комплексом гистосовместимости (MHC), а также амфифильные β-пептидные ингибиторы мембранных белков. Примерами служат миметики соматостатина и подавление транспорта холестерина через мембрану щёточной каймы кишечника с помощью белка SR-BI. Полученные к настоящему времени результаты исследований пептидов, состоящих из гомологов протеиногенных аминокислот, углубляют наши знания о природных пептидах и белках и указывают на потенциальные возможности биомедицинского применения этого нового класса веществ.