Caratterizzazione dei peptidi. Sintesi e modifiche dei peptidi

Parole chiave : peptide; idrolisi peptidica ; legami peptidici ; modifiche peptidiche, sintesi peptidica ; legame peptidico ; ormoni peptidici; analoghi peptidici; salting out; amidazione; acetilazione

Peptidi

I peptidi sono composti chimici composti, analogamente alle proteine, da amminoacidi. Si formano unendo due o più amminoacidi tramite un legame peptidico attraverso un processo di condensazione, in cui, oltre al peptide, si forma anche una molecola d'acqua (Fig. 1). Sono oggetto di ampio interesse e svolgono importanti funzioni biologiche. Molti ormoni e neurotrasmettitori sono peptidi. Nel caso dei peptidi endogeni, esercitano attività antimicrobica, agendo come sistema di difesa dell'organismo. I peptidi naturali e i loro analoghi sintetici sono considerati composti di interesse terapeutico per la loro elevata attività, la bassa tossicità e l'assenza di interazioni farmacologiche. Nella pratica medica, solo pochi peptidi vengono utilizzati a causa della loro instabilità biologica e della rapida degradazione, ma la sintesi peptidica consente la produzione di forme stabili. La situazione è simile con la sintesi di peptidi da fonti naturali. I peptidi si presentano in una forma non ramificata, possedendo solo due terminali specifici. Uno è chiamato ammino-terminale, dove si trova un amminoacido con un gruppo α-amminico libero. L'altro è chiamato carbossi-terminale, o C-terminale, dove si trova un amminoacido con un gruppo α-carbossilico libero.

Figura 1. Presentazione del processo di condensazione, ovvero il processo di formazione del peptide.

Nomenclatura dei peptidi

La denominazione dei peptidi inizia con il nome del residuo amminoacidico N-terminale, prosegue con i nomi dei residui amminoacidici successivi e termina con il nome dell'amminoacido C-terminale. L'ordine degli amminoacidi è indicato utilizzando simboli composti da tre o una sola lettera.

Legame peptidico

Come risultato della reazione tra il gruppo α-carbossilico e l'azoto del gruppo α-amminico, si forma un legame peptidico. Si ritiene che questo legame formi due strutture che rimangono in uno specifico equilibrio. Il legame C-N si trasforma in un legame C=N e viceversa. La rotazione attorno all'asse C=N è impossibile, rendendo il legame peptidico così rigido da possedere le caratteristiche di un doppio legame. Nel caso di un legame peptidico che coinvolge il gruppo imminico della prolina o dell'idrossiprolina con il gruppo carbossilico di un altro amminoacido, si forma una struttura diversa e distinta. In questo caso, l'azoto è incorporato nella struttura dell'anello pirrolidinico; non c'è alcun sostituente idrogeno, impedendo la rotazione attorno ai legami formati in presenza di azoto. Gli amminoacidi che partecipano alla formazione di un legame peptidico perdono frammenti molecolari. Si tratta di molecole -OH dal gruppo carbossilico e -H dal gruppo amminico. Pertanto, gli amminoacidi presenti nei peptidi e nelle proteine ​​sono chiamati residui amminoacidici. I legami peptidici risultanti sono stabili e possono essere rotti solo mediante esposizione a basi forti e acidi ad alte temperature. Il processo di formazione del legame peptidico è illustrato nel diagramma (Fig. 2).

Figura 2. Schema della formazione del legame peptidico

Rottura del legame peptidico

La rottura di un legame peptidico avviene a seguito della reazione di idrolisi del peptide, che comporta la scissione dei legami peptidici formati e la rigenerazione dei singoli amminoacidi. Questa reazione coinvolge l'acqua, che si dissocia in gruppi ossidrilici (-OH) e atomi di idrogeno (H), per poi combinarsi con i legami rilasciati. La reazione di idrolisi del peptide è mostrata nel diagramma (Fig. 3).

Figura 3. Il processo di idrolisi che provoca la rottura del legame peptidico

Classificazione dei peptidi

I peptidi sono classificati in base al numero di amminoacidi che li compongono. La classificazione generale dei peptidi include:

• Dipeptidi: prodotti formati dalla reazione di due amminoacidi, mantenendo il gruppo amminico libero di uno degli amminoacidi e il gruppo carbossilico libero del secondo amminoacido;

• Oligopeptidi: peptidi composti da diversi a una dozzina di amminoacidi;

• Polipeptidi: peptidi più lunghi, contenenti diverse decine di residui di amminoacidi;

• Proteine: adottate quando la molecola è composta da più di cento residui di amminoacidi.

Formule peptidiche

Le formule dei peptidi vengono create sulla base di una tabella contenente le formule degli amminoacidi proteici e le loro abbreviazioni (Tabella 1)

Tabella 1. Formule degli amminoacidi utilizzate per la denominazione dei peptidi

Spettro di attività peptidica

I peptidi presentano un ampio spettro di attività biologica e vengono utilizzati nel trattamento di infezioni batteriche, malattie virali, malattie dell'apparato circolatorio, dell'apparato scheletrico, del sistema nervoso, diabete e osteoporosi.

Vantaggi dei peptidi

• Alta attività e selettività
• Ampia gamma di bersagli molecolari
• Tossicità potenzialmente inferiore rispetto ai composti a basso peso molecolare
• Basso accumulo di tessuto
• Elevata diversità chimica e biologica
• Scopribile a livello genetico
• Sintesi facile di analoghi

Sintesi peptidica

A seconda del peptide che vogliamo ottenere, abbiamo bisogno di un metodo di sintesi appropriato. In questa breve spiegazione, cercheremo di presentare la sintesi peptidica in relazione alle sue dimensioni. Per ottenere un dipeptide, è necessario utilizzare un reagente che attivi il gruppo carbossilico dell'amminoacido arilante o converta l'amminoacido acilante in un'anidride. La sintesi di peptidi più grandi, ottenuti da un dipeptide, è laboriosa e più difficile. Ciò comporta la rimozione della protezione del gruppo amminico dall'amminoacido N-terminale e l'acilazione con il successivo amminoacido N-protetto. Questo processo è particolarmente dispendioso in termini di tempo perché questi passaggi vengono ripetuti fino a ottenere un peptide con la sequenza pianificata. Per la preparazione di peptidi di grandi dimensioni, il metodo più efficace e semplice è il metodo Merifield. Questo metodo viene eseguito in fase solida. L'amminoacido C-terminale viene legato al polimero e quindi viene aggiunto l'amminoacido successivo fino a raggiungere la lunghezza di catena desiderata.

Peptidi biologicamente attivi

Gli ormoni peptidici e proteici sono onnipresenti nel nostro ambiente. In precedenza, erano ampiamente noti come forme instabili. Grazie alla sintesi, è sempre più possibile scegliere una terapia peptidica che sia duratura ed efficace, a seconda delle esigenze dell'organismo. Pertanto, vale la pena giocare con abilità e sicurezza con la stimolazione ormonale. Considerando alcuni peptidi biologicamente attivi, possiamo prendere il glutatione come esempio. Il glutatione, un tripeptide con una struttura specifica composta da glutammato, cisteina e glicina, si presenta come amminoacido N-terminale. Tuttavia, la combinazione di glutammato e cisteina è insolita per peptidi e proteine, poiché manca del gruppo α-carbossilico del glutammato, ma di un gruppo γ-carbossilico. Il glutatione, quindi, si presenta in forme ridotte e ossidate, come γ-glutamilcisteinilglicina. Nella sua forma ridotta, presenta un gruppo solfidrilico libero, mentre nella sua forma ossidata, una coppia di atomi di idrogeno è separata dai gruppi –SH. Gli atomi di zolfo rimangono privi di idrogeno, con conseguente formazione di un ponte disolfuro. La capacità del glutatione di modificare lo stato ossidato o ridotto è importante nei processi di ossidoriduzione.

Un altro esempio è l'ossitocina e la vasopressina, nanopeptidi prodotti dai neuroni ipotalamici e rilasciati dall'ipofisi posteriore. Differiscono solo per due amminoacidi. La cisteina si trova in due posizioni, portando alla formazione di un ponte disolfuro. L'ossitocina agisce come un ormone che stimola le contrazioni uterine. La vasopressina, invece, stimola l'assorbimento di acqua nei tubuli renali. La vasopressina svolge anche un ruolo significativo nella regolazione della secrezione dell'ormone adrenocorticotropo (ACTH) durante situazioni di stress.

Ormoni peptidici

Ormone adrenocorticotropo (ACTH)

L'ormone adrenocorticotropo, un peptide di 39 aminoacidi, è prodotto dalla degradazione di una molecola precursore molto più grande, la proopiomelanocortina (POMC). La proopiomelanocortina funge anche da fonte di altri peptidi attivi. Due peptidi sono contenuti nella struttura dell'ACTH. Questi includono l'ormone α-melanotropico (α-MSH), strutturalmente identico ai primi 13 aminoacidi dell'ACTH, e un peptide del segmento ipofisario intermedio simile alla corticotropina, il frammento 18-39 dell'ACTH. Si ritiene che la funzione primaria dell'ACTH sia quella di stimolare la corteccia surrenale a secernere ormoni steroidei. L'ormone adrenocorticotropo è responsabile della regolazione dell'attività a livello della zona fascicolata fascicolare e reticolare. I primi 18 aminoacidi sono responsabili dell'attività biologica dell'ACTH. L'ACTH è regolato dall'ormone di rilascio della corticotropina (CRH), un ormone presente nell'ipotalamo che rilascia corticotropina attraverso il cortisolo attraverso un meccanismo di feedback negativo. Ciò significa che la carenza di cortisolo stimola CRH e ACTH, mentre l'eccesso di cortisolo ne inibisce la secrezione. Pertanto, il rilascio di cortisolo regola molte importanti funzioni corporee, tra cui la mobilitazione dell'organismo in condizioni di stress, l'aumento della pressione sanguigna e le capacità antinfiammatorie. L'ACTH, secreto secondo un ritmo circadiano pulsatile, fa sì che la sua concentrazione più elevata si osservi al mattino, quando è più necessario, per poi diminuire con il passare del giorno. Un aumento della secrezione di ACTH si osserva in condizioni come l'insufficienza surrenalica, la malattia di Cushing o la sindrome di Nelson.

Insulina e peptide C

L'insulina e il peptide C vengono secreti continuamente dal pancreas umano. Durante la produzione di insulina, il peptide C viene prodotto durante la sua biosintesi. Le cellule pancreatiche producono prima peproinsulina, che viene ulteriormente modificata dal distacco di amminoacidi, con conseguente formazione di proinsulina, composta da due catene, A e B, collegate dal peptide C. Segue poi il distacco del peptide C dalla proinsulina, con conseguente formazione della forma finale. Quando il glucosio entra nell'organismo, il pancreas riceve un segnale per rilasciare i granuli contenenti le molecole di insulina e peptide C immagazzinate. Il peptide C viene trattenuto nel fegato molto più a lungo dell'insulina perché non viene degradato lì. La sua degradazione avviene principalmente nei reni. Nel caso sia dell'insulina che del peptide C, concentrazioni elevate o eccessivamente basse portano allo sviluppo di diabete di tipo I o II e della malattia di Cushing. Nel caso del peptide C, le fluttuazioni della concentrazione possono anche indicare un'insufficienza renale cronica o la presenza di metastasi o recidive tumorali locali, motivo per cui è così importante mantenere livelli normali della loro concentrazione.

Farfalla

La motilina è un ormone associato alla muscolatura liscia dello stomaco e dell'intestino, controllato dalle fibre del nervo vago. Sintetizzato nelle cellule endocrine, è prodotto dalle cellule dell'intestino tenue. Prodotto dalle cellule endocrine dell'apparato digerente, M (Mo), partecipa alla regolazione della motilità gastrointestinale. La motilina è un ormone cruciale coinvolto nella formazione della fase III del complesso motorio migratorio (MMC), in cui lo stomaco e l'intestino tenue svuotano lo stomaco dal cibo in eccesso e dalle cellule epiteliali esfoliate stimolando i movimenti peristaltici. L'ormone influenza anche lo svuotamento della cistifellea durante il periodo interdigestivo, quando le concentrazioni di motilina sono più elevate.

Glucagone

Il glucagone è uno degli ormoni coinvolti nella regolazione dei livelli di glucosio. Questo peptide è secreto dalle cellule endocrine del pancreas. È un polipeptide di 29 aminoacidi derivato da un precursore di 180 aminoacidi. Le variazioni della concentrazione di glucosio consentono la secrezione di glucagone. Il glucagone viene prodotto nelle isole pancreatiche, dove il proglucagone viene convertito in glucagone e polipeptide pancreatico glicina-dipendente (GRPP). Il ruolo principale del glucagone è quello di mantenere normali livelli di glucosio nel siero durante i cali di glucosio tra i pasti o durante l'esercizio fisico. In tali situazioni, le sue riserve vengono rilasciate dal fegato per fornire all'organismo un'adeguata protezione. Inoltre, può partecipare alla regolazione dell'assunzione di cibo, il che può portare a un precoce senso di sazietà. Il glucagone può potenzialmente inibire il rilascio di grelina e quindi inibire la peristalsi intestinale.

Analoghi peptidici

Gli analoghi peptidici sono composti chimici che sostituiscono un atomo del composto originale con un altro. La struttura complessiva del peptide rimane invariata. Gli analoghi peptidici includono analoghi elicoidali, analoghi a β-piegatura e analoghi a foglietto β. Nei primi, le eliche sono uno degli elementi strutturali chiave dei peptidi bioattivi. La stabilizzazione di brevi frammenti oligomerici in una conformazione elicoidale ne aumenta l'attività. Negli analoghi a β-piegatura e a foglietto β, vengono inseriti residui di D-amminoacidi o β,γ,δ-amminoacidi. Gli analoghi peptidici ci consentono di ottenere nuovi composti peptidici più stabili, con una gamma di applicazioni più ampia e soluzioni innovative ai problemi legati all'attività delle forme pre-analogiche esistenti.

Saling dei peptidi

Il processo di salting-out comporta la modifica delle cariche proteiche. Le cariche proteiche vengono neutralizzate dagli anioni e dai cationi del sale. Le molecole proteiche non si attraggono e non formano aggregati, e la proteina stessa precipita a causa della perdita del suo involucro d'acqua. Il processo di salting-out è reversibile. Nel processo inverso, il sale viene rimosso tramite dialisi o la sua concentrazione viene ridotta mediante l'aggiunta di acqua. Sulla base dei nostri articoli precedenti, possiamo affermare con certezza che il salting-out, che ha portato alla formazione di una forma stabile del peptide BPC-157, è un metodo innovativo per garantire la stabilità del peptide e, di conseguenza, estenderne l'attività biologica.

Acetilazione del peptide

L'acetilazione comporta l'aggiunta di radicali acetilici a substrati contenenti gruppi NH2, OH o SH da parte dell'enzima N-acetiltransferasi. La fonte del radicale acetilico è l'acetil-CoA. La funzione principale delle N-acetiltransferasi è quella di facilitare l'attacco del gruppo acetilico al gruppo amminico delle ammine aromatiche e delle idrazine (reazione di N-acetilazione), ovvero la detossificazione di composti esogeni potenzialmente tossici.

Amidazione peptidica

Quando i legami peptidici si rompono e la catena polipeptidica si frammenta, si formano gruppi carbonilici. L'ossidazione di una molecola proteica da parte di un radicale idrossilico inizia con l'estrazione di un atomo di idrogeno dal carbonio α dell'amminoacido. Il radicale alchilico risultante reagisce con l'ossigeno per formare un radicale alchilperossido, che poi si trasforma in un alchilidroperossido. Il radicale alcossilico risultante può trasformarsi in un residuo amminoacidico idrossilato al carbonio α o portare alla frammentazione della catena polipeptidica. La presenza di un radicale alcossilico promuove la frammentazione della catena polipeptidica. La scissione del legame peptidico può avvenire tramite α-amidazione o diamidazione. Il peptide N-terminale formato durante la frammentazione dell'α-ammide presenta un gruppo ammidico al suo C-terminale, mentre il secondo peptide contiene un derivato N-α-chetoacilico al suo N-terminale. La frammentazione attraverso il percorso diammidico è caratterizzata dalla formazione di un peptide N-terminale contenente una struttura diammidica e di un peptide derivato dal C-terminale della molecola proteica contenente una struttura isocianato al N-terminale.

Bibliografia 1. Murray RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwell V, Harper's Biochemistry. 1995; PZWL Medical Publishing House 2. Jakubke HD, Jeschkeit H, Aminoacidi, peptidi, proteine. 1982; Casa editrice scientifica statale 4. Kołodziejczak A, Aminoacidi e peptidi. 2006