Пептиды и их физиологическая роль в питании
Многочисленные научные исследования показали, что эндогенные пептиды участвуют в формировании компенсаторно-приспособительного ответа организма на стресс и нарушения гомеостаза.
Несмотря на многоуровневую иерархию, все регуляторные механизмы гомеостаза выполняют одну и ту же задачу направленную на координацию процессов биосинтез и сохранение стабильности генетического состава клеток органов и тканей. Нарушения пептидной регуляции и, как следствие, перенос информационных молекул между клетками неизбежно приводит к развитию патологических состояний, которые связаны со снижением устойчивости организма к дестабилизирующим факторам внутрешней и внешней среды.
В настоящее время были достигнуты новые успехи в разработке лекарств на основе пептидов. Клиническая эффективность этих лекарственных препаратов тщательно изучается, чтобы обосновать их использование в комплексной терапии различных заболеваний и патологических состояний. Этот подход основан на том факте, что биорегуляция в организме опосредуется различными олигопептидами, которые избирательно передают информацию при взаимодействии клеток иммунной, нервной и других систем. Эти олигопептиды образуются во время частичного протеолиза белков-предшественников (например, цитокинов, факторов роста и тимуса, и иммуноглобулинов) в непосредственной близости от соответствующих рецепторных систем.
Общий принцип, лежащий в основе организации молекулы белка, заключается в том, что более высокие структуры определяются более низкими структурами. Это означает, что первичная последовательность аминокислот содержит информацию, необходимую для образования белковой молекулы. Согласно текущему уровню знаний, для целенаправленной передачи информации достаточно иметь пептидные молекулы, состоящих из 2-4 аминокислотных остатков. Такие молекулы могут состоять исключительно из остатков аминокислот с полярными боковыми радикалами.
По мере совершенствования методов исследования становилось все более очевидным, что гомология белковых последовательностей большинства пептидных гормонов желудочно-кишечного тракта, инсулина, кальцитонина и гормонов гипофиза имеет общее происхождение. Так например, изучения эволюции гормонов этой группы показали, что инсулин синтезируется в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта моллюсков. Кроме того, было обнаружено, что инсулин и инсулиноподобный фактор роста имеют одинаковое эволюционное происхождение и что инсулин также похож на факторы роста нервных узлов. Также был обнаружен пептид с инсулиноподобной активностью. Аминокислотная последовательность этого пептида аналогична последовательности ингибитора трипсина, соматомедина и релаксина. Сравнительный анализ структуры биологически активных веществ, которые секретируются клетками диффузной нейроэндокринной системы, показывает общее происхождение пептидных гормонов.
Исследования показывают, что целая молекула не является абсолютно необходимой для воздействия на физиологические процессы. Иногда фрагменты из 3-4 аминокислотных остатков более эффективны, чем нативные соединения. Следовательно, регуляция и координация функций организма может быть осуществлена за счет процессинга полипептидов. В зависимости от потребностей организма фрагменты с различной активностью, специфичностью и воздействием на разные физиологические системы отщепляются от относительно длинных цепей. Регулирование процесса характеризуется значительной гибкостью. Это позволяет формировать необходимые регуляторы из существующих предшественников за очень короткое время путем активации специфических пептидаз. Кроме того, в механизм процессинга заложен определенный порядок активации регуляторов. Процессинговый тип регуляции наиболее характерен для пептидных соединений с линейной структурой. Эти молекулы предлагают множество возможностей для значительных конформационных изменений. Даже после того, как один аминокислотный остаток был отщеплен от громоздкого конца аминокислотной цепи. Кроме того, при таком отщеплении могут значительно измениться свойства молекулы. Например, степень ее гидрофобности. Это важно для молекулы, чтобы проникнуть через клеточные мембраны и гематоэнцефалический барьер.
Все больше данных свидетельствует о том, что регуляторные олигопептиды участвуют в процессах роста, развития и регенерации. Многие олигопептиды являются хорошо изученными соединениями, которые регулируют различные физиологические функции организма. Считается, что на уровне олигопептидов существует единая регуляторная система. Это относится к эмбриональным, регенеративным и ростовым типам, а также к функциям сформированного организма.
Результаты интенсивных исследований регуляторных пептидов в последние десятилетия привели к фундаментальным изменениям в понимании регуляторных механизмов физиологических функций, принципов координации гомеостаза и адаптации функциональных систем организма к окружающей среде.
Питание является одним из важнейших факторов окружающей среды, которые на протяжении всей жизни оказывают влияние на организм человека. Пищевые вещества превращаются в структурные элементы клетки и обеспечивают физическую и умственную активность, определяют здоровье и продолжительность жизни. Нарушения питания всегда приводят к негативным последствиям. В этом контексте сбалансированное питание, соответствующее возрасту, занятости и состоянию здоровья, считается наиболее важным фактором профилактики различных заболеваний человека, включая сердечно-сосудистые заболевания, рак, желудочно-кишечные расстройства и нарушения обмена веществ.
В промышленно развитых странах люди потребляют значительное количество продуктов промышленного производства. Такие продукты обычно подвергаются интенсивной обработке. Этот процесс приводит, если не полностью, то к значительному снижению содержания витаминов, минералов и других очень важных биологически активных веществ, которые регулируют обмен веществ и функциональную активность различных органов и систем организма. В современном урбанизированном обществе люди с традиционным питанием буквально подвержены различным симптомам дефицита питательных веществ. Это определяет неспособность защитных систем организма адекватно реагировать на вредные факторы окружающей среды и повышает риск возникновения различных заболеваний. Опыт экономически развитых стран показывает, что невозможно улучшить структуру и качество питания, используя традиционные методы. В связи с этим поиск альтернативных методов решения этой важной проблемы путем разработки технологий получения химически чистых биологически активных веществ из природных источников является чрезвычайно актуальным.
Многие факты были собраны за долгие годы поиска и использования биологически активных веществ на практике. Они показывают, что большое количество различных химических соединений с полностью или частично известной структурой обладают биологической активностью. В связи с разнообразными возможностями биологически активных веществ для регуляции организма человека (лечение заболеваний, коррекция психических и физических расстройств) в этой области исследований сложилось целое направление. Помимо использования таких веществ в традиционных областях, наука также исследует совершенно новые применения. Появление новых биологически активных веществ с принципиально новыми механизмами воздействия на живое вещество сделало исследование этих веществ еще более интересным и привлекательным для науки.
Есть веская причина для введения термина "системный препарат", компоненты которого участвуют в регулировании различных фаз одного и того же ключевого процесса, например, путем не только активации определенных фаз этого процесса, но и уменьшения их негативных последствий.
В дополнение к продуктам из молекулярной биологии, разрабатываются лекарственные препараты из традиционно используемых растительных и животных веществ, независимо от того, как они работают. Все более широкое использование натуральных лекарств неизбежно приближает их к пищевым продуктам.
Предложенная П.К. Анохиным теория функциональных систем расширяет и уточняет идею регуляторных механизмов гомеостаза, которые непосредственно связаны с питанием. Регуляция баланса питательных веществ, удаление ксенобиотиков или чужеродных антигенов с участием функциональной системы означает способность такой системы распознавать экзогенные субстраты или связанные с ними метаболиты и передавать информацию о них другим членам системы. В итоге рецепции экзогенного вещества или связанного с ним метаболита и интеграции информации из других регуляторных систем, звено управления этой регуляторной системы генерирует сигнал, который активирует управляемое или эффекторное звено. Информация об обнаружении рецепторных структур определенных веществ передается при участии гормонов или медиаторов, которые по своей химической структуре отличаются от питательных веществ. Поэтому регуляторные системы могут четко различать пищевые субстраты и сигналы. Этот тип передачи информации позволяет организму поддерживать необходимый сигнал на высоком уровне даже в условиях выраженного дефицита питательных веществ. При изучении вторичных переносчиков сигналов выяснилось, что многие из них образуются из соединений, которые необходимы для организма. Они не могут быть синтезированы в организме и должны поступать в организм с пищей.
Информация о метаболическом статусе организма воспринимается древней (внутриклеточной) и эволюционно молодой регуляторной системами (эндокринной и нервной системами). Аллостери, одна из древнейших регуляторных систем, отвечает за тонкие адаптивные реакции. Регуляция на уровне активации и репрессии генов активируется для общей адаптации организма к изменениям в поступлении веществ из окружающей среды.
Не исключено, что эндогенные и экзогенные метаболические состояния воспринимаются одинаково. Информация разбита на составляющие, интенсивность которых определяется рецепторами нервной системы и других регуляторных систем на основных этапах метаболических процессов.
Нет сомнений в том, что передача информации нарушается в патологических условиях. Высвобождение и накопление эндогенных соединений, включая пептиды, которые передают аномальную информацию, нарушают нормальную функциональную активность регуляторных систем в организме. Поэтому включение биологически активных веществ в рацион питания является одним из методов борьбы с информационным хаосом в регуляторных системах пациента.
По мнению ученых, все регуляторные системы организма призваны всегда добиваться положительного результата. Следует подчеркнуть, что эффективность регуляторных систем развивалась в течение длительного периода эволюции, и поэтому системы оказались привязанными к определенным условиям окружающей среды во время филогенеза. Вне этих условий полезный результат их воздействия может даже потерпеть неудачу. Таким образом, отрицательное влияние различных антропогенных факторов на согласованную деятельность регуляторных систем очевидно.
Соединения, которые передали сигналы в системах регуляции переднего звена в пищевой цепи, попадают в организм следующего звена в качестве пищевого компонента. Там они могут (поскольку системы в организмах этих соседних членов сходны) воздействовать конкретно на системы регуляции организма-потребителя. В этом случае не только энергия, питательные вещества и токсины, но и информация передаются через пищевую цепь.
Известно, что транспорт пептидов, которые возникают из белков во время пищеварения, осуществляется значительно быстрее системами регуляции кишечника, чем поглощение смеси свободных аминокислот. В ходе эволюции организм человека не адаптировался к диете с аминокислотами. Тонкая кишка содержит ди- и трипептидные транспортеры, которые обеспечивают абсорбцию коротких пептидов. В результате некоторые пептиды транспортируются намного быстрее, чем аминокислоты, которые их составляют. Пептидазы на границе кисти энтероцитов расщепляют большинство коротких пептидов (40% - 60%) только до ди- и трипептидов. Этот факт также подтверждает высокую питательную ценность биологически активных веществ, поступающих с пищей, и их способность координировать функции регуляторных систем организма.
Следует также подчеркнуть, что чувствительность коротких пептидов (особенно дипептидов) к гидролизу с помощью пептидаз варьирует. Некоторые пептиды слабо гидролизуются в щеточной границе энтероцитов. Другие дипептиды, такие как глицил-глицин, пролиновые и оксипролиновые, глицил-саркозин, карнозин, трипептид глицил-саркозил-саркозин, не подвергаются полному внутриклеточному гидролизу и достигают портальной вены интактными.
Интересным открытием для ученых стало то, что инсулин, вазопрессин и другие гормоны содержат фрагменты пептидов, стимулирующих рост микроорганизмов. Эти наблюдения первоначально послужили основой для глубоких выводов о сходстве гормональной регуляции у высокоразвитых животных и регуляции деления клеток у микроорганизмов. Поскольку эти фрагменты отличаются по аминокислотной последовательности, возникла идея, что пептиды должны иметь некоторую общую стерическую конфигурацию со стимулирующим эффектом. Дальнейшие исследования показали, что эти фрагменты поставляли бактериям недостающие в среде аминокислоты. Это сделало поступающий комплекс аминокислот более сбалансированным. Аналогичное объяснение было также предложено для стимулирующего действия казеиновых ди- и трипептидов на рост нематод. Это привело к выводу, что пептиды такого рода не являются эндогенными регуляторными факторами.
Ученые обнаружили, что добавление Gln-содержащих дипептидов Ala-Gln и Gly-Gln к парентеральному питанию может помочь предотвратить развитие расстройств, вызванных стрессом и недостаточным питанием.
При исследованиях на мышах, инфицированных вирусом гриппа H1N1, ученые обнаружили, что парентеральное питание, обогащенное дипептидом Gly-Gln, по сравнению со стандартным парентеральным питанием предотвращает атрофию лимфоидной ткани в тонкой кишке и способствует восстановлению секреторного иммунитета. Это связано с повышением уровня IgA в слизистой оболочке кишечника и верхних дыхательных путей.
У хирургических пациентов в возрасте от 42 до 86 лет после операции на органах брюшной полости ученые обнаружили, что парентеральное питание, обогащенное дипептидом Ala-Gln, помогает нормализовать азотистый баланс и поддерживать внутриклеточный уровень Gln. Это также способстует восстановлению общего количества лимфоцитов периферической крови, кишечной проницаемости и всасыванию. В результате этого продолжительность госпитализации пациентов может быть значительно сокращена.
В настоящее время синтезируются и интенсивно исследуются многие пероральные пептидные препараты с различной фармакологической активностью. Однако эти пептиды характеризуются низкой устойчивостью к ферментативному гидролизу в желудке и тонкой кишке. Синтез модифицированных пептидов или устойчивых к ферментам полимерных конъюгатов решил бы эту проблему. Большое количество научных работ уже посвящено изучению фармакокинетики пептидов в парентеральном питании и роли транспорта пептидов в тонкой кишке.
Следует подчеркнуть, что в слизистой оболочке разных участков желудочно-кишечного тракта при старении происходит неизбежное накопление инволюционных процессов. Скорее всего, это связано с изменениями темпов регенерации и развитием дистрофических и атрофических изменений. Эти процессы характеризуются укорочением и утолщением ворсин, уменьшением числа микроворсинок, структурным нарушением гликокаликса и т.д. Также наблюдались изменения в активности ферментов, участвующих в конечном расщеплении дисахаридов, дипептидов и сложных эфиров фосфорной кислоты. Возрастные изменения слизистой оболочки кишечника и особенности всасывания коротких пептидов послужили основой для разработки биологически активной добавки к пище на основе карнозина (β-Ala-His). Геропротекторный эффект этого препарата обусловлен главным образом антиоксидантным действием этого пептида.
При исследовании крыс с нарушениями памяти ученые обнаружили, что пероральное введение тетрапептида Asn-Leu-Pro-Arg (NLPR) увеличивает когнитивные способности, вызывает поведенческие реакции и способствует экспрессии фактора нервного роста (ФНР) в мозге. Считается, что NLPR может улучшить память, индуцируя экспрессию ФНР. Поэтому этот пептид очень перспективен для терапии нарушений памяти.
Изучение структурно-функциональных свойств этих веществ имело особое значение для формирования представления о механизмах действия пептидов. На основе анализа иммунобиологических и физико-химических свойств аминокислотных последовательностей природных полипептидов были синтезированы копии некоторых из этих последовательностей (= структурные аналоги). Например, российские ученые сконструировали дипептид Lys-Glu (называемый "вилон") после анализа пептидного комплекса тимуса. После анализа пептидного комплекса шишковидной железы был сконструирован тетрапептид Ala-Glu-Asp-Gly (называемый "эпиталон").
Компьютерный анализ аминокислотных последовательностей полипептидов, зарегистрированных в библиотеке PIR (база данных "Eucaryotae"), показал, что пептидные фрагменты Lys-Glu и Ala-Glu-Asp-Gly присутствуют в различных эндогенных регуляторных пептидах. Было обнаружено, что Lys-Glu является фрагментом, например, следующих пептидов: интерлейкины 1β (IL-1ß), IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, интерферон-γ, спленин, спленопентин, тимозины α1, β4 и β7-β14, тимопоэтины I и II, мотилин, паратиреоидный гормон и соматолиберин. Ala-Glu-Asp-Gly входит в состав протимозина, паратимозина, цитостатина, тропонина, тиреоглобулина, молекул адгезии нейронов, глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназы и кальмодулин-связывающих белков GAP-43 и P-57. Полученные данные свидетельствуют о том, что пептиды Lys-Glu и Ala-Glu-Asp-Gly образуются из различных белков-предшественников в организме в процессе протеолиза. Сравнительное изучение биологической активности полипептидов и коротких синтетических пептидов показало, что они оказывают одинаковое воздействие на различные органы и ткани при нормальных и патологических условиях. Особый интерес представляет оценка эффекта коротких пептидов при пероральном введении. При исследовании расщепления вилона и эпиталона в средах с различными значениями рН, а также под влиянием протеаз желудка, содержимого и гомогената слизистой оболочки в проксимальной области тонкой кишки было обнаружено, что они относятся к группе малогидролизуемых или устойчивых к гидролизу пептидов. На основе обнаруженных свойств Вилона и Эпиталона были разработаны пероральные препараты с этими пептидами для профилактики и коррекции иммунодефицита и преждевременного старения организма.
Было обнаружено, что пероральное введение вилона и эпиталона самцам и самкам крыс Вистар в возрасте 3 и 11 месяцев вызвало активность пищеварительных ферментов (сахаразы, мальтазы, щелочной фосфатазы, амино- и дипептидаз), необходимых для реализации гидролиза углеводов, белков и эфиров фосфорной кислоты в различных участках пищеварительной системы (желудок, двенадцатиперстная кишка, тощая, подвздошная и толстая кишка). При этом, ферментативная активность повышалась наиболее заметно у 11-месячных животных. В результате разница между активностью таких ферментов у всех исследованных крыс разного возраста была менее выраженной. Эти результаты позволяют предположить, что пептиды вилон и эпиталон регулируют активность желудочно-кишечных ферментов при старении.
Пероральное введение вилона и эпиталона в течение 1 месяца улучшило транспортные свойства тонкой кишки у старых крыс. Эти пептиды оказали особое влияние на пассивный и активный транспорт глюкозы. По сравнению со значениями при прежних контрольных показателях введение вилона приводит к 1,6-кратному пассивному накоплению глюкозы в серозной жидкости дивертикула, а введение эпиталона приводит к 2,2-кратному пассивному накоплению глюкозы в медиальная часть тонкой кишки. Вилон и эпиталон увеличили активное поглощение глюкозы. Вилон удвоил активное накопление глюкозы в серозной жидкости дивертикула в медиальной части тонкой кишки. Эпиталон усилил этот процесс в 6 раз в проксимальных отделах тонкой кишки и в 8 раз в медиальных отделах. Пептиды не влияли на пассивную абсорбцию глицина. Лишь использование эпиталона увеличивало активное всасывание глицина в проксимальной и медиальной части тонкой кишки.
Изучая влияние вилона и эпиталона на активность пищеварительных ферментов и всасывание глюкозы и глицина в тонкой кишке старых крыс, ученые наблюдали улучшение приема пищи и нормализацию пищеварения. Поскольку этот эффект наблюдался только после применения вилона и эпиталона, у ученых есть основания полагать, что эти пептиды могут улучшать или нормализовать функции ферментных и транспортных систем тонкой кишки при старении.
Современные знания о питании и влиянии питательных компонентов на регуляторные системы организма, а также успехи в области изучения механизмов действия коротких пептидов и разработки пероральных лекарственных средств и парафармацевтических препаратов на их основе показывают, что состав лечебно-профилактических диет должен быть существенно дополнен. Короткие пептиды обладают геропротекторными свойствами, что оправдывает их полезность в качестве биологически активной добавки. Считается, что, когда пептиды вводятся экзогенно, происходит временное замещение поврежденного звена физиологической регуляции. Это позволяет организму восстановить сниженную или утраченную функцию и затем самомтоятельно поддерживать ее в течение длительного периода времени. Эти данные подтверждают мнение, что некоторые компенсаторные функциональные системы могут быть сформированы в старых организмах. Ученые предполагают, что этот механизм действия прежде всего основан на способности пептидов нормализовать биосинтез белка в соответствующих органах и поддерживать его на уровне, типичном для молодого организма. В результате этого восстанавливаются белки клеточных рецепторов, что нормализует чувствительность клеток к другим гуморальным регуляторам.
Имеет смысл использовать физиологически активные короткие пептиды в качестве компонентов пищевых добавок в любом возрасте для поддержания нормальных метаболических процессов, профилактики или лечения различных заболеваний, для реабилитации после тяжелых заболеваний, после травм и операций, а также для замедления процессов старения. Это существенная физиологическая роль пептидов в питании.
Своевременное и обоснованное использование биологически активных добавок на основе коротких пептидов открывает новые возможности для новой области "интегральной медицины". Фармацевтические продукты в сочетании с современными диагностическими и процедурными методами занимают многообещающее место как эффективный и безопасный метод поддержания здоровья и продолжительности жизни.