Пептиды долгой жизни

Наталья Резник,
кандидат биологических наук
«Химия и жизнь» №11, 2024

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Черный список

Люди не хотят стареть. Они желают жить долго, оставаясь молодыми, и умереть здоровыми, раз уж вечная жизнь пока недостижима. Подходя к решению этой задачи систематически, ученые составили перечень признаков старения. А уж знаючи все признаки, можно с ними беспощадно бороться.

Открывает список нестабильность генома. В геноме постоянно происходят мутации, вызванные физическими, химическими и биологическими факторами. Большую часть мутаций исправляет система репарации, однако со временем они накапливаются, и система уже не справляется. В результате геномных повреждений клетки погибают и развиваются разные неинфекционные болезни, которые принято относить к возрастным, например рак. У долгоживущих животных — голых землекопов, летучих мышей и серых китов — система репарации ДНК работает в усиленном режиме. И наоборот, слабая репарация ускоряет старение.

Старение часто связывают с укорочением теломер. Это концевые участки хромосом, которые при каждом клеточном делении становятся короче. Когда теломеры достигают некоторой критической длины, деление клеток прекращается. В активно делящихся половых и стволовых клетках работает фермент теломераза, который наращивает теломеры, в остальных клетках синтез фермента прекращается еще в эмбриональный период. Теломеры в клетках печени людей старше 80 лет почти вдвое короче, чем у детей моложе 8 лет. Многие исследователи полагают, что активация теломеразы может задержать старение за счет удлинения теломер, в то время как другие утверждают, что такая активация может привести к повышенному риску развития раковых опухолей.

Третьим пунктом в перечне признаков старения обычно идут эпигенетические изменения ДНК, то есть изменения, не связанные с нарушением последовательности нуклеотидов. Сюда относятся неправильное метилирование и модификация всех видов РНК и гистонов. Эти изменения, накапливаясь с возрастом, мешают нормальному синтезу РНК и белков. По уровню метилирования ДНК определяют биологический возраст человека.

Митохондрии имеют собственный геном, в котором тоже накапливаются мутации. Плохо работающие митохондрии не обеспечивают организм энергией, более того, в них образуются в большом количестве активные формы кислорода, что приводит к окислительному стрессу, воспалению и, как следствие, к сердечно-сосудистым заболеваниям, метаболическому синдрому и нейродегенеративным заболеваниям. Все эти болезни считаются возрастными.

С годами нарушаются целостность и конформация белков. Белок — молекула длинная, она должна быть определенным образом уложена, и в клетке существует система, которая обеспечивает правильность укладки. Если система нарушена, белок сложится неправильно и работать не будет.

Для здоровья и долголетия очень важно правильное питание. В организме есть несколько сигнальных систем, которые сообщают о количестве и качестве полученных питательных веществ, их недостатке или избытке, использовании или накоплении. Разрегулирование этой сложной системы считают признаком старения организма.

Не забывают ученые и о клеточном старении. Обычно иммунная система уничтожает изношенные или сильно поврежденные клетки, но с возрастом она слабеет, и старые клетки накапливаются практически во всех органах и тканях. Они перестают делиться, приобретают устойчивость к апоптозу (упорядоченной, запрограммированной гибели), испускают химические сигналы, которые переводят ближайшие к ним здоровые клетки в стареющее состояние, и вызывают хроническое воспаление, которое, кстати, тоже считается одним из признаков старения.

Клетки поддерживают себя в рабочем состоянии, если вовремя уничтожают поврежденные клеточные компоненты, например органеллы или белки с нарушенной структурой. Этот процесс называется аутофагией, и с возрастом он ослабевает.

Организм может восстанавливать повреждения с помощью стволовых клеток, которые превращаются в клетки других тканей. У взрослых млекопитающих обновляется преимущественно верхний слой кожи (эпидермис), костный мозг и слизистая оболочка кишечника. Со временем стволовых клеток становится всё меньше, что ограничивает возможности регенерации поврежденных тканей.

И наконец, с годами слабеет межклеточная коммуникация. Клетки постоянно обмениваются информацией: сигнальными молекулами и нервными импульсами. Когда эта система нарушается, болезни неизбежны. Кроме того, исследователи отмечают возрастные изменения кишечной микробиоты. Иногда ее коррекция позволяет улучшить общее состояние организма и несколько омолодиться.

Сейчас в моде пептиды

Механизмы всех этих процессов ученые либо знают, либо активно исследуют и выясняют, как на них можно воздействовать. О некоторых идеях мы уже писали (см. «Химию и жизнь» 2012, №7). За прошедшие годы мало что изменилось, но время от времени один из способов вдруг обретает особую популярность, и внимание научной общественности сосредотачивается на нём.

Сейчас особый интерес вызывают функциональные пептиды — небольшие молекулы, состоящие из 2–20 аминокислот. Их функции зависят от аминокислотного состава. У таких пептидов относительно простая структура, небольшая молекулярная масса и открытые функциональные группы, поэтому они легко вступают в биохимические реакции. Кроме того, они быстро всасываются в кишечнике, имеют пищевую ценность, а побочных эффектов за ними не замечено, поэтому пептиды считают ценным компонентом функциональных продуктов питания: их используют в медицинской и косметической индустрии. Функциональные пептиды могут служить антиоксидантами, антидепрессантами, противодиабетическими и противовоспалительными средствами, а также снижать давление, улучшать память, влиять на иммунную систему и подавлять рост микробов.

Аминокислоты существуют в виде двух зеркальных изомеров, L- и D-. В состав природных белков, которые синтезируются на рибосомах, входят только L-аминокислоты. Искусственно синтезированные пептиды содержат смесь L- и D-изомеров, поэтому многие исследователи предпочитают получать функциональные пептиды из природных белков. Анализируют их последовательности и находят молекулы, которые содержат подходящие пептиды. Белки обрабатывают ферментами, расщепляющими их на короткие фрагменты, а затем эту нарезку разделяют на отдельные пептиды, которые идентифицируют с помощью масс-спектрометрии.

Источники этих белков самые разные: мясо, птица, рыбы и морские беспозвоночные, молочные продукты и яйца; бобовые, зерновые, орехи и семена (кунжут и рапс); овощи и фрукты; грибы, насекомые (сверчки и мучные черви) и даже микроорганизмы (лактобактерии и дрожжи). Из необычного сырья можно упомянуть яичную скорлупу и бычьи кости.

Механизмы действия функциональных пептидов постепенно выясняют. Пептиды-антиоксиданты связывают свободные радикалы, подавляют перекисное окисление липидов или усиливают действие антиоксидантных ферментов. Их антиокислительную функцию обеспечивают определенные аминокислоты: цистеин, лизин и тирозин. Одним из источников этих пептидов служат белки плавательного пузыря морского черта (это рыба-удильщик). Будем надеяться, что всех удильщиков не изведут теперь на антиоксиданты.

Противовоспалительные пептиды регулируют активность генов, ответственных за синтез цитокинов воспаления, и стимулируют активность макрофагов, взаимодействуя с рецепторами на их поверхности. Воспаление — важная составляющая многих возрастных заболеваний, таких как рак, атеросклероз, ревматоидный артрит, язвенный колит и диабет.

Антимикробные пептиды разрушают мембраны бактериальных клеток или проникают внутрь микроорганизмов, где блокируют важные внутриклеточные процессы. Их выделили, в частности, из растительных белков, мяса мидий и гемолимфы морского краба. Антимикробные пептиды убивают золотистый стафилококк, синегнойную палочку, некоторые бациллы, стрептококки и клостридий. Они также повышают иммунитет организма и ускоряют заживление ран.

Есть мелкие пептиды, снижающие повышенное давление. При этом нормальное давление они не снижают, поэтому побочных эффектов у них нет. Пептиды подавляют активность фермента ацетилхолинэстеразы, который вызывает сужение гладкой мускулатуры сосудов. Если сосуды не сужаются, давление не повышается. Один из таких пептидов выделен из кацуобуси (ферментированного тунца) — традиционной японской еды.

Пептиды снижают давление мягко и постепенно, ими нужно лечиться неделями. Действие некоторых из них исследовали на животных. Так, пептиды, выделенные из мышц каракатицы, понижают давление у крыс со спонтанной гипертензией на 19–30 мм рт. ст.

А еще пищевые пептиды могут улучшать всасывание минералов. Многие пептиды сыра из бычьего казеина содержат фосфатные группы. Эти фосфатные пептиды повышают концентрации кальция, железа, меди и цинка в полости кишечника и облегчают их связывание. Дефицит подобных пептидов приводит к различным заболеваниям. Коллагеновый фосфорилированный пептид под названием TQS169, полученный от крупного рогатого скота, может предотвращать остеопороз у крыс за счет усиленного образования кости и абсорбции кальция (его содержание увеличилось на 30% по сравнению с контрольной группой).

Пептиды сои и маша снижают содержание холестерина в сыворотке крови, связывая его в кишечном тракте. Некоторые пептиды также стимулируют усвоение жиров и потребление энергии, что полезно для снижения веса и поддержания хорошего здоровья.

Усталость пока не стала признаком старения, однако люди с возрастом всё чаще на нее жалуются. Обычно утомление вызвано сочетанием нескольких факторов, таких как недостаток энергии, производство метаболитов, окислительный стресс, воспаление, иммунная дисфункция. Относительно крупные пептиды морского огурца подавляют окислительный стресс и улучшают работу митохондрий. Пептид спирулины эффективно снимает физическую усталость, снижая выработку молочной кислоты — она вызывает боль в утомленных мышцах. Этот же пептид активизирует расщепление жиров, чем обеспечивает хорошее энергоснабжение. Пептиды гороха снижают уровень цитокинов воспаления. Действие всех трех пептидов испытали на мышах.

Пептид, выделенный из сушеных пиявок, подавляет образование тромбов у крыс. Гидролизат грецкого ореха снижает активность фермента ксантиноксидазы, которая превращает ксантин в мочевую кислоту. Подавление активности фермента не позволяет образоваться избытку мочевой кислоты и предотвращает подагру.

Есть пептиды, которые усиливают секрецию инсулина, повышают чувствительность к инсулину и снижают уровень глюкозы в крови у больных диабетом мышей; снижают аппетит и противостоят набору веса; регулируют состав кишечной микробиоты. Нашли даже антиалкогольные ферменты, которые усиливают активность ферментов печени, расщепляющих алкоголь, и защищают печень от повреждений. Благодаря пептидам из плавательного пузыря карася и из микроводоросли Isochrysis zhanjiangensis крысы дольше не пьянеют и быстрее трезвеют.

Есть пептиды, улучшающие память (у мышей), снижающие у них же образование амилоидных бляшек. Пептиды улучшают сон и работают как антидепрессанты, стимулируют синтез коллагена и замедляют его распад. Коллаген — это основной структурный белок кожи, который обеспечивает поддержку и эластичность. Пептиды, полученные из коллагена, не только улучшают общее состояние кожи и количество морщин, но могут быть полезны для лечения травм суставов.

На функцию пептидов влияет общая структура, конформация и наличие биологически активных сайтов, которые связываются с нужными молекулами-мишенями. Сейчас поисками таких пептидов активно занимаются, особенно отличаются на этом фронте китайские исследователи. Увы, пептидную активность они анализируют преимущественно in vitro, гораздо реже на животных, а как пептиды поведут себя в теле человеке, предсказать сложно. Сами исследователи признают, что эксперименты in vivo и in vitro иногда дают разные или даже противоречивые результаты.

Тем временем в России

К сожалению, зарубежные ученые имеют прискорбное обыкновение игнорировать российские исследования. Меж тем в нашей стране функциональные пептиды изучают не один десяток лет, многие их них прошли клинические испытания и признаны Минздравом. В их числе семакс — ноотропный пептид, состоящий их семи аминокислотных остатков. Семакс разработали в НИИ молекулярной генетики АН СССР — Институте молекулярной генетики РАН. После многолетних клинических испытаний он вошел в медицинскую практику. Семакс представляет собой синтетический аналог гормона кортикотропина, его выпускают в виде капель, которые закапывают в нос. В таком виде он легко проникает через гематоэнцефалический барьер, улучшает мозговое кровообращение, внимание и кратковременную память. В Институте молекулярной генетики РАН разработали и аналоги семакса, в том числе селанк.

В лаборатории синтеза пептидов Всесоюзного кардиологического научного центра АМН СССР синтезировали и испытали регуляторный гексапептид, который зарегистрирован в России как лекарственное средство под названием «даларгин». Он предназначен для лечения пептической язвы желудка и двенадцатиперстной кишки — пептид ускоряет заживление ран. Кроме того, даларгин связывается с δ-опиоидными рецепторами и действует как обезболивающее, а также снижает давление и стимулирует работу иммунной системы.

Тимоген

В Санкт-Петербургском институте биорегуляции и геронтологии СЗО РАМН разработали несколько синтетических аналогов пептидов тимуса и эпифиза. Тимоген, он же оглюфанид, состоящий из глутаминовой кислоты и триптофана, выпускают в виде раствора для внутримышечных инъекций, назального спрея и крема. Это иммуномодулятор, его используют при угнетении иммунитета и кроветворения после химиотерапии или лучевой терапии у онкологических больных, а также при вирусных и бактериальных инфекциях, в том числе гнойных.

Препарат бестим, родственный тимогену, также иммуностимулятор. А еще один родственный препарат, тимодепрессин — подавляет активность иммунной системы, поэтому его назначают при аутоиммунных заболеваниях.

Прообразом этим пептидам послужил пептид тималин, выделенный из тимуса телят. Он показан при иммунодефицитах, а еще он помогал пожилым людям, заболевшим COVID-19. Тималин усиливал образование антител против вируса, обеспечивал их сохранение в течение 200 суток и таким образом предотвращал возможное повторное заражение. У пациентов, получавших только стандартную терапию, антитела к вирусу через 200 суток практически исчезли.

Эпиталон

Эпиталон — синтетический пептид, разработанный на основе природного пептида эпифиза эпиталамина. В отличие от вышеперечисленных пептидов, эпиталон еще не зарегистрирован в качестве лекарственного препарата. Исследования показывают, что он уменьшает симптоматику атеросклероза, замедляет старение и улучшает когнитивные функции у людей всех возрастов. В Институте биорегуляции и геронтологии СЗО РАМН разработали и испытали и другие пептидные биорегуляторы из хрящевой и костной ткани, мочевого пузыря, аорты, семенников и печени телят. Пептиды предназначены для профилактики и лечения заболеваний соответствующих органов, пока они продаются как биодобавки. Ученые также испытывают синтетические препараты — аналоги пептидов слизистой оболочки бронхов и клеток поджелудочной железы.

Специалисты Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН в Пущино, ГНЦ Государственного научно-исследовательского института особо чистых биопрепаратов и Центра инженерной иммунологии «Биокад» совместными усилиями синтезировали пептиды пентарфин и циклопентарфин, которые представляют собой короткие фрагменты иммуноглобулина. Пентарфин состоит из пяти аминокислот, циклопентарфин — его циклический аналог. Пока пептиды испытали только на мышиных фагоцитах. При заражении брюшным тифом фагоциты заглатывают возбудителей болезни Salmonella typhimurium, но переварить их не могут. Сальмонеллы живут и размножаются внутри поглотивших их клеток, отчего через 12 часов все фагоциты погибают. В присутствии же пентарфина, а особенно циклопентарфина, переваривающая способность макрофагов возрастает настолько, что за те же 12 часов они уничтожают все бактерии.

Пептиды на любой вкус

Но что мы всё о болезнях! Пептиды-то у нас пищевые, и в связи с увеличением спроса на здоровое питание могут сыграть роль натуральных вкусовых добавок. Есть пептиды умами (пикантный мясной вкус), сладкие, горькие, соленые и кислые. Пептиды умами, сладкие и горькие взаимодействуют с соответствующими вкусовыми рецепторами. Пептиды, вызывающие или усиливающие соленый вкус, связываются с ионными каналами, такими как эпителиальный натриевый канал или PKD2L1. Кислые пептиды взаимодействуют с кислоточувствительными ионными каналами TRP. Кислый вкус пептидов часто бывает связан со вкусом умами, если пептиды содержат глутаминовую кислоту и аспарагин.

Слева: горькие пептиды; посередине: пептиды умами; справа: кислые пептиды

Горькие пептиды обычно встречаются в ферментированных продуктах. Их горечь вызвана присутствием гидрофобных аминокислот, таких как аргинин, лейцин, валин, метионин, пролин, изолейцин, тирозин, фенилаланин и триптофан. Именно гидрофобные аминокислоты взаимодействуют с соответствующими вкусовыми рецепторами.

Механизмы кислого вкуса пептидов пока изучены не очень хорошо. Известно, что он связан с концентрацией ионов водорода (Н⁺), которые попадают в клетки вкусовых сосочков через ионные каналы. Ионы водорода образуются при ионизации кислотных или щелочных аминокислотных остатков.

Соленый вкус, как и кислый, зависит в основном от катионов, которые взаимодействуют с фосфатными группами на мембране вкусовых рецепторов.

Аминокислоты с низкой гидрофобностью, такие как глицин, аланин, серин, пролин, валин, гистидин и гидроксипролин, воспринимаются в первую очередь как сладкие. Для пациентов с диабетом пептидные подсластители предпочтительнее сахара.

Слева: соленые пептиды; справа: сладкие пептиды

Вкусом умами обладают пептиды со щелочными или кислыми аминокислотами. Они также улучшают вкус мясных продуктов.

Польза для здоровья от вкусовых пептидов троякая. Польза психологическая заключается в том, что приятный вкус вызывает радость, которая улучшает физическое состояние. Кроме того, вкусовые пептиды влияют на обмен веществ. Например, при активации соответствующих рецепторов запаха и вкуса клетки кишечника выделяют кишечные гормоны. Один из них, глюкаконоподобный пептид, регулирует секрецию инсулина. Пептид YY, он же пептид тирозин-тирозин, замедляет выделение желудочного сока и желчи, а также уменьшает двигательную активность кишечника, поэтому пища находится в кишечнике дольше. Холецистокинин увеличивает ток печеночной желчи, усиливает секрецию пищеварительных соков поджелудочной железы и обеспечивает несколько других, важных для пищеварения функций. И наконец, серотонин влияет на аппетит и моторику желудочно-кишечного тракта. Нарушение синтеза этих гормонов может вызвать сахарный диабет и ожирение.

А еще вкусовые пептиды влияют на аппетит, насыщение и обмен веществ, взаимодействуя с мозгом и поджелудочной железой. Между вкусовой, нервной и эндокринной системами существует функциональная связь. Например, секрецию инсулина в β-клетках поджелудочной железы под действием глюкозы можно усилить, воздействуя на рецепторы сладкого вкуса.

Тут хочется воскликнуть: «Даешь много пептидов, хороших и разных!» Так оно, видимо, и будет. Функциональные пептиды привлекают внимание исследователей с 1930-х годов, интерес к ним то затухает, то вспыхивает вновь. Сейчас известно уже более семи тысяч пептидов, и когда-нибудь некоторые из них преодолеют барьер клинических испытаний. Линейка препаратов на основе пептидных биорегуляторов уже расширяется, и пожилые люди, проснувшись, будут принимать таблеточку для сердечно-сосудистой системы, пилюлечку антиоксиданта, ноотропные капли в нос и укольчик для укрепления иммунитета. Как-то нерадостно выглядит такое утро, хотя иметь омолаживающие средства здорово, слов нет!