Úvod do chemické biologie peptidů a proteinů

Úvod do chemické biologie
peptidů a proteinů
Jaroslav Šebestík
Ústav Organické Chemie a Biochemie
AV ČR, vvi
http://pept.N2.cz/
Doporučená literatura
●
●
●
Johnes, J. H., J. Peptide Sci. 2006, 12, 1
Fields, G.B., Noble, R.L. Int. J. Peptide Protein Res. 1990, 35,
161
Sewald, N., Jakubke, H.D., Peptides: Chemistry and Biology,
Wiley 2002
●
Nishiuchi, Y., Sakakibara, S., FEBS Lett. 1982, 148, 260
●
Muir, T.W., J. Peptide Sci. 2003, 9, 612
●
Wu, H. C., Chang, D. K., J. Oncology 2010, Article ID 723798
●
Watjen, W., et al., Mol. Nutr. Food Res. 2009, 53, 431
●
Sebestik, J., Niederhafner, P.,Jezek, J., Amino Acids, in press
●
Budesinsky M., Sebestik J., Bednarova L., Baumruk V., Safarik
M., Bour P.; J. Org. Chem. 2008, 73, 1481
Chemie peptidů a proteinů
●
Aminokyseliny jako stavební jednotky
●
Vliv stavebních jednotek na strukturu
●
Chemická syntéza
●
Nativní chemická ligace
●
Rekombinantní syntéza
●
Semi-syntéza proteinů
AMK - Nositelé náboje
http://en.wikipedia.org/wiki/Amino_acid
Polární nenabité AMK
http://en.wikipedia.org/wiki/Amino_acid
Hydrofobní AMK
http://en.wikipedia.org/wiki/Amino_acid
AMK zvláštní případy
http://en.wikipedia.org/wiki/Amino_acid
Chemie peptidů a proteinů
●
Aminokyseliny jako stavební jednotky
●
Vliv stavebních jednotek na strukturu
●
Chemická syntéza
●
Nativní chemická ligace
●
Rekombinantní syntéza
●
Semi-syntéza proteinů
Vzorce peptidů
H-Ala-Ser-OH
H-Ser-Ala-OH
AS
SA
Vzorce peptidů
cyklo(Tyr-Asp-Met-Val)
cyklo(Asp-Met-Val-Tyr)
cyklo(Met-Val-Tyr-Asp)
cyklo(Val-Tyr-Asp-Met)
c-YDMV
c-DMVY
c-MVYD
c-VYDM
Vzorce peptidů/AMK
H-Glu-OtBu
H-Thr(tBu)-OH
H-Glu(OtBu)-OH
Boc-Lys-OH
H-Lys(Boc)-OH
Charakteristické torzní úhly
JACS, 2005, 127, 17079
Biochem. 2002, 41, 14637
Cis a Trans amidová vazba
Omega = 180
o
Omega = 0
o
Charakteristické torzní úhly ve
stupních
Phi Psi
alfa-helix
-57 -47
pi-helix
-57 -70
310-helix
-60 -30
polyprolin II helix
-75 145
anti-paralelní beta-skládaný list -139 135
paralelní beta-skládný list
-119 113
beta-ohyb
-60 -30
gama-ohyb
75 -64
Alfa-helix
(1)
(2)
Ala, Val, Leu, Phe, Trp, Met, His, Gln
Polyprolin II helix
Beta skládaný list
DAEFRHDSGYEVHHQKLVFFAEDVGSNKGAIIGLMVGGVVIA
Toxická forma A1-42
Konformační flexibilita krátkých
peptidů
H-Ala-D-Pro-Gly-Ala-OH
Priony a Factor-X
Cordeiro, Y. et al.; JBC 276, 49400 (2001).
Chemie peptidů a proteinů
●
Aminokyseliny jako stavební jednotky
●
Vliv stavebních jednotek na strukturu
●
Chemická syntéza
●
Nativní chemická ligace
●
Rekombinantní syntéza
●
Semi-syntéza proteinů
Chemická syntéza peptidů (CSP)
●
Syntéza v roztoku
●
Syntéza na pevné fázi
●
Kombinace syntézy na pevné fázi se syntézou
v roztoku
Divergentní syntéza v roztoku
N-chránící skupiny
C-chránící skupiny
Kondenzační činidla
Divergentní syntéza v roztoku
Výtěžek/100% Výtěžek [ 1 ]
1.0000
0.8000
0.6000
DCC/Boc
PyBOP/Boc
DCC/Z na
mPEG20000
0.4000
0.2000
0.0000
0
20
40
60
Počet AA [ 1 ]
80
100
120
Divergentní syntéza na pevné fázi
Chránící skupiny
Boc/Bzl Strategie
Fmoc/tBu Strategie
Deleční a zkrácené peptidy
Divergentní syntéza na pevné fázi
Molární zlomek [ 1 ]
1.0000
0.8000
0.6000
Idealní 99.9%
Snadný 99%
po 7AA
Běžný 98% po
10AA
0.4000
0.2000
0.0000
0
20
40
60
Počet AA [ 1 ]
80
100
120
Konvergentní syntéza s chráněnými
fragmenty
●
Racemizace
●
Rozpustnost
Řešení ?
C-koncový Gly, Pro
pokud nelze tak
Ala, Arg
Řešení ?
●
●
Kondenzace nechráněných peptidových
fragmentů
Vyžaduje chemoselektivní reakci mezi
spojovanými (ligovanými) fragmenty
Chemie peptidů a proteinů
●
Aminokyseliny jako stavební jednotky
●
Vliv stavebních jednotek na strukturu
●
Chemická syntéza
●
Nativní chemická ligace
●
Rekombinantní syntéza
●
Semi-syntéza proteinů
Chemické ligace
Kent, Science 1992
Jiné ligace
Ligace s předchozím zachycením
(chráněných peptidů 1986, C-fragment volný 1989, volných 1993)
Kemp, JOC 1986, 1989, 1993
Kent 1994 Science
Doporučená aditiva pro nativní chemické ligace
200 mM MPAA, 20 mM TCEP, 6 M GndCl,
0.2 M fosfátový pufr pH 7.0, 25 oC
Modulární syntéza
Kent 2004, ANIE
Kineticky řízená ligace
Kent 2006, ANIE
Syntéza crambinu
Omezené množství Cys v proteinech ?
Considering random mathematical occurrence for an amino
acid coded by two codons (3.28%), cysteine is
underrepresented in all organisms investigated.
Representation of cysteine appears to correlate positively
with the complexity of the organism, ranging between 2.26%
in mammals and 0.5% in some members of the
Archeabacteria order.
Attila Miseta, and Peter Csutora. Relationship Between the Occurrence
of Cysteine in Proteins and the Complexity of Organisms. Molecular
Biology and Evolution 17(8), 1232-1239 (2000).
Náhradní řešení
●
●
●
Použití SeH skupiny v Sec
Použití pomocné chránící skupiny s SH
skupinou
Použití pomocné SH/SeH skupiny v
aminokyselině
Použití pomocné chránící skupiny s SH skupinou
Použití pomocné SH/SeH skupiny v aminokyselině desulfurace/deselenace
Použití pomocné SH/SeH skupiny v aminokyselině alkylace
Možnosti
Aminokyselina
Cys
Gly
Ala
Val
Phe
Lys
Met
Sec
Glu
Gln
Kodón(y)
Pravděpodobnost [ % ]
Běžné aminokyseliny
UGU, UGC
3.13
GGU, GGC, GGA, GGG
6.25
GCU, GCC, GCA, GCG
6.25
GUU, GUC, GUA, GUG
6.25
UUU, UUC
3.13
AAA, AAG
3.13
AUG
1.56
Součet:
29.69
UGA opál stop*
<1.56
Isosterní deriváty aminokyselin
GAA, GAG
3.13
CAA, CAG
3.13
Celkem více než:
35.94
Syntéza thioesterů/thiokyselin
Syntéza thioesterů na „Safety-Catch“ pryskyřicích
Syntéza thioesterů se samočištěním na pryskyřici
Seitz, 2007, ANIE
Chemie peptidů a proteinů
●
Aminokyseliny jako stavební jednotky
●
Vliv stavebních jednotek na strukturu
●
Chemická syntéza
●
Nativní chemická ligace
●
Rekombinantní syntéza
●
Semi-syntéza proteinů
Zavedení syntetického oligonukleotidu do
DNA
Zisk rekombinantního proteinu z genu
Chemie peptidů a proteinů
●
Aminokyseliny jako stavební jednotky
●
Vliv stavebních jednotek na strukturu
●
Chemická syntéza
●
Nativní chemická ligace
●
Rekombinantní syntéza
●
Semi-syntéza proteinů
Inteiny
Kent 1994 Science
Peptidová léčiva a jejich syntéza
Peptid
AMK Roztok Pryskyřice Rekombinantní
Oxytocin
9
*
Atosiban
9
*
Desmopresin
9
*
*
Terlipresin
12
*
*
Insulin
51
*
*
Glukagon
29
*
*
LH-RH
10
*
*
Buserelin
9
*
Kortikoliberiny 41
*
Somatostatin 14
*
*
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
Hypothalamus+Hypofýza
http://en.wikipedia.org/wiki/Hypothalamus
http://www.colvir.net/prof/chantal.proulx/Theorie/endocrinologie.html
Sekvence některých hormonů
TRH
GnRH
pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH2
CRH
pGlu-His-Pro-NH2
Vasopresin
Oxytocin
SEEPPISLDLTFHLLREVLEM
ARAEQLAQQAHSNRKLMEII-amid
Desmopresin (DDAVP)
[1-deamino-D-Arg8]vasopresin
AcO- * 3 H2O
Atosiban
[1-deamino-D-Tyr2(Et)-Thr4-Orn8]oxytocin
AcO-
Hormony slinivky břišní
Glukagon x Insulin
●
Štěpení glykogenu - játra
●
Syntéza glykogenu - játra
●
Glykolýza – játra
●
Glukoneogeneze – játra
●
Mobilizace mastných
kyselin – tuková tkáň
Zvyšuje
X
Snižuje
●
●
●
●
●
●
Vstřebávaní glukózy –
svaly
Vstřebávaní glukózy –
játra
Syntéza glykogenu –
játra
Glykolýza a produkce
AcCoA – játra, svaly
Syntéza mastných
kyselin – játra
Syntéza triacylglycerolů
– tuková tkáň
Další peptidy trávícího traktu
●
Sekretin; Glukagon; VIP, GIP
●
Gastrin; Cholecystokinin; Neuropeptid Y
●
Insulin; Relaxin
●
Substance P (tachykininy); Neurokininy A a B
●
Somatostatin, Kortikostatin
●
Epidermalní růstový faktor (EGF)
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
JBC 2001, 276, 1317
Jaderný lokalizační signál (NLS)
JBC 2003, 278, 34245
Jaderný exportní signál (NES)
„Quorum sensing“
„Quorum sensing“
Inhibitor virulence S. aureus
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
Fusafungin
Amfipatické peptidy
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
α-Bungarotoxin z Naja nigricollis
150 μg/kg
α-Konotoxin
Toxiny hub - Amanita sp.
Phalloidin 2000 μg/kg
Toxiny hub - Amanita sp.
α-Amanitin 100 μg/kg
Antamanide
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
Fuzeon (enfuvirtide)
Fuzeon (enfuvirtide)
Fimbrie
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
MAP vakcíny
J. Peptide Sci. 2005, 11, 757
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
http://en.wikipedia.org/wiki/
Monoclonal_antibodies
Peptidy a proteiny jako léčiva
●
Peptidové a proteinové hormony
●
Signální peptidy
●
Peptidová antibiotika a antimikrobiální peptidy
●
Peptidové toxiny
●
Anti-fůzní peptidy
●
Peptidové vakcíny
●
Monoklonální protilátky
●
Cílená léčba (smart-drugs)
Farmakokinetika dendrimerů