Peptide là gì? Các nghiên cứu khoa học về Peptide

Định nghĩa peptide

Peptide là các phân tử sinh học cấu tạo từ các acid amin liên kết với nhau thông qua liên kết peptide. Chúng có vai trò then chốt trong sinh học phân tử, sinh lý học và y học. Mỗi liên kết peptide được hình thành qua phản ứng ngưng tụ giữa nhóm carboxyl (-COOH) của một acid amin và nhóm amin (-NH₂) của acid amin tiếp theo, giải phóng một phân tử nước.

Peptide được định nghĩa chủ yếu dựa vào độ dài chuỗi acid amin. Thông thường, chuỗi từ 2 đến 50 acid amin được gọi là peptide, trong khi chuỗi dài hơn (trên 50 acid amin) được gọi là protein. Tuy nhiên, ranh giới này không tuyệt đối và đôi khi còn phụ thuộc vào chức năng và cấu trúc không gian của phân tử.

Một số điểm phân biệt giữa peptide và protein:

• Kích thước: peptide có khối lượng phân tử thấp hơn protein
• Chức năng: peptide thường có vai trò tín hiệu, còn protein thường là enzyme, cấu trúc hoặc vận chuyển
• Cấu trúc: peptide hiếm khi gấp nếp phức tạp như protein

Cấu trúc hóa học và phân loại peptide

Mỗi phân tử peptide được cấu thành từ chuỗi các acid amin nối tiếp nhau bằng liên kết peptide. Liên kết này có công thức tổng quát như sau:

$R_1-COOH + H_2N-R_2 \rightarrow R_1-CO-NH-R_2 + H_2O$

Chuỗi peptide có thể tồn tại dưới nhiều hình dạng không gian khác nhau, nhưng nhìn chung chúng tuân theo cấu trúc bậc một (trình tự acid amin tuyến tính). Các peptide dài hơn có thể hình thành cấu trúc bậc hai như alpha-helix hoặc beta-sheet, tuy nhiên chúng ít ổn định hơn protein hoàn chỉnh.

Peptide được phân loại dựa trên độ dài như sau:

• Dipeptide: gồm 2 acid amin
• Tripeptide: gồm 3 acid amin
• Oligopeptide: từ 4 đến khoảng 20 acid amin
• Polypeptide: từ 21 đến dưới 50 acid amin

Ngoài ra, còn có thể phân loại peptide theo cấu trúc (mạch thẳng, vòng), chức năng (peptide hormone, peptide kháng khuẩn), hoặc nguồn gốc (nội sinh, ngoại sinh). Bảng sau minh họa một số dạng peptide phổ biến:

Sự tổng hợp peptide trong sinh học

Trong sinh vật sống, peptide được tổng hợp chủ yếu qua quá trình dịch mã tại ribosome. Quá trình này bắt đầu từ DNA được phiên mã thành mRNA, sau đó ribosome dịch mã mRNA thành chuỗi peptide theo trình tự mã hóa. Mỗi bộ ba nucleotide (codon) trên mRNA tương ứng với một acid amin trong chuỗi peptide đang được hình thành.

Một số peptide cũng được tạo ra bằng quá trình phân cắt proteolytic từ protein tiền thân. Ví dụ, insulin được tổng hợp dưới dạng proinsulin, sau đó được cắt thành insulin hoạt động và peptide C. Các enzyme như peptidase, protease đảm nhận việc này trong nhiều mô khác nhau.

Ngoài tổng hợp nội sinh, peptide còn được sản xuất nhân tạo bằng phương pháp tổng hợp pha rắn (Solid Phase Peptide Synthesis - SPPS), do Robert Bruce Merrifield phát triển năm 1963. Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, sản xuất dược phẩm và công nghệ sinh học hiện đại. Chi tiết kỹ thuật SPPS có thể xem tại NCBI - SPPS overview.

Vai trò sinh học của peptide

Peptide đóng vai trò cực kỳ đa dạng trong hệ thống sinh học, bao gồm dẫn truyền tín hiệu, điều hòa nội tiết, kiểm soát miễn dịch, và tương tác tế bào. Một số peptide hoạt động như hormone, số khác như chất truyền tin thứ cấp, hoặc như kháng sinh tự nhiên trong cơ thể.

Các nhóm peptide sinh học quan trọng:

• Peptide hormone: như insulin (điều hòa glucose), vasopressin (điều hòa nước), oxytocin (co bóp tử cung, liên kết xã hội)
• Peptide kháng khuẩn: như defensin, cathelicidin, được tiết ra tại da và niêm mạc, giúp tiêu diệt vi khuẩn và nấm
• Peptide thần kinh: như substance P, neuropeptide Y – có vai trò trong cảm giác đau, đói, stress
• Peptide điều hòa huyết áp: như angiotensin II – làm co mạch và tăng huyết áp (PubMed)

Một số peptide có khả năng điều biến miễn dịch, kích thích hoặc ức chế phản ứng viêm. Ví dụ, α-MSH có tính chống viêm và được nghiên cứu trong các bệnh viêm mạn tính. Nhờ khả năng hoạt động chọn lọc và nhanh chóng, peptide đang được ứng dụng rộng rãi trong điều trị bệnh lý nội tiết, miễn dịch, ung thư và chuyển hóa.

Peptide nội sinh và peptide ngoại sinh

Peptide nội sinh là các peptide được tổng hợp tự nhiên trong cơ thể qua quá trình phiên mã và dịch mã. Chúng thường có vai trò trong nội tiết, thần kinh, miễn dịch và chuyển hóa. Ví dụ, insulin là một peptide nội sinh kiểm soát lượng glucose trong máu, trong khi endorphin là một peptide nội sinh điều hòa cảm giác đau và khoái cảm.

Peptide ngoại sinh là những peptide có nguồn gốc từ bên ngoài cơ thể, bao gồm peptide có trong thực phẩm, peptide do vi sinh vật sản sinh, hoặc peptide được tổng hợp nhân tạo. Nhiều peptide ngoại sinh có hoạt tính sinh học cao, được gọi là “bioactive peptides” – có thể ảnh hưởng đến sinh lý cơ thể sau khi hấp thu qua đường tiêu hóa.

Một số peptide thực phẩm được nghiên cứu nhiều:

• Peptide opioid từ casein: như β-casomorphin, có thể gắn lên thụ thể opioid ở ruột và não
• Peptide hạ huyết áp: như Val-Pro-Pro và Ile-Pro-Pro từ sữa, có khả năng ức chế ACE (enzyme chuyển angiotensin), giúp giãn mạch
• Peptide chống oxy hóa: được tìm thấy trong đậu nành, yến mạch, hạt quinoa

Ứng dụng peptide trong y học và dược phẩm

Peptide là một trong những nền tảng quan trọng trong phát triển thuốc hiện đại. Nhờ có tính đặc hiệu cao, độ an toàn sinh học tốt và khả năng phân hủy nhanh, peptide ngày càng được ứng dụng trong điều trị nhiều bệnh lý khác nhau. Hiện đã có hơn 60 loại thuốc peptide được FDA phê duyệt.

Các ứng dụng lâm sàng phổ biến:

• Liệu pháp hormone: như insulin, calcitonin, và leuprolide
• Thuốc chống béo phì: như liraglutide (GLP-1 receptor agonist)
• Liệu pháp miễn dịch: peptide vaccine, hoặc peptide điều biến miễn dịch như thymopentin
• Peptide kháng khuẩn: như pexiganan (tương tự magainin, hoạt động trên màng vi khuẩn)

Một số peptide còn được nghiên cứu như chất vận chuyển thuốc (drug carrier), nhờ khả năng xâm nhập tế bào tốt mà không gây độc. Trong điều trị ung thư, các peptide được thiết kế để gắn vào các thụ thể đặc hiệu trên tế bào đích (ví dụ như thụ thể HER2 hoặc EGFR), giúp vận chuyển thuốc hóa trị đúng vị trí.

Các peptide nổi bật trong sinh học

Một số peptide đã được xác định rõ chức năng và được ứng dụng hoặc nghiên cứu sâu rộng trong sinh học phân tử và y học:

Các peptide này thường đóng vai trò như hormone, chất truyền tin thần kinh, hoặc chất điều biến sinh lý. Việc nghiên cứu chúng giúp hiểu sâu hơn về cơ chế bệnh sinh và mở đường cho liệu pháp đích trong y học cá nhân hóa.

Phân biệt peptide và protein

Mặc dù peptide và protein đều là polymer của acid amin, sự khác biệt chính giữa chúng nằm ở độ dài chuỗi, cấu trúc bậc cao và chức năng. Peptide thường ngắn, không gấp nếp phức tạp và chủ yếu hoạt động như chất tín hiệu. Protein dài hơn, gấp nếp thành cấu trúc bậc 2–4 và có thể là enzyme, cấu trúc tế bào hoặc phân tử vận chuyển.

So sánh nhanh:

Một số phân tử có thể vừa là peptide vừa được xếp loại như protein tùy theo ngữ cảnh nghiên cứu, ví dụ: insulin là peptide nhưng đôi khi được phân loại là hormone protein.

Peptide trong nghiên cứu và công nghệ sinh học

Peptide hiện là công cụ quan trọng trong công nghệ sinh học và nghiên cứu sinh học phân tử. Với đặc tính dễ tổng hợp, dễ gắn nhãn, có khả năng tương tác chọn lọc, peptide được sử dụng trong nhiều lĩnh vực tiên tiến:

• Thiết kế vaccine peptide: sử dụng đoạn peptide ngắn có khả năng kích thích miễn dịch để tạo kháng thể
• Peptide kháng virus: ngăn virus gắn vào thụ thể tế bào, như nghiên cứu về peptide chống SARS-CoV-2 (Nature)
• Peptide tự lắp ghép: tạo vật liệu nano sinh học, mô phỏng màng tế bào
• Cảm biến sinh học (biosensors): sử dụng peptide làm đầu dò nhận diện phân tử đặc hiệu

Sự tiến bộ trong thiết kế peptide nhân tạo đã mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực y học cá nhân hóa, công nghệ vật liệu sinh học và robot phân tử. Những công nghệ như machine learning và AI còn đang được tích hợp để tối ưu hóa thiết kế peptide chức năng cao.

Tài liệu tham khảo

1. Fosgerau, K., & Hoffmann, T. (2015). Peptide therapeutics: current status and future directions. Drug Discovery Today, 20(1), 122–128. Link
2. Otvos, L. (2017). Peptide-based drug design: here and now. Methods in Molecular Biology, 1529, 1–8. Link
3. Kaspar, A. A., & Reichert, J. M. (2013). Future directions for peptide therapeutics development. Drug Discovery Today, 18(17-18), 807–817. Link
4. Vlieghe, P., Lisowski, V., Martinez, J., & Khrestchatisky, M. (2010). Synthetic therapeutic peptides: science and market. Drug Discovery Today, 15(1–2), 40–56. Link
5. Wang, C., et al. (2021). De novo design of SARS-CoV-2 spike protein mini binders for peptide therapeutics. Nature Communications, 12, 3567. Link