《Computational Biology and Chemistry》：Pentapeptide-18 as an Anti-Aging Candidate: Spectroscopic Characterization and Molecular Interaction Analysis
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抗衰老肽Pentapeptide-18通过抑制神经递质释放和调控TGF-β、TNF-α等信号通路，结合DFT计算、光谱分析和分子模拟，证实其能改善皮肤弹性和结构，为非侵入性抗衰老疗法提供新思路。
Dilan Akhan|Bilge Bicak|Elif Akalin|Serda Kecel Gunduz
伊斯坦布尔大学理学院物理系，土耳其伊斯坦布尔Vezneciler，邮编34134
摘要
皮肤老化主要与真皮细胞外基质（ECM）的逐渐破坏有关，这会导致诸如皱纹形成等可见现象，这些皱纹是由于面部肌肉的反复运动以及胶原蛋白和弹性蛋白合成的逐渐减少所引起的。外部因素，包括紫外线暴露、烟草使用和营养失衡，会加剧这种退化，这些因素会干扰主要的细胞内信号通路——即TGF-β、TNF-α、MAPK、PI3K/AKT和NF-κB——这些通路共同调节炎症反应、氧化应激和ECM的重塑。Pentapeptide-18（Leuphasyl?）是一种具有神经调节特性的生物活性肽，已被证明可以通过抑制神经递质的释放来减轻皱纹的形成，同时改善皮肤的水分、弹性和质地。
在这项研究中，通过实验分析和计算建模相结合的方法全面考察了Pentapeptide-18的抗衰老活性。使用密度泛函理论（DFT）计算和6-31++G(d,p）基组进行了结构优化和电子性质评估，并通过前线分子轨道（HOMO–LUMO）和分子静电势（MEP）分析进行了补充。理论振动频率通过势能分布（PED）分析确定，并通过FTIR、ATR-FTIR和拉曼光谱进行了实验验证。此外，还利用分子对接和分子动力学模拟研究了Pentapeptide-18与皮肤老化相关关键分子靶点（包括TGF-β、TNF-α、MAPK、PI3K/AKT和NF-κB）的结合行为。进一步通过ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）评估了其药代动力学和药物相似性特性。
这些综合发现提供了关于Pentapeptide-18分子相互作用和稳定性的机制见解，增强了其作为安全、有效且非侵入性先进抗衰老护肤候选物质的潜力。
引言
衰老是一个自然的生理过程，其明显表现在皮肤上，早期迹象包括面部皱纹。这些皱纹主要是由于面部肌肉的反复收缩产生的局部机械应力和短暂的皮肤皱褶。随着时间的推移，真皮细胞外基质（ECM）由于关键成分（如胶原蛋白和弹性蛋白）的合成减少而发生结构退化。因此，皮肤抵抗和修复机械微损伤的能力下降，从而导致皱纹的形成。皱纹分为四种类型：由于胶原蛋白丢失引起的萎缩性皱纹；由于阳光暴露和吸烟加剧的永久性弹性皱褶；由肌肉收缩引起的动态表情纹；以及由于重力作用导致的皮肤松弛形成的重力性皱褶（Nguyen等人，2024年；Dragomirescu等人，2014年；Bojarska，2020年）。皱纹的形成始于神经肌肉接头处，动作电位触发钙离子流入并随后释放乙酰胆碱（ACh）。ACh与肌肉膜上的尼古丁受体结合，引发肌肉收缩。这一过程的长期重复会导致皮肤短暂折叠，破坏真皮中胶原纤维的排列和完整性。成纤维细胞通过沉积新的胶原蛋白来响应；然而，这种新胶原蛋白的生成往往是无序的，从而加剧了真皮皱纹的逐渐加深（Nguyen等人，2024年；Arai等人，2014年；Shin等人，2019年）。鉴于侵入性美容干预的风险和局限性，人们非常关注开发通过针对皱纹形成背后的分子机制来改善皮肤健康和弹性的非侵入性策略。基于肽的技术因其能够通过模拟或抑制神经递质活性来调节神经肌肉信号传导而成为有前景的候选方法（Nguyen等人，2024年；Pintea等人，2025年）。
肽是由2到50个氨基酸组成的聚合物，由于其氨基酸组成和结构特性而具有天然的保湿和抗衰老特性。它们在护肤中的效果很大程度上取决于与皮肤成分的序列特异性相互作用。例如，甘氨酸是胶原蛋白的主要成分，有助于支持皮肤的弹性和结构完整性（Pintea等人，2025年；He等人，2024年）；酪氨酸在黑色素生物合成中起关键作用，提供光保护（Boo，2020年）；亮氨酸有助于肌肉生长和面部紧致，特别是与乳酸和电刺激结合使用时（Rehman等人，2023年；da Silva等人，2022年）。Pentapeptide-18（Leuphasyl?）由Tyr-Ala-Gly-Phe-Leu序列组成，是一种高效的神经递质抑制肽，可模拟内啡肽——参与神经调节的内源性肽。通过结合神经元细胞上的内啡肽受体，Pentapeptide-18减少了ACh的释放，促进了肌肉放松，并显著减少了表情纹和皱纹的形成。除了抗皱纹效果外，Pentapeptide-18还能增强皮肤的水分、紧致度和光泽度，在临床使用中未报告显著的不良副作用。研究表明，含有2% Pentapeptide-18的外用配方能有效减少皱纹深度，尤其是在眼周和眉间区域，突显了其作为安全、非侵入性替代肉毒杆菌毒素注射的潜力（Dragomirescu等人，2014年；Pintea等人，2025年；Moy等人，2023年）。
尽管Pentapeptide-18显示出有希望的临床结果，但其与皮肤老化相关信号通路相互作用的具体分子机制尚未完全了解。特别是，其电子结构、光谱特征与其可能与重要调节蛋白结合之间的联系在文献中尚未得到充分研究。因此，结合结构、电子和相互作用分析的全面分子水平研究对于更好地理解Pentapeptide-18的抗衰老潜力至关重要。环境压力因素——包括紫外线辐射、饮酒、吸烟和不良营养——通过扰乱转化生长因子-β（TGF-β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）和活化B细胞的核因子κ轻链增强子（NF-κB）等关键分子通路来加速皮肤老化。这些通路调节炎症、氧化应激、细胞外基质重塑和细胞存活过程，这些都是皮肤稳态和衰老的基础（Xue和Jackson，2015年；Gilbert等人，2016年；Bashir等人，2009a年；Huang等人，2023年；Zhang等人，2020年）。例如，TGF-β调控ECM动态和伤口愈合（Xue和Jackson，2015年；Gilbert等人，2016年）；TNF-α加剧紫外线引起的炎症（Bashir等人，2009a）；NF-κB驱动与光老化相关的慢性炎症反应；AKT-1支持细胞存活和组织修复（Huang等人，2023年）；UVA诱导的MAPK/AP-1激活增加了基质金属蛋白酶的表达，加速了胶原蛋白的降解（Zhang等人，2020年）。因此，需要结合结构、电子和基于相互作用的详细分子水平研究来更好地理解Pentapeptide-18的抗衰老潜力。
在这项研究中，我们对Pentapeptide-18与这些关键老化相关信号通路之间的相互作用进行了全面的分子水平研究。本研究旨在使用基于DFT的量子化学计算阐明Pentapeptide-18的结构和电子特性，通过实验振动光谱验证理论预测，并使用分子对接和分子动力学模拟探索其与关键皮肤老化相关蛋白质的潜在相互作用。采用了广泛的计算和实验方法来研究Pentapeptide-18在分子水平上的抗衰老潜力。使用GAUSSIAN软件包中的DFT和6-31++G(d,p)基组进行了肽的结构优化。通过HOMO-LUMO和分子静电势（MEP）分析评估了肽的电子分布和反应位点。为了进一步表征其振动特性，使用GAR2PED程序进行了势能分布（PED）分析，并通过FTIR、ATR-FTIR和拉曼光谱获得了实验振动光谱。使用Schr?dinger-Maestro Suite 2020的Maestro和Desmond模块进行了Pentapeptide-18与关键皮肤老化相关信号蛋白（包括转化生长因子-β1（TGF-β受体-I）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、RAC-α丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（AKT-1）和丝裂原活化蛋白激酶14（MAPK14）通路）的分子对接和分子动力学模拟。此外，还进行了ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）分析以评估肽的药代动力学特性。这种结合量子化学计算、光谱验证和分子建模的综合策略提供了关于肽的结构特性和生物相互作用的详细见解，增强了其作为安全、有效且非侵入性皮肤再生治疗候选物质的潜力。我们的多学科方法为Pentapeptide-18的抗衰老效果的分子机制提供了新的见解，进一步证明了其作为安全、有效且非侵入性皮肤再生剂的潜力。这些发现不仅推进了对基于肽的化妆品的科学理解，也为未来旨在减少皮肤老化的治疗开发提供了宝贵的指导。
材料
序列为H-Tyr-D-Ala-Gly-Phe-Leu-OH的Pentapeptide-18，分子式C29H39N5O7，分子量为569.6 g/mol，CAS编号为64963-01-5，从Cayman Chemical Co. Inc.购买，纯度为98%。
结构分析
Pentapeptide-18（CAS：64963-01-5）的几何结构来自CHEMSPIDER（ID：8275056）。量子力学计算使用Gaussian 09软件包（Frisch等人，2016年）进行，采用了B3LYP/6-31++G(d,p）理论水平（Becke，1992年）。
几何参数
Pentapeptide-18的商品名为Leuphasyl?，是一种序列为H-Tyr-Ala-Gly-Phe-Leu-OH的五肽。五肽的N端是酪氨酸（Tyr）残基，C端是亮氨酸（Leu）残基。根据结构的不同，Pentapeptide-18具有四个肽键。研究肽基团以及N端和C端区域对于确定它们对结构稳定性和活性的影响非常重要。
结论
本研究采用了一种综合方法，结合量子化学、振动光谱、分子对接和分子动力学（MD）模拟来研究Pentapeptide-18（Leuphasyl?）在分子水平上的抗衰老效果。结果表明，这种肽不仅具有神经调节的美容效果，还具有能够在分子水平上影响细胞老化过程的生物物理特性。
优化的几何结构和振动
CRediT作者贡献声明
Serda Kecel Gunduz：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法学，研究，形式分析，数据管理，概念化。
Bilge Bicak：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，形式分析，数据管理。
Elif Akalin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，形式分析，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
这项工作得到了伊斯坦布尔大学科学研究项目协调部门[FYL-2023-40218, ?NAP-2423]的支持。作者感谢Schr?dinger团队在使用Schr?dinger的小分子药物发现套件和Desmond套件方面提供的技术支持。
利益冲突
作者声明他们没有利益冲突。
