Viitorul medicinei este reprezentat de metodele personalizate de influență selectivă asupra sistemelor celulare individuale care sunt responsabile de dezvoltarea și evoluția unei anumite boli. Clasa principală de ținte terapeutice în acest caz sunt proteinele membranei celulare ca structuri responsabile pentru furnizarea de transmitere directă a semnalului către celulă. Deja astăzi, aproape jumătate dintre medicamente afectează membranele celulare și vor fi doar mai multe în viitor. Acest articol este dedicat cunoașterii rolului biologic al proteinelor membranare.
Structura și funcția membranei celulare
Din cursul școlii, mulți își amintesc structura unității structurale a corpului - celula. Un loc special în structura unei celule vii îl joacă plasmalema (membrană), care separă spațiul intracelular de mediul său. Astfel, funcția sa principală este de a crea o barieră între conținutul celular și spațiul extracelular. Dar aceasta nu este singura funcție a plasmalemei. Printre alte funcții ale membranei legate dein primul rand cu proteinele membranare, secreta:
- Protectiv (leagă antigenele și previne pătrunderea lor în celulă).
- Transport (asigurarea schimbului de substanțe între celulă și mediu).
- Semnal (complecșii proteici de receptor încorporați oferă iritabilitate celulară și răspunsul acesteia la diferite influențe externe).
- Energie - transformarea diferitelor forme de energie: mecanică (flagela și cili), electrică (impuls nervos) și chimic (sinteza moleculelor de acid adenozin trifosforic).
- Contact (oferă comunicare între celule folosind desmozomi și plasmodesmate, precum și pliuri și excrescențe ale plasmolemei).
Structura membranelor
Membrana celulară este un strat dublu de lipide. Stratul dublu se formează datorită prezenței în molecula de lipide a două părți cu proprietăți diferite - o secțiune hidrofilă și una hidrofobă. Stratul exterior al membranelor este format din „capete” polare cu proprietăți hidrofile, iar „cozile” hidrofobe ale lipidelor sunt răsucite în interiorul stratului dublu. Pe lângă lipide, structura membranelor include proteine. În 1972, microbiologii americani S. D. Singer (S. Jonathan Singer) și G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) a propus un model fluid-mozaic al structurii membranei, conform căruia proteinele membranei „plutesc” în stratul dublu lipidic. Acest model a fost completat de biologul german Kai Simons (1997) în ceea ce privește formarea anumitor regiuni mai dense cu proteine asociate (plute lipidice) care derivă liber în stratul dublu al membranei.
Structura spațială a proteinelor membranare
În diferite celule, raportul dintre lipide și proteine este diferit (de la 25 la 75% din proteine în ceea ce privește greutatea uscată) și sunt localizate inegal. După locație, proteinele pot fi:
- Integral (transmembrană) - încorporat în membrană. În același timp, ele pătrund în membrană, uneori în mod repetat. Regiunile lor extracelulare poartă adesea lanțuri de oligozaharide, formând grupuri de glicoproteine.
- Periferic - situat în principal pe interiorul membranelor. Comunicarea cu lipidele membranei este asigurată de legături reversibile de hidrogen.
- Ancorat - situat în principal în exteriorul celulei, iar „ancora” care le ține la suprafață este o moleculă de lipide scufundată în stratul dublu.
Funcționalitate și responsabilități
Rolul biologic al proteinelor membranare este divers și depinde de structura și localizarea acestora. Acestea includ proteine receptor, proteine canale (ionice și porine), transportoare, motoare și grupuri de proteine structurale. Toate tipurile de receptori proteici membranari, ca răspuns la orice impact, își schimbă structura spațială și formează răspunsul celulei. De exemplu, receptorul de insulină reglează intrarea glucozei în celulă, iar rodopsina în celulele sensibile ale organului vizual declanșează o cascadă de reacții care duc la apariția unui impuls nervos. Rolul canalelor proteice membranare este de a transporta ionii și de a menține diferența de concentrații (gradient) a acestora între mediul intern și cel extern. De exemplu,pompele de sodiu-potasiu asigură schimbul ionilor corespunzători și transportul activ al substanțelor. Porinele – prin proteine – sunt implicate în transferul moleculelor de apă, transportori – în transferul anumitor substanțe împotriva unui gradient de concentrație. La bacterii și protozoare, mișcarea flagelilor este asigurată de motoarele proteinelor moleculare. Proteinele membranare structurale susțin membrana însăși și asigură interacțiunea altor proteine ale membranei plasmatice.
Proteine din membrană, membrană proteică
Membrana este un mediu dinamic și foarte activ, și nu o matrice inertă pentru proteinele care se află și lucrează în ea. Afectează în mod semnificativ activitatea proteinelor membranare, iar plutele lipidice, în mișcare, formează noi legături asociative ale moleculelor de proteine. Multe proteine pur și simplu nu funcționează fără parteneri, iar interacțiunea lor intermoleculară este asigurată de natura stratului lipidic al membranelor, a cărui organizare structurală, la rândul său, depinde de proteinele structurale. Tulburările în acest mecanism delicat de interacțiune și interdependență duc la disfuncția proteinelor membranare și la o serie de boli, cum ar fi diabetul și tumorile maligne.
Organizare structurală
Ideile moderne despre structura și structura proteinelor membranare se bazează pe faptul că, în partea periferică a membranei, cele mai multe dintre ele constau rareori dintr-un singur, mai des din mai multe elice alfa oligomerizante asociate. Mai mult decât atât, această structură este cheia performanței funcției. Cu toate acestea, este clasificarea proteinelor după tipstructurile pot aduce mult mai multe surprize. Dintre peste o sută de proteine descrise, cea mai studiată proteină membranară din punct de vedere al tipului de oligomerizare este glicoforina A (proteina eritrocitară). Pentru proteinele transmembranare, situația pare mai complicată - a fost descrisă o singură proteină (centrul de reacție fotosintetică al bacteriilor - bacteriorhodopsin). Având în vedere greutatea moleculară mare a proteinelor membranare (10-240 mii d altoni), biologii moleculari au un domeniu larg de cercetare.
Sisteme de semnalizare celulară
Dintre toate proteinele membranei plasmatice, un loc special revine proteinelor receptorilor. Ei sunt cei care reglează ce semnale intră în celulă și care nu. În toate bacteriile pluricelulare și în unele bacterii, informația este transmisă prin molecule speciale (semnal). Printre acești agenți de semnalizare se numără hormonii (proteine secretate special de celule), formațiuni non-proteice și ioni individuali. Acestea din urmă pot fi eliberate atunci când celulele învecinate sunt deteriorate și declanșează o cascadă de reacții sub forma unui sindrom de durere, principalul mecanism de apărare al organismului.
Tinte pentru farmacologie
Proteinele membranare sunt principalele ținte ale farmacologiei, deoarece sunt punctele prin care trec cele mai multe semnale. „Direcționarea” unui medicament, asigurarea selectivității sale ridicate - aceasta este sarcina principală în crearea unui agent farmacologic. Un efect selectiv doar asupra unui anumit tip sau chiar a unui subtip de receptor este un efect asupra unui singur tip de celule ale corpului. Atat de selectivexpunerea poate, de exemplu, să distingă celulele tumorale de cele normale.
Drogurile viitorului
Proprietățile și caracteristicile proteinelor membranare sunt deja folosite în crearea de medicamente de nouă generație. Aceste tehnologii se bazează pe crearea unor structuri farmacologice modulare din mai multe molecule sau nanoparticule „reticulate” între ele. Partea „țintire” recunoaște anumite proteine receptor de pe membrana celulară (de exemplu, cele asociate cu dezvoltarea bolilor oncologice). La această parte se adaugă un agent de distrugere a membranei sau un blocant în procesele de producere a proteinelor în celulă. Dezvoltarea apoptozei (programul propriei morți) sau a unui alt mecanism al cascadei transformărilor intracelulare duce la rezultatul dorit al expunerii la un agent farmacologic. Ca urmare, avem un medicament cu un minim de efecte secundare. Primele astfel de medicamente care luptă împotriva cancerului sunt deja în studii clinice și vor deveni în curând terapii extrem de eficiente.
Genomica structurală
Știința modernă a moleculelor de proteine trece din ce în ce mai mult la tehnologia informației. O cale extinsă de cercetare - de a studia și de a descrie tot ceea ce poate fi stocat în baze de date computerizate și apoi de a căuta modalități de a aplica aceste cunoștințe - acesta este scopul biologilor moleculari moderni. Cu doar cincisprezece ani în urmă, proiectul global privind genomul uman a început și avem deja o hartă secvențială a genelor umane. Al doilea proiect, care are ca scop definireastructura spațială a tuturor „proteinelor cheie” – genomica structurală – este încă departe de a fi completă. Structura spațială a fost determinată până acum doar pentru 60.000 din peste cinci milioane de proteine umane. Și în timp ce oamenii de știință au crescut doar purcei luminoși și roșii rezistente la frig cu gena somonului, tehnologiile genomice structurale rămân o etapă a cunoștințelor științifice, a cărei aplicare practică nu va întârzia să apară.
