Fremtiden til medisin er personaliserte metoder for selektiv påvirkning på individuelle cellesystemer som er ansvarlige for utviklingen og forløpet av en bestemt sykdom. Hovedklassen av terapeutiske mål i dette tilfellet er cellemembranproteiner som strukturer som er ansvarlige for å gi direkte signaloverføring til cellen. Allerede i dag påvirker nesten halvparten av legemidlene cellemembraner, og det vil bare bli flere av dem i fremtiden. Denne artikkelen er viet til å bli kjent med den biologiske rollen til membranproteiner.
Struktur og funksjon av cellemembranen
Fra skolekurset husker mange strukturen til kroppens strukturelle enhet – cellen. Et spesielt sted i strukturen til en levende celle spilles av plasmalemma (membran), som skiller det intracellulære rommet fra dets miljø. Derfor er dens hovedfunksjon å skape en barriere mellom det cellulære innholdet og det ekstracellulære rommet. Men dette er ikke den eneste funksjonen til plasmalemmaet. Blant andre membranfunksjoner knyttet tilførst og fremst med membranproteiner, skiller ut:
- Beskyttende (binder antigener og hindrer deres penetrasjon inn i cellen).
- Transport (sikrer utveksling av stoffer mellom cellen og miljøet).
- Signal (innebygde reseptorproteinkomplekser gir celleirritabilitet og dens respons på ulike ytre påvirkninger).
- Energi - transformasjon av ulike former for energi: mekanisk (flagella og cilia), elektrisk (nerveimpuls) og kjemisk (syntese av adenosintrifosforsyremolekyler).
- Kontakt (gir kommunikasjon mellom celler ved bruk av desmosomer og plasmodesmata, samt folder og utvekster av plasmolemma).
Struktur av membraner
Cellemembranen er et dobbelt lag med lipider. Dobbeltlaget dannes på grunn av tilstedeværelsen i lipidmolekylet av to deler med forskjellige egenskaper - en hydrofil og en hydrofob seksjon. Det ytre laget av membranene er dannet av polare "hoder" med hydrofile egenskaper, og de hydrofobe "halene" av lipider vendes inne i dobbeltlaget. I tillegg til lipider inkluderer strukturen av membraner proteiner. I 1972, amerikanske mikrobiologer S. D. Singer (S. Jonathan Singer) og G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) foreslo en væske-mosaikk-modell av strukturen til membranen, ifølge hvilken membranproteiner "flyter" i lipid-dobbeltlaget. Denne modellen ble supplert av den tyske biologen Kai Simons (1997) når det gjelder dannelsen av visse, tettere områder med tilhørende proteiner (lipidflåter) som driver fritt i membrandobbeltlaget.
romlig struktur av membranproteiner
I forskjellige celler er forholdet mellom lipider og proteiner forskjellig (fra 25 til 75 % av proteinene når det gjelder tørrvekt), og de er ujevnt plassert. Etter plassering kan proteiner være:
- Integral (transmembran) - innebygd i membranen. Samtidig trenger de inn i membranen, noen ganger gjentatte ganger. Deres ekstracellulære områder bærer ofte oligosakkaridkjeder, og danner glykoproteinklynger.
- Perifer - ligger hovedsakelig på innsiden av membranene. Kommunikasjon med membranlipider leveres av reversible hydrogenbindinger.
- Forankret - hovedsakelig plassert på utsiden av cellen og "ankeret" som holder dem på overflaten er et lipidmolekyl nedsenket i dobbeltlaget.
Funksjonalitet og ansvar
Den biologiske rollen til membranproteiner er mangfoldig og avhenger av deres struktur og plassering. De inkluderer reseptorproteiner, kanalproteiner (ioniske og poriner), transportører, motorer og strukturelle proteinklynger. Alle typer membranproteinreseptorer, som svar på enhver påvirkning, endrer deres romlige struktur og danner responsen til cellen. For eksempel regulerer insulinreseptoren inngangen av glukose til cellen, og rhodopsin i de sensitive cellene i synsorganet utløser en kaskade av reaksjoner som fører til utseendet til en nerveimpuls. Rollen til membranproteinkanaler er å transportere ioner og opprettholde forskjellen i deres konsentrasjoner (gradient) mellom det indre og ytre miljøet. For eksempel,natrium-kalium-pumper sørger for utveksling av de tilsvarende ioner og aktiv transport av stoffer. Poriner - gjennom proteiner - er involvert i overføringen av vannmolekyler, transportører - i overføringen av visse stoffer mot en konsentrasjonsgradient. I bakterier og protozoer er bevegelsen av flageller gitt av molekylære proteinmotorer. Strukturelle membranproteiner støtter selve membranen og sikrer samspillet mellom andre plasmamembranproteiner.
Membranproteiner, proteinmembran
Membranen er et dynamisk og veldig aktivt miljø, og ikke en inert matrise for proteinene som befinner seg og arbeider i den. Det påvirker i betydelig grad arbeidet til membranproteiner, og lipidflåter, som beveger seg, danner nye assosiative bindinger av proteinmolekyler. Mange proteiner fungerer rett og slett ikke uten partnere, og deres intermolekylære interaksjon er gitt av naturen til lipidlaget av membraner, hvis strukturelle organisering i sin tur avhenger av strukturelle proteiner. Forstyrrelser i denne delikate mekanismen for interaksjon og gjensidig avhengighet fører til dysfunksjon av membranproteiner og en rekke sykdommer, som diabetes og ondartede svulster.
Strukturell organisasjon
Moderne ideer om strukturen og strukturen til membranproteiner er basert på at i den perifere membrandelen består de fleste av dem sjelden av én, oftere av flere assosierte oligomeriserende alfa-helikser. Dessuten er det denne strukturen som er nøkkelen til utførelsen av funksjonen. Imidlertid er det klassifiseringen av proteiner etter typestrukturer kan bringe mange flere overraskelser. Av mer enn hundre beskrevne proteiner er det mest studerte membranproteinet når det gjelder typen oligomerisering glykoforin A (erytrocyttprotein). For transmembranproteiner ser situasjonen mer komplisert ut - bare ett protein er beskrevet (det fotosyntetiske reaksjonssenteret til bakterier - bacteriorhodopsin). Gitt den høye molekylvekten til membranproteiner (10-240 tusen d alton), har molekylærbiologer et bredt forskningsfelt.
Cellesignalsystemer
Blant alle proteinene i plasmamembranen er det en spesiell plass til reseptorproteiner. Det er de som regulerer hvilke signaler som kommer inn i cellen og hvilke som ikke gjør det. I alle flercellede og enkelte bakterier overføres informasjon gjennom spesielle molekyler (signal). Blant disse signalmidlene er hormoner (proteiner spesielt utskilt av celler), ikke-proteinformasjoner og individuelle ioner. Sistnevnte kan frigjøres når naboceller er skadet og utløser en kaskade av reaksjoner i form av et smertesyndrom, kroppens viktigste forsvarsmekanisme.
Mål for farmakologi
Det er membranproteiner som er hovedmålene for farmakologi, siden de er punktene de fleste signaler passerer gjennom. Å "målrette" et stoff, sikre dets høye selektivitet - dette er hovedoppgaven i å lage et farmakologisk middel. En selektiv effekt på bare en spesifikk type eller til og med en undertype av reseptoren er en effekt på bare én type kroppsceller. En slik selektiveksponering kan for eksempel skille tumorceller fra normale.
Fremtidens narkotika
Egenskaper og funksjoner til membranproteiner blir allerede brukt i utviklingen av nye generasjons legemidler. Disse teknologiene er basert på opprettelsen av modulære farmakologiske strukturer fra flere molekyler eller nanopartikler "tverrbundet" med hverandre. Den "målrettede" delen gjenkjenner visse reseptorproteiner på cellemembranen (for eksempel de som er forbundet med utviklingen av onkologiske sykdommer). Til denne delen tilsettes et membranødeleggende middel eller en blokker i prosessene for proteinproduksjon i cellen. Å utvikle apoptose (programmet for ens egen død) eller en annen mekanisme for kaskaden av intracellulære transformasjoner fører til det ønskede resultatet av eksponering for et farmakologisk middel. Som et resultat har vi et medikament med et minimum av bivirkninger. De første slike kreftbekjempende medikamentene er allerede i kliniske studier og vil snart bli svært effektive terapier.
Strukturell genomikk
Moderne vitenskap om proteinmolekyler går stadig mer over til informasjonsteknologi. En omfattende forskningsvei - å studere og beskrive alt som kan lagres i datadatabaser og deretter se etter måter å anvende denne kunnskapen på - dette er målet for moderne molekylærbiologer. For bare femten år siden startet det globale menneskelige genom-prosjektet, og vi har allerede et sekvensert kart over menneskelige gener. Det andre prosjektet, som har som mål å definereden romlige strukturen til alle "nøkkelproteiner" - strukturell genomikk - er fortsatt langt fra komplett. Den romlige strukturen er så langt kun bestemt for 60 000 av mer enn fem millioner menneskelige proteiner. Og mens forskerne kun har dyrket lysende smågriser og kulderesistente tomater med laksegenet, er strukturell genomikkteknologi fortsatt et stadium av vitenskapelig kunnskap, hvis praktiske anvendelse ikke vil vente lenge på seg.
