Биологичната роля на мембранните протеини

Бъдещето на медицината е персонифициран метод на селективно влияние върху отделните клетъчни системи, които са отговорни за развитието и хода на определена болест. Основният клас терапевтични цели в този случай са мембранните протеини на клетката като структури, отговорни за осигуряване на директна сигнализация към клетката. Вече почти половината от лекарствата засягат клетъчните мембрани и ще има само повече от тях. Настоящата статия е посветена на биологичната роля на мембранните протеини.

Структура и функции на клетъчната мембрана

От училищния курс много хора помнят структурата на структурната единица на тялото - клетките. Специално място в устройството на жива клетка се играе от плазмалемата (мембраната), която отделя вътреклетъчното пространство от околната среда. По този начин основната му функция е да създаде бариера между клетъчното съдържание и извънклетъчното пространство. Но това не е единствената функция на плазмолемата. Сред другите функции на мембраната, свързани предимно с мембранни протеини, са:

• Защитни (свързващи антигени и предотвратяване на тяхното проникване в клетката).
• Транспорт (осигуряване на обмен на вещества между клетката и околната среда).
• Сигнал (вградени комплекси рецепторни протеини осигуряват клетъчна раздразнителност и отговора му на различни външни влияния).
• Енергия - трансформация на различни форми на енергия: механични (фарнелуми и ресни), електрически (импулсни импулси) и химически (синтез на молекули на аденозин трифосфатната киселина).
• Контакт (осигуряване на комуникация между клетките с помощта на дезмозоми и плазмодеми, както и гънки и израстъци на плазмолемата).

Структура на мембраните

Клетъчната мембрана е двоен слой липиди. Двойният слой се образува поради наличието в липидната молекула на две части с различни свойства - хидрофилен и хидрофобен регион. Външният слой от мембрани се образува от полярни "глави" с хидрофилни свойства, а хидрофобните "опашки" на липидите са изправени пред двойния слой. В допълнение към липидите, структурата на мембраните включва протеини. През 1972 г. американските микробиолози S.D. Singer (S. Jonathan Singer) и G.L. Никълсън (Гарт Л. Николсън) предлага течно-мозаечен модел на структурата на мембраната, според който мембранните протеини "плават" в двуслойните липиди. Този модел бе допълнена немски биолог Zimonsom Кай (1997) при образуването на определени части, плътни части с асоцииран протеин (липидни маси), които се носят свободно в двуслойна мембрана.

Пространствената структура на мембранните протеини

В различните клетки съотношението на липидите и протеините е различно (от 25 до 75% от протеините по отношение на сухото тегло) и те са неравномерно разпределени. Чрез подреждането на протеините могат да бъдат:

• Интегрална (трансмембрана) - вградена в мембраната. По този начин те пронизват мембраната, понякога многократно. Техните екстрацелуларни области често носят вериги от олигозахариди, образуващи гликопротеинови клъстери.
• Периферно - намира се главно от вътрешната страна на мембраните. Връзката с мембранните липиди се осигурява от обратими водородни връзки.
• Закрепени - са разположени главно от външната страна на клетката и "котвата", която ги държи на повърхността, е липидна молекула, потапяна в двуслойна форма.

Функционалност и отговорности

Биологичната роля на мембранните протеини е разнообразна и зависи от тяхната структура и местоположение. Сред тях са изолирани рецепторни протеини, канали (йонни и поринни), транспортьори, мотори и структурни протеинови клъстери. Всички видове мембранни протеинови рецептори в отговор на всеки ефект променят своята пространствена структура и образуват клетъчния отговор. Например, инсулинов рецептор регулира поглъщането на глюкоза в клетки и клетки на родопсин в чувствителна тяло задейства каскада от реакции, които водят до появата на нервни импулси. Ролята на мембранните протеинови канали е да транспортират йони и да поддържат разликата си концентрациите (градиент) между вътрешната и външната среда. Например натриевите калиеви помпи осигуряват обмяната на съответните йони и активен транспорт вещества. Порциите - чрез протеини - участват в транспортирането на водни молекули, транспортери - при прехвърлянето на някои вещества срещу градиента на концентрация. При бактериите и протозоите, движението на фланела се осигурява от молекулни протеинови двигатели. Структурните мембранни протеини поддържат самата мембрана и осигуряват взаимодействие на други протеини на плазмолемата.

Мембранни протеини, мембрана за протеини

Мембраната е динамична и много активна среда, а не инертна матрица за протеини, които се намират в нея и работят. Той значително повлиява функционирането на мембранните протеини, а липидните салове, движещи се, образуват нови асоциативни връзки на протеиновите молекули. Много протеини просто не работят без партньори и тяхното вътрешномолекулно взаимодействие е осигурено от естеството на липидния слой на мембраните, структурната организация на която от своя страна зависи от структурните протеини. Нарушенията в този фин механизъм на взаимодействие и взаимозависимост водят до нарушаване на функциите на мембранните протеини и различни заболявания като диабет и злокачествени тумори.

Структурна организация

Съвременните идеи за структурата и структурата на мембранните протеини се основават на факта, че в периферната част на мембраната повечето от тях рядко се състоят от една, по-често от няколко свързани олигомеризиращи алфа спирали. И именно тази структура е ключът към изпълнението на функцията. Въпреки това класификацията на протеините е според видовете структури, които могат да донесат много повече изненади. Повече от сто от описаните протеини са най-изследваните от типа на олигомеризационния мембранен протеин е гликорфин А (белтък на еритроцитите). При трансмембранните протеини ситуацията изглежда по-сложна - е описан само един протеин (фотосинтетичен реакционен център на бактериите - bacteriorhodopsin). Като се има предвид високото молекулно тегло на мембранните протеини (10-240 хил. Далтона), молекулярните биолози имат широко поле за изследване.

Системи за клетъчна сигнализация

Сред всички протеини на плазмолемата, специално място принадлежи към рецепторните протеини. Те са тези, които регулират кои сигнали ще влязат в клетката и кои не. Всички многоклетъчни и някои бактерии предават информация чрез специални молекули (сигнализиране). Сред тези сигнализиращи агенти са секретирани хормони (протеини, секретирани от клетките), не-протеинови образувания и отделни йони. Последните могат да се откроят, когато съседните клетки са повредени и да предизвикат каскада от реакции под формата на синдром на болката - основен защитен механизъм на тялото.

Цели за фармакология

Това са мембранните протеини, които са основните цели на приложението на фармакологията, тъй като те са точно точките, през които повечето сигнали пътуват. "Да се ​​цели" лекарство, за да се гарантира неговата висока селективност - това е основната задача при създаването на фармакологичен агент. Селективното влияние само върху специфичен тип или дори върху подтип на рецептор е ефектът само върху един тип клетки. Този селективен ефект може например да отличи туморните клетки от нормалните клетки.

Лекарства на бъдещето

Свойствата и характеристиките на мембранните протеини вече се използват в разработването на лекарства от ново поколение. Тези технологии се основават на създаването на модулни фармакологични структури от няколко молекула или наночастици, които са "омрежени" един с друг. Частта "насочване" разпознава върху клетъчната мембрана определени рецепторни протеини (например свързани с развитието на рак). Към тази част се добавя средство за унищожаване на мембраната или блокер на протеинопроизводствени процеси в клетката. Развитието на апоптозата (програмата на собствената смърт) или друг механизъм на каскадата на вътреклетъчните трансформации води до желания резултат от действието на фармакологичния агент. В резултат на това имаме лекарство с минимални странични ефекти. Първите подобни противоракови лекарства вече преминават клинични изпитвания и скоро ще се превърнат в гаранция за високоефективна терапия.

Структурна геномика

Съвременната наука за протеиновите молекули все повече се премества към информационните технологии. Разширен начин на изследване - да се проучат и опишат всичко, което е възможно, да се съхраняват данни в компютърни бази данни и след това да се търсят начини за прилагане на това знание - това е целта на съвременните молекулярни биолози. Само преди петнадесет години глобалният проект беше стартиран от "човешкия геном" и вече имаме последователна карта на човешките гени. Вторият проект, чиято цел е да се определи пространствената структура на всички "ключови протеини" - структурната геномика - далеч не е завършена. Пространствената структура е определена досега само за 60 000 от повече от пет милиона човешки протеини. И нека, докато учените са се увеличили нажежен прасенца и мразоустойчив домати с генома на сьомга, структурни геномика технологии остават етап от научни знания, практическо приложение, което няма да се запази за дълго време в следващите.