Budúcnosť medicíny sú personalizované metódy selektívneho ovplyvňovania jednotlivých bunkových systémov, ktoré sú zodpovedné za vznik a priebeh konkrétneho ochorenia. Hlavnou triedou terapeutických cieľov sú v tomto prípade proteíny bunkovej membrány ako štruktúry zodpovedné za poskytovanie priameho prenosu signálu do bunky. Už dnes takmer polovica liekov pôsobí na bunkové membrány a v budúcnosti ich bude len pribúdať. Tento článok je venovaný oboznámeniu sa s biologickou úlohou membránových proteínov.
Štruktúra a funkcia bunkovej membrány
Zo školského kurzu si mnohí pamätajú štruktúru štrukturálnej jednotky tela – bunky. Osobitné miesto v štruktúre živej bunky má plazmalema (membrána), ktorá oddeľuje vnútrobunkový priestor od jeho prostredia. Jeho hlavnou funkciou je teda vytvorenie bariéry medzi bunkovým obsahom a extracelulárnym priestorom. Ale to nie je jediná funkcia plazmalemy. Medzi ďalšie membránové funkcie súvisiace spredovšetkým s membránovými proteínmi, vylučujte:
- Ochranné (viažu antigény a bránia ich prenikaniu do bunky).
- Transport (zabezpečenie výmeny látok medzi bunkou a prostredím).
- Signál (vstavané receptorové proteínové komplexy poskytujú bunkovú dráždivosť a jej reakciu na rôzne vonkajšie vplyvy).
- Energia – transformácia rôznych foriem energie: mechanickej (bičíky a riasinky), elektrickej (nervový impulz) a chemickej (syntéza molekúl kyseliny adenozíntrifosforečnej).
- Kontakt (poskytovanie komunikácie medzi bunkami pomocou desmozómov a plazmodesmat, ako aj záhybov a výrastkov plazmolemy).
Štruktúra membrán
Bunková membrána je dvojitá vrstva lipidov. Dvojvrstva je vytvorená v dôsledku prítomnosti dvoch častí s rôznymi vlastnosťami v molekule lipidu - hydrofilnej a hydrofóbnej časti. Vonkajšiu vrstvu membrán tvoria polárne „hlavy“s hydrofilnými vlastnosťami a vo vnútri dvojvrstvy sú obrátené hydrofóbne „chvosty“lipidov. Štruktúra membrán okrem lipidov zahŕňa aj proteíny. V roku 1972 americkí mikrobiológovia S. D. Spevák (S. Jonathan Singer) a G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) navrhol fluidno-mozaikový model štruktúry membrány, podľa ktorého membránové proteíny „plávajú“v lipidovej dvojvrstve. Tento model bol doplnený nemeckým biológom Kai Simonsom (1997), pokiaľ ide o tvorbu určitých hustejších oblastí s pridruženými proteínmi (lipidové rafty), ktoré sa voľne unášajú v membránovej dvojvrstve.
Priestorová štruktúra membránových proteínov
V rôznych bunkách je pomer lipidov a bielkovín rôzny (od 25 do 75 % bielkovín v sušine) a sú nerovnomerne umiestnené. Podľa umiestnenia môžu byť proteíny:
- Integrálne (transmembránové) - zabudované do membrány. Zároveň prenikajú cez membránu, niekedy opakovane. Ich extracelulárne oblasti často nesú oligosacharidové reťazce, ktoré tvoria glykoproteínové zhluky.
- Periférne – nachádzajú sa hlavne na vnútornej strane membrán. Komunikáciu s membránovými lipidmi zabezpečujú reverzibilné vodíkové väzby.
- Ukotvené – nachádzajú sa hlavne na vonkajšej strane bunky a „kotvou“, ktorá ich drží na povrchu, je molekula lipidu ponorená do dvojvrstvy.
Funkčnosť a zodpovednosť
Biologická úloha membránových proteínov je rôznorodá a závisí od ich štruktúry a umiestnenia. Zahŕňajú receptorové proteíny, kanálové proteíny (iónové a porínové), transportéry, motory a štrukturálne proteínové klastre. Všetky typy membránových proteínových receptorov v reakcii na akýkoľvek vplyv menia svoju priestorovú štruktúru a tvoria odpoveď bunky. Napríklad inzulínový receptor reguluje vstup glukózy do bunky a rodopsín v citlivých bunkách zrakového orgánu spúšťa kaskádu reakcií, ktoré vedú k vzniku nervového impulzu. Úlohou membránových proteínových kanálov je transport iónov a udržiavanie rozdielu v ich koncentráciách (gradient) medzi vnútorným a vonkajším prostredím. Napríklad,sodno-draselné pumpy zabezpečujú výmenu zodpovedajúcich iónov a aktívny transport látok. Poríny - prostredníctvom bielkovín - sa podieľajú na prenose molekúl vody, transportérov - na prenose určitých látok proti koncentračnému gradientu. V baktériách a prvokoch zabezpečujú pohyb bičíkov molekulárne proteínové motory. Štrukturálne membránové proteíny podporujú samotnú membránu a zabezpečujú interakciu iných proteínov plazmatickej membrány.
Membránové proteíny, proteínová membrána
Membrána je dynamické a veľmi aktívne prostredie a nie inertná matrica pre proteíny, ktoré sa v nej nachádzajú a pracujú. Výrazne ovplyvňuje prácu membránových proteínov a pohybujúce sa lipidové rafty vytvárajú nové asociatívne väzby proteínových molekúl. Mnohé proteíny jednoducho nefungujú bez partnerov a ich intermolekulárna interakcia je zabezpečená povahou lipidovej vrstvy membrán, ktorej štruktúrna organizácia zase závisí od štrukturálnych proteínov. Poruchy v tomto jemnom mechanizme interakcie a vzájomnej závislosti vedú k dysfunkcii membránových proteínov a množstvu chorôb, ako je cukrovka a zhubné nádory.
Štrukturálna organizácia
Moderné predstavy o štruktúre a štruktúre membránových proteínov vychádzajú z faktu, že v periférnej časti membrány sa väčšina z nich len zriedka skladá z jedného, častejšie z niekoľkých asociovaných oligomerizujúcich alfa-helixov. Navyše je to práve táto štruktúra, ktorá je kľúčom k výkonu funkcie. Ide však o klasifikáciu proteínov podľa typuštruktúry môžu priniesť oveľa viac prekvapení. Z viac ako stovky opísaných proteínov je najviac študovaným membránovým proteínom z hľadiska typu oligomerizácie glykoforín A (erytrocytový proteín). Pri transmembránových proteínoch vyzerá situácia komplikovanejšie – bol popísaný iba jeden proteín (fotosyntetické reakčné centrum baktérií – bakteriorhodopsín). Vzhľadom na vysokú molekulovú hmotnosť membránových proteínov (10-240 tisíc d altonov) majú molekulárni biológovia široké pole pre výskum.
Systémy bunkovej signalizácie
Medzi všetkými proteínmi plazmatickej membrány patrí osobitné miesto receptorovým proteínom. Práve tie regulujú, ktoré signály do bunky vstupujú a ktoré nie. Vo všetkých mnohobunkových a niektorých baktériách sa informácie prenášajú cez špeciálne molekuly (signál). Medzi tieto signalizačné činidlá patria hormóny (proteíny špeciálne vylučované bunkami), neproteínové formácie a jednotlivé ióny. Ten sa môže uvoľniť pri poškodení susedných buniek a spustiť kaskádu reakcií vo forme syndrómu bolesti, hlavného obranného mechanizmu tela.
Ciele pre farmakológiu
Hlavným cieľom farmakológie sú membránové proteíny, pretože sú to body, cez ktoré prechádza väčšina signálov. "Cielenie" lieku, zabezpečenie jeho vysokej selektivity - to je hlavná úloha pri vytváraní farmakologického činidla. Selektívny účinok iba na špecifický typ alebo dokonca podtyp receptora je účinok iba na jeden typ telesných buniek. Taká selektívnaexpozícia môže napríklad rozlíšiť nádorové bunky od normálnych.
Drogy budúcnosti
Vlastnosti a vlastnosti membránových proteínov sa už využívajú pri výrobe liekov novej generácie. Tieto technológie sú založené na vytváraní modulárnych farmakologických štruktúr z niekoľkých molekúl alebo nanočastíc navzájom „zosieťovaných“. Časť „targeting“rozpoznáva určité receptorové proteíny na bunkovej membráne (napríklad tie, ktoré súvisia s rozvojom onkologických ochorení). K tejto časti sa pridáva činidlo deštruujúce membrány alebo blokátor v procesoch tvorby bielkovín v bunke. Rozvíjajúca sa apoptóza (program vlastnej smrti) alebo iný mechanizmus kaskády intracelulárnych premien vedie k želanému výsledku expozície farmakologickému činidlu. Vďaka tomu máme liek s minimom vedľajších účinkov. Prvé takéto lieky proti rakovine sú už v klinických štúdiách a čoskoro sa stanú vysoko účinnými terapiami.
Štrukturálna genomika
Moderná veda o proteínových molekulách sa čoraz viac presúva do informačných technológií. Rozsiahla cesta výskumu – študovať a opísať všetko, čo sa dá uložiť do počítačových databáz a následne hľadať spôsoby, ako tieto poznatky aplikovať – to je cieľom moderných molekulárnych biológov. Len pred pätnástimi rokmi sa začal globálny projekt ľudského genómu a už máme sekvenovanú mapu ľudských génov. Druhý projekt, ktorého cieľom je definovaťpriestorová štruktúra všetkých „kľúčových proteínov“– štruktúrna genomika – ešte zďaleka nie je dokončená. Priestorová štruktúra bola doteraz určená len pre 60 000 z viac ako piatich miliónov ľudských bielkovín. A zatiaľ čo vedci vypestovali iba svietiace prasiatka a paradajky odolné voči chladu s génom lososa, technológie štrukturálnej genomiky zostávajú štádiom vedeckých poznatkov, ktorých praktická aplikácia na seba nenechá dlho čakať.
