De toekomst van de geneeskunde is gepersonaliseerde methodenselectief effect op individuele celsystemen die verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling en het verloop van een bepaalde ziekte. In dit geval zijn de belangrijkste therapeutische doelwitten de membraaneiwitten van de cel als structuren die verantwoordelijk zijn voor de directe overdracht van signalen naar de cel. Nu al werkt bijna de helft van de medicijnen op celmembranen, en er zullen er alleen maar meer zijn. Dit artikel is gewijd aan kennismaking met de biologische rol van membraaneiwitten.
Celmembraanstructuur en functie
Velen herinneren zich het apparaat van de schoolcursusde structurele eenheid van het organisme - cellen. Een speciale plaats in de structuur van een levende cel wordt ingenomen door het plasmalemma (membraan), dat de intracellulaire ruimte scheidt van zijn omgeving. De belangrijkste functie is dus om een barrière te creëren tussen de cellulaire inhoud en de extracellulaire ruimte. Maar dit is niet de enige functie van het plasmolemma. Andere functies van het membraan, voornamelijk geassocieerd met membraaneiwitten, zijn:
- Beschermend (binding van antigenen en voorkomen dat ze in de cel doordringen).
- Transport (zorgen voor de uitwisseling van stoffen tussen de cel en de omgeving).
- Signaal (ingebouwde receptoreiwitcomplexen zorgen voor prikkelbaarheid van de cel en zijn reactie op verschillende externe invloeden).
- Energetisch - de transformatie van verschillende vormen van energie: mechanisch (flagella en cilia), elektrisch (zenuwimpuls) en chemisch (synthese van moleculen van adenosinetrifosforzuur).
- Contact (zorgt voor communicatie tussen cellen met behulp van desmosomen en plasmodesmata, evenals plooien en uitgroeiingen van het plasmolemma).
Membraan structuur
Het celmembraan is een dubbele laag lipiden.Een dubbellaag wordt gevormd door de aanwezigheid in het lipidemolecuul van twee delen met verschillende eigenschappen - een hydrofiel en een hydrofoob gebied. De buitenste laag van membranen wordt gevormd door polaire "koppen" met hydrofiele eigenschappen, en hydrofobe "staarten" van lipiden worden in de dubbellaag geleid. Naast lipiden zijn eiwitten opgenomen in de membraanstructuur. In 1972 ontdekten de Amerikaanse microbiologen S.D. Singer (S. Jonathan Singer) en G.L. Nicholson (Garth L. Nicolson) stelde een vloeistof-mozaïekmodel voor van de structuur van het membraan, volgens welke membraaneiwitten "drijven" in de lipidedubbellaag. Dit model werd aangevuld door de Duitse bioloog Kai Simons (1997) in termen van de vorming van bepaalde dichtere gebieden met bijbehorende eiwitten (lipidevlotten) die vrij in de membraandubbellaag drijven.
Ruimtelijke structuur van membraaneiwitten
In verschillende cellen is de verhouding tussen lipiden en eiwitten verschillend (van 25 tot 75% van de eiwitten in termen van drooggewicht) en ze bevinden zich ongelijkmatig. Op locatie kunnen eiwitten zijn:
- Integraal (transmembraan) - ingebouwdmembraan. Tegelijkertijd dringen ze het membraan binnen, soms herhaaldelijk. Hun extracellulaire gebieden dragen vaak oligosaccharideketens, die glycoproteïne-clusters vormen.
- Perifeer - voornamelijk aan de binnenkant van de membranen. De binding met membraanlipiden wordt verzorgd door omkeerbare waterstofbruggen.
- Verankerd - voornamelijk aan de buitenkant van de cel en het "anker" dat ze aan het oppervlak vasthoudt, is een lipidemolecuul dat is ondergedompeld in de dubbellaag.
Functionaliteit en verantwoordelijkheden
De biologische rol van membraaneiwitten is diversen hangt af van hun structuur en locatie. Onder hen zijn receptoreiwitten, kanaal (ionische en porines), transporters, motoren en structurele eiwitclusters. Alle soorten membraaneiwit-receptoren veranderen in reactie op een actie hun ruimtelijke structuur en vormen de reactie van de cel. De insulinereceptor reguleert bijvoorbeeld de glucosestroom naar de cel, en rodopsine in de gevoelige cellen van het gezichtsorgaan veroorzaakt een cascade van reacties die leiden tot het verschijnen van een zenuwimpuls. De rol van membraaneiwitkanalen is om ionen te transporteren en het verschil in hun concentraties (gradiënt) tussen de interne en externe omgeving te behouden. Zo zorgen natrium-kaliumpompen voor de uitwisseling van geschikte ionen en actief transport van stoffen. Porines - end-to-end-eiwitten - zijn betrokken bij de overdracht van watermoleculen, transporters - bij de overdracht van bepaalde stoffen tegen de concentratiegradiënt in. In bacteriën en protozoa wordt de beweging van flagella verzorgd door moleculaire eiwitmotoren. Structurele membraaneiwitten ondersteunen het membraan zelf en laten de interactie van andere plasmamembraaneiwitten toe.
Membraaneiwitten, membraan voor eiwitten
Het membraan is dynamisch en zeer actiefomgeving, en niet een inerte matrix voor de eiwitten die zich erin bevinden en erin werken. Het heeft een aanzienlijke invloed op de werking van membraaneiwitten en lipide-vlotten, die bewegen, vormen nieuwe associatieve bindingen van eiwitmoleculen. Veel eiwitten werken eenvoudigweg niet zonder partners en hun intermoleculaire interactie wordt geleverd door de aard van de lipidelaag van membranen, waarvan de structurele organisatie op zijn beurt afhangt van structurele eiwitten. Verstoringen in dit delicate mechanisme van interactie en onderlinge afhankelijkheid leiden tot disfunctie van membraaneiwitten en een verscheidenheid aan ziekten, zoals diabetes en kwaadaardige tumoren.
Structurele organisatie
Moderne ideeën over de structuur en structuurmembraaneiwitten zijn gebaseerd op het feit dat de meeste van hen in het perifere deel van het membraan zelden bestaan uit één, vaker uit meerdere bijbehorende oligomeriserende alfa-helices. Bovendien is het deze structuur die de sleutel is tot het uitvoeren van de functie. Het is echter de indeling van eiwitten naar type structuur die voor veel meer verrassingen kan zorgen. Van meer dan honderd beschreven eiwitten is glycoforine A (erytrocyt-eiwit) het meest bestudeerde membraaneiwit volgens het type oligomerisatie. Voor transmembraaneiwitten ziet de situatie er ingewikkelder uit - er is slechts één eiwit beschreven (het fotosynthetische reactiecentrum van bacteriën - bacteriorodopsine). Gezien het hoge molecuulgewicht van membraaneiwitten (10-240 duizend dalton), hebben moleculair biologen een breed onderzoeksgebied.
Cell signaleringssystemen
Tussen alle plasmolemma-eiwitten een speciale plaatsbehoort tot receptoreiwitten. Zij regelen welke signalen de cel binnenkomen en welke niet. In alle meercellige en sommige bacteriën wordt informatie overgedragen via speciale moleculen (signalering). Tot deze signaalgevers behoren hormonen (eiwitten die speciaal door cellen worden uitgescheiden), niet-eiwitformaties en individuele ionen. Dit laatste kan vrijkomen wanneer naburige cellen worden beschadigd en een cascade van reacties veroorzaken in de vorm van pijnsyndroom, het belangrijkste afweermechanisme van het lichaam.
Doelen voor farmacologie
Het zijn membraaneiwitten die de belangrijkste zijndoelen voor het gebruik van farmacologie, aangezien dit de punten zijn waar de meeste signalen doorheen gaan. Een medicijn "richten", om zijn hoge selectiviteit te verzekeren, is de belangrijkste taak bij het creëren van een farmacologisch middel. Alleen selectieve actie op een specifiek type of zelfs een subtype van een receptor is een effect op slechts één type cellen in het lichaam. Een dergelijke selectieve actie kan bijvoorbeeld tumorcellen onderscheiden van normale.
Medicijnen van de toekomst
De eigenschappen en kenmerken van membraaneiwitten zijn er altegenwoordig worden ze gebruikt bij het maken van nieuwe generatie medicijnen. Deze technologieën zijn gebaseerd op het creëren van modulaire farmacologische structuren van verschillende moleculen of nanodeeltjes die met elkaar zijn "genaaid". Het "targeting" -gedeelte herkent bepaalde receptoreiwitten op het celmembraan (bijvoorbeeld die welke verband houden met de ontwikkeling van kanker). Aan dit deel wordt een membraanvernietigend middel of blokker van de eiwitproductie in de cel toegevoegd. De zich ontwikkelende apoptose (het programma van de eigen dood) of een ander mechanisme van de cascade van intracellulaire transformaties leidt tot het gewenste resultaat van de werking van het farmacologische middel. Hierdoor hebben we een medicijn met een minimum aan bijwerkingen. De eerste van dergelijke medicijnen om kanker te bestrijden ondergaan al klinische proeven en zullen binnenkort de sleutel worden tot een zeer effectieve therapie.
Structurele genomica
Moderne wetenschap van eiwitmoleculen allemaalgaat intensiever over op informatietechnologie. Een uitgebreide manier van onderzoek - alles wat mogelijk is bestuderen en beschrijven, data opslaan in computerdatabases en vervolgens zoeken naar manieren om deze kennis te gebruiken - dat is het doel van moderne moleculair biologen. Slechts vijftien jaar geleden werd het wereldwijde project 'menselijk genoom' gelanceerd, en we hebben al een gesequencede kaart van menselijke genen. Het tweede project, dat tot doel heeft de ruimtelijke structuur van alle "sleuteleiwitten" - structurele genomica - te bepalen, is verre van voltooid. De ruimtelijke structuur is tot dusverre alleen bepaald voor 60 duizend van meer dan vijf miljoen menselijke eiwitten. En hoewel wetenschappers alleen lichtgevende biggen en koude-tolerante tomaten hebben grootgebracht met het zalm-gen, blijven structurele genomics-technologieën een stadium van wetenschappelijke kennis, waarvan de praktische toepassing niet lang zal duren.
