Prihodnost medicine so personalizirane metode selektivnega vpliva na posamezne celične sisteme, ki so odgovorni za razvoj in potek določene bolezni. Glavni razred terapevtskih tarč v tem primeru so proteini celične membrane kot strukture, ki so odgovorne za zagotavljanje neposrednega prenosa signala v celico. Že danes skoraj polovica zdravil vpliva na celične membrane, v prihodnosti pa jih bo le še več. Ta članek je posvečen seznanjanju z biološko vlogo membranskih beljakovin.
Struktura in funkcija celične membrane
Iz šolskega tečaja se mnogi spominjajo strukture strukturne enote telesa – celice. Posebno mesto v strukturi žive celice ima plazmalema (membrana), ki ločuje znotrajcelični prostor od njenega okolja. Njegova glavna funkcija je torej ustvarjanje pregrade med celično vsebino in zunajceličnim prostorom. Vendar to ni edina funkcija plazmaleme. Med drugimi membranskimi funkcijami, povezanimi znajprej z membranskimi beljakovinami izločite:
- Zaščitna (veže antigene in preprečuje njihov prodor v celico).
- Prevoz (zagotavljanje izmenjave snovi med celico in okoljem).
- Signal (vgrajeni receptorski proteinski kompleksi zagotavljajo razdražljivost celic in njihov odziv na različne zunanje vplive).
- Energija - transformacija različnih oblik energije: mehanske (bičevci in cilije), električne (živčni impulzi) in kemične (sinteza molekul adenozin trifosforjeve kisline).
- Kontakt (zagotavljanje komunikacije med celicami z uporabo desmosomov in plazmodezmov, pa tudi gub in izrastkov plazmoleme).
Struktura membran
Celična membrana je dvojna plast lipidov. Dvosloj nastane zaradi prisotnosti v lipidni molekuli dveh delov z različnimi lastnostmi - hidrofilnega in hidrofobnega dela. Zunanjo plast membran tvorijo polarne "glave" s hidrofilnimi lastnostmi, hidrofobni "repi" lipidov pa so obrnjeni v notranjost dvosloja. Poleg lipidov struktura membran vključuje tudi beljakovine. Leta 1972 so ameriški mikrobiologi S. D. Singer (S. Jonathan Singer) in G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) je predlagal fluidno-mozaični model strukture membrane, po katerem membranski proteini »plavajo« v lipidnem dvosloju. Ta model je dopolnil nemški biolog Kai Simons (1997) v smislu tvorbe določenih, gostejših regij s pripadajočimi beljakovinami (lipidnimi splavi), ki se prosto premikajo v dvosloju membrane.
Prostorska struktura membranskih proteinov
V različnih celicah je razmerje med lipidi in beljakovinami različno (od 25 do 75 % beljakovin glede na suho maso) in so neenakomerno locirane. Glede na lokacijo so lahko beljakovine:
- Integral (transmembranski) - vgrajen v membrano. Hkrati prodrejo skozi membrano, včasih večkrat. Njihove zunajcelične regije pogosto nosijo oligosaharidne verige, ki tvorijo glikoproteinske grozde.
- Periferno - nahaja se predvsem na notranji strani membran. Komunikacijo z membranskimi lipidi zagotavljajo reverzibilne vodikove vezi.
- Zasidrana - v glavnem se nahaja na zunanji strani celice in "sidro", ki jih drži na površini, je lipidna molekula, potopljena v dvosloj.
Funkcionalnost in odgovornosti
Biološka vloga membranskih beljakovin je raznolika in je odvisna od njihove strukture in lokacije. Vključujejo receptorske proteine, kanalske proteine (ionske in porinske), transporterje, motorje in strukturne beljakovinske skupine. Vse vrste membranskih proteinskih receptorjev kot odziv na kakršen koli udar spremenijo svojo prostorsko strukturo in tvorijo odziv celice. Inzulinski receptor na primer uravnava vstop glukoze v celico, rodopsin v občutljivih celicah vidnega organa pa sproži kaskado reakcij, ki vodijo do pojava živčnega impulza. Vloga membranskih proteinskih kanalov je transport ionov in vzdrževanje razlike v njihovih koncentracijah (gradient) med notranjim in zunanjim okoljem. na primernatrijevo-kalijeve črpalke zagotavljajo izmenjavo ustreznih ionov in aktivni transport snovi. Porini – preko beljakovin – sodelujejo pri prenosu molekul vode, transporterji – pri prenosu določenih snovi proti koncentracijskemu gradientu. Pri bakterijah in protozojih gibanje flagel zagotavljajo molekularni proteinski motorji. Strukturni membranski proteini podpirajo samo membrano in zagotavljajo interakcijo z drugimi proteini plazemske membrane.
Membranske beljakovine, beljakovinska membrana
Membrana je dinamično in zelo aktivno okolje in ne inertna matrica za proteine, ki se nahajajo in delujejo v njej. Bistveno vpliva na delo membranskih beljakovin in lipidni splavi, ki se premikajo, tvorijo nove asociativne vezi beljakovinskih molekul. Številne beljakovine preprosto ne delujejo brez partnerjev, njihovo medmolekularno interakcijo pa zagotavlja narava lipidne plasti membran, katere strukturna organizacija je odvisna od strukturnih beljakovin. Motnje v tem občutljivem mehanizmu interakcije in soodvisnosti vodijo do disfunkcije membranskih beljakovin in do številnih bolezni, kot so sladkorna bolezen in maligni tumorji.
Strukturna organizacija
Sodobne predstave o strukturi in zgradbi membranskih beljakovin temeljijo na dejstvu, da jih v perifernem delu membrane večina le redko sestavlja ena, pogosteje več povezanih oligomerizirajočih alfa-vijač. Poleg tega je prav ta struktura ključna za opravljanje funkcije. Vendar pa gre za razvrstitev beljakovin po vrstistrukture lahko prinesejo še veliko presenečenj. Od več kot sto opisanih proteinov je po vrsti oligomerizacije najbolj raziskan membranski protein glikoforin A (protein eritrocitov). Za transmembranske beljakovine je situacija videti bolj zapletena - opisan je le en protein (fotosintetski reakcijski center bakterij - bakteriorhodopsin). Glede na visoko molekulsko maso membranskih beljakovin (10-240 tisoč d altonov) imajo molekularni biologi široko polje za raziskave.
Sistemi celične signalizacije
Med vsemi proteini plazemske membrane imajo posebno mesto receptorske beljakovine. Prav oni uravnavajo, kateri signali vstopijo v celico in kateri ne. Pri vseh večceličnih in nekaterih bakterijah se informacija prenaša preko posebnih molekul (signal). Med temi signalnimi sredstvi so hormoni (beljakovine, ki jih posebej izločajo celice), neproteinske tvorbe in posamezni ioni. Slednje se lahko sprosti, ko so sosednje celice poškodovane in sprožijo kaskado reakcij v obliki sindroma bolečine, glavnega obrambnega mehanizma telesa.
Cilje za farmakologijo
Prav membranski proteini so glavne tarče farmakologije, saj so točke, skozi katere poteka večina signalov. "Ciljanje" zdravila, zagotavljanje njegove visoke selektivnosti - to je glavna naloga pri ustvarjanju farmakološkega sredstva. Selektivni učinek samo na določen tip ali celo podtip receptorja je učinek samo na eno vrsto telesnih celic. Tako selektivnoizpostavljenost lahko na primer loči tumorske celice od normalnih.
Droge prihodnosti
Lastnosti in značilnosti membranskih proteinov se že uporabljajo pri ustvarjanju zdravil nove generacije. Te tehnologije temeljijo na ustvarjanju modularnih farmakoloških struktur iz več molekul ali nanodelcev, "zamreženih" med seboj. "Ciljni" del prepozna določene receptorske proteine na celični membrani (na primer tiste, ki so povezani z razvojem onkoloških bolezni). Temu delu je dodano sredstvo, ki uničuje membrano ali blokator v procesih proizvodnje beljakovin v celici. Razvijanje apoptoze (program lastne smrti) ali drugega mehanizma kaskade znotrajceličnih transformacij vodi do želenega rezultata izpostavljenosti farmakološkemu sredstvu. Posledično imamo zdravilo z minimalnimi stranskimi učinki. Prva taka zdravila za boj proti raku so že v kliničnih preskušanjih in bodo kmalu postala zelo učinkovite terapije.
Strukturna genomika
Sodobna znanost o beljakovinskih molekulah se vse bolj seli v informacijsko tehnologijo. Obsežna raziskovalna pot – preučiti in opisati vse, kar je mogoče shraniti v računalniške baze podatkov in nato poiskati načine za uporabo tega znanja – je cilj sodobnih molekularnih biologov. Pred samo petnajstimi leti se je začel globalni projekt človeškega genoma in že imamo sekvenciran zemljevid človeških genov. Drugi projekt, katerega cilj je opredelitiprostorska struktura vseh »ključnih proteinov« – strukturne genomike – še zdaleč ni popolna. Prostorska struktura je bila doslej določena le za 60.000 od več kot petih milijonov človeških beljakovin. In medtem ko so znanstveniki gojili le svetleče pujske in hladno odporne paradižnike z genom lososa, tehnologije strukturne genomike ostajajo stopnja znanstvenega znanja, katerega praktična uporaba ne bo dolgo trajala.
