Budućnost medicine su personalizirane metodeselektivni učinak na pojedine stanične sustave koji su odgovorni za razvoj i tijek određene bolesti. U ovom slučaju, glavna klasa terapijskih meta su proteini stanične membrane kao strukture odgovorne za direktan prijenos signala u stanicu. Već danas gotovo polovica lijekova djeluje na stanične membrane, a bit će ih samo više. Ovaj je članak posvećen upoznavanju s biološkom ulogom membranskih proteina.
Sa školskog tečaja mnogi pamte uređajstrukturna jedinica organizma - stanice. Posebno mjesto u strukturi žive stanice igra plazmalemma (membrana) koja odvaja unutarćelijski prostor od njegove okoline. Stoga je njegova glavna funkcija stvaranje prepreke između staničnog sadržaja i izvanstaničnog prostora. Ali to nije jedina funkcija plazmolemme. Među ostalim funkcijama membrane, povezane prije svega s membranskim proteinima, postoje:
Stanična membrana je dvostruki sloj lipida. Dvoslojni nastaje zbog prisutnosti u molekuli lipida dva dijela različitih svojstava - hidrofilne i hidrofobne regije. Vanjski sloj membrane tvore polarne „glave“ s hidrofilnim svojstvima, a hidrofobni „repovi“ lipida usmjereni su u dvoslojni. Osim lipida, u strukturu membrane spadaju i proteini. 1972. američki mikrobiolozi S.D. Singer (S. Jonathan Singer) i G.L. Nicholson (Garth L. Nicolson) predložio je tekućinsko-mozaični model strukture membrane prema kojem membranski proteini „lebde“ u lipidnom sloju. Ovaj je model dopunio njemački biolog Kai Simons (1997) u smislu stvaranja određenih, gušćih regija s pridruženim proteinima (lipidni splav) koji slobodno lebde u membranskom sloju.
U različitim stanicama omjer lipida u bjelančevinama je različit (od 25 do 75% proteina u odnosu na suhu težinu), a smješteni su neravnomjerno. Prema lokaciji, proteini mogu biti:
Biološka uloga membranskih proteina je raznolikaa ovisi o njihovoj strukturi i položaju. Među njima se razlikuju receptorski proteini, kanalski proteini (ionski i porini), prijenosnici, motori i strukturne nakupine proteina. Sve vrste membranskih proteinskih receptora kao odgovor na bilo koju akciju mijenjaju svoju prostornu strukturu i oblikuju stanični odgovor. Na primjer, inzulinski receptor regulira protok glukoze u stanicu, a rodopsin u osjetljivim stanicama organa vida pokreće kaskadu reakcija koje dovode do pojave živčanog impulsa. Uloga membranskih proteinskih kanala je transport iona i održavanje razlike u njihovim koncentracijama (gradijent) između unutarnjeg i vanjskog okruženja. Na primjer, natrijevo-kalijeve pumpe omogućuju razmjenu odgovarajućih iona i aktivni transport tvari. Porini - proteini od kraja do kraja - sudjeluju u prijenosu molekula vode, transporteri - u prijenosu određenih tvari u odnosu na gradijent koncentracije. Kod bakterija i praživotinja kretanje bičeva omogućuju molekularni proteinski motori. Strukturni membranski proteini podupiru samu membranu i omogućuju interakciju ostalih proteina plazmatske membrane.
Membrana je dinamična i vrlo aktivnaokoliš, a ne inertni matriks za proteine koji se nalaze i rade u njemu. Značajno utječe na funkcioniranje membranskih bjelančevina, a lipidni splavovi, krećući se, tvore nove asocijativne veze proteinskih molekula. Mnogi proteini jednostavno ne rade bez partnera, a njihova intermolekularna interakcija osigurana je prirodom lipidnog sloja membrana čija strukturna organizacija, pak, ovisi o strukturnim proteinima. Poremećaji u ovom osjetljivom mehanizmu interakcije i međuovisnosti dovode do disfunkcije membranskih proteina i brojnih bolesti poput dijabetesa i malignih tumora.
Suvremene ideje o strukturi i strukturimembranski proteini temelje se na činjenici da se u perifernom dijelu membrane većina njih rijetko sastoji od jednog, češće od nekoliko povezanih oligomerizirajućih alfa-helika. Štoviše, upravo je ta struktura ključna za obavljanje funkcije. Međutim, razvrstavanje proteina prema tipu strukture može donijeti još puno iznenađenja. Od više od stotinu opisanih proteina, najviše proučavani membranski protein po tipu oligomerizacije je glikoforin A (protein eritrocita). Za transmembranske proteine situacija izgleda složenije - opisan je samo jedan protein (fotosintetski reakcijski centar bakterija - bakteriorhodopsin). S obzirom na visoku molekularnu težinu membranskih proteina (10-240 tisuća daltona), molekularni biolozi imaju široko polje istraživanja.
Među svim proteinima plazmoleme posebno mjestopripada proteinima receptora. Oni su ti koji reguliraju koji će signali ući u stanicu, a koji ne. U svim višećelijskim i nekim bakterijama informacije se prenose putem posebnih molekula (signalizacija). Među tim signalnim agensima su hormoni (proteini koje stanice posebno luče), ne-proteinske formacije i pojedinačni ioni. Potonji se mogu osloboditi kad su susjedne stanice oštećene i pokrenuti kaskadu reakcija u obliku sindroma boli, glavnog obrambenog mehanizma tijela.
Upravo su membranski proteini glavniciljevi za uporabu farmakologije, jer su to točke kroz koje prolazi većina signala. "Ciljati" lijek, osigurati njegovu visoku selektivnost - to je glavni zadatak pri stvaranju farmakološkog sredstva. Selektivno djelovanje samo na određenu vrstu ili čak na podvrstu receptora učinak je samo na jednu vrstu stanica u tijelu. Takvo selektivno djelovanje može, na primjer, razlikovati tumorske stanice od normalnih.
Svojstva i karakteristike membranskih proteina već sudanas se koriste u stvaranju lijekova nove generacije. Te se tehnologije temelje na stvaranju modularnih farmakoloških struktura od nekoliko molekula ili nanočestica, "međusobno zašivenih". Dio "ciljanje" prepoznaje određene recepcijske proteine na staničnoj membrani (na primjer, one povezane s razvojem raka). Tom dijelu dodaje se sredstvo za uništavanje membrane ili blokator stvaranja proteina u stanici. Apoptoza u razvoju (program vlastite smrti) ili drugi mehanizam kaskade unutarćelijskih transformacija dovodi do željenog rezultata djelovanja farmakološkog sredstva. Kao rezultat, imamo lijek s najmanje nuspojava. Prvi takvi lijekovi za borbu protiv raka već prolaze klinička ispitivanja i uskoro će postati ključ visoko učinkovite terapije.
Suvremena znanost o molekulama proteina sveintenzivnije prelazi na informacijsku tehnologiju. Opsežan način istraživanja - proučavati i opisivati sve što je moguće, spremati podatke u računalne baze podataka, a zatim tražiti načine za primjenu tog znanja - to je cilj modernih molekularnih biologa. Prije samo petnaest godina pokrenut je globalni projekt "ljudski genom", a mi već imamo sekvenciranu mapu ljudskih gena. Drugi projekt čiji je cilj utvrditi prostornu strukturu svih "ključnih proteina" - strukturne genomike - daleko je od završetka. Prostorna struktura do sada je utvrđena samo za 60 tisuća od više od pet milijuna ljudskih bjelančevina. I dok su znanstvenici uzgajali samo svijetleće prasadi i rajčice otporne na hladnoću s genom lososa, strukturne genomičke tehnologije ostaju stupanj znanstvenih spoznaja čija praktična primjena neće dugo trajati.
