Budúcnosťou medicíny sú personalizované metódyselektívny účinok na jednotlivé bunkové systémy, ktoré sú zodpovedné za vývoj a priebeh konkrétnej choroby. V tomto prípade sú hlavnou triedou terapeutických cieľov membránové proteíny bunky ako štruktúry zodpovedné za priamy prenos signálov do bunky. Už dnes takmer polovica liekov účinkuje na bunkové membrány a v budúcnosti ich bude iba viac. Tento článok je venovaný oboznámeniu s biologickou úlohou membránových proteínov.
Zo školského kurzu si mnohí pamätajú prístrojštruktúrna jednotka organizmu - bunky. Zvláštne miesto v štruktúre živej bunky hrá plazmalemma (membrána), ktorá oddeľuje intracelulárny priestor od jeho prostredia. Jeho hlavnou funkciou je teda vytvorenie bariéry medzi bunkovým obsahom a extracelulárnym priestorom. Ale to nie je jediná funkcia plazmolému. Ďalšie funkcie membrány, spojené predovšetkým s membránovými proteínmi, sú:
Bunková membrána je dvojitá vrstva lipidov.Dvojvrstva sa vytvára v dôsledku prítomnosti v lipidovej molekule dvoch častí s rôznymi vlastnosťami - hydrofilnej a hydrofóbnej oblasti. Vonkajšia vrstva membrán je tvorená polárnymi „hlavami“ s hydrofilnými vlastnosťami a hydrofóbne „končeky“ lipidov sú smerované do dvojvrstvy. Okrem lipidov sú súčasťou štruktúry membrány aj proteíny. V roku 1972 americkí mikrobiológovia S.D. Singer (S. Jonathan Singer) a G.L. Nicholson (Garth L. Nicolson) navrhol tekuto-mozaikový model štruktúry membrány, podľa ktorého membránové proteíny „plávajú“ v lipidovej dvojvrstve. Tento model bol doplnený nemeckým biológom Kai Simons (1997), pokiaľ ide o tvorbu určitých, hustejších oblastí s asociovanými proteínmi (lipidové rafty), ktoré sa voľne unášajú v membránovej dvojvrstve.
V rôznych bunkách je pomer lipidov k bielkovinám odlišný (od 25 do 75% bielkovín z hľadiska suchej hmotnosti) a sú umiestnené nerovnomerne. Podľa polohy môžu byť bielkoviny:
Biologická úloha membránových proteínov je rôznorodáa závisí od ich štruktúry a umiestnenia. Medzi nimi sa rozlišujú receptorové proteíny, kanálové proteíny (iónové a poríny), transportéry, motory a štruktúrne proteínové klastre. Všetky typy membránových proteínových receptorov v reakcii na akúkoľvek činnosť menia svoju priestorovú štruktúru a tvoria bunkovú odpoveď. Napríklad inzulínový receptor reguluje tok glukózy do bunky a rodopsín v citlivých bunkách orgánu zraku spúšťa kaskádu reakcií, ktoré vedú k vzniku nervového impulzu. Úlohou membránových proteínových kanálov je transportovať ióny a udržiavať rozdiel v ich koncentráciách (gradient) medzi vnútorným a vonkajším prostredím. Napríklad sodíkovo-draselné čerpadlá zabezpečujú výmenu vhodných iónov a aktívny transport látok. Poríny - end-to-end proteíny - sa podieľajú na prenose molekúl vody, transportéry - na prenos určitých látok proti koncentračnému gradientu. U baktérií a prvokov je pohyb bičíkov zabezpečovaný motormi molekulárnych bielkovín. Štrukturálne membránové proteíny podporujú samotnú membránu a umožňujú interakciu ďalších proteínov plazmatickej membrány.
Membrána je dynamická a veľmi aktívnaprostredie, a nie inertná matrica pre proteíny, ktoré sa v ňom nachádzajú a pracujú. Významne ovplyvňuje prácu membránových proteínov a lipidových raftov, ktoré sa pohybujú, vytvárajú nové asociatívne väzby proteínových molekúl. Mnoho proteínov bez partnerov jednoducho nefunguje a ich intermolekulárna interakcia je zabezpečená povahou lipidovej vrstvy membrán, ktorej štruktúrna organizácia zase závisí od štruktúrnych proteínov. Narušenia tohto chúlostivého mechanizmu interakcie a vzájomnej závislosti vedú k dysfunkcii membránových proteínov a rôznym chorobám, ako je cukrovka a zhubné nádory.
Moderné predstavy o štruktúre a štruktúremembránové proteíny sú založené na skutočnosti, že v periférnej časti membrány väčšina z nich zriedka pozostáva z jednej, častejšie z niekoľkých asociovaných oligomerizujúcich alfa-helixov. Navyše je to táto štruktúra, ktorá je kľúčom k výkonu funkcie. Je to však klasifikácia bielkovín podľa typu štruktúry, ktorá môže priniesť oveľa viac prekvapení. Z viac ako stovky opísaných proteínov je najštudovanejším membránovým proteínom podľa typu oligomerizácie glykoforín A (erytrocytový proteín). U transmembránových proteínov vyzerá situácia komplikovanejšie - bol popísaný iba jeden proteín (fotosyntetické reakčné centrum baktérií - bakteriorhodopsín). Vzhľadom na vysokú molekulovú hmotnosť membránových proteínov (10 - 240 tisíc daltonov) majú molekulárni biológovia široké pole pre výskum.
Medzi všetkými proteínmi plazmolemy je zvláštne miestopatrí medzi receptorové proteíny. Sú to oni, ktorí regulujú, ktoré signály vstúpia do bunky a ktoré nie. Vo všetkých mnohobunkových a niektorých baktériách sa informácie prenášajú pomocou špeciálnych molekúl (signalizácia). Medzi tieto signalizačné činidlá patria hormóny (proteíny osobitne vylučované bunkami), nebielkovinové formácie a jednotlivé ióny. Posledne uvedené sa môžu uvoľniť pri poškodení susedných buniek a spustiť kaskádu reakcií vo forme bolestivého syndrómu, hlavného obranného mechanizmu tela.
Sú to hlavne membránové proteínyciele pre použitie farmakológie, pretože sú to body, cez ktoré prechádza väčšina signálov. „Cieliť“ na liek, zabezpečiť jeho vysokú selektivitu - to je hlavná úloha pri vytváraní farmakologického činidla. Selektívne pôsobenie iba na konkrétny typ alebo dokonca na podtyp receptora je účinkom iba na jeden typ buniek v tele. Takéto selektívne pôsobenie môže napríklad rozlíšiť nádorové bunky od normálnych.
Vlastnosti a vlastnosti membránových proteínov už súdnes sa používajú pri vývoji liekov novej generácie. Tieto technológie sú založené na vytváraní modulárnych farmakologických štruktúr z niekoľkých molekúl alebo nanočastíc, ktoré sú navzájom „zošité“. „Cielená“ časť rozpoznáva určité receptorové proteíny na bunkovej membráne (napríklad tie, ktoré súvisia s vývojom rakoviny). K tejto časti sa pridá činidlo ničiace membránu alebo blokátor procesov produkcie proteínov v bunke. Rozvíjajúca sa apoptóza (program vlastnej smrti) alebo iný mechanizmus kaskády intracelulárnych transformácií vedie k požadovanému výsledku pôsobenia farmakologického činidla. Vďaka tomu máme liek s minimom vedľajších účinkov. Prvé také lieky na boj proti rakovine už prechádzajú klinickými skúškami a čoskoro sa stanú kľúčom k vysoko účinnej liečbe.
Moderná bielkovinová vedaintenzívnejšie prechádza na informačné technológie. Rozsiahly spôsob výskumu - študovať a popísať všetko, čo je možné, uložiť údaje do počítačových databáz a potom hľadať spôsoby, ako tieto poznatky uplatniť - to je cieľom moderných molekulárnych biológov. Iba pred pätnástimi rokmi bol zahájený globálny projekt „ľudský genóm“ a my už máme sekvenovanú mapu ľudských génov. Druhý projekt, ktorého cieľom je určiť priestorovú štruktúru všetkých „kľúčových proteínov“ - štrukturálnu genomiku - nie je ani zďaleka úplný. Priestorová štruktúra bola doteraz určená iba pre 60 tisíc z viac ako piatich miliónov ľudských proteínov. A hoci vedci chovali iba svetielkujúce prasiatka a paradajky odolné voči chladu s lososovým génom, technológie štruktúrnej genomiky zostávajú stupňom vedeckých poznatkov, ktorých praktické uplatnenie nebude trvať dlho.
