Masa depan kedokteran adalah metode personalisasi pengaruh selektif pada sistem sel individu yang bertanggung jawab untuk pengembangan dan perjalanan penyakit tertentu. Kelas utama target terapeutik dalam hal ini adalah protein membran sel sebagai struktur yang bertanggung jawab untuk menyediakan transmisi sinyal langsung ke sel. Sudah hari ini, hampir setengah dari obat mempengaruhi membran sel, dan hanya akan ada lebih banyak lagi di masa depan. Artikel ini dikhususkan untuk pengenalan peran biologis protein membran.
Struktur dan fungsi membran sel
Dari pelajaran sekolah, banyak yang mengingat struktur unit struktural tubuh - sel. Tempat khusus dalam struktur sel hidup dimainkan oleh plasmalemma (membran), yang memisahkan ruang intraseluler dari lingkungannya. Dengan demikian, fungsi utamanya adalah menciptakan penghalang antara konten seluler dan ruang ekstraseluler. Tapi ini bukan satu-satunya fungsi plasmalemma. Antara lain fungsi membran yang berhubungan denganpertama-tama dengan protein membran, mengeluarkan:
- Protektif (mengikat antigen dan mencegah penetrasinya ke dalam sel).
- Transportasi (memastikan pertukaran zat antara sel dan lingkungan).
- Sinyal (kompleks protein reseptor bawaan memberikan iritabilitas sel dan responsnya terhadap berbagai pengaruh eksternal).
- Energi - transformasi berbagai bentuk energi: mekanik (flagella dan silia), listrik (impuls saraf) dan kimia (sintesis molekul asam adenosin trifosfat).
- Kontak (menyediakan komunikasi antar sel menggunakan desmosom dan plasmodesmata, serta lipatan dan pertumbuhan plasmolemma).
Struktur membran
Membran sel adalah lapisan ganda lipid. Bilayer terbentuk karena adanya molekul lipid dari dua bagian dengan sifat yang berbeda - bagian hidrofilik dan hidrofobik. Lapisan luar membran dibentuk oleh "kepala" polar dengan sifat hidrofilik, dan "ekor" hidrofobik lipid diputar di dalam bilayer. Selain lipid, struktur membran termasuk protein. Pada tahun 1972, ahli mikrobiologi Amerika S. D. Penyanyi (S. Jonathan Singer) dan G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) mengusulkan model struktur membran-mosaik-fluida, yang menurutnya protein membran "mengambang" dalam lapisan ganda lipid. Model ini dilengkapi oleh ahli biologi Jerman Kai Simons (1997) dalam hal pembentukan daerah tertentu yang lebih padat dengan protein terkait (rakit lipid) yang melayang bebas di bilayer membran.
Struktur spasial protein membran
Dalam sel yang berbeda, rasio lipid dan protein berbeda (dari 25 hingga 75% protein dalam hal berat kering), dan letaknya tidak merata. Berdasarkan lokasi, protein dapat berupa:
- Integral (transmembran) - dibangun ke dalam membran. Pada saat yang sama, mereka menembus membran, terkadang berulang kali. Daerah ekstraseluler mereka sering membawa rantai oligosakarida, membentuk kelompok glikoprotein.
- Perifer - terletak terutama di bagian dalam membran. Komunikasi dengan lipid membran disediakan oleh ikatan hidrogen reversibel.
- Berlabuh - terutama terletak di bagian luar sel dan "jangkar" yang menahannya di permukaan adalah molekul lipid yang terbenam dalam lapisan ganda.
Fungsi dan tanggung jawab
Peran biologis protein membran beragam dan bergantung pada struktur dan lokasinya. Mereka termasuk protein reseptor, protein saluran (ionik dan porin), pengangkut, motor, dan kelompok protein struktural. Semua jenis reseptor protein membran, sebagai respons terhadap dampak apa pun, mengubah struktur spasialnya dan membentuk respons sel. Misalnya, reseptor insulin mengatur masuknya glukosa ke dalam sel, dan rhodopsin di sel sensitif organ penglihatan memicu kaskade reaksi yang mengarah pada munculnya impuls saraf. Peran saluran protein membran adalah untuk mengangkut ion dan mempertahankan perbedaan konsentrasinya (gradien) antara lingkungan internal dan eksternal. Sebagai contoh,pompa natrium-kalium menyediakan pertukaran ion yang sesuai dan transpor aktif zat. Porin - melalui protein - terlibat dalam transfer molekul air, transporter - dalam transfer zat tertentu melawan gradien konsentrasi. Pada bakteri dan protozoa, pergerakan flagela disediakan oleh motor protein molekuler. Protein membran struktural mendukung membran itu sendiri dan memastikan interaksi protein membran plasma lainnya.
Protein membran, membran protein
Membran adalah lingkungan yang dinamis dan sangat aktif, dan bukan matriks inert untuk protein yang berada dan bekerja di dalamnya. Ini secara signifikan mempengaruhi kerja protein membran, dan rakit lipid, bergerak, membentuk ikatan asosiatif baru molekul protein. Banyak protein tidak bekerja tanpa pasangan, dan interaksi antarmolekulnya disediakan oleh sifat lapisan lipid membran, organisasi struktural yang, pada gilirannya, bergantung pada protein struktural. Gangguan dalam mekanisme interaksi dan ketergantungan yang rumit ini menyebabkan disfungsi protein membran dan sejumlah penyakit, seperti diabetes dan tumor ganas.
Organisasi struktural
Gagasan modern tentang struktur dan struktur protein membran didasarkan pada fakta bahwa di bagian perifer membran, sebagian besar jarang terdiri dari satu, lebih sering dari beberapa heliks alfa oligomerisasi terkait. Selain itu, struktur inilah yang menjadi kunci kinerja fungsi. Namun, itu adalah klasifikasi protein berdasarkan jenisstruktur dapat membawa lebih banyak kejutan. Dari lebih dari seratus protein yang dijelaskan, protein membran yang paling banyak dipelajari dalam hal jenis oligomerisasi adalah glikoforin A (protein eritrosit). Untuk protein transmembran, situasinya terlihat lebih rumit - hanya satu protein yang telah dijelaskan (pusat reaksi fotosintesis bakteri - bacteriorhodopsin). Mengingat berat molekul protein membran yang tinggi (10-240 ribu d alton), ahli biologi molekuler memiliki bidang penelitian yang luas.
Sistem sinyal seluler
Di antara semua protein membran plasma, tempat khusus dimiliki oleh protein reseptor. Merekalah yang mengatur sinyal mana yang masuk ke dalam sel dan mana yang tidak. Dalam semua multiseluler dan beberapa bakteri, informasi ditransmisikan melalui molekul khusus (sinyal). Di antara agen pensinyalan ini adalah hormon (protein yang secara khusus disekresikan oleh sel), formasi non-protein, dan ion individu. Yang terakhir ini dapat dilepaskan ketika sel-sel tetangga rusak dan memicu serangkaian reaksi dalam bentuk sindrom nyeri, mekanisme pertahanan utama tubuh.
Target farmakologi
Ini adalah protein membran yang merupakan target utama farmakologi, karena mereka adalah titik yang dilalui sebagian besar sinyal. "Menargetkan" obat, memastikan selektivitasnya yang tinggi - ini adalah tugas utama dalam menciptakan agen farmakologis. Efek selektif hanya pada jenis tertentu atau bahkan subtipe reseptor adalah efek pada hanya satu jenis sel tubuh. Selektif seperti itupaparan dapat, misalnya, membedakan sel tumor dari yang normal.
Obat masa depan
Sifat dan fitur protein membran sudah digunakan dalam pembuatan obat generasi baru. Teknologi ini didasarkan pada penciptaan struktur farmakologis modular dari beberapa molekul atau nanopartikel yang "terikat silang" satu sama lain. Bagian "penargetan" mengenali protein reseptor tertentu pada membran sel (misalnya, yang terkait dengan perkembangan penyakit onkologis). Pada bagian ini ditambahkan zat perusak membran atau penghambat dalam proses produksi protein di dalam sel. Mengembangkan apoptosis (program kematian sendiri) atau mekanisme lain dari kaskade transformasi intraseluler mengarah pada hasil yang diinginkan dari paparan agen farmakologis. Akibatnya, kami memiliki obat dengan efek samping minimal. Obat pelawan kanker pertama sudah dalam uji klinis dan akan segera menjadi terapi yang sangat efektif.
Genomics struktural
Ilmu modern tentang molekul protein semakin beralih ke teknologi informasi. Jalur penelitian yang ekstensif - untuk mempelajari dan menjelaskan segala sesuatu yang dapat disimpan dalam basis data komputer dan kemudian mencari cara untuk menerapkan pengetahuan ini - inilah tujuan para ahli biologi molekuler modern. Hanya lima belas tahun yang lalu, proyek genom manusia global dimulai, dan kami telah memiliki peta urutan gen manusia. Proyek kedua, yang bertujuan untuk mendefinisikanstruktur spasial semua "protein kunci" - genomik struktural - masih jauh dari sempurna. Struktur spasial sejauh ini telah ditentukan hanya untuk 60.000 dari lebih dari lima juta protein manusia. Dan sementara para ilmuwan hanya menumbuhkan anak babi bercahaya dan tomat tahan dingin dengan gen salmon, teknologi genomik struktural tetap menjadi tahap pengetahuan ilmiah, aplikasi praktisnya tidak akan lama lagi.
