Львів
C
» » Біологічна роль мембранних білків

Біологічна роль мембранних білків

Майбутнє медицини – персоніфіковані методи виборчого впливу на окремі системи клітини, які відповідальні за розвиток і протягом конкретного захворювання. Основним класом терапевтичних мішеней при цьому є мембранні білки клітини як структури, відповідальні за забезпечення безпосередньої передачі сигналів у клітину. Уже сьогодні майже половина ліків впливають саме на клітинні мембрани, і далі буде тільки більше. Знайомству з біологічною роллю мембранних білків присвячена дана стаття.
Біологічна роль мембранних білків



Структура і функції клітинної мембрани

Зі шкільного курсу багато хто пам'ятає пристрій структурної одиниці організму – клітини. Особливе місце в пристрої живої клітини відіграє плазмалемма (мембрана), яка відокремлює внутрішньоклітинний простір від навколишнього її середовища. Таким чином, головна її функція – створення бар'єру між клітинним вмістом і позаклітинним простором. Але це не єдина функція плазмолеми. Серед інших функцій мембрани, пов'язаних в першу чергу з мембранними білками, виділяють:
  • Захисну (зв'язування антигенів і попередження їх проникнення в клітину).
  • Транспортну (забезпечення обміну речовин між клітиною і середовищем).
  • Сигнальну (вмонтовані рецепторні білкові комплекси забезпечують подразливість клітини і її відповідь на різні впливи ззовні).
  • Енергетичну - перетворення різних форм енергії: механічної (джгутики і війки), електричної (нервовий імпульс) і хімічної (синтез молекул аденозинтрифосфорної кислоти).
  • Контактну (забезпечення зв'язку між клітинами за допомогою десмосом і плазмодесм, а також складок і виростів плазмолеми).
  • Біологічна роль мембранних білків



    Будова мембран

    Мембрана клітини – це подвійний шар ліпідів. Бислой утворюється завдяки наявності в молекулі ліпідів двох частин з різними властивостями – гідрофільного та гідрофобного ділянки. Зовнішній шар мембран утворений полярними «головками» з гідрофільними властивостями, а гідрофобні «хвости» ліпідів звернені всередину бішару. Крім ліпідів, в структуру мембран входять білки. В 1972 році американські мікробіологи С. Д. Сінгер (S. Jonathan Singer) і Г. Л. Ніколсон (Garth L. Nicolson) запропонували рідинно-мозаїчну модель будови мембрани, згідно з якою, мембранні білки «плавають» у бислое ліпідів. Ця модель була доповнена німецьким біологом Каєм Зимонсом (1997) в частині утворення певних, більш щільних ділянок з асоційованими білками (ліпідних рафтів), які вільно дрейфують у бислое мембрани.

    Просторова структура мембранних білків

    В різних клітинах співвідношення ліпідів і білків різна (від 25 до 75% білків у перерахунку на суху масу), і розташовані вони нерівномірно. По розташуванню білки можуть бути:
  • Інтегральними (трансмембранними) – вбудованими в мембрану. При цьому вони пронизують мембрану, іноді неодноразово. Їх позаклітинні ділянки часто несуть ланцюга олігосахаридів, формуючи гликопротеиновые кластери.
  • Периферичними – розташовані переважно на внутрішній стороні мембран. Зв'язок з ліпідами мембран забезпечується за рахунок водневих зворотних зв'язків.
  • Заякоренными – переважно розташовані з зовнішньої сторони клітки і «якір», який утримує їх на поверхні, є молекулу ліпіду, занурена в бислой.
  • Біологічна роль мембранних білків

    Функціонал і обов'язки

    Біологічна роль мембранних білків різноманітна і залежить від їх структури і розташування. Серед них виділяють рецепторні білки, канальні (іонні і порины), транспортери, мотори та структурні білкові кластери. Всі види мембранних білків-рецепторів у відповідь на яке-небудь вплив змінюють свою просторову структуру і формують відповідь клітини. Наприклад, рецептор інсуліну регулює надходження глюкози всередину клітини, а родопсин в чутливих клітинах органу зору запускає каскад реакцій, що призводять до виникнення нервового імпульсу. Роль мембранних білків-каналів полягає в транспорті іонів і підтримці різниці їх концентрацій (градієнта) між внутрішнім і зовнішнім середовищем. Наприклад, натрій-калій насоси забезпечують обмін відповідних іонів і активний транспорт речовин. Порины – наскрізні білки беруть участь в перенесенні молекул води, транспортери – перенесення деяких речовин проти градієнта концентрацій. У бактерій і найпростіших рух джгутиків забезпечують молекулярні білкові мотори. Структурні мембранні білки підтримують саму мембрану і забезпечують взаємодію інших білків плазмолеми.
    Біологічна роль мембранних білків

    Білки для мембрани, мембрана для білків

    Мембрана - це динамічна і дуже активне середовище, а не інертна матриця для білків, які в ній розташовані і працюють. Вона суттєво впливає на роботу мембранних білків, а ліпідні рафти, переміщаючись, формують нові асоціативні зв'язки білкових молекул. Багато білки просто не працюють без партнерів, і міжмолекулярне їх взаємодія забезпечується характером ліпідного шару мембран, структурна організація якого, в свою чергу, залежить від структурних білків. Порушення в цьому тонкому механізмі взаємодії і взаємозалежності призводять до порушення функцій мембранних білків і цілого ряду захворювань, таких як діабет і злоякісні пухлини.

    Структурна організація

    Сучасні уявлення про структуру і будову мембранних білків засновані на тому, що в мембранної периферичної частини більшість з них полягає рідко одній, частіше з декількох асоційованих олигомеризующихся альфа-спіралей. Причому саме така структура є запорукою виконання функції. Однак саме класифікація білків за типами структур може принести ще чимало сюрпризів. Більш ніж зі ста описаних білків найбільш вивченим за типом олігомеризації мембранним білком є гликофорин А (білок еритроцитів). Для трансмембранных білків ситуація виглядає складніше – описаний лише один білок (фотосинтетичний реакційний центр бактерій - бактериородопсин). Враховуючи високу молекулярну масу мембранних білків (10-240 тисяч дальтон), у молекулярних біологів широке поле для досліджень.
    Біологічна роль мембранних білків

    Сигнальні системи клітини

    Серед усіх білків плазмолеми особливе місце належить рецепторних білків. Саме вони регулюють, які сигнали надійдуть в клітку, а які ні. У всіх багатоклітинних і деяких бактерій передача інформації здійснюється за допомогою спеціальних молекул (сигнальних). Серед цих сигнальних агентів виділяють гормони (білки, спеціально секретируемые клітинами), небелковые освіти і окремі іони. Останні можуть виділятися при пошкодженні сусідніх клітин і запускати каскад реакцій у вигляді больового синдрому, головного захисного механізму організму.

    Мішені для фармакології

    Саме мембранні білки є головними мішенями застосування фармакології, так як саме вони і є ті точки, через які йде більшість сигналів. «Націлити» лікарський препарат, забезпечити його високу селективність – ось головне завдання при створенні фармакологічного засобу. Виборче вплив тільки на конкретний тип або навіть підтип рецептора – це вплив тільки на один тип клітин організму. Таке селективне вплив може, наприклад, відрізнити пухлинні клітини від нормальних.
    Біологічна роль мембранних білків

    Ліки майбутнього

    Властивості та особливості мембранних білків вже сьогодні використовуються у створенні ліків нового покоління. Ці технології засновані на створенні модульних фармакологічних структур з декількох молекул або наночастинок, «зшитих» один з одним. «Нацеливающая» частина дізнається на мембрані клітини певні рецепторні білки (наприклад, пов'язані з розвитком онкологічних захворювань). До цієї частини додано руйнує мембрану агент або блокатор процесів виробництва білків в клітині. Розвивається апоптоз (програма власної загибелі) або інший механізм каскаду внутрішньоклітинних перетворень приводить до бажаного результату впливу фармакологічного засобу. В результаті ми маємо ліки з мінімумом побічних ефектів. Перші такі ліки по боротьбі з раком вже проходять клінічні випробування і незабаром стануть запорукою високоефективної терапії.
    Біологічна роль мембранних білків

    Структурна геноміка

    Сучасна наука про білкових молекулах все інтенсивніше переходить на інформаційні технології. Екстенсивний шлях досліджень – вивчити і описати все, що можна, зберегти дані в комп'ютерних базах і потім шукати шляхи застосування даних знань – така мета сучасних молекулярних біологів. Всього лише п'ятнадцять років тому стартував глобальний проект «геном людини», і ми вже маємо секвенированную карту генів людини. Другий проект, мета якого - визначити просторову будову всіх ключових білків», - структурна геноміка – поки далекий від завершення. Просторова структура визначена поки тільки для 60 тисяч більше ніж з п'яти мільйонів білків людини. І нехай поки вчені виростили лише світяться поросят і холодоустойчивые помідори з геном лосося, технології структурної геноміки залишаються етапом наукового пізнання, практичне застосування якого не змусить довго себе чекати.