O futuro da medicina são métodos personalizados de influência seletiva em sistemas celulares individuais que são responsáveis pelo desenvolvimento e curso de uma determinada doença. A principal classe de alvos terapêuticos neste caso são as proteínas da membrana celular como estruturas responsáveis por fornecer a transmissão direta do sinal para a célula. Já hoje, quase metade das drogas afetam as membranas celulares, e só haverá mais delas no futuro. Este artigo é dedicado ao conhecimento do papel biológico das proteínas de membrana.
Estrutura e função da membrana celular
Do curso escolar, muitos se lembram da estrutura da unidade estrutural do corpo - a célula. Um lugar especial na estrutura de uma célula viva é desempenhado pelo plasmalema (membrana), que separa o espaço intracelular de seu ambiente. Assim, sua principal função é criar uma barreira entre o conteúdo celular e o espaço extracelular. Mas esta não é a única função do plasmalema. Entre outras funções de membrana relacionadasem primeiro lugar com proteínas de membrana, secretam:
- Protetora (ligando antígenos e impedindo sua penetração na célula).
- Transporte (garantir a troca de substâncias entre a célula e o meio ambiente).
- Sinal (complexos de proteínas receptoras incorporados fornecem irritabilidade celular e sua resposta a várias influências externas).
- Energia - transformação de diferentes formas de energia: mecânica (flagelos e cílios), elétrica (impulso nervoso) e química (síntese de moléculas de ácido adenosina trifosfórico).
- Contato (fornecendo comunicação entre células usando desmossomos e plasmodesmas, bem como dobras e excrescências do plasmolema).
Estrutura de membranas
A membrana celular é uma dupla camada de lipídios. A bicamada é formada devido à presença na molécula lipídica de duas partes com propriedades diferentes - uma seção hidrofílica e outra hidrofóbica. A camada externa das membranas é formada por "cabeças" polares com propriedades hidrofílicas, e as "caudas" hidrofóbicas dos lipídios são viradas para dentro da bicamada. Além dos lipídios, a estrutura das membranas inclui proteínas. Em 1972, os microbiologistas americanos S. D. Singer (S. Jonathan Singer) e G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) propôs um modelo fluido-mosaico da estrutura da membrana, segundo o qual as proteínas da membrana "flutuam" na bicamada lipídica. Este modelo foi complementado pelo biólogo alemão Kai Simons (1997) em termos da formação de certas regiões mais densas com proteínas associadas (lipid rafts) que flutuam livremente na bicamada da membrana.
Estrutura espacial de proteínas de membrana
Em células diferentes, a proporção de lipídios e proteínas é diferente (de 25 a 75% de proteínas em termos de peso seco), e elas estão localizadas de forma desigual. Por localização, as proteínas podem ser:
- Integral (transmembrana) - embutido na membrana. Ao mesmo tempo, eles penetram na membrana, às vezes repetidamente. Suas regiões extracelulares geralmente carregam cadeias de oligossacarídeos, formando aglomerados de glicoproteínas.
- Periférico - localizado principalmente no interior das membranas. A comunicação com os lipídios da membrana é fornecida por ligações de hidrogênio reversíveis.
- Ancorado - localizado principalmente na parte externa da célula e a "âncora" que os prende na superfície é uma molécula lipídica imersa na bicamada.
Funcionalidade e responsabilidades
O papel biológico das proteínas de membrana é diverso e depende de sua estrutura e localização. Eles incluem proteínas receptoras, proteínas de canal (iônicas e porinas), transportadores, motores e aglomerados de proteínas estruturais. Todos os tipos de receptores de proteínas de membrana, em resposta a qualquer impacto, alteram sua estrutura espacial e formam a resposta da célula. Por exemplo, o receptor de insulina regula a entrada de glicose na célula, e a rodopsina nas células sensíveis do órgão da visão desencadeia uma cascata de reações que levam ao aparecimento de um impulso nervoso. O papel dos canais proteicos de membrana é transportar íons e manter a diferença em suas concentrações (gradiente) entre o ambiente interno e externo. Por exemplo,bombas de sódio-potássio fornecem a troca dos íons correspondentes e o transporte ativo de substâncias. Porinas - através de proteínas - estão envolvidas na transferência de moléculas de água, transportadores - na transferência de certas substâncias contra um gradiente de concentração. Em bactérias e protozoários, o movimento dos flagelos é fornecido por motores de proteínas moleculares. As proteínas estruturais da membrana sustentam a própria membrana e garantem a interação de outras proteínas da membrana plasmática.
Proteínas de membrana, membrana proteica
A membrana é um ambiente dinâmico e muito ativo, e não uma matriz inerte para as proteínas que nela se localizam e trabalham. Afeta significativamente o trabalho das proteínas de membrana e as balsas lipídicas, em movimento, formam novas ligações associativas de moléculas de proteínas. Muitas proteínas simplesmente não funcionam sem parceiros, e sua interação intermolecular é fornecida pela natureza da camada lipídica das membranas, cuja organização estrutural, por sua vez, depende de proteínas estruturais. Distúrbios neste delicado mecanismo de interação e interdependência levam à disfunção de proteínas de membrana e a uma série de doenças, como diabetes e tumores malignos.
Organização Estrutural
Idéias modernas sobre a estrutura e estrutura das proteínas de membrana são baseadas no fato de que na parte periférica da membrana, a maioria delas raramente consiste de uma, mais frequentemente de várias alfa-hélices oligomerizantes associadas. Além disso, é essa estrutura que é a chave para o desempenho da função. No entanto, é a classificação das proteínas por tipoestruturas podem trazer muito mais surpresas. Das mais de uma centena de proteínas descritas, a proteína de membrana mais estudada quanto ao tipo de oligomerização é a glicoforina A (proteína eritrocitária). Para proteínas transmembranares, a situação parece mais complicada - apenas uma proteína foi descrita (o centro de reação fotossintética das bactérias - bacteriorodopsina). Dado o alto peso molecular das proteínas de membrana (10-240 mil d altons), os biólogos moleculares têm um amplo campo de pesquisa.
Sistemas de sinalização celular
Entre todas as proteínas da membrana plasmática, um lugar especial pertence às proteínas receptoras. São eles que regulam quais sinais entram na célula e quais não. Em todas as bactérias multicelulares e algumas, a informação é transmitida através de moléculas especiais (sinal). Entre esses agentes de sinalização estão os hormônios (proteínas especialmente secretadas pelas células), formações não proteicas e íons individuais. Este último pode ser liberado quando as células vizinhas são danificadas e desencadear uma cascata de reações na forma de uma síndrome dolorosa, principal mecanismo de defesa do organismo.
Metas para farmacologia
São as proteínas de membrana que são os principais alvos da farmacologia, pois são os pontos por onde passa a maioria dos sinais. "Direcionar" um medicamento, garantindo sua alta seletividade - essa é a principal tarefa na criação de um agente farmacológico. Um efeito seletivo em apenas um tipo específico ou mesmo um subtipo do receptor é um efeito em apenas um tipo de células do corpo. Um tão seletivoa exposição pode, por exemplo, distinguir as células tumorais das normais.
Drogas do futuro
Propriedades e características das proteínas de membrana já estão sendo utilizadas na criação de medicamentos de nova geração. Estas tecnologias baseiam-se na criação de estruturas farmacológicas modulares a partir de várias moléculas ou nanopartículas “reticuladas” entre si. A parte de “direcionamento” reconhece certas proteínas receptoras na membrana celular (por exemplo, aquelas associadas ao desenvolvimento de doenças oncológicas). A esta parte é adicionado um agente destruidor de membranas ou um bloqueador nos processos de produção de proteínas na célula. Desenvolver a apoptose (o programa da própria morte) ou outro mecanismo da cascata de transformações intracelulares leva ao resultado desejado de exposição a um agente farmacológico. Como resultado, temos um medicamento com um mínimo de efeitos colaterais. Os primeiros medicamentos contra o câncer já estão em testes clínicos e em breve se tornarão terapias altamente eficazes.
Genômica estrutural
A ciência moderna das moléculas de proteínas está se movendo cada vez mais para a tecnologia da informação. Um extenso caminho de pesquisa - estudar e descrever tudo o que pode ser armazenado em bancos de dados de computadores e depois buscar formas de aplicar esse conhecimento - esse é o objetivo dos biólogos moleculares modernos. Há apenas quinze anos, o projeto global do genoma humano começou e já temos um mapa sequenciado de genes humanos. O segundo projeto, que visa definira estrutura espacial de todas as "proteínas-chave" - genômica estrutural - ainda está longe de ser completa. A estrutura espacial até agora foi determinada apenas para 60.000 de mais de cinco milhões de proteínas humanas. E embora os cientistas tenham cultivado apenas leitões luminosos e tomates resistentes ao frio com o gene do salmão, as tecnologias de genômica estrutural continuam sendo um estágio do conhecimento científico, cuja aplicação prática não demorará a chegar.
