El futuro de la medicina son los métodos personalizados de influencia selectiva en los sistemas celulares individuales que son responsables del desarrollo y curso de una enfermedad en particular. La principal clase de dianas terapéuticas en este caso son las proteínas de la membrana celular como estructuras responsables de proporcionar la transmisión directa de señales a la célula. Ya hoy, casi la mitad de las drogas afectan las membranas celulares, y solo habrá más en el futuro. Este artículo está dedicado al conocimiento del papel biológico de las proteínas de membrana.
Estructura y función de la membrana celular
Del curso escolar, muchos recuerdan la estructura de la unidad estructural del cuerpo: la célula. El plasmalema (membrana), que separa el espacio intracelular de su entorno, ocupa un lugar especial en la estructura de una célula viva. Así, su principal función es la de crear una barrera entre el contenido celular y el espacio extracelular. Pero esta no es la única función del plasmalema. Entre otras funciones de la membrana relacionadas conen primer lugar con proteínas de membrana, secretan:
- Protector (unión de antígenos y prevención de su penetración en la célula).
- Transporte (asegurar el intercambio de sustancias entre la célula y el medio ambiente).
- Señal (los complejos de proteínas receptoras incorporados proporcionan irritabilidad celular y su respuesta a diversas influencias externas).
- Energía - transformación de diferentes formas de energía: mecánica (flagelos y cilios), eléctrica (impulso nervioso) y química (síntesis de moléculas de ácido trifosfórico de adenosina).
- Contacto (proporciona comunicación entre células usando desmosomas y plasmodesmos, así como pliegues y excrecencias del plasmolema).
Estructura de las membranas
La membrana celular es una doble capa de lípidos. La bicapa se forma debido a la presencia en la molécula lipídica de dos partes con propiedades diferentes: una sección hidrofílica y otra hidrofóbica. La capa externa de las membranas está formada por "cabezas" polares con propiedades hidrofílicas, y las "colas" hidrofóbicas de los lípidos están volteadas dentro de la bicapa. Además de los lípidos, la estructura de las membranas incluye proteínas. En 1972, los microbiólogos estadounidenses S. D. Singer (S. Jonathan Singer) y G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) propuso un modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana, según el cual las proteínas de la membrana "flotan" en la bicapa lipídica. Este modelo fue complementado por el biólogo alemán Kai Simons (1997) en términos de la formación de ciertas regiones más densas con proteínas asociadas (balsas lipídicas) que flotan libremente en la bicapa de la membrana.
Estructura espacial de las proteínas de membrana
En diferentes células, la proporción de lípidos y proteínas es diferente (del 25 al 75 % de las proteínas en términos de peso seco), y están ubicados de manera desigual. Por ubicación, las proteínas pueden ser:
- Integral (transmembrana) - integrado en la membrana. Al mismo tiempo, penetran la membrana, a veces repetidamente. Sus regiones extracelulares a menudo llevan cadenas de oligosacáridos, formando grupos de glicoproteínas.
- Periférico - ubicado principalmente en el interior de las membranas. La comunicación con los lípidos de la membrana se realiza mediante enlaces de hidrógeno reversibles.
- Anclado: ubicado principalmente en el exterior de la célula y el "ancla" que los sostiene en la superficie es una molécula lipídica inmersa en la bicapa.
Funcionalidad y responsabilidades
La función biológica de las proteínas de membrana es diversa y depende de su estructura y ubicación. Incluyen proteínas receptoras, proteínas de canal (iónicas y porinas), transportadores, motores y grupos de proteínas estructurales. Todos los tipos de receptores de proteínas de membrana, en respuesta a cualquier impacto, cambian su estructura espacial y forman la respuesta de la célula. Por ejemplo, el receptor de insulina regula la entrada de glucosa en la célula, y la rodopsina en las células sensibles del órgano de la visión desencadena una cascada de reacciones que conducen a la aparición de un impulso nervioso. El papel de los canales de proteínas de membrana es transportar iones y mantener la diferencia en sus concentraciones (gradiente) entre el ambiente interno y externo. Por ejemplo,Las bombas de sodio-potasio aseguran el intercambio de los iones correspondientes y el transporte activo de sustancias. Las porinas, a través de las proteínas, están involucradas en la transferencia de moléculas de agua, transportadores, en la transferencia de ciertas sustancias contra un gradiente de concentración. En las bacterias y los protozoos, el movimiento de los flagelos lo proporcionan motores de proteínas moleculares. Las proteínas estructurales de la membrana soportan la propia membrana y aseguran la interacción de otras proteínas de la membrana plasmática.
Proteínas de membrana, membrana proteica
La membrana es un entorno dinámico y muy activo, y no una matriz inerte para las proteínas que se ubican y trabajan en ella. Afecta significativamente el trabajo de las proteínas de membrana y las balsas de lípidos, en movimiento, forman nuevos enlaces asociativos de moléculas de proteínas. Muchas proteínas simplemente no funcionan sin socios, y su interacción intermolecular es proporcionada por la naturaleza de la capa lipídica de las membranas, cuya organización estructural, a su vez, depende de las proteínas estructurales. Las alteraciones en este delicado mecanismo de interacción e interdependencia conducen a la disfunción de las proteínas de membrana y a una serie de enfermedades, como la diabetes y los tumores malignos.
Organización estructural
Las ideas modernas sobre la estructura y la estructura de las proteínas de membrana se basan en el hecho de que en la parte periférica de la membrana, la mayoría de ellas rara vez consisten en una, más a menudo en varias hélices alfa oligomerizantes asociadas. Además, es esta estructura la clave para el desempeño de la función. Sin embargo, es la clasificación de las proteínas por tipoLas estructuras pueden traer muchas más sorpresas. De más de cien proteínas descritas, la proteína de membrana más estudiada en cuanto al tipo de oligomerización es la glicoforina A (proteína eritrocítica). Para las proteínas transmembrana, la situación parece más complicada: solo se ha descrito una proteína (el centro de reacción fotosintético de las bacterias, la bacteriorrodopsina). Dado el alto peso molecular de las proteínas de membrana (10-240 mil d altons), los biólogos moleculares tienen un amplio campo de investigación.
Sistemas de señalización celular
Entre todas las proteínas de la membrana plasmática, un lugar especial pertenece a las proteínas receptoras. Son ellos los que regulan qué señales entran en la célula y cuáles no. En todas las bacterias pluricelulares y en algunas, la información se transmite a través de moléculas especiales (señal). Entre estos agentes de señalización se encuentran las hormonas (proteínas especialmente secretadas por las células), formaciones no proteicas e iones individuales. Este último puede liberarse cuando las células vecinas se dañan y desencadenar una cascada de reacciones en forma de síndrome de dolor, el principal mecanismo de defensa del organismo.
Objetivos para farmacología
Las proteínas de membrana son los principales objetivos de la farmacología, ya que son los puntos por los que pasan la mayoría de las señales. "Apuntar" a un medicamento, asegurando su alta selectividad: esta es la tarea principal en la creación de un agente farmacológico. Un efecto selectivo solo sobre un tipo específico o incluso un subtipo del receptor es un efecto sobre un solo tipo de células corporales. tan selectivola exposición puede, por ejemplo, distinguir las células tumorales de las normales.
Drogas del futuro
Las propiedades y características de las proteínas de membrana ya se están utilizando en la creación de fármacos de nueva generación. Estas tecnologías se basan en la creación de estructuras farmacológicas modulares a partir de varias moléculas o nanopartículas “entrecruzadas” entre sí. La parte de “targeting” reconoce ciertas proteínas receptoras en la membrana celular (por ejemplo, aquellas asociadas con el desarrollo de enfermedades oncológicas). A esta parte se le añade un agente destructor de membranas o un bloqueador en los procesos de producción de proteínas en la célula. El desarrollo de la apoptosis (el programa de la propia muerte) u otro mecanismo de la cascada de transformaciones intracelulares conduce al resultado deseado de exposición a un agente farmacológico. Como resultado, tenemos un medicamento con un mínimo de efectos secundarios. Los primeros medicamentos contra el cáncer de este tipo ya se encuentran en ensayos clínicos y pronto se convertirán en terapias altamente efectivas.
Genómica estructural
La ciencia moderna de las moléculas de proteínas se está moviendo cada vez más hacia la tecnología de la información. Un amplio camino de investigación: estudiar y describir todo lo que se puede almacenar en bases de datos informáticas y luego buscar formas de aplicar este conocimiento: este es el objetivo de los biólogos moleculares modernos. Hace apenas quince años, comenzó el proyecto global del genoma humano y ya tenemos un mapa secuenciado de genes humanos. El segundo proyecto, que pretende definirla estructura espacial de todas las "proteínas clave" (genómica estructural) aún está lejos de estar completa. Hasta ahora, la estructura espacial se ha determinado solo para 60,000 de más de cinco millones de proteínas humanas. Y aunque los científicos han cultivado solo lechones luminosos y tomates resistentes al frío con el gen del salmón, las tecnologías de genómica estructural siguen siendo una etapa del conocimiento científico, cuya aplicación práctica no tardará en llegar.
