L'avenir de la médecine réside dans les méthodes personnalisées d'influence sélective sur les systèmes cellulaires individuels responsables du développement et de l'évolution d'une maladie particulière. La principale classe de cibles thérapeutiques dans ce cas sont les protéines de la membrane cellulaire en tant que structures responsables de la transmission directe du signal à la cellule. Déjà aujourd'hui, près de la moitié des médicaments affectent les membranes cellulaires, et il n'y en aura que plus à l'avenir. Cet article est consacré à la connaissance du rôle biologique des protéines membranaires.
Structure et fonction de la membrane cellulaire
Du cours de l'école, beaucoup se souviennent de la structure de l'unité structurelle du corps - la cellule. Une place particulière dans la structure d'une cellule vivante est occupée par le plasmalemme (membrane), qui sépare l'espace intracellulaire de son environnement. Ainsi, sa fonction principale est de créer une barrière entre le contenu cellulaire et l'espace extracellulaire. Mais ce n'est pas la seule fonction du plasmalemme. Parmi les autres fonctions membranaires liées àtout d'abord avec des protéines membranaires, sécrètent:
- Protecteur (liant les antigènes et empêchant leur pénétration dans la cellule).
- Transport (assurant l'échange de substances entre la cellule et l'environnement).
- Signal (les complexes protéiques récepteurs intégrés fournissent l'irritabilité cellulaire et sa réponse à diverses influences externes).
- Énergie - transformation de différentes formes d'énergie: mécanique (flagelles et cils), électrique (influx nerveux) et chimique (synthèse de molécules d'acide adénosine triphosphorique).
- Contact (assurant la communication entre les cellules à l'aide de desmosomes et de plasmodesmes, ainsi que de replis et d'excroissances du plasmolemme).
Structure des membranes
La membrane cellulaire est une double couche de lipides. La bicouche est formée en raison de la présence dans la molécule lipidique de deux parties aux propriétés différentes - une section hydrophile et une section hydrophobe. La couche externe des membranes est formée de "têtes" polaires aux propriétés hydrophiles, et les "queues" hydrophobes des lipides sont tournées à l'intérieur de la bicouche. En plus des lipides, la structure des membranes comprend des protéines. En 1972, les microbiologistes américains S. D. Singer (S. Jonathan Singer) et G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) a proposé un modèle de mosaïque fluide de la structure de la membrane, selon lequel les protéines membranaires "flottent" dans la bicouche lipidique. Ce modèle a été complété par le biologiste allemand Kai Simons (1997) quant à la formation de certaines régions plus denses avec des protéines associées (radeaux lipidiques) qui dérivent librement dans la bicouche membranaire.
Structure spatiale des protéines membranaires
Dans différentes cellules, le rapport entre les lipides et les protéines est différent (de 25 à 75 % de protéines en termes de poids sec), et ils sont inégalement répartis. Par emplacement, les protéines peuvent être:
- Integral (transmembranaire) - construit dans la membrane. En même temps, ils pénètrent la membrane, parfois de façon répétée. Leurs régions extracellulaires portent souvent des chaînes d'oligosaccharides, formant des grappes de glycoprotéines.
- Périphérique - situé principalement à l'intérieur des membranes. La communication avec les lipides membranaires est assurée par des liaisons hydrogène réversibles.
- Ancré - principalement situé à l'extérieur de la cellule et "l'ancre" qui les maintient à la surface est une molécule lipidique immergée dans la bicouche.
Fonctionnalité et responsabilités
Le rôle biologique des protéines membranaires est varié et dépend de leur structure et de leur localisation. Ils comprennent des protéines réceptrices, des protéines de canaux (ioniques et porines), des transporteurs, des moteurs et des clusters de protéines structurelles. Tous les types de récepteurs de protéines membranaires, en réponse à tout impact, modifient leur structure spatiale et forment la réponse de la cellule. Par exemple, le récepteur de l'insuline régule l'entrée du glucose dans la cellule, et la rhodopsine dans les cellules sensibles de l'organe de la vision déclenche une cascade de réactions qui conduisent à l'apparition d'un influx nerveux. Le rôle des canaux protéiques membranaires est de transporter les ions et de maintenir la différence de leurs concentrations (gradient) entre l'environnement interne et externe. Par example,les pompes sodium-potassium assurent l'échange des ions correspondants et le transport actif des substances. Les porines - par l'intermédiaire des protéines - sont impliquées dans le transfert des molécules d'eau, les transporteurs - dans le transfert de certaines substances contre un gradient de concentration. Chez les bactéries et les protozoaires, le mouvement des flagelles est assuré par des moteurs protéiques moléculaires. Les protéines structurelles de la membrane soutiennent la membrane elle-même et assurent l'interaction des autres protéines de la membrane plasmique.
Protéines membranaires, membrane protéique
La membrane est un environnement dynamique et très actif, et non une matrice inerte pour les protéines qui s'y trouvent et y travaillent. Il affecte de manière significative le travail des protéines membranaires et les radeaux lipidiques, en mouvement, forment de nouvelles liaisons associatives de molécules protéiques. De nombreuses protéines ne fonctionnent tout simplement pas sans partenaires et leur interaction intermoléculaire est assurée par la nature de la couche lipidique des membranes, dont l'organisation structurelle dépend à son tour des protéines structurelles. Les perturbations de ce mécanisme délicat d'interaction et d'interdépendance entraînent un dysfonctionnement des protéines membranaires et un certain nombre de maladies, telles que le diabète et les tumeurs malignes.
Organisation structurelle
Les idées modernes sur la structure et la structure des protéines membranaires sont basées sur le fait que dans la partie périphérique de la membrane, la plupart d'entre elles sont rarement constituées d'une, plus souvent de plusieurs hélices alpha oligomérisantes associées. De plus, c'est cette structure qui est la clé de la performance de la fonction. Cependant, c'est la classification des protéines par typeles structures peuvent apporter beaucoup plus de surprises. Parmi plus d'une centaine de protéines décrites, la protéine membranaire la plus étudiée en termes de type d'oligomérisation est la glycophorine A (protéine érythrocytaire). Pour les protéines transmembranaires, la situation semble plus compliquée - une seule protéine a été décrite (le centre de réaction photosynthétique des bactéries - la bactériorhodopsine). Compte tenu du poids moléculaire élevé des protéines membranaires (10 à 240 000 d altons), les biologistes moléculaires disposent d'un vaste champ de recherche.
Systèmes de signalisation cellulaire
Parmi toutes les protéines de la membrane plasmique, une place particulière revient aux protéines réceptrices. Ce sont eux qui régulent les signaux qui entrent dans la cellule et ceux qui n'y entrent pas. Dans toutes les bactéries multicellulaires et certaines bactéries, l'information est transmise par des molécules spéciales (signal). Parmi ces agents de signalisation figurent les hormones (protéines spécialement sécrétées par les cellules), les formations non protéiques et les ions individuels. Ce dernier peut être libéré lorsque les cellules voisines sont endommagées et déclencher une cascade de réactions sous forme de syndrome douloureux, principal mécanisme de défense de l'organisme.
Cibles pour la pharmacologie
Ce sont les protéines membranaires qui sont les principales cibles de la pharmacologie, puisqu'elles sont les points par lesquels passent la plupart des signaux. "Cibler" un médicament, assurer sa haute sélectivité - c'est la tâche principale dans la création d'un agent pharmacologique. Un effet sélectif sur un type spécifique ou même un sous-type de récepteur est un effet sur un seul type de cellules corporelles. Une telle sélectionl'exposition peut, par exemple, distinguer les cellules tumorales des cellules normales.
Drogues du futur
Les propriétés et caractéristiques des protéines membranaires sont déjà utilisées dans la création de médicaments de nouvelle génération. Ces technologies reposent sur la création de structures pharmacologiques modulaires à partir de plusieurs molécules ou nanoparticules « réticulées » entre elles. La partie « ciblage » reconnaît certaines protéines réceptrices sur la membrane cellulaire (par exemple, celles associées au développement de maladies oncologiques). A cette partie s'ajoute un agent destructeur de membrane ou un bloqueur dans les processus de production de protéines dans la cellule. Le développement de l'apoptose (le programme de sa propre mort) ou d'un autre mécanisme de la cascade de transformations intracellulaires conduit au résultat souhaité de l'exposition à un agent pharmacologique. En conséquence, nous avons un médicament avec un minimum d'effets secondaires. Les premiers médicaments anticancéreux de ce type font déjà l'objet d'essais cliniques et deviendront bientôt des thérapies hautement efficaces.
Génomique structurale
La science moderne des molécules protéiques se tourne de plus en plus vers les technologies de l'information. Un vaste chemin de recherche - étudier et décrire tout ce qui peut être stocké dans des bases de données informatiques, puis chercher des moyens d'appliquer ces connaissances - tel est l'objectif des biologistes moléculaires modernes. Il y a à peine quinze ans, le projet mondial sur le génome humain a commencé, et nous avons déjà une carte séquencée des gènes humains. Le deuxième projet, qui vise à définirla structure spatiale de toutes les "protéines clés" - la génomique structurale - est encore loin d'être complète. La structure spatiale n'a jusqu'à présent été déterminée que pour 60 000 des plus de cinq millions de protéines humaines. Et alors que les scientifiques n'ont cultivé que des porcelets lumineux et des tomates résistantes au froid avec le gène du saumon, les technologies de génomique structurale restent une étape de la connaissance scientifique dont l'application pratique ne tardera pas.
