อนาคตของยาคือวิธีการเฉพาะตัวที่มีอิทธิพลในการคัดเลือกต่อระบบเซลล์แต่ละเซลล์ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบในการพัฒนาและดำเนินโรคโดยเฉพาะ เป้าหมายการรักษาระดับหลักในกรณีนี้คือโปรตีนจากเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งเป็นโครงสร้างที่รับผิดชอบในการส่งสัญญาณโดยตรงไปยังเซลล์ ทุกวันนี้ ยาเกือบครึ่งส่งผลกระทบต่อเยื่อหุ้มเซลล์ และจะมีมากขึ้นอีกในอนาคต บทความนี้จัดทำขึ้นเพื่อทำความคุ้นเคยกับบทบาททางชีวภาพของโปรตีนเมมเบรน
โครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์
จากหลักสูตรโรงเรียน หลายคนจำโครงสร้างของหน่วยโครงสร้างของร่างกาย - เซลล์ สถานที่พิเศษในโครงสร้างของเซลล์ที่มีชีวิตเล่นโดย plasmalemma (เมมเบรน) ซึ่งแยกพื้นที่ภายในเซลล์ออกจากสิ่งแวดล้อม ดังนั้น หน้าที่หลักของมันคือการสร้างกำแพงกั้นระหว่างเนื้อหาในเซลลูลาร์กับพื้นที่นอกเซลล์ แต่นี่ไม่ใช่หน้าที่เดียวของพลาสมาเลมมา ในบรรดาหน้าที่ของเมมเบรนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับอย่างแรกเลยด้วยโปรตีนเมมเบรน, หลั่ง:
- ป้องกัน (จับแอนติเจนและป้องกันการเจาะเข้าไปในเซลล์).
- การขนส่ง (รับประกันการแลกเปลี่ยนสารระหว่างเซลล์กับสิ่งแวดล้อม)
- สัญญาณ (คอมเพล็กซ์โปรตีนตัวรับในตัวช่วยให้เซลล์หงุดหงิดและตอบสนองต่ออิทธิพลภายนอกต่างๆ)
- พลังงาน - การเปลี่ยนแปลงของพลังงานรูปแบบต่างๆ: กลไก (แฟลเจลลาและตา) ไฟฟ้า (แรงกระตุ้นของเส้นประสาท) และเคมี (การสังเคราะห์โมเลกุลของกรดอะดีโนซีนไตรฟอสฟอริก)
- ติดต่อ (ให้การสื่อสารระหว่างเซลล์โดยใช้เดสโมโซมและพลาสโมเดสมาตา เช่นเดียวกับการพับและผลพลอยได้ของพลาสโมเลมมา)
โครงสร้างของเมมเบรน
เยื่อหุ้มเซลล์เป็นไขมันสองชั้น bilayer เกิดขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของโมเลกุลไขมันของสองส่วนที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน - ส่วนที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ ชั้นนอกของเยื่อหุ้มเกิดจาก "หัว" ขั้วที่มีคุณสมบัติชอบน้ำ และ "หาง" ที่ไม่ชอบน้ำของไขมันจะถูกเปลี่ยนภายใน bilayer นอกจากไขมันแล้ว โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ยังรวมถึงโปรตีนด้วย ในปี 1972 นักจุลชีววิทยาชาวอเมริกัน S. D. นักร้อง (S. Jonathan Singer) และ G. L. Nicholson (Garth L. Nicolson) เสนอแบบจำลองของเหลวโมเสคของโครงสร้างของเมมเบรนตามที่โปรตีนเมมเบรน "ลอย" ใน lipid bilayer โมเดลนี้เสริมโดยนักชีววิทยาชาวเยอรมัน Kai Simons (1997) ในแง่ของการก่อตัวของบริเวณที่หนาแน่นและหนาแน่นกว่าซึ่งมีโปรตีนที่เกี่ยวข้อง (แพลิพิด) ซึ่งลอยอย่างอิสระใน bilayer เมมเบรน
โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโปรตีนเมมเบรน
ในเซลล์ต่างๆ อัตราส่วนของไขมันและโปรตีนจะแตกต่างกัน (จาก 25 ถึง 75% ของโปรตีนในแง่ของน้ำหนักแห้ง) และพวกมันอยู่ในตำแหน่งที่ไม่สม่ำเสมอ ตามสถานที่ โปรตีนสามารถเป็น:
- Integral (transmembrane) - สร้างขึ้นในเมมเบรน ในเวลาเดียวกันพวกเขาก็เจาะเมมเบรนบางครั้งซ้ำแล้วซ้ำอีก บริเวณนอกเซลล์มักมีสายโอลิโกแซ็กคาไรด์ ก่อตัวเป็นกลุ่มไกลโคโปรตีน
- อุปกรณ์ต่อพ่วง - ส่วนใหญ่อยู่ด้านในของเมมเบรน การสื่อสารกับลิปิดเมมเบรนนั้นมาจากพันธะไฮโดรเจนแบบย้อนกลับ
- ทอดสมอ - ส่วนใหญ่อยู่ด้านนอกของเซลล์ และ "สมอ" ที่จับพวกมันไว้บนพื้นผิวคือโมเลกุลไขมันที่แช่อยู่ใน bilayer
หน้าที่และความรับผิดชอบ
บทบาททางชีววิทยาของโปรตีนเมมเบรนมีความหลากหลายและขึ้นอยู่กับโครงสร้างและตำแหน่ง สิ่งเหล่านี้รวมถึงโปรตีนตัวรับ โปรตีนแชนเนล (ไอออนิกและพอริน) ตัวขนส่ง มอเตอร์ และกลุ่มโปรตีนโครงสร้าง ตัวรับโปรตีนเมมเบรนทุกประเภทตอบสนองต่อผลกระทบใดๆ ก็ตาม เปลี่ยนโครงสร้างเชิงพื้นที่และสร้างการตอบสนองของเซลล์ ตัวอย่างเช่น ตัวรับอินซูลินควบคุมการเข้าสู่เซลล์ของกลูโคส และโรดอปซินในเซลล์ที่ละเอียดอ่อนของอวัยวะที่มองเห็นจะกระตุ้นปฏิกิริยาน้ำตกที่นำไปสู่การปรากฏตัวของแรงกระตุ้นเส้นประสาท บทบาทของช่องโปรตีนเมมเบรนคือการขนส่งไอออนและรักษาความแตกต่างในความเข้มข้น (การไล่ระดับสี) ระหว่างสภาพแวดล้อมภายในและภายนอก ตัวอย่างเช่น,ปั๊มโซเดียมโพแทสเซียมให้การแลกเปลี่ยนไอออนที่สอดคล้องกันและการขนส่งสารที่ใช้งานอยู่ Porins - ผ่านโปรตีน - เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนโมเลกุลของน้ำ, ผู้ขนส่ง - ในการถ่ายโอนสารบางอย่างกับระดับความเข้มข้น ในแบคทีเรียและโปรโตซัว การเคลื่อนไหวของแฟลเจลลานั้นมาจากมอเตอร์โปรตีนระดับโมเลกุล โปรตีนจากเยื่อหุ้มโครงสร้างรองรับตัวเมมเบรนและรับประกันการทำงานร่วมกันของโปรตีนเมมเบรนในพลาสมาอื่นๆ
โปรตีนเมมเบรน, เยื่อหุ้มโปรตีน
เมมเบรนเป็นสภาพแวดล้อมที่มีพลวัตและกระฉับกระเฉง และไม่ใช่เมทริกซ์เฉื่อยสำหรับโปรตีนที่อยู่และทำงานในนั้น มันส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการทำงานของโปรตีนเมมเบรนและการเคลื่อนที่ของแพลิพิดทำให้เกิดพันธะเชื่อมโยงใหม่ของโมเลกุลโปรตีน โปรตีนหลายชนิดไม่ทำงานหากไม่มีพันธมิตรและปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลนั้นมาจากธรรมชาติของชั้นไขมันของเยื่อหุ้มซึ่งเป็นโครงสร้างที่ขึ้นอยู่กับโปรตีนโครงสร้าง การรบกวนในกลไกอันละเอียดอ่อนของปฏิสัมพันธ์และการพึ่งพาอาศัยกันนี้นำไปสู่ความผิดปกติของโปรตีนเมมเบรนและโรคต่างๆ เช่น เบาหวานและเนื้องอกที่ร้ายแรง
โครงสร้างองค์กร
แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างและโครงสร้างของโปรตีนเมมเบรนมีพื้นฐานมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าในส่วนต่อพ่วงของเมมเบรน ส่วนใหญ่มักไม่ค่อยประกอบด้วยอัลฟา-เฮลิซที่เกี่ยวข้องกันหลายตัว ยิ่งไปกว่านั้น โครงสร้างนี้เป็นกุญแจสำคัญในประสิทธิภาพของฟังก์ชัน อย่างไรก็ตาม เป็นการจำแนกโปรตีนตามประเภทโครงสร้างสามารถนำมาซึ่งความประหลาดใจอีกมากมาย จากโปรตีนที่บรรยายไว้มากกว่าหนึ่งร้อยชนิด โปรตีนเมมเบรนที่ศึกษามากที่สุดในแง่ของชนิดของโอลิโกเมอไรเซชันคือไกลโคโฟริน A (โปรตีนเม็ดเลือดแดง) สำหรับโปรตีนเมมเบรน สถานการณ์ดูซับซ้อนมากขึ้น - มีการอธิบายโปรตีนเพียงชนิดเดียวเท่านั้น (ศูนย์ปฏิกิริยาสังเคราะห์แสงของแบคทีเรีย - bacteriorhodopsin) เนื่องจากโปรตีนเมมเบรนมีน้ำหนักโมเลกุลสูง (10-240 พันดาลตัน) นักชีววิทยาระดับโมเลกุลจึงมีสาขากว้างสำหรับการวิจัย
ระบบสัญญาณมือถือ
ในบรรดาโปรตีนทั้งหมดของพลาสมาเมมเบรน สถานที่พิเศษเป็นของโปรตีนตัวรับ เป็นผู้ควบคุมว่าสัญญาณใดเข้าสู่เซลล์และสัญญาณใดไม่ ในเซลล์หลายเซลล์และแบคทีเรียบางชนิด ข้อมูลจะถูกส่งผ่านโมเลกุลพิเศษ (สัญญาณ) ในบรรดาสารส่งสัญญาณเหล่านี้ ได้แก่ ฮอร์โมน (โปรตีนที่เซลล์หลั่งมาเป็นพิเศษ) การก่อตัวที่ไม่ใช่โปรตีน และไอออนแต่ละตัว หลังสามารถปลดปล่อยออกมาได้เมื่อเซลล์ข้างเคียงได้รับความเสียหายและกระตุ้นปฏิกิริยาต่อเนื่องในรูปแบบของกลุ่มอาการเจ็บปวด ซึ่งเป็นกลไกการป้องกันหลักของร่างกาย
เป้าหมายทางเภสัชวิทยา
มันคือโปรตีนเมมเบรนที่เป็นเป้าหมายหลักของเภสัชวิทยา เนื่องจากเป็นจุดผ่านสัญญาณส่วนใหญ่ "การกำหนดเป้าหมาย" ยาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการคัดเลือกสูง - นี่คืองานหลักในการสร้างตัวแทนทางเภสัชวิทยา ผลการคัดเลือกเฉพาะชนิดเฉพาะหรือแม้แต่ชนิดย่อยของตัวรับคือผลกระทบต่อเซลล์ร่างกายเพียงประเภทเดียว การคัดเลือกดังกล่าวตัวอย่างเช่น การสัมผัสสามารถแยกแยะเซลล์เนื้องอกออกจากเซลล์ปกติได้
ยาแห่งอนาคต
คุณสมบัติและคุณสมบัติของโปรตีนเมมเบรนถูกนำมาใช้ในการสร้างยารุ่นใหม่แล้ว เทคโนโลยีเหล่านี้มีพื้นฐานมาจากการสร้างโครงสร้างทางเภสัชวิทยาแบบแยกส่วนจากหลายโมเลกุลหรืออนุภาคนาโน "เชื่อมขวาง" ซึ่งกันและกัน ส่วน "การกำหนดเป้าหมาย" รับรู้โปรตีนตัวรับบางอย่างบนเยื่อหุ้มเซลล์ (ตัวอย่างเช่น สิ่งที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาของโรคมะเร็ง) ในส่วนนี้จะเพิ่มสารทำลายเมมเบรนหรือตัวบล็อกในกระบวนการผลิตโปรตีนในเซลล์ การพัฒนาอะพอพโทซิส (โปรแกรมการตายของตัวเอง) หรือกลไกอื่นของการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์ทำให้เกิดผลลัพธ์ที่ต้องการจากการสัมผัสกับตัวแทนทางเภสัชวิทยา ส่งผลให้เราได้ยาที่มีผลข้างเคียงน้อยที่สุด ยารักษามะเร็งชนิดแรกดังกล่าวอยู่ในการทดลองทางคลินิกแล้ว และเร็วๆ นี้จะกลายเป็นยารักษาที่มีประสิทธิภาพสูง
จีโนมโครงสร้าง
วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ของโมเลกุลโปรตีนกำลังเคลื่อนไปสู่เทคโนโลยีสารสนเทศมากขึ้น เส้นทางการวิจัยที่กว้างขวาง - เพื่อศึกษาและอธิบายทุกอย่างที่สามารถจัดเก็บไว้ในฐานข้อมูลคอมพิวเตอร์แล้วค้นหาวิธีนำความรู้นี้ไปใช้ - นี่คือเป้าหมายของนักชีววิทยาระดับโมเลกุลสมัยใหม่ เมื่อสิบห้าปีที่แล้ว โครงการจีโนมมนุษย์ทั่วโลกเริ่มต้นขึ้น และเรามีแผนที่ลำดับของยีนมนุษย์แล้ว โครงการที่สองซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อกำหนดโครงสร้างเชิงพื้นที่ของ "โปรตีนหลัก" ทั้งหมด - จีโนมเชิงโครงสร้าง - ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์ โครงสร้างเชิงพื้นที่จนถึงขณะนี้ได้รับการกำหนดเพียง 60,000 ของโปรตีนมากกว่าห้าล้านคน และในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ได้เติบโตเพียงลูกสุกรเรืองแสงและมะเขือเทศที่ทนต่อความเย็นด้วยยีนปลาแซลมอน เทคโนโลยีจีโนมเชิงโครงสร้างยังคงเป็นขั้นตอนของความรู้ทางวิทยาศาสตร์ การใช้งานจริงนั้นจะมีอีกไม่นาน