მედიცინის მომავალი არის ინდივიდუალურ უჯრედულ სისტემებზე შერჩევითი გავლენის პერსონალიზებული მეთოდები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან კონკრეტული დაავადების განვითარებასა და მიმდინარეობაზე. თერაპიული სამიზნეების ძირითადი კლასი ამ შემთხვევაში არის უჯრედის მემბრანის ცილები, როგორც სტრუქტურები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან უჯრედში პირდაპირი სიგნალის გადაცემაზე. უკვე დღეს, წამლების თითქმის ნახევარი გავლენას ახდენს უჯრედულ მემბრანებზე და მომავალში ისინი მხოლოდ მეტი იქნება. ეს სტატია ეძღვნება მემბრანის ცილების ბიოლოგიური როლის გაცნობას.
უჯრედის მემბრანის სტრუქტურა და ფუნქცია
სკოლის კურსიდან ბევრს ახსოვს სხეულის სტრუქტურული ერთეულის - უჯრედის აგებულება. ცოცხალი უჯრედის სტრუქტურაში განსაკუთრებულ ადგილს იკავებს პლაზმალემა (მემბრანა), რომელიც გამოყოფს უჯრედშიდა სივრცეს გარემოსგან. ამრიგად, მისი მთავარი ფუნქციაა შექმნას ბარიერი უჯრედულ შიგთავსსა და უჯრედგარე სივრცეს შორის. მაგრამ ეს არ არის პლაზმალემის ერთადერთი ფუნქცია. მემბრანის სხვა ფუნქციებს შორის, რომლებიც დაკავშირებულიაპირველ რიგში მემბრანული ცილებით გამოიყოფა:
- დამცავი (აკავშირებს ანტიგენებს და ხელს უშლის მათ შეღწევას უჯრედში).
- ტრანსპორტი (უჯრედსა და გარემოს შორის ნივთიერებების გაცვლის უზრუნველყოფა).
- სიგნალი (ჩაშენებული რეცეპტორული ცილოვანი კომპლექსები უზრუნველყოფს უჯრედების გაღიზიანებას და მის პასუხს სხვადასხვა გარე გავლენებზე).
- ენერგია - ენერგიის სხვადასხვა ფორმის ტრანსფორმაცია: მექანიკური (ფლაგელა და წამწამები), ელექტრული (ნერვის იმპულსი) და ქიმიური (ადენოზინტრიფოსფორმჟავას მოლეკულების სინთეზი).
- კონტაქტი (უჯრედებს შორის კომუნიკაციის უზრუნველყოფა დესმოსომებისა და პლაზმოდესმატების გამოყენებით, აგრეთვე პლაზმოლემის ნაკეცებისა და გამონაყარების გამოყენებით).
მემბრანების სტრუქტურა
უჯრედის მემბრანა არის ლიპიდების ორმაგი ფენა. ორ ფენა იქმნება ლიპიდურ მოლეკულაში სხვადასხვა თვისებების მქონე ორი ნაწილის არსებობის გამო - ჰიდროფილური და ჰიდროფობიური განყოფილება. მემბრანების გარე ფენას ქმნიან ჰიდროფილური თვისებების მქონე პოლარული „თავები“, ხოლო ლიპიდების ჰიდროფობიური „კუდები“მოქცეულია ორ შრის შიგნით. ლიპიდების გარდა, მემბრანების სტრუქტურა შეიცავს ცილებს. 1972 წელს ამერიკელმა მიკრობიოლოგებმა ს.დ. მომღერალი (S. Jonathan Singer) და გ.ლ. ნიკოლსონმა (Garth L. Nicolson) შემოგვთავაზა მემბრანის სტრუქტურის სითხე-მოზაიკური მოდელი, რომლის მიხედვითაც მემბრანის ცილები „ცურავს“ლიპიდურ ორშრეში. ეს მოდელი დაემატა გერმანელმა ბიოლოგმა კაი სიმონსმა (1997) გარკვეული, უფრო მკვრივი რეგიონების წარმოქმნის თვალსაზრისით ასოცირებული ცილებით (ლიპიდური რაფტები), რომლებიც თავისუფლად მოძრაობენ მემბრანულ ორ შრეში.
მემბრანის ცილების სივრცითი სტრუქტურა
სხვადასხვა უჯრედში ლიპიდების და ცილების თანაფარდობა განსხვავებულია (ცილების 25-დან 75%-მდე მშრალი წონის მიხედვით) და ისინი არათანაბრად განლაგებულია. მდებარეობის მიხედვით, ცილები შეიძლება იყოს:
- ინტეგრალი (ტრანსმემბრანული) - ჩაშენებული მემბრანაში. ამავე დროს, ისინი შეაღწევენ მემბრანაში, ზოგჯერ განმეორებით. მათი უჯრედგარე რეგიონები ხშირად ატარებენ ოლიგოსაქარიდულ ჯაჭვებს, რომლებიც ქმნიან გლიკოპროტეინების მტევნებს.
- პერიფერიული - განლაგებულია ძირითადად გარსების შიგნით. მემბრანულ ლიპიდებთან კომუნიკაცია უზრუნველყოფილია შექცევადი წყალბადის ბმებით.
- დამაგრებული - ძირითადად განლაგებულია უჯრედის გარე მხარეს და "წამყვანი", რომელიც მათ ზედაპირზე უჭირავს, არის ლიპიდური მოლეკულა, რომელიც ჩაეფლო ორ შრეში.
ფუნქციონალობა და პასუხისმგებლობა
მემბრანის ცილების ბიოლოგიური როლი მრავალფეროვანია და დამოკიდებულია მათ სტრუქტურასა და მდებარეობაზე. მათ შორისაა რეცეპტორული ცილები, არხის პროტეინები (იონური და პორინები), გადამტანები, ძრავები და სტრუქტურული ცილების მტევანი. ყველა ტიპის მემბრანის ცილის რეცეპტორები, ნებისმიერი ზემოქმედების საპასუხოდ, ცვლის მათ სივრცულ სტრუქტურას და ქმნიან უჯრედის რეაქციას. მაგალითად, ინსულინის რეცეპტორი არეგულირებს გლუკოზის შეღწევას უჯრედში, ხოლო როდოპსინი მხედველობის ორგანოს მგრძნობიარე უჯრედებში იწვევს რეაქციების კასკადს, რაც იწვევს ნერვული იმპულსის გაჩენას. მემბრანული ცილოვანი არხების როლი არის იონების ტრანსპორტირება და მათი კონცენტრაციების (გრადიენტის) სხვაობის შენარჩუნება შიდა და გარე გარემოს შორის. Მაგალითად,ნატრიუმ-კალიუმის ტუმბოები უზრუნველყოფენ შესაბამისი იონების გაცვლას და ნივთიერებების აქტიურ ტრანსპორტირებას. პორინები - ცილების მეშვეობით - მონაწილეობენ წყლის მოლეკულების გადაცემაში, გადამტანები - გარკვეული ნივთიერებების გადატანაში კონცენტრაციის გრადიენტის წინააღმდეგ. ბაქტერიებსა და პროტოზოებში ფლაგელას მოძრაობა უზრუნველყოფილია მოლეკულური ცილის ძრავებით. მემბრანის სტრუქტურული პროტეინები მხარს უჭერს თავად მემბრანას და უზრუნველყოფს პლაზმური მემბრანის სხვა ცილების ურთიერთქმედებას.
მემბრანული ცილები, ცილოვანი მემბრანა
მემბრანა არის დინამიური და ძალიან აქტიური გარემო და არა ინერტული მატრიცა მასში განლაგებული და მომუშავე ცილებისთვის. ეს მნიშვნელოვნად მოქმედებს მემბრანის ცილების მუშაობაზე, ხოლო ლიპიდური რაფტები, მოძრავი, ქმნიან ცილის მოლეკულების ახალ ასოციაციურ კავშირებს. ბევრი ცილა უბრალოდ არ მუშაობს პარტნიორების გარეშე და მათი ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედება უზრუნველყოფილია მემბრანების ლიპიდური ფენის ბუნებით, რომლის სტრუქტურული ორგანიზაცია, თავის მხრივ, დამოკიდებულია სტრუქტურულ ცილებზე. ურთიერთქმედების და ურთიერთდამოკიდებულების ამ დელიკატური მექანიზმის დარღვევა იწვევს მემბრანის ცილების დისფუნქციას და უამრავ დაავადებას, როგორიცაა დიაბეტი და ავთვისებიანი სიმსივნეები.
სტრუქტურული ორგანიზაცია
მემბრანული ცილების სტრუქტურისა და სტრუქტურის შესახებ თანამედროვე იდეები ეფუძნება იმ ფაქტს, რომ მემბრანის პერიფერიულ ნაწილში მათი უმეტესობა იშვიათად შედგება ერთი, უფრო ხშირად რამდენიმე ასოცირებული ოლიგომერიზებული ალფა-სპირალისაგან. უფრო მეტიც, სწორედ ეს სტრუქტურაა ფუნქციის შესრულების გასაღები. თუმცა, ეს არის ცილების კლასიფიკაცია ტიპის მიხედვითსტრუქტურებს კიდევ ბევრი სიურპრიზის მოტანა შეუძლია. ასზე მეტი აღწერილი ცილიდან, ყველაზე შესწავლილი მემბრანის ცილა ოლიგომერიზაციის ტიპის მიხედვით არის გლიკოფორინი A (ერითროციტების ცილა). ტრანსმემბრანული პროტეინებისთვის სიტუაცია უფრო რთულად გამოიყურება - აღწერილია მხოლოდ ერთი ცილა (ბაქტერიების ფოტოსინთეზური რეაქციის ცენტრი - ბაქტერიოროდოფსინი). მემბრანის ცილების მაღალი მოლეკულური წონის გათვალისწინებით (10-240 ათასი დალტონი), მოლეკულურ ბიოლოგებს აქვთ კვლევის ფართო სფერო.
უჯრედის სასიგნალო სისტემები
პლაზმური მემბრანის ყველა ცილას შორის განსაკუთრებული ადგილი უკავია რეცეპტორულ ცილებს. სწორედ ისინი არეგულირებენ რომელი სიგნალები შედის უჯრედში და რომელი არა. ყველა მრავალუჯრედულ და ზოგიერთ ბაქტერიაში ინფორმაცია გადაეცემა სპეციალური მოლეკულების (სიგნალის) მეშვეობით. ამ სასიგნალო აგენტებს შორისაა ჰორმონები (პროტეინები, რომლებიც სპეციალურად გამოიყოფა უჯრედების მიერ), არაცილოვანი წარმონაქმნები და ცალკეული იონები. ეს უკანასკნელი შეიძლება გამოთავისუფლდეს მეზობელი უჯრედების დაზიანებისას და გამოიწვიოს რეაქციების კასკადი ტკივილის სინდრომის სახით, სხეულის მთავარი დამცავი მექანიზმი.
მიზნები ფარმაკოლოგიისთვის
ეს არის მემბრანის ცილები, რომლებიც ფარმაკოლოგიის მთავარი სამიზნეა, რადგან ისინი არიან წერტილები, რომლებშიც სიგნალების უმეტესობა გადის. წამლის „დამიზნება“, მისი მაღალი სელექციურობის უზრუნველყოფა - ეს არის მთავარი ამოცანა ფარმაკოლოგიური აგენტის შექმნისას. სელექციური ეფექტი მხოლოდ კონკრეტულ ტიპზე ან თუნდაც რეცეპტორის ქვეტიპზე არის ეფექტი სხეულის მხოლოდ ერთი ტიპის უჯრედებზე. ასეთი შერჩევითიექსპოზიციას შეუძლია, მაგალითად, განასხვავოს სიმსივნური უჯრედები ნორმალური უჯრედებისგან.
მომავლის წამლები
მემბრანული ცილების თვისებები და თვისებები უკვე გამოიყენება ახალი თაობის პრეპარატების შესაქმნელად. ეს ტექნოლოგიები ეფუძნება მოდულარული ფარმაკოლოგიური სტრუქტურების შექმნას რამდენიმე მოლეკულისგან ან ნანონაწილაკებისგან, რომლებიც ერთმანეთთან „ჯვარედინი“არიან. "სამიზნე" ნაწილი ცნობს უჯრედის მემბრანაზე არსებულ რეცეპტორების გარკვეულ პროტეინებს (მაგალითად, ონკოლოგიური დაავადებების განვითარებასთან დაკავშირებულს). ამ ნაწილს ემატება მემბრანის დამღუპველი აგენტი ან ბლოკატორი უჯრედში ცილის წარმოების პროცესებში. აპოპტოზის განვითარება (საკუთარი სიკვდილის პროგრამა) ან უჯრედშიდა ტრანსფორმაციების კასკადის სხვა მექანიზმი იწვევს ფარმაკოლოგიურ აგენტზე ზემოქმედების სასურველ შედეგს. შედეგად, ჩვენ გვაქვს წამალი მინიმალური გვერდითი ეფექტებით. კიბოს საწინააღმდეგო პირველი ასეთი მედიკამენტები უკვე კლინიკურ კვლევებშია და მალე გახდება მეტად ეფექტური თერაპია.
სტრუქტურული გენომიკა
პროტეინის მოლეკულების თანამედროვე მეცნიერება სულ უფრო მეტად გადადის საინფორმაციო ტექნოლოგიებზე. კვლევის ვრცელი გზა - შესწავლა და აღწერა ყველაფერი, რისი შენახვაც შესაძლებელია კომპიუტერულ მონაცემთა ბაზაში და შემდეგ ამ ცოდნის გამოყენების გზების ძიება - ეს არის თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგების მიზანი. სულ რაღაც თხუთმეტი წლის წინ დაიწყო ადამიანის გენომის გლობალური პროექტი და ჩვენ უკვე გვაქვს ადამიანის გენების თანმიმდევრული რუკა. მეორე პროექტი, რომელიც მიზნად ისახავს განსაზღვროსყველა "საკვანძო ცილის" სივრცითი სტრუქტურა - სტრუქტურული გენომიკა - ჯერ კიდევ შორს არის დასრულებამდე. სივრცითი სტრუქტურა ჯერჯერობით დადგენილია მხოლოდ 60000 ადამიანის ხუთ მილიონზე მეტი ცილისგან. და მაშინ, როცა მეცნიერებმა ორაგულის გენით მხოლოდ მანათობელი გოჭები და სიცივისადმი მდგრადი პომიდორი გაზარდეს, სტრუქტურული გენომიკის ტექნოლოგიები რჩება მეცნიერული ცოდნის ეტაპად, რომლის პრაქტიკული გამოყენებაც დიდხანს არ იქნება.
