Proteiny zásadně mění vlastnosti buněčných membrán

Buněčné membrány vytvářejí prostředí pro mnoho životně důležitých procesů, a vědci se tedy již dlouho snaží zjistit, co ovlivňuje jejich vlastnosti. Zatím se věnovali především lipidům a strukturám pod membránami, jenže v membránách jsou kromě lipidů významně zastoupeny i dosud přehlížené proteiny. Vědecký tým Marka Cebecauera z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského nyní zjistil, že členitý povrch membránové části proteinů způsobuje významné změny v chování lipidů. Tento proces zásadně mění vlastnosti membrán a může ovlivňovat fungování buněk nebo úspěšnost klinické terapie založené na cíleném vnášení léků do buněk. Výsledky výzkumu publikoval prestižní vědecký magazín iScience.

Membrány sestávají z lipidů, které utvářejí dvojitou vrstvu bránící nekontrolovatelnému průniku různých látek do buněk. Kromě lipidů obsahují membrány i proteiny, které jsou hlavními aktéry fyziologických procesů, jako je látková výměna nebo komunikace buněk s okolím. Jejich vliv na membrány se všeobecně považuje za strukturní; přímé ovlivňování dynamiky membrán se připisuje spíše jejich velkosti a množství, takzvanému „crowding“ efektu. Ten si můžeme představit jako vliv hustoty stromů na rychlost, kterou můžeme běžet v lese. Proteiny se ovšem v membránách pohybují poměrně svižně, a proto lze tento efekt očekávat jen v ojedinělých případech.

Při výzkumu, zda mohou proteiny ovlivňovat vlastnosti membrán ještě obecněji, vědci pod vedením Marka Cebecauera použili model syntetických lipidových vezikul s proteiny v kombinaci s počítačovými simulacemi. „Modelové systémy nám umožňují kontrolovat složení membrán a tím odlišovat jevy probíhající ve sledovaných membránách. V buňkách se tyto jevy překrývají a není možné je odlišit jeden od druhého. Počítačové simulace pak umožňují detailní náhled do struktur a jevů, které současnými technologiemi nemůžeme sledovat experimentálně. Díky kombinaci těchto dvou přístupů jsme zjistili, že proteiny způsobují tuhnutí membrán, a to z toho důvodu, že jejich povrch je drsný s výraznými prohlubeninami. V těch se zachytávají nožičky lipidů (viz obrázek), což způsobuje zpomalení všech membránových procesů v oblastech se zvýšeným výskytem proteinů. Kdyby tento jev překročil jistou mez, mělo by to za následek zpomalení či zastavení kritických buněčných procesů, které se na membráně odehrávají,“ vysvětlil smysl a výsledky výzkumu Cebecauer. K procesům probíhajícím na buněčné membráně patří rozpoznávání cizích těles (např. virů) imunitními buňkami nebo přenos vzruchů neurony, které zajišťují správné fungování mozku.

Členitý povrch proteinů (červeně) způsobuje zachytávání nožiček lipidů (šedě)
a zpomalení jejich pohybu v membráně. Cholesterol se svou plochou strukturou
(žlutě) se proteinům vyhýbá

Kromě lipidů a proteinů je nedílnou součástí svrchních membrán také cholesterol. Ten je činí odolnějšími vůči stresovým situacím, při nichž by do buněk nekontrolovatelně pronikala voda, soli nebo jiné látky. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského zjistili, že cholesterol se k proteinům v membránách vůbec nepřibližuje. To má pravděpodobně za následek tvorbu oblastí se zvýšeným výskytem buď té, či oné látky, a tím také oblastí s velice různými chemickými a fyzikálními vlastnostmi.

„Pochopení základních jevů ovlivňujících vlastnosti buněčných membrán je důležité například pro pochopení některých fyziologických a patogických procesů probíhajících na membránach v buňce nebo kvůli lepšímu navrhování partikulí pro vnášení léků do cílových buněk – třeba do těch nádorových. Různé části membrány mohou mít různé vlastnosti, a proto je potřebné důkladně promyslet, kterou částí se bude léková partikule do buňky dostávat. Pohybujeme se však v nanometrech,“ upřesnil Cebecauer.

Cebecauer a jeho tým ve výzkumu dále pokračují, nyní se však zaměřují na problematiku opačnou, tedy působení lipidů na nekontrolované shlukování proteinů. Spolupracují na něm s vědci z britské Cambridge University pod vedením profesora Davida Rona. Cílem dalšího bádání je zjistit důvod shlukování proteinů v syntetických modelech a pokud možno přijít s řešením, jak těmto reakcím zamezit.

Článek z časopisu iScience (v angličtině) je k dispozici zde. 

Související články:

V Heyrovského ústavu zkoumají unikátní molekuly kalixareny

V Heyrovského ústavu popsali nový aspekt štěpení vazeb mezi uhlíkem a vodíkem

Připravil: Odbor mediální komunikace Kanceláře AV ČR ve spolupráci s Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského
Foto: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského 

Přečtěte si také

• Vědecká rada na návštěvě v Dolních Břežanech
• Akademický sněm uvítal navýšení rozpočtu. „Je to pozitivní zpráva,“ řekla předsedkyně
• Odborníci hovořili o potenciálu a rizicích genetických modifikací
• ČR hostila 68. plenární zasedání ESFRI
• Potřebujeme ucelenou strategii pro boj se suchem, shodují se čeští odborníci
• Bez omezení benzinové a naftové dopravy nelze splnit cíle Pařížské dohody
• Kosti dokážou to, co kůže a krev. Unikátní výzkum publikoval časopis Nature
• Do Fyziologického ústavu putuje ocenění HR Excellence in Research Award
• Nová databáze DNA představuje vzorky ze starodávných lidských populací
• AV ČR vydala stanovisko k evropskému rámcovému programu Horizon Europe