Липидные рафты

Существование липидных рафтов было открыто при изучении чувствительности плазматической мембраны к различным детергентам. Было установлено, что есть устойчивые к неионным детергентам участки мембран, богатые сфинголипидами и холестеролом, имеющие другие свойства, чем остальная часть мембраны.

Впервые идентифицированные по нечувствительности к неионным детергентам, рафты считаются динамичными субмикроскопическими ансамблями, которые свободно перемещаются в неупорядоченном липидном бислое клеточной мембраны и могут объединяться, формируя кластеры.

Структура рафтов представляется как асимметричный бислой, в котором сфинголипиды локализованы в экзоплазматическом слое, а глицерофосфолипиды (типа фосфатидилсерина и фосфатидилэтаноламина) локализованы во внутреннем, цитоплазматическом слое, холестерол присутствует в обоих. Сфинголипиды и холестерол наружного листка бислоя играют критическую роль в формировании рафтов. Рафты окружены жидким бислоем, образованным в основном ненасыщенными фосфатидилхолинами. Два слоя мембраны в области рафтов соединяются интердигитацией длинных N-ацильных цепей сфинголипидов, в цитоплазматическом слое холестерол интеркалирован глицерофосфолипидами.

В модельных мембранах липидные рафты, как полагают, существуют в отдельной фазе, сходной с фазой организации липидов (lo). Ацильные цепи липидов этой фазы длинные, плотно упакованные и упорядоченные. Присутствие необычно длинных насыщенных ацильных цепей в смеси фосфолипидов, сфинголипидов и холестерола, взятых в концентрациях, аналогичных таковым в плазматической мембране, при температуре 37оС, приводит к разделению фаз и формированию lo фазы. Эта модель, полагают, соответствует формированию рафтов в биологических мембранах.

Температура плавления длинных насыщенных ацильных цепей и сфинголипидов опосредует их ассоциацию в домены, устойчивые к детергентам. Эти домены, богатые сфинголипидами и холестеролом, имеют свойства упорядоченной жидкой lo фазы, описанной выше для модельных мембран («гель» в ряде публикаций). Считают, что детергент-устойчивые мембраны, выделенные из клеток, происходят из липидных рафтов, и не являются артефактом.

Было показано, что рафты содержат арахидоновую кислоту и фосфатидилсерин, что говорит об их важной роли в передаче соответствующих сигналов.

В настоящее время меняются взгляды на организацию клеточных мембран. Липидный бислой больше не считается гомогенной жидкостью, в которой перемещаются мембранные белки. В 1997 году известный немецкий ученый Кай Зимонс выдвинул революционную теорию «липидных рафтов»: липидная мембрана представляет собой динамичную, постоянно изменяющуюся среду, чутко реагирующую на все события, происходящие внутри и вокруг клетки. Определенные участки мембраны самоорганизованы в обогащенные холестеролом рафты (англ. raft – плот), более плотные, чем остальные области, и потому свободно дрейфующие в окружающем пространстве. В зависимости от происходящих в жизни клетки событий, эти «плотики» способны собираться в большие платформы, и тогда молекулы белков, которые до того находились на разных «плотах», получают возможность встретиться и вступить во взаимодействие. Т.е., имеется селективная фиксация белков и липидов в ограниченных участках мембраны, называемых липидными рафтами. С рафтами ассоциированы определенные классы белков.

Липидные рафты были «узаконены» в 2006 г. на Keystone Symposium on Lipid Rafts and Cell Function, и им было дано следующее определение:

«Membrane rafts are small (10–200nm), heterogeneous, highly dynamic, sterol- and sphingolipid-enriched domains that compartmentalize cellular processes. Small rafts can sometimes be stabilized to form larger platforms through protein–protein and protein–lipid interactions».

Рафты слишком малы, чтобы их увидеть, и достаточно долго были сомнения в их существовании. Некоторые доказательства существования рафтов:

- устойчивость к детергентам;

- локальные изменения текучести плазматической мембраны;

- формирование кластеров. Антитела, антигены и белки, связывающиеся с рафтами (холерный токсин), организуют кластеры на наружной стороне мембраны, а аннексины, флотилины и другие «скелетные» белки организуют кластеры на внутренней стороне мембраны.

Формирование более крупных кластеров или доменов обеспечивается в основном взаимодействием холестрола и сфинголипидов. Эти взаимодействия приводят к образованию бислойной фазы с перемещением молекул, а углеводные цепи «организуют» промежуток между «жидким» фосфолипидным бислоем и «гелем» (организованным)-бислоем (рафтовая часть).

В настоящее время в существовании рафтов никто не сомневается, - опубликовано множество работ, показывающих «меченые» разными способами рафты.

Плоские рафты - мелкие, 5-200 нм, что, вместе с их высокой подвижностью, осложняет их прямую визуализацию в мембране неповрежденной клетки. Визуализация возможна с помощью флуоресцентного мечения «рафтовых» белков, либо методом имунноэлектронной микроскопии с использованием меченых антител.

Рафты существуют независимо от белков, и функционируют исключительно за счет взаимодействия липидов. Предполагается, что функция липидных рафтов – пространственная концентрация специфических наборов белков для увеличения эффективности и специфичности передачи сигналов путем усиления взаимодействия между белками и путем предупреждения перекреста между потоками сигналов и возникновения помех. Для молекулярной медицины рафты стали недостающим звеном в понимании механизмов развития многих заболеваний. Многие вирусы используют зоны рафтов для своего проникновения и почкования. Так, ученые быстро обнаружили, что вирусы (в том числе и ВИЧ) выбирают своей мишенью в клеточной мембране именно липидные «плоты», забрасывают туда прочный «якорь», после чего начинают свое проникновение в клетку.

Развитием теории липидных рафтов является теория липидного матрикса, в соответствии с которой в настоящее время можно выделить 4 типа пространственной организации молекул плазматической мембраны, описывающих их пространственные взаимоотношения. Теория предполагает, что каждый белок по-своему взаимодействует с разными типами липидов.

1. «Организованные» (упорядоченные) структуры, в которых главным формообразующим фактором являются мембранные белки. Например, соединения между мембранами клеток, «опушенные» ямки.

2. «Жидкие» неупорядоченные участки, в которых олигомерные белки находятся в «жидкой» фазе липидного бислоя, окруженные липидами, не входящими в структуру бислоя.

3. «Жидкие» упорядоченные участки, образованные за счет взаимодействия стеролов с полярными липидами мембран. У млекопитающих эти участки состоят из стехиометрического комплекса, образованного симметричными молекулами сфинголипидов и холестерола в соотношении 1,7 : 1. Эти домены в основном лишены трансмембранных белков, и содержат белки, заякоренные на липидах, либо трансмембранные белки, имеющие «специальные» домены связывания с липидами рафтов.

4. Квази-кристаллические участки между асимметричными сфинголипидами и фосфолипидами. Эти участки имеют свойства «организованной (упорядоченной) жидкой» фазы («геля»), и отграничены от «жидкой» фазы углеводными цепями, которые играют роль промежуточной зоны между «гелем» и «жидкой неорганизованной» фазой. Полагают, что полярные группы асимметричных сфинголипидов, которые часто имеют сложные углеводные структуры, обеспечивают базу для специфического взаимодействия с белками рафтов. Другой возможный механизм специфического взаимодействия с белками рафтов – интеркаляция GPI – якорей в квазикристаллическую структуру с асимметричными сфинголипидами.

GPI – glycosylphosphatidylinositol – гликозилфосфатидилинозитол

Теория липидного матрикса – новая, и пока даже не обсуждается активно. Идет накопление знаний.

Липидная асимметрия (неслучайное распределение различных видов липидов в бислое) – общая черта мембран эукариотических клеток. Липидная асимметрия создает две стороны мембраны с различными биофизическими свойствами и влияет на различные функции клеток. В основе липидной асимметрии лежат разные свойства составляющих мембрану липидов, а также работа ферментов, переносящих липиды через бислой. Изменение асимметрии играет важную роль в слиянии клеток, активации коагуляции крови, распознавании и удалении фрагментов клеток после апоптоза.

Формирование пузырьков – важное свойство плазматической мембраны, обусловленное её способностью к деформации и обеспечивающее поступление в клетку самых различных веществ. Клатрин и кавеолин – «главные» деформирующие («покрывающие, одевающие» (coat)) белки, широко распространенные в клетках. Другие белки, например, флотилин, встречаются реже.

Механизмы, обеспечивающие деформацию мембраны и формирование пузырьков, полностью не поняты, и являются предметом активных исследований. Одна из причин – разнообразие пузырьков в разных клетках и участие различных дополнительных молекул, что приводит к огромному массиву данных, которые пока не удается обобщить. В клетке существует множество мембран, обменивающихся между собой молекулами и фрагментами посредством пузырьков, - так называемый пузырьковый транспорт. В данный момент речь идет о плазматической мембране и формировании пузырьков, которые доставляют вещества и фрагменты мембран внутрь клетки.

Основные деформирующие плазматическую мембрану белки высококонсервативны.

Клатрины – основной компонент клатрин-покрытых (опушенных, одетых) ямок (clathrin-coated pits) – присутствуют в клетках дрожжей, растений и животных. Они консервативны у млекопитающих, однако различаются у крыс, коров и человека. Различия структуры клатрина у дрожжей и млекопитающих сосредоточены в легкой цепи, тогда как тяжелая цепь высококонсервативна.

Кавеолины – были открыты как структурные маркеры кавеол и являются их компонентом. Присутствуют в клетках позвоночных и беспозвоночных животных, и не найдены в клетках растений, дрожжей и амеб. Известны три изоформы кавеолина: кавеолин-1a, кавеолин-1b, -2a, -2b, и -3. Кавеолин-1 и кавеолин-3 необходимы для формирования кавеол, тогда как кавеолин-2 играет вспомогательную роль.

Динамины – ГТФ-азы, участвующие в отделении эндоцитозного пузырька от мембраны. Найдены в клетках грибов, амеб, растений и животных. Очень вариабельны и специализированы, различаются даже у разных млекопитающих.

Дата добавления: 2014-03-21; просмотров: 659; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!