Посещений:
МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ

Поведение

Membrane lipids: where they are and how they behave
Gerrit van Meer, Dennis R. Voelker & Gerald W. Feigenson
Nature Reviews Molecular Cell Biology 9, 112-124 (February 2008) | doi:10.1038/nrm2330

Throughout the biological world, a 30 A* hydrophobic film typically delimits the environments that serve as the margin between life and death for individual cells. Biochemical and biophysical findings have provided a detailed model of the composition and structure of membranes, which includes levels of dynamic organization both across the lipid bilayer (lipid asymmetry) and in the lateral dimension (lipid domains) of membranes. How do cells apply anabolic and catabolic enzymes, translocases and transporters, plus the intrinsic physical phase behaviour of lipids and their interactions with membrane proteins, to create the unique compositions and multiple functionalities of their individual membranes?


Рис.1.  | Membrane lipids and lipid second messengers.


Рис.2.  |  Lipid synthesis and steady-state composition of cell membranes.


Рис.3.  | Mechanisms for generating asymmetric lipid distribution.


Рис.4.  |  Emerging models for lipid transport.


Box 1  | Lipid phases in membranes


Box 2  | ABC transporters: lipid exporters


Box 3  | Phase behaviour of artificial membranes



With the growth of lipidomics and the recognition that lipids have crucial roles in many biological processes (including signalling and disease), an authoritative source for information on lipids is becoming increasingly important. Enter LIPID MAPS, the website of the LIPID Metabolites And Pathways Strategy consortium (various other sites also exist, such as the European Lipidomics Initiative and LipidBank (a Japanese initiative)).


DATABASES
UniProtKB

  • SMS2
  • Dnf1
  • Dnf2
  • Lem3
  • Dnf3
  • Drs2
  • CERT
  • FAPP2
  • VAP
  • Pdr17
  • Psd2
  • StAR
  • TSPO
  • ORP
  • Sec14
  • NIR2


    • FURTHER INFORMATION
  • Lipid MAPS
  • Gerrit van Meer's homepage
  • Dennis R. Voelker's homepage
  • Gerald W. Feigenson's homepage
    • C началом каталогизации липидных структур (lipidomics), стало ясно, что эукариотические клетки вкладывают существенные ресурсы в генерацию тысяч различных липидов1. Почему клетки используют приблизительно 5% своих генов. чтобы синтезировать все эти липиды? Фундаментальной биологическая максима 'structure subserves function' указывает на то, что д. существовать эволюционные преимущества, которые зависят от сложного репертуара липидов. в
    Lipids fulfil three general functions. Во-первых благодаря своему относительно редуцированному состоянию липиды используются для хранения энергии, принципиально как triacylglycerol и steryl esters, в липидных каплях. Они функционируют прежде всего как безводные резервуары для эффективного хранения энергетических резервов и в качестве склада жирных кислот и стероловых компонентов, которые необходимы для биогенеза мембран. Во-вторых, матрикс клеточных мембран формируется за счет полярных липидов, это согласуется с гидрофобной и гидрофильной частями. Склонность гидрофобных половинок само-ассоциироваться (энтропически управляется водой) и тенденция гидрофильных половинок взаимодейстовать в водным окружением и др. с др., служит физической основой спонтанного образования мембран. Этот фундаментальный принцип amphipathic липидов является химическим свойством, которое позволяет прежде всего клеткам сегрегировать свое внутреннее содержание от внешней среды. Тот же самый принцип воспроизводится внутри клеток, чтобы продуцировать дискретные органеллы. Такая компартментализация делает возможной сегрегацию специфических химических реакций с целью повышения биохимической эффективности и ограничения разбрасывания продуктов реакции. В дополнение к барьерной функции липиды наделяют мембраны потенциалом почкования, тубуляции, деления и слияния, характеристик, которые существенны для клеточного деления, биологического воспроизведения и внутриклеточного трафика мембран. Липиды также позволяют определенным белкам в мембранах агрегировать, а др. диспергировать. Наконец, липиды могут действовать как первичные и вторичные мессенджеры в предаче сигналов и в процессах молекулярного распознавания. Деградация amphipathic липидов делает возможным феномен двухчастной передачи сигналов, который может передаваться внутри мембран с помощью гидрофобной части молекулы и распространяться также в цитозоле за счет растворимых (полярных) частей молекулы. Кроме того, некоторые липиды действуют, чтобы создавать мембранные домены, которые рекрутируют белки из цитозоля и которые затем организуют вторичные сигнальные или эффекторные
    Прогресс в биофизике, химии и генетике снова привлек внимание к биологической роли огромного разнообразия мембранных липидов. Одно свойство липидов, которое завораживает ученых, это их фазовое поведение. В клетках липиды могут находиться в различных жидких и твердых фазах, которые характеризуются разным пространственным расположением и динамической свободой каждого липида по отношению к своим соседям. Биофизические подходы определяют принципы сосуществования двух жидких фаз (с разными физическими характеристиками в одной плоскости мембраны), которые разграничиваются с помощью фазовой границы и за счет мембранной организации2,3. Успехи масс-спектрометрии активировали стремительное развитие целостного, высокой чувствительного (и высоко-производительного) анализа липидов, введения липидов в реальную геномику и протеомику1. Идентификация новых связанных с болезнями генов показала вовлечение родственных липидам белков, таких как энзимы (lysosomal hydrolases), транспортеры (ATP-binding cassette (ABC) transporters) или связывающие липиды белка (START доменовые белки). Сегодня важно определить молекулярную функцию соотв. продуктов генов для улучшения диагностики и для разработки лечения соотв. болезней. Патологические процессы, такие как вирусная инфекция, неожиданно оказались связанными со специфическими мембранными липидами и их биофизическими свойствами4, это подчеркивает необходимость интегрального

    The repertoire of membrane lipids


    Основными структурными липидами эукариотических мембран являются glycerophospholipids: phosphatidylcholine (PtdCho), phosphatidylethanolamine (PtdEtn), phosphatidylserine (PtdSer), phosphatidylinositol (PtdIns) и phosphatidic acid (PA). Их гидрофобной частью является diacylglycerol (DAG), который содержит насыщенные или цис-ультранасыщенные жирные acyl цепочки разной длины (Fig. 1). На долю PtdCho приходится 50% фосфолипидов в большинстве эукариотических мембран. Он спонтанно само-организуется в виде планарного бислоя, в котором каждый PtdCho имеет почти цилиндрическую молекулярную геометрию с липидными хвостами, обращенными др. к др., и полярными головками, обращенными к водной фазе. Большинство молекул PtdCho имеет одну cis-ненасыщенную fatty acyl цепочку, которая переводит их в жидкость при комнатной температуре. PtdEtn обладает конической молекулярной геометрией из-за относительно малых размеров их полярных головок. Включение PtdEtn в PtdCho бислой вносит curvature стресс в мембрану, это используется для отпочкования, деления, слияния6. Non-bilayer липиды подобно PtdEtn и cardiolipin (CL) могут также использоваться для аккомодации мембранных белков и модулирования их активности6,7. Дополнительный фактор, который вносит вклад в curvature стресс в биомембранах, это асимметричное распределение различных липидов между двумя
    Сфинголипиды представляют собой др. класс структурных липидов. Их гидрофобным остовом является ceramide (Cer). Основными сфинголипидами в клетках млекопитающих являются sphingomyelin (SM) и glycosphingolipids (GSLs), которые содержат моно-, ди- или олигосахаридные основания на glucosylceramide (GlcCer) и иногда galactosylceramide (GalCer)8. Ганглиозидами являются GSLs с терминальными sialic кислотами. Сфинголипиды имеют насыщенные (или trans-ненасыщенные) хвосты, так что они способны формировать более длинные, узкие цилиндры, чем PtdCho липиды из той же самой длины цепи и они упаковываются более плотно, принимают твердую 'gel' или подобную фазу; они псевдосжижаются стеролами (Box 1). Стеролы являются основными неполяризованными липидами клеточных мембран: cholesterol преобладает у млекопитающих, тогда как ergosterol преобладает у дрожжей. Согласно модели зонтика9,10, предпочтительное смешивание стеролов с сфинголипидами вызывает защиту неполярного стерола с помощью головок сфинголипида скорее, чем за счет предпочтительных межмолекулярных взаимодействий (see the review by Ikonen in
    Индуцированный сигналами гидролиз glycerolipids и sphingolipids дает параллельные серии липидов мессенджеров: lysoPtdCho (LPC), lysoPA (LPA), PA и DAG, в противовес sphingosylphosphorylcholine (SPC), sphingosine (Sph), sphingosine-1-phosphate (S1P), ceramide-1-phosphate (C1P) и Cer (Fig. 1). LPC, LPA, SPC, Sph и S1P несут только одну aliphatic цепь и с готовностью покидают мембраны; они передают сигналы посредством связанных с мембранами рецепторов11. Напротив, PA, DAG, C1P и Cer остаются в мембране и могут рекрутировать цитозольные белки12. Интересно, что когда сигнальные липиды, такие как Cer генерируются в больших количествах13,14, то они могут также влиять на физические свойства мембран, такие как фазовое поведение липида. Cer может вытеснять cholesterol из липидного зонтика15 и управлять его esterification. Фосфорилированные производные PtdIns (Fig. 1) участвуют в передаче сигналов и распознавании. Эти phosphoinositides являются важными для предопределения качественных особенностей органелл (Fig. 2) и для рекрутирования как растворимых. так и мембранных белков в специфические мембраны.

    Lipid metabolism and localization


    Изменчивость головок и aliphatic цепочек делает возможным существование более 1,000 различных видов липидов в клетках эукариот1. Интересно, что фосфолипиды и стеролы не распределяются гомогенно по основным органеллам млекопитающих и дрожжей (Fig. 2). В клетках эукариот синтез структурных липидов ограничен географически. Локальный липидный метаболизм является первым детерминантом уникального
    The ER: the main site of lipid synthesis. Основной органеллой биосинтеза липидов является эндоплазматический ретикулем (ER)16, который продуцирует основную массу структурных фосфолипидов и cholesterol (ergosterol у дрожжей) (Fig. 2), а также существенные уровни triacylglycerol и cholesteryl esters, которые не играют структурной роли. ER продуцирует также Cer, который является предшественником для комплекса сфинголипидов, а GalCer продуцируется в ER миэлинизированных и эпителиальных клеток, где он стабилизирует myelin и апикальные мембраны17. Асоциированные с митохондриями мембраны являются субфракцией ER, которые фракционируются вместе с митохондриями, к мембранам которых прикреплены посредством сайтов контакта. Они особенно богаты специфическими энзимами биосинтеза липидов у млекопитающих и дрожжей18,19, это указывает на то, что синтез липидов может быть субкомпартментализован
    Хотя ER является основным местом синтеза cholesterol, этот липид быстро транспортируется в др. органеллы. В самом деле, ER - который расположен в начале секреторного пути - обладает очень низкими концентрациями стеролов и сфинголипидных комплексов. Из-за рыхлой упаковки ER мембранные липиды согласуются с функцией органелл по инсерции и транспорту вновь синтезированных липидов и белков. ER дает прибежище немногим липидам, которые действуют как промежуточные образования пути, так и законные конечные продукты пути (включая DAG, cytidine diphosphoDAG, PA, lysophospholipids) и
    The Golgi apparatus: a lipid-based sorting station. Существенные уровни синтеза липидов происходят в Golgi. Аппарат Golgi у млекопитающих специализируется на синтезе финголипидов и продуцирует SM, GlcCer, lactosylceramide (LacCer) и высшего порядка GSLs20, все они были в первую очередь предназначены для экспорта в плазматическую мембрану. Продукция сфинголипидов может играть важную роль в сортировке мембранных белков и липидов между ER, плазматической мембраной и эндосомами или вакуолями посредством липидных плотиков (see below). Терминальная ступень синтеза PtdCho может осуществляться с помощью энзимов как в ER, так и в Golgi21. Специфичная для Golgic cholinephosphotransferase может играть роль в регуляции секреторных процессов путем контроля уровней DAG в этой органелле. Golgi у дрожжей участвует в синтезе сфинголипидов из ceramide phosphoinositol (CerPIns-X; где X это - H, mannose or mannose phosphoinositol) серии20. Он синтезирует также PtdEtn с помощью PtdSer decarboxylase22.
    The plasma membrane: built for stability. Плазматические мембраны обогащены сфинголипидами и стеролами (Fig. 2), которые упакованы с более высокой плотностью, чем glycerolipids, и противостоят механическим стрессам. Хотя плазматическая мембрана не участвует в автономном синтезе своих структурных липидов, многочисленные реакции для каждого или синтезирующегося или деградирующего липидов, которые участвуют в сигнальных каскадах, были описаны для этой органеллы23. Оборот SM в плазматической мембране является достаточно высоким для (ре)синтеза SM из Cer с помощью sphingomyelin synthase SMS2 плазматической мембраны, чтобы вносить существенный вклад в общий клеточный уровень SM 24, 25.
    Lipids and the endocytic pathway. Ранние эндосомы сходны с плазматическими мембранами, но созревание в поздние эндосомы характеризуется снижением стеролов и PtdSer и драматическим увеличением bis(monoacylglycero)phosphate (BMP)26. BMP функционирует в генерации multivesicular body , процессах слияния и гидролизе сфинголипидов27, 28. Специализированная система киназ и фосфатаз продуцирует и гидролизует специфические phosphoinositides23, включая PtdIns(4,5)P2 на плазматических мембранах, PtdIns3P в ранних эндосомах, PtdIns(3,5)P2 в поздних эндосомах и PtdIns4P в (trans)-Golgi сети (Figs 1, 2). Эти phosphoinositides идентифицируют эндоцитические мембраны и позволяют им рекрутировать белки из цитозоля, которые участвуют в доставке пузырьков и др. аспектах клеточного гомеостаза23. Липидные медиаторы процессов передачи сигналов и распознавания многочисленны и действуют посредством специфических протеирн-липид взаимодействий23. Уровни этих сигнальных молекул чрезвычайно малы по сравнению с уровнями основной массы мембранных липидов. Сайт-специфическая генерация и оборот, а также комбинаторное распознавание являются центральными принципами липидов. как передатчиков информации (see the review by Lemmon in this issue). Важно выяснить, как эти системы регулируются топологически и во времени.
    Mitochondria have bacterial lipids. Существенные уровни синтеза липидов наблюдаются в митохондриях. Митохондрии синтезируют LPA29, из которых существенные количества используются для образования triacylglycerol30. Они также синтезируют PA и phosphatidylglycerol (PtdGro), которые используются для синтеза CL, липида, который являеся уникальным для митохондрий, как и PtdEtn. Декарбоксилирование PtdSer продуцирует митохондриальную PtdEtn, которая экспортируется в др. органеллы у млекопитающих и дрожжей31. Присутствие PtdGro и около 25 молярного процента CL на внутренней мембране32 в дополнение к её высокому соотношению PtdEtn/PtdCho напоминает бактериальное происхождение этой мембраны и возможно нуждается в оксидативном фосфорилировании. Содержание стерола в митохондриях обычно мало за исключением клеток, которые участвуют в синтезе стероидных гормонов, в которых митохондрии импортируют и метаболизируют холестерол совместно с ER33.

    Lipid dynamic transmembrane distribution


    Липидный состав индивидуальных мембран может быть ещё больше стратифицирован в отношении ориентации липидов к цитозолю. В то время как все липиды симметрично распределяются между двумя листками мембранного бислоя ER, Golgi, плазматическая и эндосомальная мембраны обнаруживают асимметричное распределение липидов с SM и GSLs на не-цитозольной (просветной стороне), с обогащенными PtdSer и PtdEtn в цитозольном листке34, 35. Асимметричное распределение липидов имеет важные функциональные последствия. Напр., будучи расположенными на клеточной поверхности, PtdSer действует как чувствительный к воздействию сигнал для фагоцитов и как сигнал к репродукции при каогуляции крови. Более того, транслокация липидов в цитозольный листок вызывает количественный дисбаланс липидов, который может вносить вклад в искривление мембран, которое необходимо для отпочкования пузырьков36. Асимметрия липидов в мембранах является следствием множественных факторов, включая биофизические свойства, которые диктуют способность липидов пересекать бислой спонтанно, задерживающих механизмов, которые задерживают липиды на листке бислоя, и присутствия транспортеров, которые ассистируют транслокации липидов.
    В модельных мембранах из липидов, образующие бислой, скорость спонтанного полярного перемещения липидов между листками бислоя низкая (от часов до дней для PtdCho липидов37, 38) и управляется она размером, зарядом и полярностью головок. Половинным временем (t1/2) для транслокации являются дни для комплексов GSLs, но сек. для Cer39, DAG40, 41 и стеролов42. Быстрые перемещения между слоями Cer и DAG не зависят от концентраций этих липидов в каждом из листков бислоя, т.к. др. мембранные липиды и белки могут обнаруживать склонность своего сродства к специфическому листку путем улавливания их внутри доменов, в этих листках39. Это может быть аргументом в пользу cholesterol, которым возможно обогащен не-цитозольный листок плазматической мембраны, благодаря её высокому сродству к сфинголипидам, хотя действительные данные по ориентации холестерола противоречивы34, 35. Сходным образом, негативно заряженные липиды, такие как жирные кислоты, PtdGro и PA могут быстро flip, если их заряд нейтрализуется при низком pH, но они могут эффективно накапливаться на одной стороне мембраны с помощью градиента pH43.
    Transporter-mediated mechanisms of translocation. Существуют неотразимые доказательства врожденных не специфических липидных транспортеров внутри мембран с высокой способностью синтезировать фосфолипиды, таких как ER у млекопитающих, и внутренняя мембрана Gram-отрицательных бактерий. Эти липогенные мембраны, по-видимому, обладают врожденной способностью к уравновешиванию липидов между листками бислоя, это зависит от субнабора мембранных белков и не зависит от АТФ36, 38, 44. Эволюционная стратегия для функции уравновешивания липидов не была результатом развития специфических генов, чтобы выполнять transbilayer уравновешивание; вместо этого, трансмембранные домены, которые могут облегчить flipping липидов, имеют широкое распространение среди ER белков у эукариот и белки внутренней мембраны у бактерий37, 44. Такое свойство уравновешивания липидов теряется в не-ER мембранах эукариот и в наружной мембране прокариот, это может быть следствием изменений в композиции липидов и/или белков. Напротив, гликолипидные предшественники для гликозилирования белков (олигосахариды, прикрепленные к остову prenylpyrophosphate), по-видимому, транслоцируются из цитозоля через ER и внутреннюю мембрану бактерий с помощью соотв. транспортеров45, 46.
    Для некоторых липидов асимметричное распределение сопровождается инсерцией липида только в один из листков мембраны с непрерывным удерживанием липида в этом листке (таких как SM и GSLs в Golgi). В др. случаях, таких как PtdSer и PtdEtn, липиды синтезируются в одном из листков ER, но свободно уравновешиваются между листками. Далее, в др. мембранах (включая Golgi и плазматические мембраны), ATФ-зависимые aminophospholipid транспортеры избирательно транслоцируют эти липиды с просветного листка бислоя на цитозольный листок35, 47 (Fig. 3). Некоторые др. транспортеры принадлежат к P4 подсемейству P-type ATPases36. Клетки млекопитающих с готовностью транспортируют PtdSer и PtdEtn, которые были мечены флюоресцентным зондом (NBD)Ю с наружного во внутренний листок бислоя плазматической мембраны35. Дрожжевые транспортеры NBD-PtdSer, NBD-PtdEtn и NBD-PtdCho и генетические подходы идентифицировали генные продукты Dnf1 и Dnf2 в качестве ответственных P4 ATPases48, которые также нуждаются во второй субъединице, Lem3, для активности. Недавние исследования показали, что одни и те же P4 ATPases транспортируют lysoPtdEtn (LPE) и LPC в качестве настоящих нативных фосфолипидных субстратов через плазматические мембраны дрожжей49, 50. Поток LPE и LPC чрезвычайно высок и удовлетворяет всем потребностям синтеза PtdEtn и PtdCho для клеточного роста. Следовательно, одной из основных неопределенностей является качественное воспроизведение аналогов флюоресцентных липидов в сравнении с поведением нативных фосфолипидов (Box 2).Дополнительные дрожжевые P4 ATPases, Dnf3 и Drs2, располагаются в Golgi и вносят вклад в асимметрию фосфолипидов в этом месте вместе с их второй субъединицей Cdc50 (Ref. 51). Некоторые данные подтверждают, что Dnf3 и Drs2 циклически проходят плазматическую мембрану и частично супрессируют мутации, которые элиминируют Dnf1 и Dnf252. Неожиданно делеция этих ATPases не только вызывает дефекты в NBD-lipid flipping, но и также ингибируют везикулярный трафик, это подтверждает роль асимметрии липидов в изгибании мембран и отпочковании пузырьков47, 48.
    Дополнительными связанными с мембранами липидными транспортерами являются ATФ-связывающие кассетные транспортеры, которые прежде всего действуют как экспортеры липидов скорее, чем в качестве flippases (Box 2), а scramblase плазматической мембраны, которая участвует в ATФ-независимой реакции, чтобы рандомизировать распределение фосфолипидов поперек плазматической мембраны35. Природа scramblase остается плохо изученной. Данные указывают на то, что потеря плазматической мембраной асимметрии д. вызывать действие одного из членов семейства фосфолипидных scramblase53, дисфункцию aminophospholipid транспортеров54 или продукцию больших количеств non-bilayer-forming Cer за счет sphingomyelinases14.

    Selectivity in lipid transport


    Все органеллы содержат по крайней мере некоторые липиды, которые были синтезированы где-то в др. месте и были получены за счет транспорта. Транспорт липидов между органеллами д.быть специфическим, чтобы поддерживать их уникальный липидный состав. Плазматическая мембрана, эндосомы и лизосомы полностью зависят от липидного транспорта из др. органелл, которые активно задействованы в синтезе. Транспорт липидов может происходить за счет различных механизмов (Fig. 4a). Во-первых, липиды могут диффундировать латерально по мембранной непрерывности, т.к. таковая существует между ER и наружной и внутренней ядерной мембраной. Трубчатые соединения обнаруживаются между цистернами Golgi. В некоторых случаях сущестуют барьеры для диффузии между во всем остальном непрерывных мембран, как это происходит в случае между апикальным и базолатеральным доменами плазматической мембраны эпителиальных клеток. Барьер обнаруживается исключительно в экзоплазматическом листке плазматической мембраны, подтверждая тем самым, что GSLs, которыми богат апикальный домен, располагается в этом экзоплазмическом листке55. Основной путь мембранного транспорта между клеточными органеллами в секреторном и эндоцитотическом пути осуществляется посредством отпочкования и слияния везикулярных мембран. Напротив, органеллы, такие как митохондрии и пероксисомы, не связанные с системой везикулярного транспорта и липидами, скорее всего проникают и покидают эти органеллы как мономеры, при посредстве как растворимых, так и мембранных
    Vesicular trafficking of membrane components. Секреторные и эндоцитические органеллы связаны посредством двунаправленного везикулярного транспорта. После выхода из ER относительно свободные между слоями перемещения полярных липидов становятся ограниченными. Некоторые липиды отлавливаются экзоплазматическим листком бислоя и теряют доступ к цитозольному листку. Более сложные sphingolipids (за исключением GlcCer и GalCer) и PtdCho, которые все локализованы в экзоплазмическом листке бислоя, вступают на путь, который нуждается в обеспечиваемом пузырьками транспорте. Это доказывается исследованиями транспорта SM и комплексов GSLs, который обнаруживает чувствительность к ингибированию метаболическими ядами и к генетическим манипуляциям, которые нарушают везикулярный транспорт между Golgi и плазматической мембраной56. Лишь небольшая фракция транспорта синтезируемого стерола, по-видимому, затрагивается ингибированием везикулярного
    Обогащение сфинголипидами и стеролами секреторного пути предсказывает из предпочтительное включение в anterograde пузырьки или исключение из retrograde пузырьков. Ситуация значительно сложнее в эпителиальных клетках, в которых существуют отдельные транспортные пути к апикальным и базолатеральным плазматическим мембранам. Предложена общая модель, в которой сфинголипиды сегрегируют от PtdCho в каждом компартменте секреторнго пути. Кроме того, в эпителиальных клетках GSLs д. преимущественно включаться в апикальные предшественники пузырьков: гипотеза липидных платформ предполагает, что преимущественные взаимодействия между липидами генерируют домены специфического липидного состава, чтобы управлять сортировкой мембранных белков8,58. Синтез GalCer в ER специализированных клеток17 и рециклинг вновь синтезированных GlcCer посредством ER59 указывают на то, что сфинголипиды концентрируются в таких платформах, которые уже существуют в
    Потребление флюоресцентно сфинголипида и аналогов PtdCho в клетках млекопитающих обеспечиваются различными эндоцитическими путями. Использование флюоресцентного GSL с зависимыми от концентрации изменениями в спектральных свойствах выявляет отдельные эндосомы со сфинголипидами, которые распределяются не случайным образом в органелле, это указывает на домены, которые сильно концентрируют сфинголипиды. Используемый аналог LacCer преимущественно эндоцитозируется с помощью кавеол и транспортируется из эндосом в Golgi. Это указывает на то, что система эндоцитического рециклинга использует механизмы сегрегации липидов, которые сходны с теми, что в секреторных путях61. Экстраполяция этих данных на естественные липиды осложнена из-за эффектов флюоресцентных жирных кислот на фазовое поведение62. Интересно, что несмотря на инсерцию экзогенного стимулируемого LacCer эндоцитоза кавеол, неестественный стереоизомер ингибирует образование кластеров липидов на поверхности и блокирует кавеолярный эндоцитоз белковых маркеров63. Это указывает на то, что межлипидные взаимодействия регулируют инициальную
    Recruitment of cytosolic proteins. Во многих случаях арест везикулярного транспорта с использованием метаболических ядов или генетических манипуляций, не влияет на транспорт синтезируемых glycerophospholipids и cholesterol между мембранами22. Независимые от пузырьков перемещения были продемонстрированы для PtdCho, PtdEtn и PtdSer между ER, митохондриями, Golgi и плазматической мембраной57,64-69; для холестерола между ER, липдными капельками, плазматической мембраной и митохондриями в тканях надпочечников57,70; для Cer из ER в Golgi71; и наконец, для GlcCer из Golgi в ER и плазматическую мембрану59,72.
    Генетические и биохимические эксперименты используют сборки белков и липидов на донорской и акцептороной мембранах как важные компоненты распознавания при межмембранных взаимодействиях, которые облегчают процессы переноса не-везикулярных липидов. Липидные компоненты включают PtdIns4P, PA и PtdSer59,71,73-76, а белковые компоненты включают продукты различных структурных генов (CERT, FAPP2, VAP, Pdr17, Psd2, StAR, TSPO, ORP59,69-71,74-76). Они содержат канонические домены белков переносчиков липидов (такие как START и GLTP) и домены, которые идентифицируют донорские и акцепторные мембраны (C2, PH и FFAT), также как и сигналы ubiquitylation. Возникает модель, в которой донорская и акцепторная мембраны формируют переходные зоны сопоставления и контакта (Fig. 4). Их образование может зависеть от (или индуцировать) латеральную сегрегацию липидов на домены. Контактные сайты д. образовывать ограниченные области диффузии липидов и белков внутри данного бислоя и регионы диффузии транспортных белков между донорской и акцептороной мембранами. and acceptor membranes. Липиды и белки связывающие домены действуют, чтобы интегрировать процесс совпадения сенсоров, который нуждается в корректном лиганде для транспорта, корректных белковых лигандах на донорских и/или акцепторных мембранах и корректных органеллы идентифицирующих маркерных липидах (таких как polyphosphoinositides) на донорской и/или акцептороной мембранах. Этот комбинаторный процесс распознавания обладает прирожденной способностью предоставлять пространственные и временные сигналы, которые составляют 'химическую дорожную карту' для векторного транспорта липидов (Fig. 4b). Сходные сборки были предположены для межмембранного транспорта липидов в хлоропластах растений77 и транспорта lipopolysaccharide в Gram-негативных бактериях78, которые используют многочастные ABC транспортеры.
    Цитозольные белки также рекрутируются в мембраны, чтобы регулировать динамические аспекты липидного метаболизма, которые д. быть интегрированы с трафиком везикулярных белков. Белки переноса липидов Sec14 у дрожжей и NIR2 у млекопитающих ощущают содержание мембранных PtdIns и PtdCho и регулируют локальный синтез PtdCho на цитозольной поверхности Golgi79,80. Супрессия синтеза в Golgi PtdCho снижает локальное потребление DAG. Этот пул DAG генерируется в первую очередь как продукт синтеза сфинголипидов в клетках млекопитающих и дрожжей, но может также возникать благодаря реакциям phospholipase. Содержание в Golgi DAG является критическим для событий слияния и деления внутри органелл81,82.

    The behaviour of lipid membranes


    Мембранные липиды могут появиться в различных фазах в зависимости от их структуры и окружения (Box 1). Эти фазы имеют специфические свойства, которые предопределяют ориентацию и подвижность мембранных липидов и белков и д. поэтому влиять на функциональность
    Lipid phase behaviour in biomembranes. Осложнения в изучении поведения липидных фаз биомембран связаны с крупными размерами lipidome и присутствием мембранных белков приблизительно равных по массе липидам83,84. Мембрана каждой органеллы, каждый листок бислоя и каждый физически сегрегировавший домен внутри листка содержит только субнабор из lipidome. Идентификация этих доменов и выяснение взаимоотношений между физическим состоянием и функцией определяет современные пределы нашего понимания. Хорошие данные накоплены для человеческих эритроцитов, в которых наружный мембранный листок обогащен SM и PtdCho, тогда как внутренний листок обогащен PtdSer, PtdEtn и PtdIns. Даже здесь холестерольный состав каждого листка - ключевого компонента фазового поведения - остается неясным34. Асимметрия in vivo была упущена в исследованиях модельных мембран, которые состоят из изолированных липидов плазматической мембраны85. Вообще-то прогресс может быть достигнут путем организации данных и проектирования экспериментов вслед за успешными подходами, используемыми геологами: тысячи различных химических компонентов появляются во всех горных породах Земли. Этот подход группирует химически сходные компоненты и картирует фазовое поведение типичных примеров из трех или четырех группировок, которые описывают определенный минерал86. По аналогии, соответствующая система для изучения фазового поведения в мембранах д. быть субнабором lipidome, поверх некоторой фракции на поверхности листка определенной биомембраны. Молекулярные взаимодействия, которые контролируют фазовое поведение, могут доминировать за счет межлипидных сил (или в некоторых случаях за счет липид-протеин сил), вкупе с др. листком и электростатическим связыванием белков или ионов. Эти взаимодействия могут драматически меняться за счет активности мембранных lipase или kinase, которые генерируют продукты фазовых изменений и за счет поперечных связей липидов и/или белков. Мембранные фазы не могут быть в равновесии, а вместо этого существуют в состоянии динамического равновесия, с quasi-равновесием, описывающим локальные участки мембраны, в которых персистирует композиционные компоненты в течение времени, которое длиннее, чем интересующее время, такое как время. необходимое вирусу для связывания или отпочкования или для слияния или отпочкования пузырька или для оборота
    Липидные смеси, которые сходны с теми, что в ER мембране, как можно предполагать находятся в гомогенной жидкой-неупорядоченной фазе при физиологических тепературах. Однако, липидные смеси, которые воспроизводят наружный листок плазматической мембраны обладают сложным фазовым поведением с liquid-ordered (lo) и -disordered (ld) доменами сосуществующими в плоскости бислоя (Box 3), между тем как фаза разделения в цитозольном листке может быть вызвана организацией наружного листка (Box 1). Сходная ситуация ожидается в просветных листках trans-Golgi сети и эндосомах; хотя большинство действительных доказательств появления липидных доменов связано с плазматическими мембранами87 и эндосомами61, необходимость в липидных доменах в качестве объяснения сортировки сфинголипидов в Golgi
    Сравнение химически установленных моделей с клеточными мембранами выявляет самостоятельные, сосуществующие фазы, которые могут наблюдаться с помощью флюоресцентной микроскопии модельных мембран, но не в биомембранах живых клеток88,89. Домены могут существовать, но , по-видимому, очень малы. чтобы их видеть, меньше волны света (менее 300 nm)90. Они могут быть ограничены такими малыми размерами из-за обилия мембранных белков или в результате связывания и стабилизации растворимыми белками. Альтернативно, такие малые домены не могут быть представлены в норме, а вместо этого может быть более корректно описаны как неслучайная смесь разнородных молекул внутри одиночной фазы, характеризующейся кластерами до приблизительно из 100 молекул, которые появляются и исчезают на временной шкале, которая контролируется диффузией. Пока неясно является ли lo - которая не обнаруживается на картинках флюоресцентной микроскопии - действительно фазой отдельной от ld; это может быть жидкой фазой, которая совершенно не идеальна с крупными кластерами, но не с отдельными фазами. Во всяком случае фазовое разделение на крупной шкале может быть индуцировано с помощью относительно небольших изменений соотв. параметров, в одном случае за счет объединения малых доменов, в др. случае за счет стабилизации и объединения временных кластеров. В клеточных мембранах объединения, по-видимому, индуцируется за счет sheer количеств гликолипидов и низкой температуры91, также как и во время передачи сигналов92 (таких, когда Cer продуцируется sphingomyelinases93), за счет искривления мембран во время отпочкования94 или за счет белков. упорядочивающих липиды, таких как caveolin87. Эти типы фазового разделения будут необходимы, чтобы покойное состояние мембран было близким к фазе
    Типы смесей, которые воспроизводят наружный листок плазматической мембраны (Box 3) были изучены в присутствии продуктов липолиза Cer, DAG и LPC (или LPE) плюс жирных кислот. В бислоях, которые содержат длинноцепочечные Cer и DAG молекулы, Cer- или DAG-богатая твердая фаза может быть отделена от др. липидов в смеси95,96. Hexagonal и cubic фазы, как было установлено, формируются в простых бинарных смесях, содержащих DAG или Cer, но действительно ли эти фазы формируются в более сложных смесях или биомембранах (таких как в митохондриях во время апоптоза97) не установлено. Lysophospholipids и жирные кислоты могут быть способны смешиваться с др. компонентами в липидных бислоях, но также могут индуцировать hexagonal и cubic фазы. Неясно, могут ли эти продукты липолиза действительно формироваться в достаточных концентрациях для формирования новой фазы до их диффузии прочь от места синтеза или в плоскости мембраны (which may be corralled in some way88,98) или вне
    Lipid phase boundaries. Разделение фаз внутри планарного бислоя индуцирует поверхностные домены разного липидного состава и фазовых свойств. Как показано в Box 3, пересечение фазовой границы может индуцировать изменения между одной фазой иди двумя существующими фазами или даже между двумя или тремя сосуществующими фазами (стрелки). Как в случае с аллостерическими энзимами, которые позволяют клеткам получить контроль над метаболической активностью путем внезапного, кооперативного поведения субъединиц энзима, клетки также получают преимущество из кооперативного поведения мембран. Фаза разделения создает композиционную фазовую границу с уникальным статусом: фазовые границы являются физическими сайтами, в которых свойства мембран изменяются внезапно. Клетки могут использовать острые различия свойств мембраны, чтобы колокализовать некоторые компоненты и разделить др. Т.к. фазовые разделения зависят от липидного состава, от связывания ионов и молекул с мембраной и от состояния агрегации мембранных компонентов, даже небольшие изменения этих параметров могут контролировать фазовое поведение. Напр., фазовые разделения могут управляться потерей определенных липидных компонентов вместе с добавлением новых, как это происходит благодаря активности липидных kinases, phosphatases и hydrolases во время реакций передачи сигналов или при изменениях концентраций Ca2+ или при агрегации иммунных рецепторов99. В качестве осложнений такого поведения выступает кооперативный переход во время изменения фазы мембран, который может быть или быстрым, за счет захватывания некоторых компонентов в неуравновешенных смесях или чрезвычайно медленным, таком как при гексагональных
    Proteins and membrane behaviour. Не были описаны относительно завершенные фазовые диаграммы для белков или пептидов в мультикомпонентных липидных смесях. Спиральные пептиды, включая gramicidin A, индуцируют non-bilayer фазы при концентрациях в несколько молярных процентов100. Большинство простых спиральных пептидов индуцирует non-bilayer фазы при низких молярных фракциях101. Такие исследования подчеркивают слабость экстаполяций с простых модельных пептидов в липидных бислоях биомембран, которые обладают довольно высокими концентрациями белка84,102. Индукция non-bilayer фаз с помощью пептидов при довольно низких концентрациях показывает, что образование пор, изгибов мембран и вообще везикуляция и тубуляция могут находиться под контролем белков, которые располагаются в или соединяются с
    Proteins can show a clear preference for a particular phase. Для сосуществующих жидкой и твердой фаз в модельных бислоях пептид или белок, который закреплен на мембране с помощью alpha-спирали обычно предпочитает жидкую фазу. Переход в твердую фазу преимущественно по сравнению жидкой фазой происходит только для точного гидрофобного принципиального соответствия твердому. Для сосуществования lo и ld доменов, большинство разделений связанных с мембранами пептидов происходит из lo и в ld103,104. Исключение составляют пептиды с caveolin-1 каркасным доменом и по крайней мере некоторые glycosylphosphatidylinositol (GPI)-закрепленных белков105. Домены связывания холестерола также, по-видимому, существуют, они обладают высоким сродством к богатым холестеролом композиционным регионам бислоя105. Однако, неясно, происходит ли связывание предсуществующих богатых холестеролом доменов или до какой степени происходит подобное связывание или индуцирует ли белок самостятельный домен. Важными вопросами остаются и те, существуют ли и как липдные платформы рекрутируют специфические белки везикулярного транспорта, такие как SNAREs (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptors), которые необходимы для доставки и хранения этих пузырьков и могут ли такие белки действительно накапливаться на
    Родственные вопросы касательно функции различных липидов, т.е. могут ли липиды, которые находятся в контакте с мембранными белками формировать оболочку со специальными свойствами; напр., тенденция nucleate мембранные платформы102. В некоторых хорошо изученных случаях белки, которые восстанавливаются в липидные бислои обнаруживают чрезвычайно мало предпочтений по связыванию для оболочки из определенных липидов, исходя из длины липидных цепочек или головок107. Ферментативные и транспортные активности связанных с мембранами восстанавливаемых белков обнаруживают мало предпочтений к определенным длинам липидных цепочек в широких пределах, как в случае Ca2+-ATPase108. Для Na+/K+-ATPase, только CL обнаруживает многократно увеличенное связывающее сродство по сравнению с др.109, но CL располагается на др. клеточной мембране. Относительно, телячьего rhodopsin, Gawrisch и др. установили, что модель специфического связывания липидов (или посредством головок или посредством ненасыщенности) необходимая. чтобы объяснить данные, показывающие, что связывающее сродство PtdCho было почти равным таковому для PtdEtn, который обладает более существенной связывающей активностью, чем PtdSer, а связывающая активность PUFA (polyunsaturated fatty acid) была более значительной, чем таковая моно-ненасыщенных жирных кислот10. Andersen and Koeppe полагают, что связывание липидов с мембранными белками, которые имеют важное занчение для общей энергетики взаимодействий скорее, чем для сродства специфических липидов к белкам111. Преимущество этой точки зрения заключается в том, что она приложима одинаково к поведению белка в одиночной или множественных мембранных фазах. Эти взаимодополняющие позиции подчеркивают, что дифференциальные взаимодействия различных мембранных компонентов приводят к малым, но определенным гетерогенностям в мембране92,112, которые могут быть названы липидными плотиками, если они являются мембранными платформами, существование которых зависит от межлипидных взаимодействий.

    Conclusions and future directions


    Eukaryotic cells have a tremendous array of lipid metabolizing enzymes with unique distributions over their various membranes. However, these do not explain all of the steady-state lipid compositions. Specificity in lipid transport is also required. On the one hand, ever more proteins are discovered that are involved in monomeric lipid transport and impose specificity and directionality. On the other hand, vesicular transport uses lipid phase behaviour to laterally segregate lipids and proteins and include specific subsets in budding vesicles. Similar segregations are induced in numerous signal transduction pathways. In both cases, phosphoinositide dynamics have a regulatory function through the recruitment of cytosolic proteins. Despite impressive progress in the biophysics of model systems, the application of these approaches to cellular systems has been hampered by the stunning complexity of the cellular lipidome. Although studies of membranes can now benefit from the large-scale detailed analyses of lipid molecular species, there is currently a paucity of data regarding key points, including: complete lipid compositional analysis for each organelle, the lipid compositions of each bilayer leaflet, the coupling of phase behaviours of the two leaflets, and the influence of proteins on lipid phase behaviours. To overcome the technical and conceptual barriers confronted by the field, a multidisciplinary approach is required, involving biochemists, cell biologists, physicists and information technologists working together. Such progress will highlight the basic working principles of cells and tissues, but will also allow fundamental insights into the pathogenicity of disease. Important human diseases, such as atherosclerosis, infectious diseases, Alzheimer's disease and cancer, all have a lipid component in their epidemiology. A molecular understanding of the contribution of lipids to the disease process will allow the development of novel approaches to prevention, diagnosis and cure.
    Сайт создан в системе uCoz