Липиды биомембран продолжают открывать свои «секреты»
Проанализировав огромный массив результатов биохимических и биофизических исследований по изучению биомембран, накопившийся за последние два десятилетия, ученые пришли к выводу, что состав их липидного матрикса эволюционно подобран так, чтобы в физиологических условиях способствовать образованию липидных доменов, получивших название «рафты». Несмотря на свой малый размер и динамическую природу, на эти образования возложена важная (хотя и не до конца изученная) функциональная роль, результаты дальнейших исследований которой обещают стать весьма интересными не только для биологии, но и для медицины
Смена концепции
Концепция жидкостно-мозаичной модели биологической мембраны, предложенная С.Д. Сингером и Г.Л. Николсоном в 70-е годы прошлого столетия [1], где липидам отводилась пассивная роль «океана», в котором «айсберги» белковых комплексов играли предназначенные им биологические роли, устарела.
Согласно современным представлениям тщательно подобранный и оптимизированный эволюцией липидный состав мембран, состоящий отнюдь не из одного типа молекул липидов, играет роль не менее важную, а, возможно, даже более фундаментальную.
Режим функционирования мембраны в значительной степени зависит от микровязкости липидного бислоя и подвижности фосфолипидных молекул в мембране, а также фазового состояния мембранных липидов. Отклонения биофизических характеристик липидного бислоя от нормы связано с различными патологиями.
Важную роль в физиологии клетки играют фазовые переходы в биологических мембранах. Липидная фаза биологических мембран при физиологических условиях (температуре, давлении, химическом составе окружающей среды) находится в жидком агрегатном состоянии. Это доказано с помощью методов флуоресцентного анализа (с использованием флуоресцентных зондов и меток); электронного парамагнитного резонанса с использованием спиновых зондов и меток; магнитно-резонансной томографии.
Ученые пришли к выводу, что липидный компонент мембраны — это не просто пассивный носитель белков, которые и выполняют всю работу, а равноправный участник большинства биохимических процессов, позволяющий создать необходимые условия для корректной и эффективной работы мембранных белков.
Например, частичное взаимное несмешивание липидных компонентов мембраны эукариотической клетки приводит к появлению микроскопических неоднородностей, называемых также мембранными рафтами (от англ. raft — «плот»). Такое сложное фазовое поведение липидного матрикса мембраны активно используется клеткой: рафты, предположительно, образуют функциональные платформы, в которых комплексы мембранных белков выполняют свои разнообразные функции, причем одни белки предпочитают находиться в рафтовых областях, тогда как другие — в областях между ними.
Читайте также: Апоптоз — «охайне» самогубство
«Плот» из липидов
Гипотеза о существовании рафтов возникла на основании того факта, что гликосфинголипиды в комплексе Гольджи распределены не равномерно, а кластеризуются вместе, перед тем как направляться к полюсам поляризованных эпителиальных клеток. Лабораторное изучение этих кластеров показало, что в отличие от «обычных» участков мембран они не растворяются в таком детергенте, как тритон X-100. Согласно данным химического анализа эти кластеры состоят преимущественно из холестерола и сфингомиелина, а основные белки, неизменно попадающие в них, — это гликозилфосфатидилинозитол-заякоренные белки (GPI-anchoredproteins).
Высказано предположение, что эти плотные кластеры образуют стабильные «плоты» (размером примерно 50 нм), в которые встроены определенные типы белков. Дополнительно в пользу этой концепции свидетельствовал и тот факт, что синтетические мембраны, содержащие холестерол и гликосфинголипиды, демонстрируют примерно те же свойства: липиды разделяются на две несмешивающиеся фазы, которые можно разглядеть даже в обычный микроскоп.
…Липидный компонент мембраны — это не просто пассивный носитель белков, которые и выполняют всю работу, а равноправный участник большинства биохимических процессов
Однако с течением времени стало понятно, что рафты далеко не столь стабильны, как это предполагалось изначально. По всей видимости, это динамические структуры, постоянно обменивающиеся молекулами липидов и белков с остальной частью мембраны. При этом липиды в рафтах упакованы гораздо более плотно и структурированно, нежели в окружающей «жидкой» мембране.
На сегодня определение рафтов звучит так: «Мембранные рафты — это маленькие (10–200 нм), гетерогенные и очень динамичные липидные кластеры (или домены), обогащенные холестеролом и сфинголипидами, и принимающие участие в клеточной компартментализации». Под компартментализацией в данном случае следует понимать существование обособленных областей, никогда не сближающихся друг с другом, несмотря на то что в целом мембрана имеет текучую природу. В некоторых случаях рафты могут стабилизироваться за счет белок-белковых и белок-липидных взаимодействий, формируя более крупные «рафтовые платформы» [2].
Читайте также: Что мы знаем о «суицидных ингибиторах»?
Рафты: немаловажная роль
Роль такого сложного фазового поведения липидного матрикса мембран еще только предстоит изучить в полной мере. Тем не менее уже на сегодня она надежно установлена для некоторых биологических процессов [3]. Так, например, в лабораторных экспериментах подтверждено, что участие рафтовой фазы в формировании иммунологического синапса принципиально: изъятие из мембран холестерола или модификация некоторых участвующих в процессе белков, чтобы они потеряли сродство к рафтам, приводит к тому, что презентирования антигена не происходит, и иммунитет не формируется.
Кроме того, установлено, что многие вирусы, покидая зараженную ранее клетку, облачаются в липидную оболочку — часть мембраны клетки-хозяина. Некоторые из них, в частности ВИЧ и вирус гриппа, «отпочковываются» от рафтовых участков мембраны, приводя к тому, что вокруг их собственного нуклеокапсида образуется липидная «скорлупа», состоящая целиком из рафтовых липидов. Происходит это, видимо, для того, чтобы в оболочку попали вирусные гликопротеины и не проникли ненужные вирусу мембранные белки клетки-хозяина [3].
…Мембранные рафты проливают новый свет на происхождение метаболических нарушений и распространенных патологий, таких как рак, резистентность к инсулину, воспаление, сердечно-сосудистые заболевания и болезнь Альцгеймера
Выяснилось, что некоторые рафтовые липиды можно рассматривать в качестве «троянского коня» для бактериальных токсинов и вирусов. В частности, токсин бактерий, вызывающих дизентерию, а также холерный токсин, формируя пентамерный «бублик», захватывают рафтовые гликосфинголипиды под названием «ганглиозиды Gb3 и GM1», провоцируя образование «впячиваний» мембраны в виде трубочек, что лежит в основе токсического действия этих микроорганизмов.
Липидные рафты богаты белками, имеющими существенное значение для когезии и передачи сигнала, такими как рецепторы, белки связывания клеток, ионные переносчики и комплексы ионных каналов, включая, например, аквапорины, а также рецепторы хемокинов, нейротрансмиттеров, рецепторы гормонов и факторов роста. Указанные белки и белковые комплексы взаимодействуют с внутриклеточными системами G-белков, которые передают сигнал, полученный рецепторами, в цитоплазму и ядро клетки [4, 5].
Высказано предположение, что липидные рафты играют ключевую роль во внутриклеточном транспорте белка, активности рецепторов и липидов [4]. Физическое состояние липидных рафтов способствует локализации и ограничению подвижности множества белков, что облегчает функциональное образование соответствующих сигнальных комплексов.
Читайте также: Клеточные «дворники»
Накопленные результаты экспериментальных исследований подтверждают важность и необходимость полноценного функционирования липидных микродоменов мембраны. Значимость этих данных во многом предопределяется возможностью их эффективного использования для раскрытия механизмов патогенеза целого спектра заболеваний. Так, мембранные рафты проливают новый свет на происхождение метаболических нарушений и распространенных патологий, таких как рак, резистентность к инсулину, воспаление, сердечно-сосудистые заболевания и болезнь Альцгеймера [6]. Рафты стали недостающим звеном в общей структуре механизмов развития атеросклероза [7].
Возможные перспективы
На сегодня исследователи не до конца представляют себе все молекулярные тонкости образования кластеров в липидах. Точно так же далек от понимания и механизм «сортировки» одних белков в рафтовую фазу, а других — в более жидкую область мембраны. Между тем это понимание дало бы возможность создать стратегию рафт-селективной доставки в клетку различных веществ, в том числе лекарств.
Все вышесказанное относится прежде всего к мембранам эукариот, но это еще не значит, что у бактерий нет чего-то подобного (поскольку в их мембранах отсутствует холестерол). Не исключено, что изучение латеральной неоднородности бактериальных мембран может привести к созданию новых поколений антибиотиков, избирательно уничтожающих патогенные микроорганизмы и лишенных риска развития резистентности, давно уже нависшего над традиционными антибактериальными средствами.
Таким образом, имеющиеся на сегодня результаты раскрывают перспективу дальнейших исследований особенностей функционирования липидных микродоменов мембраны, их участия в клеточной сигнализации и регуляции функционального состояния клеточных мембран. Эти исследования станут теоретической основой не только для изучения определенных звеньев патогенеза, но и для разработки эффективных средств патогенетической терапии и профилактики целого ряда заболеваний.
Читайте также: Трансдермальные системы доставки лекарственных средств: что нового?
Подготовил Руслан Примак, канд. хим. наук
Список литературы находится в редакции
“Фармацевт Практик” #4′ 2019
