УДК 577.352
ХОЛЕСТЕРИН И ЛИПИДНЫЕ ПЛОТИКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН. РОЛЬ В СЕКРЕЦИИ, РЕЦЕПЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ИОННЫХ КАНАЛОВ
©2013 г. А. М. Петров, А. Л. Зефиров
Казанский государственный медицинский университет, Казань
Традиционно основную роль в клеточных процессах отводят мембранным белковым молекулам, формирующим ионные каналы, переносчики, помпы, сигнальные комплексы, белкам машины экзо-и эндоцитоза и т.д. Однако в последнее время накапливаются сведения, указывающие на важную роль липидов в регуляции физиологии клетки. Пристальное внимание приковывает к себе молекула холестерина, которая не только напрямую может взаимодействовать с различными протеинами, но и формировать совместно со сфинголипидами мембранные микродомены (липидные плотики или рафты). В липидных плотиках концентрируются многочисленные рецепторы (нейромедиаторов, гормонов и факторов роста), сигнальные белки, протеины, вовлеченные в везикулярный и ионный транспорт. Изменения стабильности и структуры плотиков чреваты драматичными изменениями в функционировании клетки. В обзоре изложены современные представления о вариантах липидов, входящих в состав биологической мембраны, распределении холестерина, организации и формировании липидных плотиков и кавеол. Акцент сделан на исследованиях, посвященных значению липидных плотиков во вне- и внутриклеточной сигнализации, обеспечении секреции нейромедиа-торов, функционировании рецепторов и ионных каналов возбудимой клетки.
Ключевые слова: холестерин, липидный плотик, рецептор, нейромедиатор, ионные каналы, нейрон, синапс, кардиомиоцит.
1. ЛИПИДЫ МЕМБРАН. РАЗНООБРАЗИЕ
Мембраны клеток обеспечивают гомеостаз внутриклеточной среды, участвуют в восприятии внеклеточных сигналов, компартментализуют витальные процессы и обеспечивают проведение электрических сигналов. Мембраны состоят из липидов, формирующих бислой, и погруженных в бислой белков. Примерно 5% от общего количества генов кодируют ферменты, вовлеченные в синтез липидов, и около 30% всего генома кодируют мембранные протеины [3]. Плазматическая мембрана эукариотических клеток содержит более 2000 вариантов липидов. Причины существования разнообразия липидов разнородны. Одна из них связана с необходимостью создания стабильной и надежной структуры, которая остается непроницаемой, даже если состав, осмолярность, рН внеклеточной и внутриклеточной сред изменились. В мембране, состоящей из единственного варианта липида, небольшие изменения вышеуказанных условий ведут к нарушению или даже разрушению бислоя. Липиды также заполняют пространства вокруг белков, в итоге формирует-
ся пространственная структура трансмембранного домена. Разнообразие липидов, вероятно, способствует созданию множества уникальных конформаций трансмембранных доменов белков, что необходимо для их правильного функционирования. Прокариоты имеют примерно сто видов липидов. Существенное увеличение ассортимента липидов эукариот и усложнение структуры мембраны обусловлены появлением двух категорий липидов (сфинголипидов и стеро-лов), которые играют ключевую роль в феноменах мембранного транспорта, присущего только эукариотам [89].
Липиды содержат как гидрофобную, так и гидрофильную части (амфипатические молекулы) (рис. 1А). Полярные регионы липидов взаимодействуют с водой и энергетически стабильны в водном окружении, а вот гидрофобные участки объединяются, сводя к минимуму общую площадь соприкосновения с водой. Гидрофобность и форма липидных молекул (цилиндр, перевернутый конус, конус) определяют возможность самосборки липидов в различные геометрические структуры (ламеллярную, мицеллярную, кубиче-
2
17
Полярная группа
рЩ)
^ Фосфат^ ^ Фосфат^ <^ахар> <^аха]
^Глицерол^ ^Сфингозин| (Сфингозин) (Сфингозин) ^Сфингозин^
Стероидные кольца
Неполярный
Холестерин
Фосфо- Церамид Сфинго- Цереброзид Ганглиозид миелин
липид
Гликолипиды
Липид-неупорядоченная (жидкая) фаза
Твердая фаза (гель)
Липид-упорядоченная фаза (рафт)
В
Липидный плотик
Гликолипиды
Фосфолипиды
Наружный монослой
Плазматическая мембрана
Внутренний монослой
Рис. 1. Липиды и фазовые состояния мембран. А - Структуры основных классов липидов мембран. Холестерин состоит из маленькой полярной головной группы, четырех стероидных колец и неполярного хвоста. Холестерин имеет две отличающие поверхности гладкую (а) и неровную (в), которые предпочитают взаимодействовать с разными партнерами. Фосфолипиды построены на основе трехатомного спирта - глицерола, к которому присоединены две ацильные цепи (обычно одна из которых ненасыщенная) из 16-18 углеродных атомов каждая и через остаток фосфорной кислоты гидрофильная головная группа (холин, этаноламин, серин, инозитол). В основу сфинголипидов входит многоатомный спирт сфингозин, к которому присоединяется насыщенная ацильная цепь из 16-26 атомов углерода, в итоге формируется церамид. К церамиду может привязываться головная группа в виде холина (сфингомиелин), остаток сахара (цереброзид) или остатки сиаловых кислот (ганглиозид). Цереброзиды и ганглиозиды объединяют в группу гликолипидов. Б - Фазовые состояния в модельных мембранах. Ключевой фактор, определяющий текучесть мембраны, это наличие ненасыщенных углеводородных цепей липидов. Фосфолипиды с ненасыщенными цепями образуют липид-неупорядоченную (жидкую) фазу, сфинголипиды с длинными насыщенными углеводородными цепями - твердую фазу (гель). Холестерин самостоятельно не формирует бислой, но вместе со сфинголипидами создают липид-упорядоченную фазу, которая упорядочена как и гель, но подвижность ее компонентов выше. В - Схематическое изображение островка липид-упорядоченной фазы (липидного плотика) в наружном монослое плазматической мембраны.
скую) - липидный полиморфизм. Хотя многие ли-пиды эукариотических клеток не цилиндрической формы и теоретически не должны поддерживать образование бислоя, наличие белков в биологических мембранах способствует стабилизации ламеллярной структуры [88, 89].
Три класса липидов входят в состав мембран эукариотических клеток: глицерофосфолипиды, сфинголипиды, стеролы (рис. 1А). Основными компонентами мембран являются глицерофос-фолипиды: фосфатидилхолин, фосфатидилэта-ноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинози-тол и фосфатидная кислота. Гидрофобные части этих липидов представлены диацилглицеролом, который содержит насыщенные и ненасыщенные жирнокислотные цепи различной длины. Фосфатидилхолин, имеющий цилиндрическую форму, составляет более 50% фосфолипидов (26% всех липидов) мембран. Причем фосфоли-пиды асимметрично расположены по обе стороны мембраны: фосфатидилхолин локализуется в наружном слое плазматической мембраны, тогда как фосфатидилэтаноламин, фосфатидил-серин, фосфатидилинозитол преимущественно во внутреннем монослое. Такое распределение липидов обуславливает существование разных зарядов на поверхности мембран: внешний листок мембраны нейтральный, а внутренний более отрицательный, так как богат анионными фосфолипидами [101].
В качестве гидрофобного остова сфинголипидов выступает церамид, содержащий насыщенные углеводородные "хвосты", которые образуют более длинные цилиндры, чем у глицерофосфолипидов. В случае сфинголипидов разнообразие создают отличающиеся церамидные группы и более 500 различных углеводных структур, составляющих объемную головную группу гликосфинголипи-дов. Наиболее распространенные сфинголипиды в клетках млекопитающих - это сфингомиелин (около 24%) и глико сфинголипиды (около 12%). В нервной системе среди гликосфинголипидов доминирует галактозилцерамид, составляющий около 24% миелина [37]. Относительно недавно в нервной ткани идентифицирован катионный гли-косфинголипид (de-N-acetyllactotriaosylceramide), вероятно, влияющий на организацию в мембране других гликосфинголипидов, которые либо анионные, либо нейтральные. Один из подклассов гликосфинголипидов представлен ганглиозида-ми, характеризующимися наличием большой головной группы с отрицательно заряженной сиаловой кислотой, их содержание в мембранах может превышать 1-2%. В наружном монослое плазматической мембраны нейронов ганглио-
зиды (GM1, GDI a, GD1b) составляют 10-20% всех липидов. Ганглиозиды участвуют в развитии мозга, образовании отростков нейронов, формировании памяти, синаптической передаче, старении [92].
2. ХОЛЕСТЕРИН МЕМБРАН.
АСИММЕТРИЯ
Вероятно, стеролы вошли в состав липидома позже, чем фосфолипиды и сфинголипиды. Появление стеролов в эволюции совпало с увеличением концентрации кислорода около 2.5 млрд. лет тому назад, когда появилась эукариотическая форма жизни. Клетки млекопитающих содержат преимущественно один стерол - холестерин, синтез которого ведется примерно 30 ферментами с затратой значительного количества энергии [89]. Особенно богата холестерином нервная ткань млекопитающих, поэтому около 1/4 всего холестерина приходится на мозг, также высокая концентрация наблюдается в периферических нервах [3].
Холестерин является несимметричной молекулой с двумя отличающимися поверхностями (лицами): одно лицо гладкое (альфа), а другое грубое / шероховатое (бета) вследствие наличия метильных групп (в С3 и С13 положениях) и изооктильной цепи, присоединённой к С17 (рис. 1А). Такая асимметричность позволяет холестерину взаимодействовать с разными мембранными молекулами: так, сфинголипиды предпочитают альфа-поверхность, а трансмембранные белки - бета [37]. Концентрация холестерина в мембранах определяет толщину и жесткость мембран. Большая его концентрация обнаруживается в плазматической мембране, что вызывает увеличение толщины бислоя и его жесткости. Именно поэтому белки с длинными гидрофобными трансмембранными доменами предпочитают обогащенные холестерином мембраны [88, 89].
Холестерин неравномерно распределен между монослоями мембран: цитоплазматический монослой синаптических мембран содержит существенно больше холестерина (в 5-6 раз), чем наружный. Поэтому цитоплазматический литок мембраны значительно менее текучий, чем внешний. Асимметрия холестерина изменяется при хроническом употреблении алкоголя, статинов (simvastatin, lovastatin, atorvastatin), болезни Альцгеймера и старении. При этом об
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.