Липиды в клетке: Функции липидов в клетке – список общих в таблице (биология, 9 класс)

Содержание

синтез углеводов, строение и свойства

Все клетки содержат в своем составе липиды, без которых невозможна жизнедеятельность ни одного организма. Название произошло от греческого слова lipos, что означает «жир».

Функции этих веществ в клетке различаются в зависимости от особенностей строения. Выделяют простые и сложные липиды. Последние включают в состав элементы других соединений, к примеру, белки или фосфор. Большая часть липидных веществ в организме существует в сложной форме.

Что такое липиды

Эти соединения являются органическими и объединяют целую группу веществ со сходным строением: все они содержат жирные кислоты в разных модификациях. Выделяют жиры и подобные им вещества, которые могут не иметь кислоты, а вместо нее содержать другой химический компонент со сходными свойствами. Липиды являются более обширной группой веществ, по сравнению с жирами, которые относятся лишь к некоторым их разновидностям, синонимом служат триглицериды.

Липиды объединяет способность вступать во взаимодействие с другими органическими веществами, примеры — бензин, эфир, хлороформ, бензол . В воде и спирте они не растворяются.

Липиды содержатся в большинстве продуктов питания, используются в медицине и фармацевтике, играют важную роль во многих отраслях промышленности. В живых организмах они в том или ином виде входят в состав всех клеток, считаются важным источником энергии.

История открытия

Практическое применение липидов было известно с давних времен. Еще в Древнем Египте имеются упоминания об использовании подобных соединений для получения лекарств, красок, косметики. Широкое распространение получили растительные масла и животные жиры, которые активно использовали индейцы, северные народы как для приготовления пищи, так и для заживления ран. Фактически эти вещества не имели какого-то научного названия, однако нашли свое место в алхимии как вспомогательный компонент для приготовления эликсиров.

В обиход простых людей, не имеющих отношения к медицине, липиды вошли в 18 веке, когда их стали применять для изготовления мыла. В 19-м столетии ученые начали активно исследовать строение этих веществ, поскольку активно наращивался рост их промышленного использования. Лавры первенства в этом процессе принадлежат ученым Карлу Вильгельму Шееле и Мишелю Шеврелю, которые определили состав и провели анализ свойств.

В 1854 году удалось синтезировать липиды, а также изучить опытным путем их основные химические характеристики. Исследователей также интересовало, какие функции выполняют эти веществ в организме человека. В 1877 году были выделены важнейшие компоненты биологических мембран — фосфолипиды.

Следующее столетие ознаменовано развитием химического производства, в котором жироподобные вещества стали использовать для изготовления моющих средств, детергентов, эмульгаторов. Совершенствовались и методы исследования этих соединений. В 70–80-е годы липиды попадают под пристальное внимание врачей в связи с тем, что оказывают влияние на развитие заболевания, получившего название атеросклероз.

Место в клетке

Строительными материалами для синтеза липидов служат жирные кислотные фракции и спирт глицерол. Большей частью они поступают в организм с пищей, откуда транспортируются со специальными белками в печень. В клетках этого органа продукты распределяются во все ткани организма для образования липидов. Затем они снова соединяются со специальными транспортными белками и доставляются «по адресу».

Соединения поступают в клетку в основном при помощи активного транспорта, то есть с затратой энергии. Для этих целей имеются особые органеллы. В комплексе Гольджи, который имеет вид складчатой «гармошки», происходит синтез простых липидов, далее в эндоплазматической сети (ЭПС) происходит их модификация в зависимости от потребностей, то есть конечный синтез. Всем клеточным соединениям требуются фосфолипиды для построения мембран. Далее из сети сложные вещества поступают в места использования.

Клетка также может и сама образовывать липидные соединения, но не все, и здесь ключевую роль играют жирные кислоты, которые делятся на заменимые и незаменимые. К последним относятся линолевая и линоленовая, они непременно должны поступать в организм человека с пищей.

Синтез заменимых осуществляется через промежуточный продукт других видов обмена в клетке — ацетил-Коэнзим-А. Он поступает в цитоплазму, а оттуда в сеть ЭПС и в митохондрии, где протекает цепь ферментативных реакций. В результате образуются жирные кислоты.

Биологические функции жиров в клетке

В организме липиды представлены практически во всех клетках. В силу своих химических свойств они главным образом являются частью каких-либо структур и практически не циркулируют по крови в свободном виде.

Перечень основных функций липидов:

  • участвуют в построении и обеспечивают защиту клетки;
  • служат основным источником энергии;
  • несут в себе запас питательных веществ;
  • переносят все виды жирорастворимых витаминов — А, D, Е, К;
  • участвуют в регулировании разных функций в организме.

Данные соединения образуют «каркас» каждой клетки или защитную мембрану, которая представлена двойным слоем фосфолипидов. Каждая такая молекула содержит нерастворимую в воде «головку» и растворимый «хвост». В двойном слое головки фосфолипидов обращены в разные стороны, так что снаружи клетка покрыта нерастворимой оболочкой, а в нижележащем слое находятся растворимые «хвосты». Это называется билипидный слой.

Такая структура необходима как для поддержания структуры самой клетки, так и для транспорта различных веществ через мембрану. Также эти молекулы находятся в постоянном колебательном движении и придают клетке устойчивость к температурным изменениям.

Жировые молекулы являются основным источником энергии. При расщеплении одного грамма жира выделяется почти 39 кДж энергии, это в несколько раз больше, чем при расщеплении одной молекулы углеводов. Энергия из жировых запасов может быть экстренно использована при больших затратах, а также при нехватке липидов. Это так называемый энергетический «буфер» организма.

Липидные соединения содержат запас питательных веществ. При расщеплении жира образуется множество других компонентов, которые могут быть использованы для построения углеводов и белков, кроме этого выделяется также и вода. В организме все обменные процессы (белковый, углеводный, липидный, минеральных веществ) не только взаимосвязаны, но и взаимозаменяемы.

Большое значение соединения имеют при регулировании функций, поскольку гормоны и сигнальные молекулы в основном состоят из липидных молекул. Они являются непосредственным участником эндокринной регуляции, при снижении запасов липидных фракций могут развиться серьезные нарушения.

Сложные соединения — сфинголипиды — включаются в оболочку нервных клеток — миелин, и участвуют в проведении сигналов. Без миелина нервное волокно не может передавать импульс, и развивается тяжелейшее заболевание — рассеянный склероз.

Также все соединения, которые имеют жир или ему подобные молекулы, являются хорошими термоизоляторами и предохраняют клетку от замерзания или, наоборот, перегревания. Это обеспечивает поддержку нормальной температуры тела и не позволяет человеку замерзнуть в холодную погоду, если у него имеется достаточный запас жира. Кожа человека, стенки сосудов и внутренних органов состоят в основном из липидов, которые делают их эластичными.

Кроме создания структуры клеток, липиды участвуют в формировании целых органов. К примеру, образуют «жировое тело» почки, которое как одеяло окутывает ее сзади и фиксирует на одном месте. Подобные прослойки из липидов есть практически в любом органе.

Свойства

Липидные молекулы обладают рядом важнейших химических и физических свойств. Без них невозможно правильно настроить функции организма для выполнения задач обеспечения жизненно важных органов своевременным питанием.

Физические

Липиды могут существовать как в твердой, так и в жидкой форме в зависимости от того, растительные они или животные. Первые являются жидкими, их называют маслами, вторые — твердыми. Эти свойства определяются связями между молекулами углерода в липидных соединениях. Большое количество ненасыщенных связей в растительных соединениях позволяет им иметь жидкую консистенцию, а у животных — наоборот.

Липидные соединения плохо проводят тепло и электричество. Этим объясняются их хорошие теплоизоляционные свойства. Имеют невысокую температуру плавления и кипения. Так, жир застывает при показателях на несколько градусов ниже, а плавится начинает при более высокой температуре, что имеет очень важное физиологическое значение. Например, говяжий жир плавится при 51 ºС, бараний — 55 ºС, свиной — 48 ºС. Попадая в организм человека вместе с пищей, они остаются в нем в жидком состоянии, так как застывают при 36 ºС и ниже. Это способствует лучшему их перевариванию и усвоению.

Еще один немаловажный физический показатель жира — вязкость. Он увеличивается в жирах по мере развития процессов полимеризации и окисления.

В чистом виде не имеют запаха и вкуса, окраски. Все эти свойства проявляются при наличии в их составе примесей. Липиды легче воды, их плотность составляет менее 1 г/см2, поэтому в воде они не растворяются.

Химические

По химической природе это один из важнейших типов жизненно необходимых веществ. Основным свойством всех липидных фракций является способность окисляться. При этом в организме выделяется большое количество энергии, а промежуточные продукты могут включаться в другие виды обменов. В промышленности также используют реакцию присоединения водорода, которая называется гидрированием. Таким образом из жидких жиров растений получают твердые, а сам продукт называется саломасом. Его используют для изготовления маргарина и спреда.

Также применяют реакцию гидролиза. Это взаимодействие протекает при участии воды и особых веществ, ускоряющих процесс — катализаторов. В результате получают особые кислоты (карбоновые) и спирт глицерол, которые затем используют для различных направлений промышленного синтеза.

При вступлении липидов в реакцию со щелочами в результате образуется всем известное мыло. Еще одним свойством является способность создавать стойкие водные эмульсии при добавлении поверхностно-активных веществ (эмульгаторов).

Строение

Все липидные соединения состоят из глицеринового спирта, соединенного с жирными кислотными остатками. Они имеют разветвленную конструкцию пространстве, за счет чего образуют связи и не пропускают тепло. Эти кислоты могут иметь огромное количество атомов углерода, представляя собой длинные цепочки. Простые липиды ими и ограничиваются, а в сложных молекулах соединяются с другими химическими группами, приобретая новые свойства.

Фосфолипиды образуют мембраны как внутри клеток, так и снаружи. Если рассматривать их под микроскопом, то они воспринимаются как единый слой, но на самом деле он двойной. Каждая из молекул, формирующих мембрану, имеет двухчастную структуру: головку и хвост. Первая, гидрофильная часть, соприкасается с водой, вторая — гидрофобная, которая избегает подобного контакта.

Бислой образуется благодаря способности гидрофильной стороны разворачиваться вовнутрь и наружу клетки. Хвосты почти соприкасаются один с другим и размещены между слоями. Внутри двойной оболочки находятся разные вещества (углеводы, прочие сложные соединения), которые способствуют попаданию внутрь клетки полезных органических веществ.

Толщина билипидного слоя небольшая, однако в одном микрометре может содержаться до нескольких миллионов молекул. Поскольку они являются амфифильными, то есть имеют растворимую и нерастворимую части, то могут принимать разные формы, к примеру, сворачиваться в шар и образовать мицеллу, — частицу, способную транспортировать различные вещества по организму. Растягиваясь в слой, они образуют «покрытие» клеток и их компонентов.

В состав мембраны клеток человека входят и другие соединения, которые повышают ее непроницаемость. Гормоны липидного строения имеют особую часть — стероидное кольцо, к которому присоединяются различные химические группы и вещества. Стероидные гормоны транспортируются в крови вместе со специальными белками.

Более сложное строение имеют липосомы. Они также участвуют в процессах транспортировки, но осуществляют их прямо в сосудистом русле. Липосомы имеют округлую форму и состоят из двойного слоя фосфолипидов, в отличие от мицелл. Это позволяет им переносить более широкий спектр веществ на более далекие «расстояния». Липосома имеет нерастворимые оболочки снаружи и внутри, а между ними находятся связанные с липидными молекулами «фосфорные хвосты».

Виды

Существует несколько классификаций липидов. В зависимости от строения их разделяют на простые и сложные. В медицине отдельно выделяют липидный спектр крови, который отличается по другим параметрам.

Биохимическая классификация

Вся группа делится на 2 большие ветви по способности вступать в реакцию омыления. То есть выделяют омыляемые молекулы и неомыляемые. К последним относят жиры стероидного происхождения. В организме человека они представлены гормонами, желчью, витаминами.

Омыляемые по своему строению разделяются на простые и сложные. Первые содержат только три химических компонента: углерод, кислород и водород. Представлены в виде спирта глицерина и жирных кислотных веществ.

В зависимости от связей углерода и водорода кислоты делят на два типа: насыщенные (твердые) и ненасыщенные (жидкие). Эти связи определяют их физическое состояние и химические свойства.

Простые жиры могут быть представлены в виде таких химических соединений как глицерин, воск и жирные кислоты, молекулы которых содержат остатки альдегидов и спиртов.

Существуют и простейшие липиды — мономеры, которые распространены исключительно в природе и способны образовывать сложные соединения путем скрепления друг с другом. Устанавливая химические связи с себе подобными, они составляют полимеры — высокомолекулярные вещества, состоящие из длинной цепи более мелких молекул и входящие в состав высших организмов.

Сложные (фосфолипиды, гликолипиды, липопротеиды) , помимо основных элементов, могут содержать: фосфор, азот и даже серу. Эти «добавки» делают молекулы более активными. Они в свою очередь делятся на нейтральные и полярные в зависимости от «заряда» и способности вступать в химические реакции. Полярные имеют 2 «полюса» и более активны, нейтральные — инертны и стабильны.

К полярным липидам относят:

  • фосфолипиды;
  • гликолипиды;
  • сфинголипиды;
  • фосфогликолипиды и т. д.

Медицинская классификация

В организме человека липиды циркулируют в крови совместно с белками, поэтому правильнее было бы назвать их липопротеидами. Но по сути белки являются лишь помощниками и выполняют транспортную функцию, играют роль «адреса», по которому доставляются липидные вещества, а также позволяют нерастворимым молекулам перемещаться по крови.

Кроме белка, в этих структурах также имеются фосфолипиды, которые формируют полость, куда помещается жир, поступивший с пищей из кишечника. Поскольку в продуктах содержатся разные соединения, то по их концентрации в таких частицах липопротеиды делятся на несколько классов.

Хиломикроны в основном содержат триглицериды и холестерин, причем первые преобладают. Эти частицы имеют самый большой размер и образуются в кишечнике, откуда они уносят жир.

Липопротеиды очень низкой плотности в основном содержат триглицериды и образуются в печени. Однако они не находятся долго в крови, а быстро превращаются в липопротеиды низкой плотности, содержащие больше всего холестерина, вредного для здоровья.

Липопротеиды высокой плотности считаются «хорошими» и полезными, поскольку удаляют излишек холестерина из клеток. Эти структуры содержат холестерин, который связан с ненасыщенными кислотами, поэтому его никто не трогает, и он спокойно удаляется из тканей.

Таким образом в крови представлена совокупность белково-липидных комплексов :

  • липопротеиды низкой плотности;
  • очень низкой плотности;
  • высокой плотности;
  • триглицериды;
  • липопротеиды промежуточной плотности.

Последние соединения очень редко определяют в крови человека, потому что они «живут» меньше всех и отражают насыщение липопротеидов холестерином.

Как происходит обмен липидов

Липидные вещества в основном поступают в организм извне. Человеческие жиры отличаются по строению от таких же соединений других видов организмов. В кишечнике они расщепляются под действием ферментов и всасываются стенками кишечника, где подвергаются модификации. Этот процесс переработки регулируют ферменты, он занимает от часа до двух.

Через некоторое время жиры поступают в кровь, наступает гиперлипидемия, то есть увеличение липидной фракции после еды. Это нормальный процесс. Липидные молекулы транспортируются в виде хиломикронов, несут соединения в печень и жировую ткань, где происходит отложение запасов.

Поступившие в печень липидные вещества предназначены для доставки в другие органы и ткани. Для этого как раз и необходимы липопротеиды. Печень включает в них холестерин или жирные кислоты, триглицериды и отправляет по месту назначения (для чего и нужны опознавательные белки). В конце пути клетки получают жир, отщепляя от транспортных частиц соединения липидов при помощи ферментов. Излишек удаляется при помощи «хороших» липопротеидов высокой плотности. На этом обмен липидов не заканчивается.

В клетке жирные кислоты могут использоваться по-разному:

  • расщепляться для образования энергии;
  • участвовать в построении клетки;
  • образовывать соединения, которые будут выделаться наружу;
  • участвовать в синтезировании углеводов и аминокислот.

Последний процесс отражает тесную связь всех видов обмена. Конечным продуктом липидного будут являться вода и углекислый газ, если все процессы находятся в балансе, или же кетоновые тела, если на каком-то этапе нарушено окисление жирных соединений.

Важная роль в переносе липидов отводится желчным кислотам, которые обладают способностью к образованию мицеллярного раствора липидов в водной среде. В печени при участии данного вида кислот формируются мицеллы, в виде которых липиды переносятся в кишечник в гомогенном растворе или в желчи.

Методы исследования

Для изучения свойств липидов как химического класса используются самые разные способы.

В биохимии применяют следующие методы:

  1. Химический. Заключается в способности липидных молекул окисляться и образовывать формальдегид. По его концентрации и судят о наличии липидов.
  2. Ферментативный. Основан на использовании ферментов липаз, которые расщепляют те или иные соединения.
  3. Электрофорез. На специальной среде с гелем помещают электроды разной полярности и наблюдают за движением этих частиц. Скорость перемещения определяется зарядом, который у всех липопротеидов отличается. Результат оценивают в виде разной длины полосок.

В крови липидные фракции содержатся в определенных соотношениях. Увеличение какого-либо показателя будет называться гиперлипидемией, а если параллельно происходит уменьшение липопротеидов высокой плотности, то это состояние называется дислипидемией.

У здорового человека липиды содержатся в следующих объемах:

  • общий холестерин — менее 5 ммоль/л;
  • липопротеиды высокой плотности: более 1 ммоль/л — у мужчин и 1,2 ммоль/л — у женщин;
  • триглицериды — менее 1,7 ммоль/л;
  • индекс атерогенности — менее 3,5.

Общий холестерин — это объем содержания данного вещества крови в целом, может сориентировать врача на более глубокое исследование липидного спектра. Индекс атерогенности характеризует соотношение вредных и полезных частиц. Липопротеиды очень низкой и промежуточной плотности не определяют, потому что эти вещества нестойкие.

Значение

Определение липидных фракций имеет ключевое значение для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний. Многие проблемы обусловлены закупоркой питающих сердце сосудов атеросклеротическими бляшками, которые, как известно, образуются из холестерина. Поэтому мониторинг его содержания может помочь вовремя выявить нарушение липидного обмена и подобрать диету либо медицинские препараты.

Атеросклеротическое сужение может вызвать инсульт, проблемы с почками и ногами. Поскольку сосуды размещены по всему телу, то и липиды всюду могут затруднить кровоток.

Кроме приобретенных недугов, исследование жиров необходимо и при врожденных гиперлипидемиях. Это редкие заболевания, некоторые формы протекают тяжело и требуют агрессивной терапии.

Исследование этих показателей также бывает нужно при использовании некоторых лекарств, которые могут их повысить. Чаще всего это касается препаратов для лечения давления из группы бета-блокаторов. Среди побочных эффектов есть указание на возможное нарушение липидного обмена, что желательно контролировать, правильно подбирая дозировку.

Видео

Ознакомьтесь с некоторыми химическими особенностями липидных соединений в этом видео.

Урок 2. Липиды, их структура и функции

Липиды – небольшие молекулы, их молекулярная масса составляет несколько сотен дальтон. Обычно в молекулах липидов имеются и гидрофильные, и гидрофобные группы, но в целом липиды имеют гидрофобные свойства. Липиды плохо растворимы в воде, зато хорошо растворяются в органических растворителях (спирте, ацетоне, хлороформе). Исторически липиды были выделены в отдельный класс веществ именно по этому признаку – как соединения, растворимые не в воде, а в менее полярных органических растворителях. К липидам относятся такие соединения, как фосфолипиды, нейтральные жиры, стероиды и воска. В живых организмах липиды выполняют несколько важных функций.

Структурная функция

Все клетки отграничены от окружающей среды наружной мембраной, которая примерно наполовину (по массе) состоит из липидов и наполовину – из белков. Способность липидов выполнять структурную функцию не ограничивается клеточным уровнем: медоносная пчела лепит свои соты из воска, из воскоподобных веществ состоит и кутикула наземных растений – тонкий слой на поверхности листьев и стеблей, уменьшающий испарение.

Энергетическая функция

Клетка может окислять липиды и использовать выделяющуюся энергию для своих нужд. При окислении нейтральных до углекислого газа и воды жиров выделяется много энергии – около 9,3 килокалорий на грамм. Жиры часто служат запасными питательными веществами. У высших позвоночных животных для этой цели используется особая ткань – жировая клетчатка. У растений запасы жиров нередко встречаются в семенах.

Регуляторная функция

Важнейшими регуляторами физиологических процессов в организме являются гормоны. Среди них встречаются соединения различной структуры. Особую группу составляют т. н. стероидные гормоны, которые относятся к классу липидов. Производными жирных кислот являются важные регуляторы клеточных функций простагландины (их иногда называют тканевыми гормонами).

 

Липиды могут выполнять и ряд других функций. Так, накопление липидов организмами планктона и нектона уменьшает их удельный вес и облегчает плавание в толще воды (такой механизм используют также акулы).

Подкожная жировая клетчатка может служить механической защитой для внутренних органов, а у теплокровных животных она является теплоизолятором.

В молекулах фосфолипидов присутствуют различные по химическим свойствам составные части: «головка» и два «хвоста». В состав головки входят остатки глицерина, фосфорной кислоты и спирта. «Головка» гидрофильна и электрически заряжена, вода охотно с ней взаимодействует. «Хвосты» представляют собой остатки жирных кислот, содержащие множество СН2-групп. Поляризация связи С–Н очень слабая, так что «хвосты» вполне гидрофобны, и они «стремятся» избежать взаимодействия с водой.

Рис. 1. Фосфолипид фосфатидилхолин

В состав фосфолипидов входят как насыщенные жирные кислоты, не содержащие двойных связей, так и ненасыщенные. Очень распространенными жирными кислотами являются пальмитиновая CH3(CH2)14COOH, стеариновая CH3(CH2)16COOH, олеиновая CH3(CH2)7–СH=CH–(CH2)7COOH, пальмитоолеиновая CH3(CH2)5–СH=CH–(CH2)7

COOH. В состав одной молекулы фосфолипида обычно входят остатки разных жирных кислот, причем ненасыщенная жирная кислота обычно располагается ближе к фосфату. Природные липиды содержат в основном цис-изомеры ненасыщенных жирных кислот. Транс-изомеры образуются при искусственной переработке растительных жиров – например, при получении маргарина. В последнее время выяснилось, что потребление транс-изомеров жирных кислот вредно для здоровья: оно увеличивает риск возникновения атеросклероза и онкологических заболеваний.

Рис. 2. Ионы пальмитиновой и олеиновой кислот

Если молекулы фосфолипидов поместить на поверхность водного слоя, то, очевидно, что гидрофильные «головки» будут обращены в воду, а гидрофобные «хвосты» будут выталкиваться из воды. Образуется монослой – поверхностная пленка толщиной в одну молекулу. Если же «затолкать» молекулы фосфолипидов в воду целиком, то тогда «головки» будут обращены к воде (наружу), а «хвосты» – от воды (внутрь). Такие небольшие скопления молекул называются мицеллами.

Рис. 3. Структуры, образуемые фосфолипидами в воде

К образованию мицелл более склонны не фосфолипиды, а жирные кислоты, имеющие только один гидрофобный «хвост» – мицеллы получаются, например, при растворении мыла в воде

Фосфолипиды чаще образуют другую структуру – липидный бислой. В составе бислоя молекулы фосфолипидов располагаются в два ряда: «головки» будут обращены к воде, а «хвосты» упрятаны внутрь. Липидный бислой составляет основу всех клеточных мембран – мембрана представляет собой «липидное озеро», в котором плавают белки.

Липидный бислой непроницаем для заряженных ионов – они не могут проникнуть через его гидрофобную центральную зону. Для того чтобы транспортировать ионы через мембрану, в клетке имеются специальные белки-переносчики.

Через бислой не могут пройти крупные молекулы – белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Липидный бислой проницаем для небольших гидрофобных молекул, а также для совсем мелких полярных, но не заряженных – таких как Н2О, СО2, а также О2.

Нейтральные жиры представляют собой эфиры глицерина и остатков трех жирных кислот. Они более гидрофобны, чем фосфолипиды, и располагаются внутри клетки в виде нерастворимых жировых включений.

Рис. 4. Модель молекулы тристеарата

В состав жиров также могут входить остатки насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Первые преобладают в животных жирах, а вторые – в растительных. Насыщенные жирные кислоты имеют более высокую температуру плавления, поэтому подсолнечное масло при комнатной температуре является жидкостью, а сливочное масло и говяжий жир – твердыми телами. В состав жиров сливочного масла входят насыщенные кислоты с меньшим числом углеродных атомов, чем у жиров говяжьего жира, поэтому сливочное масло плавится при меньшей температуре. Как и молекулы фосфолипидов, молекулы нейтральных жиров обычно содержат остатки разных жирных кислот.

Жирные кислоты могут синтезироваться из углеводов и аминокислот, из-за этого ожирение наступает при избыточном питании не только жирами, но и другими продуктами.

Еще один класс липидов – стероиды. Это небольшие гидрофобные молекулы, производные холестерина. Они содержат в своем составе систему связанных углеводородных колец – три шестиатомных и одно пятиатомное. Стероидами являются такие гормоны надпочечников, как глюкокортикоиды (например, кортизол), играющие важнейшую роль в развитии стресса, и минералокортикоиды (альдостерон), уменьшающие выведение почками воды и ионов натрия из организма. К стероидным относятся мужские и женские половые гормоны (тестостерон и эстрадиол), а также прогестины (прогестерон).

Рис. 5. Холестерин и два стероидных гормона

В печени из холестерина синтезируются желчные кислоты, которые затем поступают в желчь. Эти соединения содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группы. В водной среде они легко образуют мицеллы. В просвете кишечника в эти мицеллы включаются молекулы жиров из съеденной пищи – сами по себе нейтральные жиры почти нерастворимы, а в составе мицелл образуют эмульсию и становятся доступными для действия пищеварительных ферментов.

Сам холестерин – не гормон, а необходимый компонент клеточных мембран у высших организмов; у бактерий он встречается редко.

Интересен механизм действия стероидных гормонов на клетки-мишени. Стероиды – это небольшие гидрофобные молекулы, они легко проникают через наружную мембрану клетки. Белки-рецепторы, связывающие эти гормоны, расположены в цитоплазме. После связывания со стероидом белок-рецептор активируется и идет из цитоплазмы в ядро. В ядре гормон-рецепторный комплекс связывается с ДНК и регулирует активность некоторых генов (ДНК и гены рассматриваются на уроке 8). Каждый класс стероидных гормонов имеет свои собственные рецепторы и регулирует только определенные гены.

Рис. 6. Механизм действия стероидных гормонов

Так, глюкокортикоиды – гормоны стресса – активируют различные гены, отвечающие за обеспечения организма энергией, и угнетают гены, отвечающие за накопление запасных питательных веществ. Ведь стрессовая реакция служит для мобилизации организма на борьбу или бегство, а тут уж не до запасания. Минералокортикоиды активируют гены фермента Na+/K+–АТФазы, который возвращает в кровь из первичной мочи натрий, а вместе с ним и воду.

Еще одна группа важнейших регуляторов жизнедеятельности организма – это простагландины. Они образуются из арахидоновой кислоты – одной из полиненасыщенных жирных кислот. Сперва простагландины были обнаружены в предстательной железе – простате – с чем и связано их название, однако вскоре они были найдены в самых разных клетках, тканях и органах.

Простагландины иногда называют тканевыми гормонами. Дело в том, что в организме у них довольно короткое время жизни, поэтому они действуют локально, в том же органе, в котором и вырабатываются.

Рис. 7. Слева – арахидоновая кислота, справа – простагландин Е2

Существует много разных классов простагландинов, они обладают различным, иногда прямо противоположным физиологическим действием. Так, простагландин Е2 расширяет стенки кровеносных сосудов, увеличивает их проницаемость, это вещество вырабатывается при воспалении и вызывает многие его симптомы. Простагландин F2 действует на сосуды противоположным образом – сужает и уменьшает проницаемость – он обладает противовоспалительным действием. Однако при беременности эти соединения действуют одинаково, усиливая сокращения гладкой мускулатуры матки.

Простагландин I2 (простациклин) препятствует агрегации тромбоцитов и тормозит свертывание крови, тогда как тромбоксан А2 (очень похожее на простагландины вещество, тоже синтезируемое из арахидоновой кислоты) активирует эти два процесса.

Еще один класс производных арахидоновой кислоты – лейкотриены – играют ключевую роль в развитии такой тяжелой болезни как бронхиальная астма. Они вызывают сокращение гладких мышц дыхательных путей, что приводит к спазму бронхов и неукротимому кашлю, без специальной медицинской помощи больной может задохнуться и умереть.

Широко распространенное лекарство аспирин угнетает синтез простагландинов. Оно обладает противовоспалительным и жаропонижающим действием.

В организме человека всасывание липидов происходит в тонком кишечнике. Жирные кислоты и глицерин поступают из просвета кишки в клетки эпителия кишечника. Там из них синтезируются нейтральные жиры, которые в комплексе со специальными белками и холестерином образуют особые частицы диаметром 0,1–1 мкм – хиломикроны. Хиломикроны поступают из клеток кишечника в лимфатическую систему, затем в кровоток и разносятся по всему организму.

Кроме хиломикронов, перенос жиров от одной ткани к другой осуществляют т. н. липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП). Они образуются в печени – там синтезируется и белковая, и жировая часть этих комплексов, а к другим тканям переносятся с кровотоком. ЛПОНП также содержат холестерин. После усвоения жиров различными тканями организма липопротеиновые частицы, содержащие холестерин, становятся т. н. липопротеинами низкой плотности (ЛПНП). На поверхности почти всех клеток человеческого организма есть специальные белки–рецепторы ЛПНП. Когда ЛПНП связываются с этими рецепторами, клетка поглощает их, внутри клетки холестерин освобождается и используется для клеточных нужд.

Рис. 8. Усвоение холестерина клеткой через ЛПНП

При развитии опасного заболевания, атеросклероза, холестерин начинает откладываться на стенках кровеносных сосудов, образуя т. н. склеротические бляшки. Это может привести к закупорке и повреждению сосудов. Больным атеросклерозом часто назначают диету с пониженным содержанием холестерина, однако этот липид в значительных количествах вырабатывается в самом организме, так что такая диета не может предотвратить развитие заболевания.

Механизм развития атеросклероза изучен далеко не полностью. По-видимому, на первом этапе происходит самопроизвольное окисление жирных кислот, содержащихся в ЛПНП. Такие «испорченные» липопротеины откладываются на стенках кровеносных сосудов, что вызывает прикрепление к измененной сосудистой стенке защитных клеток – макрофагов. Макрофаги, прикрепленные к стенке сосуда, начинают активно поглощать из плазмы крови холестерин, причем не через рецепторы ЛПНП, а через совсем другие, т. н. рецепторы-мусорщики. Макрофаг оказывается напичканным холестерином, он и дает начало склеротической бляшке. Известно, что у людей с наследственными дефектами рецепторов ЛПНП атеросклероз развивается уже в детском возрасте.

Запасание триглицеридов происходит в специальной ткани – жировой клетчатке. При голодании в клетках этой ткани происходит распад триглицеридов, и свободные жирные кислоты переносятся к другим органам белком плазмы крови – сывороточным альбумином.

Краткое содержание урока

Липиды – небольшие, довольно гидрофобные молекулы, выполняющие в клетке несколько важнейших функций – структурную, энергетическую, регуляторную. При окислении жиров выделяется много энергии, что делает их особенно удобным запасным питательным веществом. Фосфолипиды образуют в водной среде бислой, который служит основой всех биологических мембран. Стероидные гормоны регулируют целый ряд функций организма – стрессовую реакцию, водный баланс, половую функцию.

Из липидов — в дирижеры клеточных реакций, или Как общаются клетки

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что клетки общаются между собой? Ведь клеточный мир настолько многообразен и велик, что в нем без языка не обойтись! Всем известные гормоны — только один из диалектов такого «языка»! В этой статье мы расскажем о том, как липиды помогают клеткам «общаться». Почему такой, казалось бы, простой химический процесс, как окисление липидов, может приводить к гибели клетки? Как клетки понимают, когда пора заканчивать фазу воспаления и переходить к восстановлению? Что такое ферроптоз?.. Вы все еще читаете аннотацию? Давайте скорее окунемся в удивительный мир редокс-липидомики и взглянем на липиды по-новому!

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.


Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.


Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Давно известно, что без липидов человеческий организм не может существовать. Эта обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества, необходима для построения клеточных мембран и регуляции обмена веществ. Изучением липидов занимается липидомика, а появление раздела «редокс-липидомика» (окислительно-восстановительная липидомика, часть липидомики, занимающаяся характеристикой окисленных липидов) позволило по-новому взглянуть на роль продуктов окисления липидов и оценить их влияние на ключевые процессы, происходящие в клетках.

В дополнение к природному липидому (совокупности всех липидов организма), существуют виды липидов, полученные в результате ферментативных и неферментативных модификаций (эпилипидом), что делает общую картину еще более сложной, поскольку их функции все еще в значительной степени неизвестны. Окисленные липиды представляют собой фракцию эпилипидома, которая привлекла большое внимание ученых из-за их роли в возникновении и развитии многих заболеваний человека. Однако основной проблемой редокс-липидомики остается отсутствие оптимальных вычислительных инструментов для надежной, точной и специфической идентификации уже открытых и еще неизвестных модифицированных липидов. В настоящее время жидкостная хроматография и масс-спектрометрия являются основными методами, позволяющими определить количество липидов в клетке, оценить их участие в ряде физиологических механизмов и даже изучить структуру продуктов окисления этих веществ [2].

Знакомство с липидами

Молекулы липидов чрезвычайно разнообразны, их насчитывают более миллиона вариантов [3]! Впечатляющее количество, по сравнению с 70 000 выявленных белков и 30 000 генов! Для удобства химики разделили все липиды на две большие группы:

  • омыляемые, которые легко гидролизуются в воде под действием щелочей;
  • неомыляемые, которые не гидролизуются в щелочной среде.

К первой группе относятся простые липиды, состоящие исключительно из спирта и жирных кислот (воски, триацилглицеролы, эфиры холестерола), и сложные липиды, в состав которых входят и другие компоненты (фосфолипиды, гликолипиды, сфинголипиды). К неомыляемым липидам относится большая группа стероидов, включающая холестерин и его производные: стероидные гормоны, витамины, желчные кислоты.

Большая роль маленьких молекул

Липиды, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК — кислоты, содержащие две и более двойных связей), являются важными сигнальными молекулами, регулирующими многие метаболические процессы и клеточные реакции, включая воспаление. Для выполнения этих функций они подвергаются реакциям окисления, то есть присоединяют кислородсодержащие группы.

Окисление липидов происходит с помощью двух основных механизмов. Первый способ — неферментативное перекисное окисление. При этом липиды взаимодействуют с активными формами кислорода (АФК), в результате чего происходит накопление гидроперекисей липидов (LOOH) (рис. 1). В норме процессы перекисного окисления необходимы для поддержания структуры клеточных мембран, функционирования ионных каналов, рецепторов и ферментных систем. Их роль велика и в синтезе липидных медиаторов — биорегуляторов (простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов и др.). Однако неконтролируемое свободнорадикальное окисление липидов может приводить к изменению проницаемости мембраны, нарушению ее целостности, а это прямая угроза гибели клетки [3]!

Рисунок 1. Зарождение цепной реакции перекисного окисления липидов. Фосфолипиды клеточных мембран, взаимодействуя со свободными радикалами, превращаются в гидроперекиси липидов, что может влиять на функции мембраны клетки.

Второй путь окисления — ферментативные изменения, отличающиеся высокой селективностью и специфичностью. Ферментативное окисление происходит под действием металлопротеинов: липоксигеназы, циклооксигеназы, цитохрома Р450, пероксидазы. Продукты реакций окисления ПНЖК, выступая в качестве сигнальных молекул, координируют метаболизм и другие физиологические процессы, иными словами, управляют судьбой клетки [4]! Такие вещества носят название эйкозаноидов. Они принимают участие во многих важнейших процессах: росте мышечной ткани, реакциях иммунитета на токсины и патогены, выступают в роли нейромедиаторов и даже гормонов!

К сожалению, человеческий организм не научился синтезировать все необходимые ПНЖК. Возникает вопрос: можно ли их получить извне? Разумеется! Пищевыми источниками полиненасыщенных жирных кислот являются растительные масла, рыбий жир и препараты омега-3-жирных кислот. Таким образом, казалось бы невкусный рыбий жир — просто лакомство для наших клеток!

Из липидов — в дирижеры клеточных реакций

Исследования редокс-липидомики, проведенные при помощи масс-спектрометрии в сочетании с обращенно-фазовой хроматографией, выявили удивительный факт: липиды контролируют активность иммунной системы [4]! При попадании в организм чужеродных агентов, желающих нанести вред и повредить ткани, развивается воспаление, цель которого — устранить патоген. Иммунные клетки, встав на защиту организма, в зоне повреждения вырабатывают «провоспалительные» производные ПНЖК (лейкотриены, липоксины, гипоксины и т.д.), которые усиливают воспаление и таким образом избавляют организм от патогена (рис. 2).

Рисунок 2. Провоспалительные производные арахидоновой кислоты: простагландины, тромбоксаны и лейкотриены

Рисунок 3. Противовоспалительные медиаторы: резолвины, протектины, марезины

Но воспаление — патологический процесс, и при удалении повреждающего фактора важно вовремя остановиться и прекратить воспалительный ответ. Здесь на помощь приходят противовоспалительные липидные медиаторы — резолвины, протектины, марезины (рис.3). Они останавливают образование «провоспалительных» медиаторов и обеспечивают защиту клеток от повреждающих факторов.

Кроме того, собственные поврежденные клетки, не способные восстановиться, для перехода воспаления в завершающую фазу и сохранения постоянства внутренней среды должны подвергнуться уничтожению, чему также способствуют липидные медиаторы. Как это возможно? Оказалось, что липидные молекулы фосфатидилсерина (фосфолипида клеточной мембраны) выставляются на мембрану поврежденных клеток и «помечают» их. Фосфатидилсерин на поверхности клеток является сигналом для их поглощения макрофагами и клетками микроглии [5]. В исследованиях также была продемонстрирована значимость этого медиатора: наличие даже одной молекулы фосфатидилсерина уже достаточно для активации фагоцитоза!

Две стороны одной медали

Оказалось, что роль липидов велика не только в уничтожении старых или поврежденных клеток, но и их компонентов, или органелл. Например, для удаления митохондрий, безвозвратно утративших свои функции, на поверхности ее внешней мембраны появляется кардиолипин — фосфолипид, который в норме присутствует только на внутренней мембране органелл. Именно он и служит сигналом митофагии, или уничтожения митохондрий [5]. Удаление исключительно ненужных организму структур без повреждения нормальных клеток требует точной передачи сигналов и имеет решающее значение для поддержания постоянства внутренней среды.

Однако данный процесс может стать опасным для организма. Чрезмерная митофагия описана при многих острых и хронических заболеваниях центральной нервной системы. Так, при болезни Паркинсона она может привести к гибели нейронов [6]. Контроль качества митохондрий с целью избежания излишнего уничтожения имеет центральное значение для функционирования и благополучия нейронов. Это открывает новые возможности для исследований в области лечения нейродегенеративных заболеваний!

Как липиды «помогают» клетке погибнуть?

Что же делать со старыми клетками, честно отслужившими свой срок? Безусловно, оставлять их на своем месте нельзя, иначе новым здоровым клеткам будет некуда деться. Остается один вариант — аккуратно разобрать и удалить из организма те из них, которые не способны более функционировать. Данный процесс носит названия апоптоза. Валериан Каган и его соавторы доказали, что для осуществления этого процесса необходимо окислить ПНЖК кардиолипина [7]. При необратимых изменениях в клетке знакомый нам кардиолипин образует комплекс с белком дыхательной цепи — цитохромом c — и превращает его в фермент пероксидазу. Пероксидаза тотчас окисляет ПНЖК кардиолипина, и он перемещается на внешнюю мембрану митохондрий, увеличивая ее проницаемость (рис.4). Это приводит к высвобождению других проапоптотических факторов клетки, действие которых приводит к клеточной гибели.

Рисунок 4. Окисление кардиолипина как фактор апоптоза. На рисунке представлена клеточная мембрана, состоящая из бислоя липидов, один из которых — кардиолипин (показан желтым цветом). При взаимодействии с белком цитохромом c (cyt c) кардиолипин превращает его в пероксидазу, которая, в свою очередь, окисляет ПНЖК кардиолипина (на рисунке — cardiolipin hydroperoxide, CL-OOH). Гидроперекись кардиолипина выходит на внешнюю мембрану митохондрии, изменяя ее проницаемость, что приводит к апоптозу.

Новый взгляд на клеточную смерть

Одним из важнейших достижений редокс-липидомики является открытие уникального варианта неапоптотической программируемой гибели клетки — ферроптоза [8]. По сравнению с другими формами этот путь клеточной гибели неповторим. В чем же его особенность? Оказалось, что, в отличие от апоптоза, при котором происходит аккуратная разборка клетки, ферроптоз приводит к клеточному коллапсу, в котором железо и АФК принимают активное участие. Давайте разберемся, как это происходит!

Ферроптоз назван так неспроста. Железо (Fe от лат. ferrum) — основной элемент, необходимый для осуществления ключевого звена данного пути гибели клетки: перекисного окисления липидов (рис. 5) [9], [10]. Перекисное окисление может происходить под действием свободного двухвалентного железа (через реакцию Фентона), а также посредством фермента липоксигеназы, содержащей железо.

Рисунок 5. Ионы железа в организме находятся под строгим метаболическим контролем. Нарушение баланса ионов железа в клетке и возникновение окислительного стресса приводит к цепной реакции окисления липидов и формированию избытка гидроперекисей. Накопление гидроперекисей липидов приводит к развитию ферроптоза. Гидроперекиси фосфолипидов (PL-OOH) образуются внутри клетки с участием различных форм низкомолекулярного внутриклеточного железа и железосодержащих ферментов. Активная GPX4 восстанавливает гидроперекиси липидов до спиртов. В случае ингибирования фермента, например, специфическим ингибитором RSL3, PL-OOH накапливаются в клетках, усиливая развитие окислительного стресса.

Конкретные механизмы редокс-модификации липидов, задействованные в выполнении программы ферроптоза, на сегодняшний день остаются тайной. Но, окрасив клетку различными флуоресцентными красителями, можно увидеть, насколько удивительные очертания они приобретают при ферроптозе (рис. 6) [11]!

Рисунок 6. Снимок конфокальной микроскопии эмбриональных фибробластов мыши, обработанных индуктором ферроптоза RSL3 (100 nM, 6h). Control — необработанные клетки. Liperfluo — флуоресцентный зонд, который после взаимодействия с гидроперекисями липидов способен флуоресцировать, если он встроен в плазматическую мембрану клеток. ER-FAP (ER-targeted fluorogen-activating protein) — флуоресцентный белок, чья флуоресценция активируется при связывании метки с эндоплазматическим ретикулумом.

В клетках организма существуют механизмы, препятствующие неконтролируемому перекисному окислению. Одним из ключевых ферментов здесь является глутатионпероксидаза 4 (GPX4), которая восстанавливает гидроперекиси липидов до спиртов за счет окисления глутатиона (GSH). Далее окисленная молекула глутатиона (GS-SG) восстанавливается с помощью фермента глутатион-редуктазы. В случае инактивации клеточного глутатиона и GSH-зависимой антиоксидантной защиты происходит накопление токсичных липидных АФК и запуск ферроптоза [12].

Две крайности одной и той же сущности. Как ферроптоз реализуется в целом организме и можно ли обернуть его в свою пользу?

Проведенные исследования показывают, что ферроптоз осуществляется во многих типах тканей человека. Так, при отравлении парацетамолом в организме накапливается N-ацетил-p-бензохинонимин, при этом наблюдается истощение глутатиона, в результате чего происходит массивная гибель клетки по механизму ферроптоза [13].

Имеющиеся данные указывают на то, что ферроптоз может выступать одним из ключевых механизмов развития некоторых нейродегенеративных заболеваний, а также является одной из возможных причин гибели клеток в условиях глутаматной эксайтотоксичности [14].

Ионы железа могут играть ключевую роль в гибели эпителиальных клеток почечных канальцев в условиях острой почечной недостаточности [13]. Данный механизм обусловлен нарушением гломерулярной фильтрации и накоплением ионов железа как внутриклеточно, так и в полости канальца, что приводит к реализации клеточной смерти.

Ферроптоз, как механизм регулируемой клеточной смерти, имеет и терапевтическую ценность. Существует ряд потенциальных молекул, ингибирующих Xc — транспортную систему (эрастин, RSL3), которые, воздействуя на культуру опухолевых клеток, вызывают их гибель по механизму ферроптоза [12], [13]. Как доказать, что это происходит благодаря ферроптозу, а не случайному совпадению? При добавлении к клеткам веществ, связывающих железо, оно становится «неподвижным» и не может участвовать в химических процессах. В этом случае процессы ферроптоза значительно замедляются. Однако не все так просто и радужно! Эти молекулы не обладают высокой специфичностью, и при более высоких дозах клеточная гибель может происходить по механизму апоптоза!

Вывод

Благодаря редокс-липидомике стало известно, что кислородсодержащие липиды играют огромную роль в сохранении постоянства внутренней среды, запуская апоптоз, ферроптоз и контролируя воспаление. Однако стоит принять во внимание, что, несмотря на очевидное значение в регуляции множества биологических функций, содержание окисленных липидов в организме крайне мало (0,03–3,0 моль% от всего липидома организма) [4]. Кроме того, трудности анализа окисленных липидов заключаются в их химической нестабильности, термолабильности и неоднородности окисленных продуктов. Не зря их сравнивают с иголкой в стоге сена!

  1. Липидный фундамент жизни;
  2. Zhixu Ni, Laura Goracci, Gabriele Cruciani, Maria Fedorova. (2019). Computational solutions in redox lipidomics – Current strategies and future perspectives. Free Radical Biology and Medicine. 144, 110-123;
  3. Yulia Y. Tyurina, Claudette M. St. Croix, Simon C. Watkins, Alan M. Watson, Michael W. Epperly, et. al.. (2019). Redox (phospho)lipidomics of signaling in inflammation and programmed cell death. J Leukoc Biol;
  4. Yulia Y. Tyurina, Vladimir A. Tyurin, Tamil Anthonymuthu, Andrew A. Amoscato, Louis J. Sparvero, et. al.. (2019). “Redox lipidomics technology: Looking for a needle in a haystack”. Chemistry and Physics of Lipids. 221, 93-107;
  5. V.E. Kagan, Y.Y. Tyurina, W.Y. Sun, I.I. Vlasova, H. Dar, et. al.. (2020). Redox phospholipidomics of enzymatically generated oxygenated phospholipids as specific signals of programmed cell death. Free Radical Biology and Medicine. 147, 231-241;
  6. Charleen T Chu, Hülya Bayır, Valerian E Kagan. (2014). LC3 binds externalized cardiolipin on injured mitochondria to signal mitophagy in neurons. Autophagy. 10, 376-378;
  7. Valerian E. Kagan, Hülya Bayır, Yulia Y. Tyurina, Sergey B. Bolevich, John J. Maguire, et. al.. (2017). Elimination of the unnecessary: Intra- and extracellular signaling by anionic phospholipids. Biochemical and Biophysical Research Communications. 482, 482-490;
  8. Scott J. Dixon, Kathryn M. Lemberg, Michael R. Lamprecht, Rachid Skouta, Eleina M. Zaitsev, et. al.. (2012). Ferroptosis: An Iron-Dependent Form of Nonapoptotic Cell Death. Cell. 149, 1060-1072;
  9. Wan Seok Yang, Brent R. Stockwell. (2016). Ferroptosis: Death by Lipid Peroxidation. Trends in Cell Biology. 26, 165-176;
  10. Власова И.И., Владимиров Г.К., Каган В.Е. Глава 3. Процессы гибели клеток // Введение в регенеративную медицину: лабораторный курс: учебное пособие / П.С. Тимашев, А.И. Шпичка. Издательство Сеченовского университета, 2020. 348 с.;
  11. Valerian E Kagan, Gaowei Mao, Feng Qu, Jose Pedro Friedmann Angeli, Sebastian Doll, et. al.. (2017). Oxidized arachidonic and adrenic PEs navigate cells to ferroptosis. Nat Chem Biol. 13, 81-90;
  12. Jennifer Yinuo Cao, Scott J. Dixon. (2016). Mechanisms of ferroptosis. Cell. Mol. Life Sci.. 73, 2195-2209;
  13. Marcus Conrad, Valerian E. Kagan, Hülya Bayir, Gabriela C. Pagnussat, Brian Head, et. al.. (2018). Regulation of lipid peroxidation and ferroptosis in diverse species. Genes Dev.. 32, 602-619;
  14. Leslie Magtanong, Scott J. Dixon. (2018). Ferroptosis and Brain Injury. Dev Neurosci. 40, 382-395;
  15. Куликов В.А. и Гребенников И.Н. (2012). Резольвины, протектины и марезины: новые медиаторы воспаления. «Вестник Витебского государственного медицинского университета». 1, 25–30.

Какую функцию в клетке выполняют липиды в организме животных: какие вещества относятся, их состав

Клетки любого организма содержат в себе достаточно большое количество различных элементов. В клетку животного входят липиды – это соединения органического характера, в чьем составе находятся желчные кислоты, спирты и многие другие химические элементы….

Они выполняют крайне важную задачу в физиологии животных и людей. Какую функцию выполняют липиды в организме?

Человек самостоятельно синтезирует основные виды этих веществ в печени (7-14%) и тонком кишечнике.

Они находятся во всех частях человеческого тела в разных количествах, переносясь вместе с кровяными тельцами, особенно много их в жировой и нервной ткани.

У животных и людей жиры находятся в тканях, а из растительного мира ими богаты подсолнечник, авокадо и арахис.

Основные понятия

Липиды это соединения со сложной структурой, которые состоят из множества отдельных химических элементов, и для простого понимания могут называться жирами. Говоря простым языком, это обобщающее называние для растительных и животных жиров, холестеринов, гормонов и терпенов. Они маслянистые и не могут раствориться в обычной воде, но вполне растворимы в других вариациях жидкостей.

Важно! Каждая группа соединений имеет свой состав липидов, отличный от других подобных им.

Классификация

Существует несколько видов, классифицируемых по различным характеристикам. Самая популярная из них – это разделение в зависимости от способности молекул растворятся в простом водороде:

  • Омыляемые – их можно растворить водой и разложить на отдельные продукты (воск),
  • Не омыляемые – их нельзя подвергнуть гидролизу (терпены, витамины).

По другой классификации их делят на:

  • двухкомпонентные или простейшие,
  • многокомпонентные или сложнейшие.

Простейшие жиры находятся в растениях, а сложные больше характерны для животных и людей. Эти вещества играют важную роль в их жизнедеятельности и отличаются разнообразием.

Свойства

Вещества обладают рядом характерных свойств, которые зависят от количества молекул спирта в них и от того, насколько насыщенные их кислоты:

  • Устойчивы к водороду, т.е. не распадаются в воде и других растворителях. Иногда, в зависимости от составляющих полярных групп, они могут взаимодействовать с последними.
  • Температура плавления жиров зависит от количества тесных связей в составе входящих в них кислот. Чем из больше, тем сильнее снижается необходимая для плавки температура. Если в составе присутствуют насыщенные ВЖК, они по внешнему виду твердые, а если кислот больше ненасыщенных, то они будут жидкими.
  • При взаимодействии с определенными группами растворителей, жиры равномерно распределяются по раствору.
  • Свойства липидов всегда характеризуются характером и свойствами их составных частей молекул кислоты и спирта.
  • Если молекулы богаты кислотами ненасыщенными – они имеют свойство притягивать молекулы водорода к себе.

Состав

Жиры обладают крайне разнообразными веществами в своем составе, начиная со спиртов и заканчивая огромным числом кислот.

В зависимости от преобладания того или иного элемента, меняются и свойства липидов.

Точного ответа на вопрос «Какие вещества относятся к липидам?» нет, поскольку в их составе присутствуют:

спирты, углерод, кислоты, кислород, водород, фосфорные кислоты, углеводы. азотистые основания.

Кроме этого, в небольших количествах содержатся редкоземельные химические элементы.

Важно! Простые молекулы в своем составе имеют только водород, кислород и углерод.

Роль молекул

Как важные химические элементы, данные вещества играют огромную роль в жизнедеятельности молекул, а также более сложных организмах. В зависимости от своего состава, они выполняют разные функции, каждая из которых крайне важна. Какие функции выполняют в организме людей и животных?

В клетке

Прежде чем говорить о сложных структурах, следует поговорить о клетке. Это базовая единица, с которой и начинается формирование всего организма, независимо от его размеров и сложности. В клетке липиды обязательно присутствуют, как элементарные химические связи. Липиды и их роль в жизнедеятельности клетки сложно недооценить, ведь они выполняют несколько важных функций:

  • резервно-энергетическую – накапливаются в виде запасов энергии, и содержат до 35% от ее общего количества,
  • структурную – принимают активное участие в формировании мембран для всех тканей и органов,
  • сигнальную – обладают свойствами рецепторов и улавливают появление бактериальных токсинов,
  • защитную – защищают от механических повреждений и воздействия холодных температур.

Все перечисленные функции невероятно важны, и в клетке выполняют их молекулы жира. Среди них, незаменимыми считаются те, которые состоят из непредельных кислот, поскольку помогают образовывать простагландины – молекулы-регуляторы жизнедеятельных процессов.

В человеке

В целом, жиры выполняют в тканях и органах людей те же функции. Каковы же они? Их роль крайне обширна:

  1. Находятся в составе всех органов до 70 % в тканях головного мозга, способствуя его электровозбудимости.
  2. Частично присутствуют в миелиновых нервных оболочках, печенке и сердце.
  3. Принимают участие в обезвреживании токсинов при инфекционных заболеваниях.
  4. Принимают участие в активизации протромбина.
  5. Играют важную роль в формировании и усвоении белка.
  6. Удаляют переизбыток холестерина с поверхностей клеток.
  7. Помогают красным кровяным тельцам становится более устойчивыми к гемолизу.
  8. Изолируют нервные окночания и защищают их от механических повреждений.
  9. Принимают роль в перемещении по телу нервных импульсов.

Таким образом, сложно недооценить их роль для человека.

Они поступают в составе некоторых продуктов и синтезируются печенью самостоятельно, за исключением некоторых кислот, которые следует обязательно употреблять с пищей.

В организме животных

Нейтральные жиры это огромный источник энергии для печени, почек и мышц.

Биологические функции липидов обширны:

  1. Структурная. Определенный вид компонентов – фосфолипиды, кооперируясь с белком, могут строить перегородки, а также принимают участие в строительстве тканей.
  2. Энергетическая. Когда жиры окисляются и распадаются, появляется энергия, которая используется телом для его нужд. Они обеспечивают до 40% энергии от общего количества всего энергетического запаса тела, ведь во время расщепления 1 г жира в организм попадет около 9,3 ккал тепла, что намного выше, чем при распаде углеводов и белков. В момент голодания именно они являются источником сил и энергии, поэтому в случае недостатка питания они расщепляются. Перед этим жиры своевременно запасаются в различных органах и всех тканях, чтобы при необходимости расщепиться. Во время спячки именно они обеспечивают жизнеспособность животного.
  3. Теплоизоляционная. Вещества откладываются в прослойке вокруг органов и между кожей, и сохраняют внутри них тепло. Именно эта функция позволяет животным жить даже в арктических условиях, поскольку их органы полностью защищены от губительного воздействия внешней среды.
  4. Сигнальная. Молекулы переносят важные сигналы внутри клетки и за ее пределы. За эту функцию отвечают фосфатидилинозитолы, эйкозаноиды и гликолипиды. Они имеют способность связываться с гормонами, и тем самым обеспечивать передачу информации по организму. Следует помнить, что эти вещества могут и не иметь в своем составе данных компонентов, поскольку они крайне многообразны по своему составу.
  5. Защитная функция липидов. Откладываясь вокруг органов, эти вещества защищают их от механических повреждений, например, во время беременностей у самок жиры концентрируются в области живота, чтобы при необходимости защитить плод от ударов и других внешних воздействий. А вот фосфолипиды могут активировать белки и прочие гормоны, которые участвуют в свертывании крови, что также защищает тело животного от повреждений и вовремя останавливает кровотечение.
  6. Смазывающая и водоотталкивающая. Кожа, шерсть и перья имеют слой воска, который позволяет им оставаться эластичными. Кроме этого он препятствует попаданию влаги внутрь ворсинок и защищает от влаги перья и шерсть.
  7. Регуляторная. В состав этих веществ входят половые гормоны (тестостерон и прогестерон), которые участвуют в процессах размножения и в пищеварения.

Основная функция, из указанных выше это защитная функция липидов и теплоизоляционная. Единственная отсутствующая – это ферментативная функция, поскольку они не выполняют никакой роль в усилении химических реакций, хотя и участвуют в них. Ферментативную функцию в основном выполняют белки, ускоряя распады всех веществ и прочие химические реакции.

Функции липидов в клетке

Строение и функции липидов

Вывод

При изучении жировых веществ крайне важно понимать, что это – сложные соединения, имеющие в своем составе огромное количество компонентов. Они имеют важное значение для жизнедеятельности любого организма, поэтому входят в состав продуктов питания, могут быть получены дополнительно в виде витаминов, а также применяются в некоторых отраслях промышленности.

Липиды бактериальных клеток — Справочник химика 21

    По данным О. К. Бордовского (1968 г.), в поверхностном планктоне Индийского океана липидная фракция составляет от 6,4 до 13,6% (на сухой вес). Липиды имеются также в бактериальных клетках и в донных организмах. Липиды и содержащиеся в них углеводороды довольно устойчивы в донных отложениях в отношении бактериального окисления, поэтому они могут накапливаться в осадках. [c.113]

    Липиды составляют вместе с белками и углеводами основную массу органического вещества живой клетки. Они присутствуют в организмах различного происхождения растительных, животных, бактериальных. В высокой концентрации липиды (особенно фосфолипиды) обнаружены в различных органах животных и человека головном и спинном мозге, крови, печени, сердце, почках и т. д., особенно велико содержание липидов в нервной системе (20—25%). Липиды входят в состав всех структурных элементов клетки, в первую очередь клеточных мембран, и мембран субклеточных частиц липиды (в виде липопротеидов) составляют не менее 30% общей сухой массы мембраны. С участием липидов протекают такие важнейщие биохимические процессы, как передача нервного импульса, активный перенос через мембраны, транспорт жиров в плазме крови, синтез белка и другие ферментативные процессы, особенно процессы, связанные с цепью переноса электронов и окислительным фосфорилированием. [c.185]


    Особенность бактерий как продуцентов липидов заключена в их липидном составе. Липиды в бактериальной клетке служат прежде всего структурными элементами, участвуют в качестве биологически активных веществ в метаболических процессах и могут являться источниками энергии. [c.330]

    Одним из наиболее широко распространенных методов определения жирных кислот в бактериальных клетках является газожидкостная хроматография их метиловых эфиров, полученных из фосфолипидов, суммарных липидов и других липидных фракций. Метанолиз липидов происходит при нагревании их в смеси серной кислоты и метанола. Метиловые эфиры экстрагируют гекса-ном, после чего каждую из жирных кислот количественно измеряют с помощью газохроматографического прибора, снабженного подходящей колонкой (разд. 16.3.4). [c.321]

    Еще более элементарно организованная живая система, являющаяся, видимо, нижним пределом жизни (если не считать таковым вирусы и вироиды), представлена микоплазмами, насчитывающими несколько десятков видов и более 100 представителей. Эти мельчайшие тельца, обладающие всеми свойствами живого, способные расти и размножаться на искусственных питательных средах, в десятки и даже сотни раз меньше упомянутой выше бактериальной клетки. Имея размеры (0,15—0,30) х (1,0—1,25) мкм, они крайне полиморфны, так как ограничены от внешней среды тончайшей (7,5 нм) двухслойной гибкой мембраной. В них содержится 4% ДНК ярко выраженного АТ-типа в виде единственной биспиральной кольцевой структуры с молекулярной массой от нескольких сотен миллионов до миллиарда дальтон (600000—1.700.000 нуклеотидных пар) 8% РНК (в том числе все три вида рибосомальных РНК слабо выраженного АУ-типа и полный набор транспортных РНК) до пятисот индивидуальных белков (М = 9000 — 200000), среди которых тестировано до 40 ферментов липиды, углеводы, липополисахариды и другие вещества. По сравнению с бактериальной клеткой их структура [c.19]

    Состояние воды. В простейшей бактериальной клетке на одну молекулу нуклеиновой кислоты приходится около 100000, на одну белковую молекулу—примерно 40000, а на каждую молекулу липидов—приблизительно 1500 молекул воды (см. гл. I). Таким образом, молекулы органических соединений в клетке постоянно окружены молекулами воды и, конечно, взаимодействуют с ними. Нельзя упускать из вида также взаимодействие молекул воды друг с другом и неорганическими катионами и анионами. [c.431]

    Механизмы питания. Поступление различных веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости их молекул в липидах или воде, pH среды, концентрации веществ, различных факторов проницаемости мембран и др. Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая макромолекулы массой более 600 Д. Основным регулятором поступления веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Условно можно выделить четыре механизма проникновения питательных веществ в бактериальную клетку это простая диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, транслокация групп. [c.44]


    Коэффициент диффузии липидов в различных мембранах составляет примерно 10 см с Ч Таким образом, молекула фосфолипида диффундирует в среднем на расстояние 2 10 см, или 2 мкм, за 1 с. Это означает, что молекула липида может переместиться с одного конца бактериальной клетки на другой за 1 с. Экспериментально установленная величина коэффициента диффузии показывает, что вязкость мембран примерно в 100 раз выше вязкости воды и близка к вязкости оливкового масла. [c.217]

    Создание химиотерапевтических препаратов для лечения болезней, вызываемых микробами, представляет собой одно из важнейших достижений фармацевтической науки и промышленности. Ассортимент синтетических лекарственных веществ и антибиотиков (продуктов жизнедеятельности микроорганизмов), имеющихся в настоящее время в распоряжении врачей, позволяет вылечивать практически любые бактериальные инфекции. Все виды бактерий Грам произвольно разделил на два класса бактерии, окрашиваемые в синий цвет реактивом Грама (смесью красителя кристаллического фиолетового с иодом), он назвал грамположительными, а неокрашиваемые бактерии — грамотрицательными. Для объяснения различного поведения бактерий по отношению к реактиву Грама было выдвинуто несколько гипотез. Наиболее правдоподобная из них состоит в том, что клетки грамположительных бактерий обладают способностью поглощать кристаллический фиолетовый и иод, тогда как у грамотрицательных бактерий клеточная оболочка содержит много липидов, которые препятствуют проникновению кра- [c.404]

    Первоначально считали, что белковые антигены существенно отличаются от бактериальных и клеточных антигенов. Впоследствии, однако, было показано, что бактерии или клетки нельзя рассматривать как индивидуальный антиген, ибо они состоят из целого ряда различных веществ, так сказать из мозаики веществ, часть которых представляет собой антиген, тогда как другие не обладают антигенным действием. Антигенными свойствами обладает большинство белков, встречающихся в организме животных, растений и бактерий. В отличие от белков углеводы, липиды и другие вещества, как правило, не являются антигенами, т. е. не обладают способностью вызывать образование антител. [c.329]

    Функциональное значение бактериальных липидов определяется их локализацией во внешних слоях клетки, структурной сложностью и быстрым изменением их состава во время приспособления клетки к изменившимся условиям внешней среды, [c.330]

    Любое чужеродное вещество, на которое способна реагировать иммунная система организма, обозначается термином антиген. Антигенными свойствами обладают все чужие белки, нуклеиновые кислоты, многие полисахариды и сложные липиды. Антигенами могут быть также бактериальные токсины и целые клетки микроорганизмов, точнее [c.108]

    Каждая бактериальная (да и другая) клетка окружена клеточной мембраной, содержащей белки и липиды. Мембрана функционирует как барьер, но в ней также размещены механизмы, осуществляющие транспорт веществ в клетку и из клетки, в том числе насосы, необходимые для активного переноса. Кроме того, вдоль мембран или их внутриклеточных выростов идут процессы бактериального фотосинтеза и дыхания. Вирусы не имеют мембран. О структуре и функции клеточных мембран существует много гипотез (см., например, [1034, 1557, 1565, 1603, 1605, 1790]. В состав футляра , одевающего клетки, может, помимо клеточной мембраны входить наружная клеточная стенка [1565, 1604, 1605]. Основная функция клеточной стенки — защита бактерий от механических повреждений и осмотического стресса. [c.74]

    Как правило, клетки очень малы, их диаметр чаще всего намного меньше 1 мм. Их трудно различить невооруженным глазом. Впервые их удалось разглядеть более 300 лет назад, вскоре после того, как были сконструированы первые микроскопы. Клетки высших организмов (растений и животных) имеют следующее строение (рис.1). Клетки окружены мембраной, состоящей из липидов. Мембрана проницаема только для определенных молекул питательных веществ и ионов. Благодаря этому содержимое клетки удерживается внутри и не вытекает в окружающую среду. Растительные клетки имеют дополнительную клеточную стенку, состоящую из целлюлозы, которая придает растительным тканям структурную жесткость. Во всех клетках, кроме бактериальных, внутреннее клеточное пространство раз- [c.8]

    Липид А — главным образом дисахарид, состоящий из двух остатков В-глюкозамина, к одному из гидроксилов которого присоединен кор, а остальные гидроксилы и обе аминогруппы ацилированы высшими жирными кислотами, что и придает фрагменту высоко гидрофобный, липидный характер. Благодаря этому липидный фрагмент липопо-лисахарида погружен (можно было бы сказать, растворен или, еще точнее, вплавлен) в липидную мембрану клетки, что и обеспечивает прочную связь всей молекулы с клеточной поверхностью. Остальная часть молекулы, полисахаридная и, следовательно, высоко гидрофильная, обращена в водную среду, окружающую бактериальную клетку. [c.46]

    Цитоплазма и мембраны. Цитоплазма — это сложная система, в которой дисперсионной средой является вода с растворенными в ней электролитами, а дисперсной фазой служит ряд взаимодействующих между собой высокомолекулярных веществ, образующих сложные высокоспецифичные структуры. Понятие цитоплазма применительно к бактериальным клеткам и клеткам актиномицетов аналогично понятию протоплазма , так как эти организмы не содержат оформленного ядра и, соответственно, ядерной цитоплазмы (кариоплазмы). В протоплазме в среднем содержится 70-85 % воды, 10-20 % белков, 2-3 % липидов, 1 % углеводов и около 1 % солей и других веществ. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии. Свободная вода удерживается в клетке капиллярными силами в тончайших канальцах эндоплазматического ретикулума и/или в губчатой системе различных мембран. Связанная вода удерживается преимущественно молекулами белков, вокруг которых образуются сольватные (гидратные) оболочки. Соотношение свободной и связанной воды в клетках разных микроорганизмов весьма вариабельно и нередко меняется с возрастом, с изменением их физиологического состояния и пр. Сольватная оболочка вокруг [c.20]


    Замена углеводного субстрата углеводородным приводит не только к количественному изменению содержания липидов в клетке, но и к изменению их фракционного состава. При этом наблюдается увеличение количества синтезируемых фосфоглицеридов и снижение триацил-глицеридов. Эти изменения зависят также от вида используемой культуры. Так, в бактериальных клетках Mi ro o us freudenve hii, выращенных на углеводородах, содержание фосфоглицеридов увеличивается в 4— 8 раз, эфиров — в 15 раз по сравнению с их содержанием при выращивании на глюкозе. Изменений во фракциях свободных жирных кислот и ацилглицеринов не обнаруживается. [c.355]

    Липиды — природные соединения, обладающие гидрофобными свойствами. Они наряду с белками и углеводами составляют основную массу органического вещества живых клеток и тканей, присутствуют в животных, растительных и бактериальных клетках. В организме высших животных и человека содержание липидов в различных органах и тканях не одинаково. Наиболее богата липидами нервная ткань (20—25%). Липиды, являясь структурным компонентом мембранных липопротеи-дов, составляют не менее 30% общей сухой массы мембраны. [c.237]

    Можно видеть, что бактерия окружена клеточной стенкой, представляющей собой жесткую структуру, довольно сложную по своему химическому составу и содержащую полисахариды, белки и липиды. Точное строение этих компонентов клеточной стенки различно у разных типов бактерий, что сообщает бактериальным клеткам сильную поверхностную специфичность. Клеточная стенка обусловливает характерную для данной бактерии форму (сферическую, форму прямой или изогнутой палочки) и обеспечивает прочность, необходимую для того, чтобы клетка не лопну ла поддействием внутреннего осмотического давления. К внутренней сто роне клеточной стенки плотно прилегает тонкая клеточная мембрана играющая у бактерии роль барьера проницаемости. Мембрана окружает протопласт, т. е. всю остальную часть прокариотической клетки Как видно на электронной микрофотографии, приведенной на фиг. 22 ядро бактерии (т. е. ее ДНК) связано с клеточной мембраной. [c.48]

    В начале этой главы мы рассмотрели проблему биологического воспроизведения. Здесь мы вернемся к ней вновь, но уже с точки зрения жизни бактериальной клетки. Как уже говорилось, бактерии размножаются за счет среды, в которой протекает их рост. Они синтезируют из ростовой среды липиды, полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых строятся их клеточные структуры. Каждая бактерия за время генерации создает еше одну точно так ю же бактерию. Отсюда следует, что гее структуры и компоненты бактерии за время генерации здваи-ваются и распределяются с достаточной точност1ю между двумя образующимися дочерними клетками, которые идентичны как друг другу, так и родительской клетке. Теперь мы можем задать Еопрос, каким образом бактерия управляет образованием составляющих ее сложных компонентов из таких простых химических соединений, как глюкоза, аммиак, неорганические соли и вода, и каким образом эти упорядоченные процессы воспроизведения и деления сохраняются в течение бесчисленных поколений. [c.56]

    Чтобы понять взаимоотношения между клеточными комиартментами. полезно представить себе, как они могли возникнуть в процессе эволюции. Считается, что предшественниками эукариотических клеток были организмы, напоминающие бактерии. У бактерий, как правило, нет внутренних мембран соответствующие функции у них выполняет плазматическая мембрана. К таким функциям относится, например, транспорт ионов, синтез АТР и синтез липидов. Однако размеры современных эукариотических клеток превышают размер типичной бактериальной клетки (такой, как Е.соИ) в 10-30 раз. Изобилие внутренних мембран в клетках эукариот можно рассматривать как адаптацию к этом) [c.8]

    ЦПМ экстремальных галофилов, имеющая строение, типичное для элементарной мембраны, содержит около 7з липидов и -/з разных белков, включая обычные для бактериальных мембран наборы флавопротеидов и цитохромов. Основная масса липидов экстремальных галофилов отличается от характерных для прокариот липидов тем, что в их молекуле глицерин связан не с остатками жирных кислот, а с С2о-спиртом — дигидрофитолом. Фосфолипидные и гликолипидные иро-изводные глицеринового диэфира могут в определенных условиях составлять до 80% общего содержания липидов в клетках. Помимо уникальных липидов клеточные мембраны экстремальных галофилов содержат много каротиноидных пигментов (основной — бактериоруберин), обусловливающих окраску колоний от розового до красного цвета, что имеет для галофильных бактерий немаловажное значение как средство защиты против избыточной радиации, поскольку для их мест обитания характерна обычно высокая освещенность. [c.287]

    Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях стабильной внутр. среды. Однако и в этом случае можно модифицировать состав липидов в нек-рых мембранах, меняя пнщ. рацион. Липидный состав мембран растений заметно измейяется в зависимости от освещенности, т-ры н pH. Еще более изменчив состав бактериальных мембран. Он варьирует не только в зависимости от штамма, но и в пределах одного и того же штамма, а также от условий культивирования и фазы роста. У вирусов, имеющих липопротеиновую оболочку, липидный состав мембран также не постоянен и определяется составом лршидов клетки-хозяина. [c.29]

    Липиды различных организмов подразделяются на две. фуппы 1) липиды, присутствующие постоянно 2) липиды, количество которых непостоянно. Постоянно присутствующие в клетке липиды рассматриваются как ее необходимая составная часть количество их не может уменьшаться ниже определенного предела, определяемого физиологическими особенностями организма. Липиды, содержание которых непостоянно, составляют, по-видимому, резерв питательньк веществ, и количество их может быть весьма разлитым. Кроме дрожжей как продуценты липидов в перспективе могут рассматриваться мицелиальные фибы и микроформы водорослей. Известный интерес (как источники специфических жирных кислот, поли-р-гидроксибутирата, фосфолипидов и восков) представляют бактериальные продуценты. [c.68]

    Плазматическая мембрана. На электронных микрофотографиях ультратонких срезов бактерий, фиксированных четырехокисью осмия, плазматическая мембрана представляется многослойной. Она состоит из двух осмофильных и потому темных слоев толщиной 2-3 нм каждый и промежуточного более светлого слоя толщиной 4-5 нм. По своему строению мембраны бактериальных, животных и растите.пьных клеток очень сходны. Это дает основание говорить об универсальной элементарной мембране . Мембраны можно выделить, подвергнув осмотическому шоку протопласты, полученные с помощью лизоцима. Мембрана богата липвдами, в особенности фосфолипидами. Составляя всего 8-15 % сухого вещества клетки, мембраны содержат 70-90 % всех ее липидов. [c.23]

    Центрифугируют в течение 15 мин при 10 000 g (4°С) такой объем культуры, в котором содержится 10—20 мг (сухого веса) бактериальных клеток. Сухой вес определяют, взвешивая высушенные клетки из равного объема культуры (разд. 25.2.2). Добавляют гипохлорит натрия в количестве, равном первоначальному объему культуры, переносят суспензию в центрифужную пробирку, инкубируют в течение 1 ч при 37 °С и затем центрифугируют 15 мин при 10 000 g для осаждения гранул липидов. Температура, при которой проводится центрифугирование, не имеет значения. Осадок суспендируют в воде и центрифугируют при 10000 g в течение 15 мин. Надосадочную фракцию отбрасывают, а гранулы липидов, прилипшие к стенкам центрифужной пробирки, промывают сначала 5 мл ацетона, а потом 5 мл этанола. Это делают с целью удаления воды. В завершение липидные гранулы суспендируют в 5 мл ацетона с помощью встряхивателя Vortex и центрифугируют 15 мин при 10 000 g. Осадок суспендируют в 5 мл этанола, используя встряхиватель Vortex, и вновь центрифугируют 15 мин при 10000 g. [c.323]

    Липидные гранулы. У дрожжей и мицелиальных грибов запасные липиды представлены нейтральными жирами, которые легко обнаруживаются в живых клетках без специальных методов окраски в виде сильно преломляющих свет капель. Бактерии в качестве резервных липидов образуют поли-р-оксимасляную кислоту. Гранулы поли-р-оксибутирата хорошо заметны при микроскопировании живых бактериальных клеток с фазово-контрастным устройством, однако чаще для их выявления клетки окрашивают ли-пофильными красителями — Суданом III или Суданом черным. Готовят тонкий мазок клеток, высушивают его на воздухе и фиксируют в пламени горелки. Заливают поверхность мазка раствором Судана черного и оставляют краситель на 5—15 мин. Избыток красителя сливают, просушивают препарат фильтровальной бумагой, просветляют в ксилоле, погружая в него несколько раз предметное стекло. Время просветления препарата не должно превышать 1 мин. После этого клетки дополнительно окрашивают в течение 10 с 0,1%-ным водным раствором сафранина. Более длительная обработка сафранином нежелательна, так как маскируется основная окраска. Гранулы поли- -оксибутирата окрашиваются в темный цвет, остальная часть клетки — в розовый. [c.109]


What are Lipids? | Protocol (Translated to Russian)

3.7: Что такое липиды?

Обзор

Липиды являются группой структурно и функционально разнообразных органических соединений, которые нерастворимы в воде. Некоторые классы липидов, таких как жиры, фосфолипиды и стероиды имеют решающее значение для всех живых организмов. Они функционируют как структурные компоненты клеточных мембран, энергетических резервуаров и сигнальных молекул.

Липиды являются разнообразной группой гидрофобных молекул

Липиды являются структурно и функционально разнообразной группой углеводородов. Углеводороды являются химическими соединениями, которые состоят из атомов углерода и водорода. Углерод-углеродные и углерод-водородные связи являются неполярными, а это означает, что электроны между атомами делятся поровну. Индивидуальные неполярные связи придают углеводородному составу общую неполярную характеристику. Кроме того, неполярные соединения, гидрофобные, или «боящиеся воды». Это означает, что они не образуют водородные связи с молекулами воды, что делает их почти нерастворимыми в воде.

В зависимости от химического состава липиды можно разделить на разные классы. Биологически важными классами липидов являются жиры, фосфолипиды и стероиды.

жир — молекула с содержанием жирных кислот и глицерола

Углеводородная основа жира состоит из трех атомов углерода. Каждый углерод несет в себе группу гидроксила (-OH), что делает его глицеролом. Чтобы сформировать жир, каждая из групп гидроксила глицерола связана с жирной кислотой. На одном конце жирная кислота – это длинная углеводородная цепь с карбоксиловой группой (-COOH). Карбоксиловая группа жирных кислот и гидроксиловая группа глицерола образуют стабильную связь с высвобождением молекулы воды. Полученная молекула называется эстером (-COOR). жир является эстер глицерол и три жирные кислоты; поэтому его также называют триглицеридов. Три составные жирные кислоты могут быть идентичными или разными и, как правило, иметь 12-18 атомов углерода в длину.

Насыщенные жиры против ненасыщенных жиров

жиры либо насыщены, либо ненасыщены в зависимости от наличия или отсутствия двойных связей в углеводородных цепях их жирных кислот. Если цепочка жирных кислот не имеет двойных связей между атомами углерода, отдельные атомы углерода связывают максимальное количество водорода. Такая жирная кислота полностью насыщена водородом и называется насыщенной жирной кислотой. С другой стороны, если жирная кислота содержит один или несколько двойных карбированных атомов углерода, жирная кислота называется ненасыщенной жирной кислотой.

жиры, содержащие все насыщенные жирные кислоты, называются насыщенными жирами. В основном насыщены жиры, полученные из животных источников, например, сливочное масло, молоко, сыр и сало. жиры из рыб или растительных источников часто ненасыщенные, как оливковое масло, арахисовое масло, и масло печени трески. Отсутствие двойных связей в углеводородных цепях насыщенных жирных кислот делает их гибкими. Гибкие цепи жирных кислот могут плотно упаковываться друг с другом; следовательно, насыщенные жиры в основном твердые при комнатной температуре.

Большинство естественных ненасыщенных жирных кислот находятся вконформацииcis , что означает, что атомы водорода, прилегающие к двойной связи между углеродом и кислородом, находятся на одной стороне. Наличие cis-двойныхсвязей вызывает изгиб в углеводородной цепи, что делает длинную углеводородную цепь менее гибкой и трудной для упаковки. Как следствие, большинство ненасыщенных жирных кислот являются жидкими при комнатной температуре.

Во многих организмах жиры являются долгосрочным резервуаром энергии. Если возникает необходимость, организм расщепляет жиры для производства энергии. У животных жир обеспечивает амортизацию вокруг жизненно важных органов, а подкожный слой жира изолирует организм от внешних температур.

Фосфолипиды являются неотъемлемой частью клеточных мембран

Фосфолипиды имеют решающее значение для клетки, поскольку они являются основными компонентами клеточных мембран. Фосфолипиды структурно похожи на жиры, но содержат только две жирные кислоты, связанные с глицеролом вместо трех. Остатки жирных кислот могут быть насыщенными или ненасыщенными. При фосфолипидах третья гидроксиловая группа глицерола связана с отрицательно заряженной фосфатной группой.

Дополнительная функциональная группа, присоединенная к фосфатной группе, может привести к различным химическим свойствам фосфатов. Наиболее распространенными добавками являются небольшие полярные группы, такие как холин или серин.

Фосфолипиды — амфипатические молекулы, а это означает, что они имеют части, которые являются гидрофобными идругие, которые являются гидрофильными , или взаимодействуют с водой. Когда фосфолипиды добавляются в воду, они спонтанно образуют би-слой, тонкую пленку в две молекулы фосфолипида толщиной. Эта самоорганизации происходит потому, что полярные группы притягиваются к воде, в то время как гидрофобные жирные кислоты запакованы в центре слоя, чтобы избежать контакта с водой. Такой фосфолипидный би-слой образует клеточную мембрану во всех живых организмах. Он разобщает жидкости на внутренней и внешней стороне клетки. Встроенными в би-слой являются белки и стероиды, другой класс липидов. Дополнительные фосфолипидные би-слои могут еще больше разобщить внутреннюю часть эукариотической клетки, например, лизосому и эндоплазмический ретикулум.

Стероиды состоят из четырех конденсированных углеродных колец

Стероиды являются еще одним биологически важным классом липидов. Стероиды состоят из четырех углеродных колец, которые соединяются друг с другом. Стероиды различаются друг от друга на основе химических групп, прикрепленных к углеродным кольцам. Хотя стероиды структурно различны, они гидрофобные и нерастворимые в воде. Стероиды снижают текучесть клеточной мембраны. Они также функционируют как сигнальные молекулы внутри клетки. Холестерин является наиболее распространенным стероидом и синтезируется печенью. Он присутствует в клеточной мембране и является предшественником половых гормонов у животных.


Литература для дополнительного чтения

Muro, Eleonora, G. Ekin Atilla-Gokcumen, and Ulrike S. Eggert. “Lipids in Cell Biology: How Can We Understand Them Better?” Molecular Biology of the Cell 25, no. 12 (June 15, 2014): 1819–23. [Source]

Simons, Kai. 2016. «Cell membranes: A subjective perspective.» Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Biomembranes 1858 (10):2569-2572. [Source]

Lordan, Ronan, Alexandros Tsoupras, and Ioannis Zabetakis. “Phospholipids of Animal and Marine Origin: Structure, Function, and Anti-Inflammatory Properties.” Molecules 22, no. 11 (November 2017): 1964. [Source]

Липиды и их роль в жизнедеятельности клетки

  • ГДЗ
  • 1 Класс
    • Окружающий мир
  • 2 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Литература
    • Окружающий мир
  • 3 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Окружающий мир
  • 4 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Окружающий мир
  • 5 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Биология
    • История
    • География
    • Литература
    • Обществознание
    • Человек и мир
    • Технология
    • Естествознание
  • 6 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Биология
    • История
    • География
    • Литература
    • Обществознание
    • Технология
  • 7 Класс
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Алгебра
    • Геометрия

Понимание разнообразия липидного состава мембран

  • 1

    Куйвенховен, Дж. А. и Хегеле, Р. А. Анализ генома на наличие липидных генов. Биохим. Биофиз. Acta 1842 , 1993–2009 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 2

    Ламари Ф., Мохель Ф., Седель Ф. и Саудубрей Дж. М. Нарушения биосинтеза фосфолипидов, сфинголипидов и жирных кислот: к новой категории наследственных заболеваний обмена веществ. J. Inherit. Метаб. Дис. 36 , 411–425 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 3

    ван Меер, Г., Фолькер, Д. Р. и Фейгенсон, Г. В. Мембранные липиды: где они находятся и как ведут себя. Nat. Rev. Mol. Клетка. Биол. 9 , 112–124 (2008).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 4

    Накамура, М.Т., Юделл, Б. Э. и Лоор, Дж. Дж. Регуляция энергетического обмена с помощью длинноцепочечных жирных кислот. Прог. Lipid Res. 53 , 124–144 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 5

    Симидзу Т. Липидные медиаторы в здоровье и болезнях: ферменты и рецепторы как терапевтические мишени для регуляции иммунитета и воспаления. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 49 , 123–150 (2009).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 6

    Салиба, А.Е., Вонкова, И., Гэвин, А. С. Систематический анализ белок-липидных взаимодействий достиг совершеннолетия. Nat. Rev. Mol. Клетка. Биол. 16 , 753–761 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 7

    Реш, М. Д. Жировое ацилирование белков: длинное и короткое. Прог. Lipid Res. 63 , 120–131 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 8

    Hannich, J.T., Umebayashi, K. & Riezman, H. Распределение и функции стеринов и сфинголипидов. Колд Спринг Харб. Перспектива. Биол. 3 , а004762 (2011).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 9

    Ямасита А. и др. Ацилтрансферазы и трансацилазы, которые определяют состав жирных кислот глицеролипидов и метаболизм биоактивных липидных медиаторов в клетках млекопитающих и модельных организмах. Прог. Lipid Res. 53 , 18–81 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 10

    Hannich, J. T., Mellal, D., Feng, S., Zumbuehl, A. & Riezman, H. Структура и консервативная функция изоразветвленных сфингоидных оснований нематоды Caenorhabditis elegans . Chem. Sci. 8 , 3676–3686 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 11

    Грош, С., Schiffmann, S. & Geisslinger, G. Зависящие от длины цепи свойства керамидов. Прог. Lipid Res. 51 , 50–62 (2012).

    PubMed Google Scholar

  • 12

    Harayama, T. et al. Лизофосфолипид-ацилтрансферазы опосредуют диверсификацию фосфатидилхолина для достижения требуемых физических свойств in vivo . Cell Metab. 20 , 295–305 (2014). Это исследование предоставляет подробную информацию о регуляции состава ацильной цепи PtdCho и использует эти знания для анализа функции насыщенных видов PtdCho in vivo , демонстрируя важность базового понимания липидного метаболизма.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 13

    Антонни, Б., Ванни, С., Шиндо, Х. и Феррейра, Т. От нуля до шести двойных связей: ненасыщенность фосфолипидов и функция органелл. Trends Cell Biol. 25 , 427–436 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 14

    Сезгин Э., Левенталь И., Майор С. и Эггелинг К. Тайна мембранной организации: состав, регуляция и роли липидных рафтов. Nat. Rev. Mol. Клетка. Биол. 18 , 361–374 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 15

    Хисикава, Д., Хашидате, Т., Симидзу, Т., Шиндо, Х. Разнообразие и функция мембранных глицерофосфолипидов, образующихся путем ремоделирования в клетках млекопитающих. J. Lipid Res. 55 , 799–807 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 16

    da Silveira dos Santos, A.X. et al. Систематический липидомный анализ дрожжевых мутантов протеинкиназы и фосфатазы позволяет по-новому взглянуть на регуляцию липидного гомеостаза. Мол. Биол. Ячейка 25 , 3234–3246 (2014). Авторы выполнили всесторонний липидомический анализ мутантов дрожжевой киназы и фосфатазы, который не только дает новое понимание того, как поддерживается гомеостаз липидов, но также предоставляет исчерпывающий набор данных, потенциально содержащий информацию о все еще неизвестных регуляторных путях.

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 17

    Contreras, F. X. et al. Молекулярное распознавание одного вида сфинголипидов трансмембранным доменом белка. Природа 481 , 525–529 (2012). Эта основополагающая статья описывает специфическое взаимодействие между C18-сфингомиелином и трансмембранным белком p24, которое влияет на димеризацию белка и перенос пузырьков.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 18

    Хашидатэ-Ёсида, Т.и другие. Ремоделирование жирных кислот с помощью LPCAT3 обогащает арахидонат фосфолипидными мембранами и регулирует транспорт триглицеридов. eLife http://dx.doi.org/10.7554/eLife.06328 (2015). Это исследование объединяет генетические, липидомические и биофизические подходы для раскрытия роли арахидоновой кислоты в мембранных GPL, которые необходимы для локальной кластеризации триглицеридов, транспорта и включения в липопротеины кишечника или печени.

  • 19

    Park, J.-W. и другие.Удаление сфинголипидов с очень длинной ацильной цепью вызывает у мышей резистентность к инсулину печени из-за изменения мембран, устойчивых к детергентам. Гепатология 57 , 525–532 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 20

    Pinot, M. et al. Биология липидных клеток. Полиненасыщенные фосфолипиды способствуют деформации и делению мембран эндоцитарными белками. Наука 345 , 693–697 (2014). Это исследование показывает важность полиненасыщенных фосфолипидов в деформации мембран во время эндоцитоза посредством сочетания моделирования клеточной биологии, биофизики и молекулярной динамики, что является ярким примером междисциплинарных подходов, необходимых для детального понимания функций липидов.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 21

    Caires, R. et al. Жирные кислоты омега-3 модулируют функцию TRPV4 посредством ремоделирования плазматической мембраны. Cell Rep. 21 , 246–258 (2017). Используя генетически модифицированный C. elegans в качестве хозяина для экспрессии канала TRPV4 человека, авторы элегантно демонстрируют важность мембранного состава для функции этого канала, что также проливает свет на важность кислородного модифицированные жирные кислоты в мембране.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 22

    Васкес, В., Krieg, M., Lockhead, D. & Goodman, M. B. Фосфолипиды, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты, улучшают механику нервных клеток и чувствительность к прикосновению. Cell Rep. 6 , 70–80 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 23

    Atilla-Gokcumen, G.E. et al. Делящиеся клетки регулируют свой липидный состав и локализацию. Cell 156 , 428–439 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 24

    Кёберлин, Мариэль, С.и другие. Консервативная кольцевая сеть корегулируемых липидов модулирует врожденные иммунные ответы. Cell 162 , 170–183 (2015).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 25

    Berchtold, D. et al. Стресс плазматической мембраны вызывает перемещение белков Slm и активацию TORC2, что способствует синтезу сфинголипидов. Nat. Cell Biol. 14 , 542–547 (2012). Эта статья дает представление о том, как TORC2 определяет уровни сфинголипидов через их влияние на свойства мембран, а затем использует эту информацию для регулирования метаболизма сфинголипидов через каскад протеинкиназ.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 26

    Roelants, F. M., Breslow, D. K., Muir, A., Weissman, J. S. & Thorner, J. Протеинкиназа Ypk1 фосфорилирует регуляторные белки Orm1 и Orm2 для контроля гомеостаза сфинголипидов в Saccharomyces cerevisiae . Proc. Natl Acad. Sci. США 108 , 19222–19227 (2011).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 27

    Чиаппарино, А., Маеда, К., Турей, Д., Саез-Родригес, Дж. И Гэвин, А. С. Оркестр белков-переносчиков липидов на перекрестке между метаболизмом и передачей сигналов. Прог. Lipid Res. 61 , 30–39 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 28

    Чжан Х. и Ху Дж. Формирование эндоплазматического ретикулума в социальной сети. Trends Cell Biol. 26 , 934–943 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 29

    Ханнун, Ю.А. и Обейд, Л. М. Принципы передачи сигналов биоактивными липидами: уроки сфинголипидов. Nat. Rev. Mol. Клетка. Биол. 9 , 139–150 (2008).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 30

    Барнеда Д. и Кристиан М. Рост липидных капель: регуляция динамических органелл. Curr. Opin. Cell Biol. 47 , 9–15 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 31

    Тиам, А.Р., Фарезе, Р. В. Младший, и Вальтер, Т. С. Биофизика и клеточная биология липидных капель. Nat. Rev. Mol. Клетка. Биол. 14 , 775–786 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 32

    Хикс, А.М., ДеЛонг, К.Дж., Томас, М.Дж., Самуэль, М. и Куи, З. Уникальные молекулярные сигнатуры видов глицерофосфолипидов в различных тканях крыс проанализированы с помощью тандемной масс-спектрометрии. Биохим.Биофиз. Acta 1761 , 1022–1029 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 33

    Де Краен, Ж.-О., Бертацци, Д., Бэр, С. и Фриант, С. Фосфоинозитиды, основные участники мембранного переноса и липидных сигнальных путей. Внутр. J. Mol. Sci. 18 , 634 (2017).

    PubMed Central Google Scholar

  • 34

    Руссо, Д., Парашураман, С. и Д’Анджело, Г. Взаимодействие гликосфинголипид-белок при передаче сигнала. Внутр. J. Mol. Sci. 17 , E1732 (2016).

    PubMed Google Scholar

  • 35

    Griffiths, W. J. et al. Холестероломика: новости. Анал. Biochem. 524 , 56–67 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 36

    Парк, Дж.W., Park, W. J. & Futerman, A.H. Церамидсинтазы как потенциальные мишени для терапевтического вмешательства при заболеваниях человека. Биохим. Биофиз. Acta 1841 , 671–681 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 37

    Сасса Т. и Кихара А. Метаболизм жирных кислот с очень длинной цепью: гены и патофизиология. Biomol. Ther. (Сеул) 22 , 83–92 (2014).

    CAS Google Scholar

  • 38

    Кихара, А.Пути синтеза и разложения, функции и патология церамидов и эпидермальных ацилцерамидов. Прог. Lipid Res. 63 , 50–69 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 39

    Гаспар, Дж. Дж. И Макмастер, К. Р. Метаболизм кардиолипина и его причинная роль в этиологии наследственной кардиомиопатии синдрома Барта. Chem. Phys. Липиды 193 , 1–10 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 40

    Шевалье, Дж.и другие. Лизобисфосфатидная кислота контролирует уровень холестерина в эндосомах. J. Biol. Chem. 283 , 27871–27880 (2008).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 41

    Биссиг, К. и Грюнберг, Дж. Сортировка липидов и мультивезикулярный биогенез эндосом. Колд Спринг Харб. Перспектива. Биол. 5 , a016816 (2013).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 42

    Гассама-Диань, А.и другие. Фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат регулирует образование базолатеральной плазматической мембраны в эпителиальных клетках. Nat. Cell Biol. 8 , 963–970 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 43

    Raghupathy, R. et al. Межслойные липидные взаимодействия опосредуют нанокластеризацию липид-заякоренных белков. Cell 161 , 581–594 (2015). Авторы описывают новый механизм образования нанодоменов за счет кластеризации PtdSer и межслойных пересечений, который не только важен для понимания латеральных неоднородностей плазматической мембраны, но также интересен с точки зрения биологии липидов из-за небольшого различия в ацил- Длина цепи сильно влияет на результат образования нанодоменов.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 44

    Сузуки, Дж., Умеда, М., Симс, П. Дж. И Нагата, С. Кальций-зависимое скремблирование фосфолипидов с помощью TMEM16F. Природа 468 , 834–838 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 45

    Сузуки, Дж., Деннинг, Д. П., Иманиши, Э., Хорвиц, Х. Р. и Нагата, С.Родственный Xk белок 8 и CED-8 способствуют экспозиции фосфатидилсерина в апоптотических клетках. Наука 341 , 403–406 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 46

    Carbon, S. et al. AmiGO: онлайн-доступ к онтологическим и аннотационным данным. Биоинформатика 25 , 288–289 (2009).

    CAS Google Scholar

  • 47

    Тидхар, Р.& Футерман, А. Х. Сложность биосинтеза сфинголипидов в эндоплазматическом ретикулуме. Биохим. Биофиз. Acta 1833 , 2511–2518 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 48

    Wegner, M. S., Schiffmann, S., Parnham, M. J., Geisslinger, G. & Grosch, S. Загадка регуляции церамидсинтазы в клетках млекопитающих. Прог. Lipid Res. 63 , 93–119 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 49

    Консорциум проектов кодирования.Интегрированная энциклопедия элементов ДНК в геноме человека. Природа 489 , 57–74 (2012).

  • 50

    Ichi, I. et al. Идентификация генов и путей, участвующих в синтезе медовой кислоты (20: 3n-9), индикатора дефицита незаменимых жирных кислот. Биохим. Биофиз. Acta 1841 , 204–213 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 51

    Imae, R. et al.LYCAT, гомолог C. elegans acl-8, acl-9 и acl-10, определяет жирнокислотный состав фосфатидилинозитола у мышей. J. Lipid Res. 53 , 335–347 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 52

    Lee, H.C. et al. LPIAT1 регулирует содержание арахидоновой кислоты в фосфатидилинозите и необходим для кортикального ламинирования у мышей. Мол. Биол. Ячейка 23 , 4689–4700 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 53

    Вэнс, Дж. Э. МАМ (мембраны, связанные с митохондриями) в клетках млекопитающих: липиды и не только. Биохим. Биофиз. Acta 1841 , 595–609 (2014).

    CAS Google Scholar

  • 54

    Kim, Y.J., Guzman-Hernandez, Maria, L. & Balla, T.A. Высокодинамичная ER-производная фосфатидилинозит-синтезирующая органелла поставляет фосфоинозиты на клеточные мембраны. Dev. Ячейка 21 , 813–824 (2011). Авт. Идентифицируют новый субдомен (описанный как органелла в этой статье) ER для локального синтеза PtdIns, который необходим для их доставки к др. Мембранам, показывая важность компартментализации в метаболизме липидов.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 55

    Bone, L. N. et al. Ацилтрансфераза LYCAT контролирует специфические фосфоинозитиды и связанный с ними мембранный трафик. Мол. Биол. Cell 28 , 161–172 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 56

    Nishimura, T. et al. Формирование аутофагосом инициируется в субдоменах ER, обогащенных фосфатидилинозитолсинтазой. EMBO J. 36 , 1719–1735 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 57

    Английский, А.R. & Voeltz, G.K. Rab10 GTPase регулирует динамику и морфологию ER. Nat. Cell Biol. 15 , 169–178 (2012).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 58

    Эпанд, Р. М. Особенности цикла фосфатидилинозитола и его роль в передаче сигнала. J. Membr. Биол. 250 , 353–366 (2016).

    PubMed Google Scholar

  • 59

    Шульга, Ю.В., Топхам М. К. и Эпанд Р. М. Изучение арахидоноильной специфичности двух ферментов цикла PI. J. Mol. Биол. 409 , 101–112 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 60

    Надлер А. и др. Состав жирных кислот диацилглицеринов определяет паттерны локальной передачи сигналов. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 52 , 6330–6334 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 61

    Уоткинс, С.M., Zhu, X. & Zeisel, S.H. Активность фосфатидилэтаноламин- N -метилтрансферазы и диетический холин регулируют поток липидов в плазме печени и метаболизм незаменимых жирных кислот у мышей. J. Nutr. 133 , 3386–3391 (2003).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 62

    da Costa, K. A. et al. Пищевые добавки с докозагексаеновой кислотой модулируют развитие гиппокампа у мышей Pemt — / — . J. Biol. Chem. 285 , 1008–1015 (2009).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 63

    Hishikawa, D., Valentine, W. J., Iizuka-Hishikawa, Y., Shindou, H., Shimizu, T. Метаболизм и функции содержащих докозагексаеновую кислоту мембранных глицерофосфолипидов. FEBS Lett. 591 , 2730–2744 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 64

    Нгуен, Л.N. et al. Mfsd2a является переносчиком докозагексаеновой кислоты, незаменимой жирной кислоты омега-3. Природа 509 , 503–506 (2014).

    CAS Google Scholar

  • 65

    Mullen, T. D. et al. Селективный нокдаун церамидсинтаз выявляет сложную взаимную регуляцию метаболизма сфинголипидов. J. Lipid Res. 52 , 68–77 (2010).

    PubMed Google Scholar

  • 66

    Накахара, К.и другие. Ген синдрома Шегрена-Ларссона кодирует гексадеценальную дегидрогеназу пути деградации сфингозин-1-фосфата. Мол. Ячейка 46 , 461–471 (2012).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 67

    Braverman, N.E. et al. Нарушения биогенеза пероксисом в спектре Зеллвегера: обзор современного диагноза, клинических проявлений и рекомендаций по лечению. Мол. Genet. Метаб. 117 , 313–321 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 68

    Malheiro, A. R., da Silva, T. F. & Brites, P. Плазмалогены и жирные спирты при точечной ризомелической хондродисплазии и синдроме Шегрена-Ларссона. J. Inherit. Метаб. Дис. 38 , 111–121 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 69

    Гейбл, К. и др. Болезненная мутация в активном центре серинпальмитоилтрансферазы вызывает каталитическую распущенность. J. Biol. Chem. 285 , 22846–22852 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 70

    Дуан, Дж. И Меррилл, А. Х. 1-дезоксисфинголипиды, обнаруженные экзогенно и madede novo: опасные загадки внутри загадки. J. Biol. Chem. 290 , 15380–15389 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 71

    Гури, Ю.и другие. mTORC2 способствует онкогенезу за счет синтеза липидов. Cancer Cell 32 , 807–823.12 (2017). Это продольное транскриптомное, протеомное, фосфопротеомное и липидомное исследование на мышиной модели показывает, что управляемый mTORC2 туморогенез при гепатоцеллюлярной карциноме требует повышенного de novo синтеза липидов, в частности образцов кардиолипина и глюкозилцерамида, а также поддержки биопсии человека. актуальность этой модели для рака печени человека.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 72

    Wigger, L. et al. Дигидроцерамиды плазмы являются кандидатами в биомаркеры предрасположенности к диабету у мышей и людей. Cell Rep. 18 , 2269–2279 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 73

    Schaefer, E.J. et al. Содержание фосфатидилхолина докозагексаеновой кислоты в плазме и риск деменции и болезни Альцгеймера. Arch. Neurol. 63 , 1545 (2006).

    PubMed Google Scholar

  • 74

    Perrotti, F. et al. Достижения в липидомике для открытия биомаркеров рака. Внутр. J. Mol. Sci. 17 , 1992 (2016).

    PubMed Central Google Scholar

  • 75

    Bridges, J. P. et al. LPCAT1 регулирует синтез поверхностно-активных фосфолипидов и необходим для перехода мышей к дыханию воздухом. J. Clin. Вкладывать деньги. 120 , 1736–1748 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 76

    Hirabayashi, T. et al. PNPLA1 играет решающую роль в функции кожного барьера, направляя биосинтез ацилцерамида. Nat. Commun. 8 , 14609 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 77

    Оно, Ю., Kamiyama, N., Nakamichi, S. & Kihara, A. PNPLA1 представляет собой трансацилазу, необходимую для образования липидного ω-O-ацилцерамида кожного барьера. Nat. Commun. 8 , 14610 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 78

    Grond, S. et al. Дефицит PNPLA1 у мышей и людей приводит к нарушению синтеза омега- O -ацилцерамидов. J. Invest. Дерматол. 137 , 394–402 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 79

    Grall, A. et al. Мутации PNPLA1 вызывают аутосомно-рецессивный врожденный ихтиоз у золотистых ретриверов и людей. Nat. Genet. 44 , 140–147 (2012).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 80

    Johansen, A. et al. Мутации в MBOAT7, кодирующей лизофосфатидилинозитол-ацилтрансферазу I, приводят к умственной отсталости, сопровождающейся эпилепсией и аутизмом. г. J. Hum. Genet. 99 , 912–916 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 81

    Эрнст, Р., Эйсинг, С. С. и Антонни, Б. Гомеовязкая адаптация и регуляция мембранных липидов. J. Mol. Биол. 428 , 4776–4791 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 82

    Зик, М., Stroupe, C., Orr, A., Douville, D. & Wickner, W. T. Мембраны, связанные с помощью комплексов trans -SNARE, требуют липидов, склонных к недислойной структуре для перехода к слиянию. eLife 3 , e01879 (2014).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 83

    Ири, А., Ямамото, К., Мики, Ю. и Мураками, М. Динамика фосфатидилэтаноламина необходима для слияния остеокластов. Sci. Rep. 7 , 46715 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 84

    Pagliuso, A. et al. Деление мембраны Гольджи требует индуцированной CtBP1-S / BARS активации ацилтрансферазы лизофосфатидовой кислоты δ. Nat. Commun. 7 , 12148 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 85

    Розетти, К.М., Манджиаротти, А. и Вилке, Н. Размеры липидных доменов: что мы знаем об искусственных липидных мембранах? Каковы возможные общие черты мембранных рафтов в клетках? Биохим. Биофиз. Acta 1859 , 789–802 (2017).

    CAS Google Scholar

  • 86

    Stone, M. B., Shelby, S. A., Núñez, M. F., Wisser, K. & Veatch, S. L. Сортировка белков липидными фазоподобными доменами поддерживает возникающую сигнальную функцию в плазматических мембранах B-лимфоцитов. eLife 6 , e19891 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 87

    Guan, X. L. et al. Функциональные взаимодействия сфинголипидов и стеринов в биологических мембранах, регулирующие физиологию клеток. Мол. Биол. Ячейка 20 , 2083–2095 (2009 г.). Систематический липидомный анализ мутантов показывает, что дрожжи адаптируют свой сфинголипидом, когда накапливаются стерины с аберрантной структурой, а генетические данные демонстрируют важность функциональных взаимодействий между сфинголипидом и стеринами, показывая важность объективных систематических подходов для ответа на самые основные вопросы биологии липидов.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 88

    Maekawa, M. & Fairn, G.D. Дополнительные зонды показывают, что фосфатидилсерин необходим для правильного межслойного распределения холестерина. J. Cell Sci. 128 , 1422–1433 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 89

    Барелли, Х. и Антонни, Б.Ненасыщенность липидов и динамика органелл. Curr. Opin. Cell Biol. 41 , 25–32 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 90

    Rawicz, W., Olbrich, K. C., McIntosh, T., Needham, D. & Evans, E. Влияние длины цепи и ненасыщенности на эластичность липидных бислоев. Biophys. J. 79 , 328–339 (2000).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 91

    Иидзука-Хисикава, Ю.и другие. Ацилтрансфераза 3 лизофосфатидовой кислоты регулирует статус мембраны половых клеток путем включения докозагексаеновой кислоты во время сперматогенеза. J. Biol. Chem. 292 , 12065–12076 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 92

    Shindou, H. et al. Докозагексаеновая кислота сохраняет зрительную функцию, поддерживая правильную морфологию диска в фоторецепторных клетках сетчатки. Дж.Биол. Chem. 292 , 12054–12064 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 93

    Rong, X. et al. Lpcat3-зависимая продукция арахидоноилфосфолипидов является ключевым фактором секреции триглицеридов. eLife 4 , e06557 (2015).

    PubMed Central Google Scholar

  • 94

    Стоквелл, Б. Р.и другие. Ферроптоз: регулируемое звено клеточной смерти, связывающее метаболизм, окислительно-восстановительную биологию и болезнь. Cell 171 , 273–285 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 95

    Диксон, С. Дж. И др. Генетика гаплоидных клеток человека выявляет роль генов липидного метаболизма в неапоптотической гибели клеток. ACS Chem. Биол. 10 , 1604–1609 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 96

    О’Доннелл, В.Б. и Мерфи Р. С. Направление этерификации эйкозаноидов в фосфолипиды. J. Lipid Res. 58 , 837–839 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 97

    Исааксон, Ю., Шербурн, К. Д., Гросс, Р. В. и Стенсон, В. Ф. Синтез и молекулярная динамика фосфолипидов, содержащих гидроксилированные жирные кислоты в положении sn-2. Chem. Phys. Липиды 52 , 217–226 (1990).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 98

    Леммон, М.А. Распознавание мембраны фосфолипид-связывающими доменами. Nat. Rev. Mol. Клетка. Биол. 9 , 99–111 (2008).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 99

    Lee, S. et al. Нарушение ретроградного мембранного движения через эндосомы в мутантных клетках СНО, дефектных по синтезу фосфатидилсерина. Genes Cells 17 , 728–736 (2012).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 100

    Вонькова И. и др. Кооперативность липидов как общий принцип привлечения мембраны для доменов PH. Cell Rep. 12 , 1519–1530 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 101

    Краудер, М. К., Сикрист, К. Д. и Блинд, Р.D. Фосфолипидная регуляция надсемейства ядерных рецепторов. Adv. Биол. Regul. 63 , 6–14 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 102

    Чакраварти, М. В. и др. Идентификация физиологически релевантного эндогенного лиганда PPARalpha в печени. Cell 138 , 476–488 (2009).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 103

    Ли, Дж.M. et al. Фосфатидилхолиновый путь, зависимый от ядерных рецепторов, с антидиабетическим действием. Природа 474 , 506–510 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 104

    Мозер фон Фильзек, Дж. И Дрин, Дж. Взлет на холм: как создать клеточные липидные градиенты за счет встречных потоков липидов. Biochimie 130 , 115–121 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 105

    Moser von Filseck, J.и другие. Транспорт фосфатидилсерина белками ORP / Osh управляется фосфатидилинозитол-4-фосфатом. Наука 349 , 432–436 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 106

    Антоний Б. Механизмы определения кривизны мембраны. Annu. Rev. Biochem. 80 , 101–123 (2011).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 107

    Даумке, О., Roux, A. & Haucke, V. Каркасы BAR-домена в опосредованном динамином делении мембраны. Cell 156 , 882–892 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 108

    Hirama, T. et al. Искривление мембраны, вызванное близостью анионных фосфолипидов, может инициировать эндоцитоз. Nat. Commun. 8 , 1393 (2017).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 109

    Магделейн, М.и другие. Фильтр на входе в аппарат Гольджи, который отбирает везикулы по размеру и липидному составу. eLife 5 , e16988 (2016). Это исследование показывает, что отбор пузырьков, которые входят в Гольджи, осуществляется путем определения липидного состава через дефекты упаковки, показывая важность разнообразия липидного состава в различных органеллах.

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 110

    Ли, А.G. Биологические мембраны: важность молекулярных деталей. Trends Biochem. Sci. 36 , 493–500 (2011).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 111

    Hedger, G. & Sansom, M. S. P. Сайты взаимодействия липидов на каналах, переносчиках и рецепторах: последние выводы из моделирования молекулярной динамики. Биохим. Биофиз. Acta 1858 , 2390–2400 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 112

    Контрерас, Ф.X., Эрнст, А. М., Виланд, Ф. и Брюггер, Б. Специфичность внутримембранных белок-липидных взаимодействий. Колд Спринг Харб. Перспектива. Биол. 3 , a004705 (2011).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 113

    Андерсон, Р. Г. У. А. Роль липидных оболочек в нацеливании белков на кавеолы, рафты и другие липидные домены. Наука 296 , 1821–1825 (2002).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 114

    Ким Т.& Im, W. Пересмотр гидрофобного несоответствия с исследованиями моделирования свободной энергии наклона и вращения трансмембранной спирали. Biophys. J. 99 , 175–183 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 115

    Милованович Д. и др. Гидрофобное несоответствие разделяет белки SNARE на отдельные мембранные домены. Nat. Commun. 6 , 5984 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 116

    Шарп, Х.Дж., Стивенс, Т. Дж. И Манро, С. А. Всестороннее сравнение трансмембранных доменов выявляет специфические для органелл свойства. Cell 142 , 158–169 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 117

    Norimatsu, Y., Hasegawa, K., Shimizu, N. & Toyoshima, C. Выявлено взаимодействие белков и фосфолипидов с кристаллами кальциевого насоса. Природа 545 , 193–198 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 118

    Gupta, K. et al. Роль межфазных липидов в стабилизации олигомеров мембранных белков. Природа 541 , 421–424 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 119

    Laganowsky, A. et al. Мембранные белки избирательно связывают липиды, чтобы модулировать их структуру и функцию. Природа 510 , 172–175 (2014). Авторы анализируют поведение очищенных мембранных белков в газовой фазе масс-спектрометра ионной подвижности (нативная масс-спектрометрия), показывая важность специфических липид-белковых взаимодействий для регулирования структуры белка.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 120

    Haberkant, P. et al. In vivo профилирование и визуализация клеточных белково-липидных взаимодействий с использованием бифункциональных жирных кислот. Angew. Chem. 52 , 4033–4038 (2013).

    CAS Google Scholar

  • 121

    Niphakis, Micah, J. et al. Глобальная карта липид-связывающих белков и их лигандам в клетках. Cell 161 , 1668–1680 (2015). Эта статья демонстрирует возможности химической биологии для идентификации новых липид-связывающих белков в протеомном масштабе, что приводит к идентификации новых липидных функций.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 122

    Hulce, J. J., Cognetta, A. B., Niphakis, M. J., Tully, S. E. и Cravatt, B.F. Картирование белков, взаимодействующих с холестерином, в клетках млекопитающих по всему белку. Nat. Методы 10 , 259–264 (2013).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 123

    Габеркант, П.и другие. Бифункциональный сфингозин для клеточного анализа белок-сфинголипидных взаимодействий. ACS Chem. Биол. 11 , 222–230 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 124

    Авирам Р. и др. Липидомический анализ выявляет временную и пространственную организацию липидов и раскрывает суточные колебания внутриклеточных органелл. Мол. Ячейка 62 , 636–648 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 125

    Loizides-Mangold, U.и другие. Lipidomics выявляет суточные колебания липидов в скелетных мышцах человека, сохраняющиеся в клеточных мышечных трубках, культивируемых in vitro . Proc. Natl Acad. Sci. США 114 , E8565 – E8574 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 126

    Horton, J. D., Goldstein, J. L. & Brown, M. S. SREBPs: активаторы полной программы синтеза холестерина и жирных кислот в печени. J. Clin.Вкладывать деньги. 109 , 1125–1131 (2002).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 127

    Янг, Х. и др. Структурный механизм регуляции эргостерола грибковым стероловым транскрипционным фактором Upc2. Nat. Commun. 6 , 6129 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 128

    Sousa, S. B. et al. Мутации с усилением функции в гене фосфатидилсерин-синтазы 1 (PTDSS1) вызывают синдром Ленца-Маевского. Nat. Genet. 46 , 70–76 (2013).

    PubMed Google Scholar

  • 129

    Генри С. А., Кольвейн С. Д. и Карман Г. М. Метаболизм и регуляция глицеролипидов в дрожжах Saccharomyces cerevisiae . Генетика 190 , 317–349 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 130

    Корнелл, Р.Б. и Нортвуд, И. С. Регулирование CTP: фосфохолинцитидилилтрансфераза путем амфитропизма и релокализации. Trends Biochem. Sci. 25 , 441–447 (2000).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 131

    Covino, R. et al. Эукариотический датчик липидного насыщения мембраны. Мол. Ячейка 63 , 49–59 (2016). Функция дрожжевого Mga2 в качестве датчика насыщения мембранными липидами объясняется в молекулярных деталях, что является наглядным примером того, как состав мембраны может влиять на функцию трансмембранного белка.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 132

    Holzer, R.G. et al. Насыщенные жирные кислоты индуцируют кластеризацию c-Src в субдоменах мембраны, что приводит к активации JNK. Cell 147 , 173–184 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 133

    Ariyama, H., Kono, N., Matsuda, S., Inoue, T. & Arai, H. Снижение ненасыщенности мембранных фосфолипидов вызывает ответ развернутого белка. J. Biol. Chem. 285 , 22027–22035 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 134

    Volmer, R., van der Ploeg, K. & Ron, D. Насыщение мембранными липидами активирует преобразователи ответа развернутого белка эндоплазматического ретикулума через их трансмембранные домены. Proc. Natl Acad. Sci. США 110 , 4628–4633 (2013).

    CAS Google Scholar

  • 135

    Коно, Н., Amin-Wetzel, N., Ron, D. & Gilmore, R. Общие свойства, связанные с охватом мембран, придают IRE1α чувствительность к мембранным аберрантам. Мол. Биол. Ячейка 28 , 2318–2332 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 136

    Akagi, S. et al. Лизофосфатидилхолинацилтрансфераза 1 защищает от цитотоксичности, вызванной полиненасыщенными жирными кислотами. FASEB J. 30 , 2027–2039 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 137

    Breslow, D. K. et al. Белки семейства Орм опосредуют гомеостаз сфинголипидов. Природа 463 , 1048–1053 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 138

    Siow, D. L. & Wattenberg, B. W. Белки ORMDL млекопитающих опосредуют ответную реакцию при биосинтезе церамидов. J. Biol. Chem. 287 , 40198–40204 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 139

    Kiefer, K. et al. Скоординированная регуляция экспрессии семейства генов, подобных оросомукоиду, контролирует синтез de novo церамидов в клетках млекопитающих. J. Biol. Chem. 290 , 2822–2830 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 140

    Siow, D., Сункара, М., Данн, Т. М., Моррис, А. Дж. И Ваттенберг, Б. Стехиометрия ORMDL / серинпальмитоилтрансфераза определяет влияние экспрессии ORMDL3 на биосинтез сфинголипидов. J. Lipid Res. 56 , 898–908 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 141

    Жакупова А. и др. Уровни экспрессии ORMDL3 не влияют на активность серинпальмитоилтрансферазы. FASEB J. 30 , 4289–4300 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 142

    Capasso, S. et al. Метаболический поток сфинголипидов контролирует оборот фосфоинозитидов в сети транс-Гольджи. EMBO J. 36 , 1736–1754 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 143

    Senkal, C.E. et al. Церамид метаболизируется до ацилцерамида и хранится в липидных каплях. Cell Metab. 25 , 686–697 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 144

    Hofbauer, Harald, F. et al. Регулирование экспрессии генов с помощью репрессора транскрипции, который определяет длину ацильной цепи в мембранных фосфолипидах. Dev. Ячейка 29 , 729–739 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 145

    Янг, Б.P. et al. Фосфатидная кислота — это биосенсор pH, который связывает биогенез мембраны с метаболизмом. Наука 329 , 1085–1088 (2010). В этом исследовании предлагается новая концепция PtdA как датчика pH, показывающая, как клетки используют эту информацию для определения метаболического статуса (изменения клеточного pH в зависимости от метаболического статуса) клетки, а затем регулируют транскрипцию генов синтеза фосфолипидов.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 146

    Чжан, К.и другие. Сигналы глицеролипидов изменяют комплекс mTOR 2 (mTORC2), уменьшая передачу сигналов инсулина. Proc. Natl Acad. Sci. США 109 , 1667–1672 (2012).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 147

    Menon, D. et al. Зондирование липидов комплексами mTOR посредством новосинтеза фосфатидной кислоты. J. Biol. Chem. 292 , 6303–6311 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 148

    Юн, М.-S. и другие. Быстрая митогенная регуляция ингибитора mTORC1, DEPTOR, фосфатидной кислотой. Мол. Ячейка 58 , 549–556 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 149

    Ohba, Y. et al. GPAT митохондриального типа необходим для слияния митохондрий. EMBO J. 32 , 1265–1279 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 150

    Höglinger, D.и другие. Внутриклеточный сфингозин высвобождает кальций из лизосом. eLife 4 , e10616 (2015).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 151

    Savoglidis, G. et al. Метод анализа и дизайна метаболизма с использованием данных метаболомики и кинетических моделей: применение в липидомике с использованием новой кинетической модели метаболизма сфинголипидов. Metab. Англ. 37 , 46–62 (2016).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 152

    Франк, Дж.A. et al. Фотопереключаемые диацилглицерины обеспечивают оптический контроль протеинкиназы C. Nat. Chem. Биол. 12 , 755–762 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 153

    Doll, S. et al. ACSL4 определяет чувствительность к ферроптозу, формируя липидный состав клеток. Nat. Chem. Биол. 13 , 91–98 (2016).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 154

    Гульбинс, Э.и другие. Кислая сфингомиелиназа-церамидная система опосредует действие антидепрессантов. Nat. Med. 19 , 934–938 (2013). Авторы идентифицируют кислую сфингомиелиназу как мишень для антидепрессантов и используют различные подходы для модуляции уровней церамидов, чтобы показать их важность при большой депрессии, что является хорошим примером продукции липидов в качестве терапевтической мишени.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 155

    Дин, Дж.и другие. Пероксисомальный фермент L-PBE необходим для предотвращения диетической токсичности жирных кислот со средней длиной цепи. Cell Rep. 5 , 248–258 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 156

    Андреоне, Б. Дж. И др. Проницаемость гематоэнцефалического барьера регулируется зависимым от транспорта липидов подавлением трансцитоза, опосредованного кавеолами. Neuron 94 , 581–594 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 157

    Гийу, Х., Задравец, Д., Мартин, П. Г. и Якобссон, А. Ключевые роли элонгаз и десатураз в метаболизме жирных кислот у млекопитающих: данные трансгенных мышей. Прог. Lipid Res. 49 , 186–199 (2010).

    CAS PubMed Google Scholar

  • Мембранные липиды: где они находятся и как ведут себя

  • 1

    Sud, M. et al. LMSD: база данных структуры LIPID MAPS. Nucleic Acids Res. 35 , D527 – D532 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 2

    Фейгенсон, Г. У. Фазовое поведение липидных смесей. Nature Chem. Биол. 2 , 560–563 (2006).

    CAS Google Scholar

  • 3

    Фейгенсон, Г. У. Фазовые границы и биологические мембраны. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36 , 63–77 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 4

    Марш, М.& Хелениус, А. Вход вируса: открытый кунжут. Cell 124 , 729–740 (2006). Исследования клеточной биологии, визуализация живых клеток и системная биология показывают, что многие из множественных и тонко различных путей, которые вирусы животных используют для проникновения в клетки-хозяева, требуют определенных липидов.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 5

    ван Меер, Г. Клеточная липидомика. EMBO J. 24 , 3159–3165 (2005).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 6

    Марш, Д. Профиль бокового давления, нарушение спонтанной кривизны, а также включение и конформация белков в мембранах. Biophys. J. 93 , 3884–3899 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 7

    Dowhan, W. & Bogdanov, M. in Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and Membranes Vol.36 (ред. Вэнс, Д. Э. и Вэнс, Дж. Э.) 1–35 (Elsevier, Амстердам, 2002).

    Google Scholar

  • 8

    van Meer, G. & Lisman, Q. Транспорт сфинголипидов: плоты и транслокаторы. J. Biol. Chem. 277 , 25855–25858 (2002).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 9

    Хуанг Дж. И Фейгенсон Г. В. Микроскопическая модель взаимодействия максимальной растворимости холестерина в липидных бислоях. Biophys. J. 76 , 2142–2157 (1999). Взаимодействие холестерина с мембранными липидами приводит к резким скачкам химического потенциала холестерина из-за гидрофобного взаимодействия, которое заставляет головные группы фосфолипидов защищать холестерин от воды, как описано здесь с помощью зонтичной модели.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 10

    Али, М. Р., Ченг, К. Х. и Хуанг, Дж.Керамид переводит холестерин из фазы упорядоченного бислоя липидов в кристаллическую фазу в трехкомпонентных смесях 1-пальмитоил-2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфохолин / холестерин / церамид. Биохимия 45 , 12629–12638 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 11

    Мейер цу Херингдорф, Д. и Якобс, К. Х. Лизофосфолипидные рецепторы: передача сигналов, фармакология и регуляция метаболизмом лизофосфолипидов. Биохим. Биофиз. Acta 1768 , 923–940 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 12

    Фернандис, А.З. и Венк, М.Р. Мембранные липиды как сигнальные молекулы. Curr. Opin. Липидол. 18 , 121–128 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 13

    Колесник Р. и Ханнун Ю. А. Церамид и апоптоз. Trends Biochem. Sci. 24 , 224–225 (1999).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 14

    Теппер А.Д. и др. Гидролиз сфингомиелина до церамида во время фазы выполнения апоптоза является результатом скремблирования фосфолипидов и изменяет морфологию клеточной поверхности. J. Cell Biol. 150 , 155–164 (2000).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 15

    Megha, Sawatzki, P., Колтер, Т., Биттман, Р. и Лондон, Э. Влияние ацильной цепи N церамида и структуры полярной головной группы на свойства упорядоченных липидных доменов (липидных рафтов). Биохим. Биофиз. Acta 1768 , 2205–2212 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 16

    Белл Р. М., Баллас Л. М. и Колман Р. А. Топогенез липидов. J. Lipid Res. 22 , 391–403 (1981).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 17

    Sprong, H. et al. UDP-галактоза: церамид-галактозилтрансфераза представляет собой интегральный мембранный белок класса I эндоплазматического ретикулума. J. Biol. Chem. 273 , 25880–25888 (1998).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 18

    Русинол, А. Э., Цуй, З., Чен, М. Х. и Вэнс, Дж. Э. Уникальная фракция мембран, ассоциированная с митохондриями, из печени крысы обладает высокой способностью к синтезу липидов и содержит секреторные белки пре-Гольджи, включая возникающие липопротеины. J. Biol. Chem. 269 , 27494–27502 (1994). Предоставляет доказательства стабильных физических ассоциаций между ER и митохондриями, а также определяет биохимические свойства этого компартмента, которые отличаются от отдельных органелл.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 19

    Pichler, H. et al. Субфракция эндоплазматического ретикулума дрожжей ассоциируется с плазматической мембраной и обладает высокой способностью синтезировать липиды. евро. J. Biochem. 268 , 2351–2361 (2001).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 20

    Футерман, А. Х. и Ризман, Х. Все аспекты синтеза сфинголипидов. Trends Cell Biol. 15 , 312–318 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 21

    Хеннебери, А. Л., Райт, М. М. и Макмастер, К. Р.Основные сайты клеточного синтеза фосфолипидов и молекулярные детерминанты жирных кислот и специфичности головной группы липидов. Мол. Биол. Ячейка 13 , 3148–3161 (2002).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 22

    Фолькер Д. Р. Устранение разрывов в транспорте фосфолипидов. Trends Biochem. Sci. 30 , 396–404 (2005). Обобщает биохимические и генетические элементы невезикулярного транспорта фосфолипидов с акцентом на процессы транспорта PtdSer в дрожжах.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 23

    Ди Паоло, Дж. И Де Камилли, П. Фосфоинозитиды в регуляции клеток и мембранной динамике. Природа 443 , 651–657 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 24

    Geta Tafesse, F. et al. Обе сфингомиелинсинтазы SMS1 и SMS2 необходимы для гомеостаза сфингомиелина и роста клеток HeLa человека. J. Biol. Chem. 282 , 17537–17547 (2007).

    Google Scholar

  • 25

    Li, Z. et al. Ингибирование сфингомиелинсинтазы (SMS) влияет на накопление внутриклеточного сфингомиелина и липидную организацию плазматической мембраны. Биохим. Биофиз. Acta 1771 , 1186–1194 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 26

    Кобаяши, Т.и другие. Разделение и характеристика поздних эндосомальных мембранных доменов. J. Biol. Chem. 277 , 32157–32164 (2002).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 27

    Мацуо, Х. и др. Роль LBPA и Alix в формировании мультивезикулярных липосом и организации эндосом. Наука 303 , 531–534 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 28

    Колтер, Т.И Сандхофф, К. Принципы переваривания лизосомальной мембраны: стимуляция деградации сфинголипидов белками-активаторами сфинголипидов и анионными лизосомальными липидами. Annu. Rev. Cell Dev. Биол. 21 , 81–103 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 29

    Вэнс, Д. Э. и Вэнс, Дж. Э. Биохимия липидов, липопротеинов и мембран (Elsevier, Амстердам, 2002).

    Google Scholar

  • 30

    Нэгл, К.A. et al. Сверхэкспрессия в печени глицерин- sn -3-фосфатацилтрансферазы 1 у крыс вызывает инсулинорезистентность. J. Biol. Chem. 282 , 14807–14815 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 31

    Choi, J. Y., Wu, W. I. & Voelker, D. R. Фосфатидилсерин декарбоксилазы как генетические и биохимические инструменты для изучения движения фосфолипидов. Анал. Biochem. 347 , 165–175 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 32

    Даум Г. Липиды митохондрий. Биохим. Биофиз. Acta 822 , 1–42 (1985).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 33

    Штраус, Дж. Ф., Кишида, Т., Кристенсон, Л. К., Фудзимото, Т. и Хирои, белки домена START и внутриклеточный транспорт холестерина в стероидогенных клетках. Мол. Клетка. Эндокринол. 202 , 59–65 (2003).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 34

    Дево, П. Ф. и Моррис, Р. Трансмембранная асимметрия и латеральные домены в биологических мембранах. Трафик 5 , 241–246 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 35

    Далеке Д. Л. Флиппазы фосфолипидов. Дж.Биол. Chem. 282 , 821–825 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 36

    Поморски Т. и Менон А. К. Липидные флиппазы и их биологические функции. Ячейка. Мол. Life Sci. 63 , 2908–2921 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 37

    Энглин, Т. К., Лю, Дж. И Конбой, Дж. С. Легкий липидный триггер в фосфолипидном бислое, индуцированный грамицидином А, измеренный с помощью колебательной спектроскопии суммарной частоты. Biophys. J. 92 , L01 – L03 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 38

    Papadopulos, A. et al. Активность флиппазы обнаруживается в немеченых липидах по изменению формы гигантских однослойных везикул. J. Biol. Chem. 282 , 15559–15568 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 39

    López-Montero, I. et al.Быстрое трансбислойное движение церамидов в фосфолипидных везикулах и в эритроцитах человека. J. Biol. Chem. 280 , 25811–25819 (2005).

    PubMed Google Scholar

  • 40

    Ганонг Б. Р. и Белл Р. М. Трансмембранное перемещение аналогов фосфатидилглицерина и диацилглицерина сульфгидрила. Биохимия 23 , 4977–4983 (1984).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 41

    Бай, Дж.И Пагано Р.Э. Измерение спонтанного переноса и трансбислойного движения липидов, меченных BODIPY, в липидных везикулах. Биохимия 36 , 8840–8848 (1997).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 42

    Steck, T. L., Ye, J. & Lange, Y. Исследование движения холестерина в мембране эритроцитов с помощью циклодекстрина. Biophys. J. 83 , 2118–2125 (2002).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 43

    Каллис, П.R. et al. Влияние градиентов pH на трансбислойный транспорт лекарств, липидов, пептидов и ионов металлов в большие однослойные везикулы. Биохим. Биофиз. Acta 1331 , 187–211 (1997).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 44

    Кол, М. А., де Крун, А. И., Киллиан, Дж. А. и де Круийфф, Б. Трансбислойное движение фосфолипидов в биогенных мембранах. Биохимия 43 , 2673–2681 (2004). Обобщает данные и гипотезы, которые поддерживают общую систему неселективного трансбислойного движения липидов в ЭР эукариот и в цитоплазматических мембранах бактерий.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 45

    Helenius, J. et al. Для перемещения липид-связанных олигосахаридов через мембрану ER необходим белок Rft1. Nature 415 , 447–450 (2002).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 46

    Алаймо, К.и другие. Два различных, но взаимозаменяемых механизма переворачивания липид-связанных олигосахаридов. EMBO J. 25 , 967–976 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 47

    Graham, T.R. Флиппазы и перенос белков, опосредованный пузырьками. Trends Cell Biol. 14 , 670–677 (2004). Обобщает важные взаимосвязи между трафиком везикулярных белков и трансбислойным транспортом фосфолипидов АТФазами P-типа.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 48

    Pomorski, T. et al. Drs2p-связанные АТФазы P-типа Dnf1p и Dnf2p необходимы для транслокации фосфолипидов через плазматическую мембрану дрожжей и играют роль в эндоцитозе. Мол. Биол. Ячейка 14 , 1240–1254 (2003). Важная статья, определяющая участие АТФаз Р-типа плазматической мембраны у дрожжей в трансбислойном перемещении аминоглицерофосфолипидов и их взаимодействии с эндоцитарными процессами.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 49

    Рихоф, В. Р. и Фёлькер, Д. Р. Поглощение и использование лизофосфатидилэтаноламина Saccharomyces cerevisiae . J. Biol. Chem. 281 , 36588–36596 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 50

    Riekhof, W. R. et al. Метаболизм лизо-фосфатидилхолина в Saccharomyces cerevisiae .Роль АТФаз P-типа в транспорте и ацилтрансфераза широкой специфичности в ацилировании. J. Biol. Chem. 21 октября 2007 г. (DOI: 10.1074 / jbc.M706718200)

    CAS PubMed Google Scholar

  • 51

    Натараджан П., Ван, Дж., Хуа, З. и Грэм, Т. Р. Активность транслоказы аминофосфолипида, сопряженная с Drs2p, в дрожжевых мембранах Гольджи и связь с функцией in vivo . Proc. Natl. Акад. Sci. США 101 , 10614–10619 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 52

    Alder-Baerens, N., Lisman, Q., Luong, L., Pomorski, T. & Holthuis, J. C. Потеря P4-АТФаз Drs2p и Dnf3p нарушает транспорт аминофосфолипидов и асимметрию в секреторных пузырьках дрожжей после Гольджи. Мол. Биол. Ячейка 17 , 1632–1642 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 53

    Ван Х.и другие. Митохондриальный фактор WAH-1 C. elegans способствует экстернализации фосфатидилсерина в апоптотических клетках через фосфолипидную скрамблазу SCRM-1. Nature Cell Biol. 9 , 541–549 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 54

    Züllig, S. et al. Аминофосфолипидная транслоказа ТАТ-1 способствует экспозиции фосфатидилсерина во время апоптоза C. elegans . Curr. Биол. 17 , 994–999 (2007).

    PubMed Google Scholar

  • 55

    van Meer, G. & Simons, K. Функция плотных контактов в поддержании различий в липидном составе между апикальными и базолатеральными доменами клеточной поверхности клеток MDCK. EMBO J. 5 , 1455–1464 (1986).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 56

    Янг, W. W. Jr, Lutz, M.S. & Blackburn, W.A. Эндогенные гликосфинголипиды перемещаются к поверхности клетки со скоростью, соответствующей оценкам объемного потока. J. Biol. Chem. 267 , 12011–12015 (1992).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 57

    Baumann, N.A. et al. Транспорт вновь синтезированного стерола к обогащенной стерином плазматической мембране происходит посредством невезикулярного уравновешивания. Биохимия 44 , 5816–5826 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 58

    Саймонс К. и ван Меер Г. Сортировка липидов в эпителиальных клетках. Биохимия 27 , 6197–6202 (1988).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 59

    Halter, D. et al. Транслокация глюкозилцерамида до и после Гольджи в синтезе гликосфинголипидов J. Cell Biol. 179 , 101–115 (2007). предполагает, что поздний белок Гольджи FAPP2 транспортирует GlcCer, который предназначен для синтеза сложного гликолипида, обратно в ER, тогда как перемещение GlcCer на поверхность клетки зависит от протонного градиента.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 60

    Smith, D.C. et al. Связь шига-подобного токсина с устойчивыми к детергентам мембранами модулируется глюкозилцерамидом и является важным требованием эндоплазматического ретикулума для цитотоксического действия. Мол. Биол. Ячейка 17 , 1375–1387 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 61

    Sharma, D. K. et al. Гликосфинголипиды, интернализованные посредством кавеолярного эндоцитоза, быстро сливаются с клатриновым путем в ранних эндосомах и образуют микродомены для рециклинга. J. Biol. Chem. 278 , 7564–7572 (2003). Демонстрирует неравномерное распределение флуоресцентных фосфолипидов в отдельных эндосомах.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 62

    Wang, T. Y. & Silvius, J. R. Различные сфинголипиды демонстрируют дифференциальное разделение на сфинголипидные / богатые холестерином домены в липидных бислоях. Biophys. J. 79 , 1478–1489 (2000).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 63

    Сингх Р. Д. и др. Ингибирование захвата кавеолой, инфекции SV40 и передачи сигналов β1-интегрина неприродным стереоизомером гликосфинголипида. J. Cell Biol. 176 , 895–901 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 64

    Sleight, R.G. и Pagano, R.E. Быстрое появление вновь синтезированного фосфатидилэтаноламина на плазматической мембране. J. Biol. Chem. 258 , 9050–9058 (1983).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 65

    Каплан, М.Р. и Симони, Р. Д. Внутриклеточный транспорт фосфатидилхолина к плазматической мембране. J. Cell Biol. 101 , 441–445 (1985).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 66

    Фолькер, Д. Р. Характеристика синтеза и транслокации фосфатидилсерина в проницаемых клетках животных. J. Biol. Chem. 265 , 14340–14346 (1990).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 67

    Вэнс, Дж.E., Aasman, E. J. & Szarka, R. Brefeldin A не подавляет перемещение фосфатидилэтаноламина от участков его синтеза к поверхности клетки. J. Biol. Chem. 266 , 8241–8247 (1991).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 68

    Wu, W. I. & Voelker, D. R. Характеристика транспорта фосфатидилсерина в локус фосфатидилсерин декарбоксилазы 2 в проницаемых дрожжах. Дж.Биол. Chem. 276 , 7114–7121 (2001).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 69

    Schumacher, M. M., Choi, J. Y. & Voelker, D. R. Транспорт фосфатидилсерина в митохондрии регулируется убиквитинизацией. J. Biol. Chem. 277 , 51033–51042 (2002).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 70

    Пападопулос, В.и другие. Белок-транслокатор (18 кДа): новая номенклатура бензодиазепинового рецептора периферического типа, основанная на его структуре и молекулярной функции. Trends Pharmacol. Sci. 27 , 402–409 (2006). Обобщает основные белковые компоненты, участвующие в невезикулярном импорте холестерина в митохондрии клеток, участвующих в синтезе стероидных гормонов.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 71

    Ханада, К.и другие. Молекулярный аппарат для невезикулярного движения церамида. Природа 426 , 803–809 (2003). Важная статья, определяющая генетические и биохимические механизмы невезикулярного транспорта церамида между ER и аппаратом Гольджи.

    CAS Google Scholar

  • 72

    Варнок, Д. Э., Лутц, М. С., Блэкберн, В. А., Янг, В. В. Мл. И Баензигер, Дж. У. Транспорт вновь синтезированного глюкозилцерамида к плазматической мембране не по пути Гольджи. Proc. Natl. Акад. Sci. США 91 , 2708–2712 (1994).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 73

    Trotter, P.J., Wu, W. I., Pedretti, J., Yates, R. & Voelker, D. R. Генетический скрининг мутантов, переносящих аминофосфолипиды, идентифицирует фосфатидилинозитол-4-киназу, STT4p, как важный компонент метаболизма фосфатидилсерина. J. Biol. Chem. 273 , 13189–13196 (1998).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 74

    Wu, W. I. & Voelker, D. R. Восстановление транспорта фосфатидилсерина от химически определенных донорных мембран на фосфатидилсерин декарбоксилазу 2 вовлекает в процесс специфические липидные домены. J. Biol. Chem. 279 , 6635–6642 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 75

    Райчаудхури, С., Im, Y.J., Hurley, J.H. & Prinz, W.A. Невезикулярное перемещение стеролов от плазматической мембраны к ER требует оксистерин-связывающих белков, связанных с белками, и фосфоинозитидов. J. Cell Biol. 173 , 107–119 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 76

    D’Angelo, G. et al. Синтез гликосфинголипидов требует передачи глюкозилцерамида FAPP2. Nature 449 , 62–67 (2007). Показывает, что FAPP2, белок, который связан с генерацией транспортных носителей от Гольджи к плазматической мембране, по-видимому, является белком-переносчиком GlcCer, играющим ключевую роль в комплексном синтезе GSL.

    CAS Google Scholar

  • 77

    Awai, K., Xu, C., Tamot, B. & Benning, C. Связывающий фосфатидную кислоту белок мембраны внутренней оболочки хлоропласта, участвующий в переносе липидов. Proc.Natl Acad. Sci. США 103 , 10817–10822 (2006). Определяет компоненты транспорта и межмембранного распознавания для перемещения фосфолипидов между внешней и внутренней мембранами хлоропластов.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 78

    Тефсен, Б., Геуртсен, Дж., Бекерс, Ф., Томмассен, Дж. И де Кок, Х. Транспорт липополисахаридов к бактериальной внешней мембране в сферопластах. J. Biol. Chem. 280 , 4504–4509 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 79

    Мусли, К. Дж., Терьяр, К. Р., Винсент-Поуп, П. и Банкайтис, В. А. Sec14-суперсемейство и регуляторный интерфейс между метаболизмом фосфолипидов и мембранным переносом. Биохим. Биофиз. Acta 1771 , 727–736 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 80

    Литвак, В., Dahan, N., Ramachandran, S., Sabanay, H. & Lev, S. Поддержание уровня диацилглицерина в аппарате Гольджи с помощью белка Nir2 имеет решающее значение для секреторной функции Гольджи. Nature Cell Biol. 7 , 225–234 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 81

    Черномордик, Л., Козлов, М. М., Циммерберг, Дж. Липиды в слиянии биологических мембран. J. Membr. Биол. 146 , 1–14 (1995).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 82

    Шемеш, Т., Луини, А., Малхотра, В., Бургер, К. Н. и Козлов, М. М. Сужение трубчатых носителей Гольджи перед делением, вызванное локальным метаболизмом липидов: теоретическая модель. Biophys. J. 85 , 3813–3827 (2003).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 83

    Геннис, Р.Б. Биомембраны. Молекулярная структура и функция (Springer Verlag, New York, 1989).

    Google Scholar

  • 84

    Takamori, S. et al. Молекулярная анатомия органеллы трафика. Cell 127 , 831–846 (2006). Тщательная реконструкция синаптических пузырьков показывает, что холестерин и фосфолипиды (молярное отношение 0,8) покрывают ~ 70% поверхности, в то время как трансмембранные спирали покрывают 20% при соотношении липид / белок 0.75 (по массе).

    CAS Google Scholar

  • 85

    Dietrich, C., Volovyk, ZN, Levi, M., Thompson, NL & Jacobson, K. Разделение Thy-1, GM1 и сшитых аналогов фосфолипидов в липидные рафты, восстановленные в монослоях поддерживаемой модели мембраны . Proc. Natl Acad. Sci. США 98 , 10642–10647 (2001).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 86

    Морс, С.A. Базальты и фазовые диаграммы (Springer-Verlag, New York, 1980).

    Google Scholar

  • 87

    Партон Р. Г. Ультраструктурная локализация ганглиозидов: GM1 концентрируется в кавеолах. J. Histochem. Cytochem. 42 , 155–166 (1994).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 88

    Kusumi, A. et al. Смещение парадигмы концепции плазматической мембраны от двумерной континуальной жидкости к разделенной жидкости: высокоскоростное отслеживание одной молекулы мембранных молекул. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 34 , 351–378 (2005). Липиды и белки биологических мембран разделены на области размером в несколько десятков нанометров, которые имеют различные молекулярные компоненты и свойства.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 89

    Лагерхольм, Б. К., Вайнреб, Г. Э., Якобсон, К. и Томпсон, Н. Л. Обнаружение микродоменов в интактных клеточных мембранах. Annu.Rev. Phys. Chem. 56 , 309–336 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 90

    Фейгенсон, Г. В. и Бубольц, Дж. Т. Тройная фазовая диаграмма дипальмитоил-ПК / дилауроил-ПК / холестерин: формирование наноскопических доменов под действием холестерина. Biophys. J. 80 , 2775–2788 (2001).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 91

    Медер, Д., Морено, М. Дж., Веркаде, П., Ваз, В. Л. и Саймонс, К. Фазовое сосуществование и связь в апикальной мембране поляризованных эпителиальных клеток. Proc. Natl Acad. Sci. США 103 , 329–334 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 92

    Кусуми, А., Кояма-Хонда, И. и Сузуки, К. Молекулярная динамика и взаимодействия для создания индуцированных стимуляцией стабилизированных плотов из небольших нестабильных стационарных плотов. Трафик 5 , 213–230 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 93

    Боллинджер, К. Р., Тайхграбер, В. и Гулбинс, Е. Обогащенные церамидами мембранные домены. Биохим. Биофиз. Acta 1746 , 284–294 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 94

    Roux, A. et al. Роль кривизны и фазового перехода в сортировке липидов и делении мембранных канальцев. EMBO J. 24 , 1537–1545 (2005).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 95

    Chiantia, S., Kahya, N., Ries, J. & Schwille, P. Эффекты церамида на жидкоупорядоченные домены, исследованные с помощью одновременного АСМ и FCS. Biophys. J. 90 , 4500–4508 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 96

    Сот, Дж., Багатолли, Л. А., Гони, Ф. М. и Алонсо, А. Устойчивые к детергентам, обогащенные церамидами домены в бислоях сфингомиелина / церамида. Biophys. J. 90 , 903–914 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 97

    Анишкин А., Сухарев С. и Коломбини М. Поиск молекулярной структуры трансмембранных церамидных каналов. Biophys. J. 90 , 2414–2426 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 98

    Дитрих, К., Янг, Б., Фудзивара, Т., Кусуми, А. и Якобсон, К. Связь липидных рафтов с переходными зонами удержания, обнаруживаемыми с помощью отслеживания одиночных частиц. Biophys. J. 82 , 274–284 (2002).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 99

    Сенгупта, П., Бэрд, Б. и Холовка, Д. Липидные рафты, разделение жидкой / жидкой фаз и их значение для структуры и функции плазматической мембраны. Семин.Cell Dev. Биол. 18 , 583–590 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 100

    Диббл, А. Р. и Фейгенсон, Г. В. Обнаружение сосуществующих жидких фосфолипидных фаз посредством равновесного связывания Ca 2+ : бедное пептидом Lα и богатое пептидом HII сосуществование фаз в дисперсиях грамицидина A ‘/ фосфолипидов. Биохимия 33 , 12945–12953 (1994).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 101

    Льюис, Р.N. et al. Исследования минимальной гидрофобности α-спиральных пептидов, необходимых для поддержания стабильной трансмембранной ассоциации с фосфолипидными двухслойными мембранами. Биохимия 46 , 1042–1054 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 102

    Якобсон, К., Моуритсен, О. Г. и Андерсон, Р. Г. Липидные плоты: на перекрестке между клеточной биологией и физикой. Nature Cell Biol. 9 , 7–14 (2007). Предлагает модель, в которой трансмембранные спирали покрывают 15% поверхности и физически контактируют с 30% мембранных липидов, называемых липидами оболочки. Получив сигнал, белки контролируют фазовое поведение, комбинируя свою оболочку с аналогичными липидными оболочками других белков.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 103

    Shogomori, H. et al. Пальмитоилирование и взаимодействия внутриклеточных доменов способствуют нацеливанию линкера на рафт для активации Т-клеток. J. Biol. Chem. 280 , 18931–18942 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 104

    Браун Д. А. Липидные рафты, устойчивые к детергентам мембраны и сигналы нацеливания на рафты. Физиология 21 , 430–439 (2006). Использование устойчивости к детергентам для изучения свойств биологических мембран дает косвенную информацию о предпочтениях белков и липидных фаз, но не дает моментального снимка фактического фазового поведения.

    CAS PubMed Google Scholar

  • 105

    Эпанд, Р. М. Холестерин и взаимодействие белков с мембранными доменами. Прог. Lipid Res. 45 , 279–294 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 106

    Хэнкок, Дж. Ф. Липидные плоты: спорны только с упрощенной точки зрения. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 7 , 456–462 (2006). Критическое обсуждение липидных рафтов, подчеркивающее, что белок-белковые взаимодействия вносят основной вклад в стабильность липидных доменов и что белки и специфические липиды, такие как холестерин, могут накапливаться на границах доменов и влиять на них.

    CAS Google Scholar

  • 107

    Лондон, Э. и Фейгенсон, Г. У. Тушение флуоресценции в модельных мембранах. 2. Определение локального липидного окружения аденозинтрифосфатазы кальция из саркоплазматического ретикулума. Биохимия 20 , 1939–1948 (1981).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 108

    Кэффри М. и Фейгенсон Г. В. Тушение флуоресценции в модельных мембранах. 3. Связь между активностью фермента аденозинтрифосфатазы кальция и сродством белка к фосфатидилхолинам с различными характеристиками ацильной цепи. Биохимия 20 , 1949–1961 (1981).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 109

    Эсманн, М.И Марш Д. Липидно-белковые взаимодействия с Na, K-АТФазой. Chem. Phys. Липиды 141 , 94–104 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 110

    Субиас О., Тиг У. Э. и Гавриш К. Доказательства специфичности липид-родопсиновых взаимодействий. J. Biol. Chem. 281 , 33233–33241 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 111

    Андерсен, О.С. и Кёпп, Р. Э. 2-й. Толщина бислоя и функция мембранного белка: энергетическая перспектива. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36 , 107–130 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 112

    Sharma, P. et al. Наноразмерная организация множественных GPI-заякоренных белков в мембранах живых клеток. Cell 116 , 577–589 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 113

    Ректенвальд, Д.Дж. И МакКоннелл, Х. М. Фазовые равновесия в бинарных смесях фосфатидилхолина и холестерина. Биохимия 20 , 4505–4510 (1981).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 114

    Wang, T. Y. & Silvius, J. R. Холестерин не индуцирует сегрегацию жидко-упорядоченных доменов в бислоях, моделирующих внутренний листок плазматической мембраны. Biophys. J. 81 , 2762–2773 (2001).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 115

    Кисслинг, В., Крейн, Дж. М. и Тамм, Л. К. Трансбиллойные эффекты рафто-подобных липидных доменов в асимметричных плоских бислоях, измеренные с помощью отслеживания одиночных молекул. Biophys. J. 91 , 3313–3326 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 116

    ван Меер, Г., Halter, D., Sprong, H., Somerharju, P. & Egmond, M.R. Переносчики липидов ABC: экструдеры, флиппазы или активаторы без флопсов? FEBS Lett. 580 , 1171–1177 (2006).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 117

    Витч, С. Л. и Келлер, С. Л. Разделение жидких фаз в гигантских пузырьках тройных смесей фосфолипидов и холестерина. Biophys. J. 85 , 3074–3083 (2003).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 118

    Витч С.Л., Полозов И.В., Гавриш К. и Келлер С.Л. Жидкие домены в везикулах, исследованные методами ЯМР и флуоресцентной микроскопии. Biophys. J. 86 , 2910–2922 (2004).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 119

    Wassall, S. R. et al. Порядок от беспорядка, загоняющего холестерин хаотическими липидами.Роль полиненасыщенных липидов в формировании мембранного рафта. Chem. Phys. Липиды 132 , 79–88 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 120

    Veatch, S. L., Gawrisch, K. & Keller, S. L. Разрыв смешиваемости с замкнутым контуром и количественные связующие линии в тройных мембранах, содержащих дифитаноил PC. Biophys. J. 90 , 4428–4436 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 121

    Бахт, О., Pathak, P. & London, E. Влияние структуры липидов, способствующих образованию неупорядоченных доменов, на стабильность холестеринсодержащих упорядоченных доменов (липидных рафтов): идентификация множественных механизмов стабилизации рафтов. Biophys. J. 93 , 4307–4318 (2007). Полиненасыщенные ацильные цепи мембранных липидов могут эффективно управлять образованием мембранных рафтов из-за особенно плохой упаковки холестерином.

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 122

    Куцерка, Н., Тристрам-Нэгл, С. и Нэгл, Дж. Ф. Более пристальный взгляд на структуру полностью гидратированных бислоев ДПФХ жидкой фазы. Biophys. J. 90 , L83 – L85 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 123

    Лю К., Хуа З., Непуте Дж. А. и Грэхэм Т. Р. Р4-АТФазы дрожжей Drs2p и Dnf1p являются основными грузами эндоцитарного пути NPFXD / Sla1p. Мол. Биол. Cell 18 , 487–500 (2007).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • как мы можем их лучше понять?

    Abstract

    Липиды представляют собой основной класс биологических молекул и играют важную роль в различных процессах. Разнообразие липидов примерно того же порядка, что и разнообразие белков: клетки экспрессируют десятки тысяч различных липидов и сотни белков, регулирующих их метаболизм и транспорт. Несмотря на их очевидную важность и важные функции, липиды изучены не так хорошо, как белки.Мы обсуждаем здесь некоторые из причин, по которым было сложно изучать липиды, и описываем технологические разработки, которые позволяют нам начать вывод липидов из их статуса «Золушка». Мы сосредотачиваемся на последних достижениях в идентификации липидов, визуализации и исследовании их биофизики и нарушений и предполагаем, что эта область достаточно продвинулась, чтобы стимулировать более широкие исследования этих интригующих молекул.

    Липиды являются фундаментальными строительными блоками всех клеток и играют множество важных и разнообразных ролей.Они являются ключевыми компонентами плазматической мембраны и других клеточных компартментов, включая ядерную мембрану, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и везикулы переноса, такие как эндосомы и лизосомы. Липидный состав различных органелл, типов клеток и, в конечном итоге, тканей может существенно различаться, предполагая, что разные липиды необходимы для разных функций (Saghatelian et al ., 2006; Klose et al ., 2013). Клетки млекопитающих экспрессируют десятки тысяч различных видов липидов и используют сотни белков для их синтеза, метаболизма и транспортировки.Хотя сложность и разнообразие липидов приближается к свойствам белков, мы гораздо хуже понимаем их функции, что делает липиды во многих отношениях «золушками» клеточной биологии. Здесь мы обсуждаем последние достижения и проблемы в изучении того, как эти молекулы вносят вклад во многие биологические процессы, в которых они участвуют.

    Подобно белкам, липиды могут иметь структурную (например, посредством стабилизации различных изгибов мембран) или сигнальную роль. Посттрансляционное липидирование белков (например,g., пальмитоилирование или фарнезилирование) и липиды, связанные с углеводом (гликолипиды), также являются важными примерами пулов клеточных липидов. Ясно, что организация более высокого порядка является ключом к большинству функций липидов, и они, как полагают, собираются в сигнальные платформы, которые содержат как липиды, так и белки (Kusumi et al ., 2012). Некоторые липидные микродомены называются липидными рафтами, и постоянно прилагаются большие усилия для определения их параметров (Simons and Sampaio, 2011; Suzuki et al ., 2012; Klotzsch and Schutz, 2013). Из-за того, что мы сосредоточили внимание на липидных рафтах, мы лучше понимаем свойства предлагаемых липидов рафтов (например, сфингомиелинов и холестерина), чем многих других видов липидов. Многое из того, что мы знаем о липидах, получено в результате изучения синтетических мембран с определенным липидным составом. Хотя модельные мембраны обычно состоят из очень небольшого количества (<10) липидов, они были полезны для понимания биофизических свойств липидов. На другом конце спектра липиды участвуют в различных заболеваниях, ярким примером которых является метаболизм холестерина.Теперь мы подошли к моменту, когда мы можем рассмотреть роль липидов в середине спектра - в клетках.

    ПОЧЕМУ МЫ НЕ ЗНАЕМ О ЛИПИДАХ ТАКЖЕ, КАК О ДРУГИХ БИОМОЛЕКУЛАХ?

    Есть три ответа на предыдущий вопрос: мнение многих ученых о том, что с липидами слишком сложно работать, природа липидов и то, как они функционируют в ансамблях, а также отсутствие методов, сопоставимых с анализом белков для визуализации липидов и манипулирования ими. их уровни как на глобальном, так и на местном уровне.Мы утверждаем, что недавние достижения позволяют нам приступить к решению этих проблем.

    Традиционно в биологии липидов преобладали химики, биохимики и биофизики. Это привело к номенклатуре, основанной на химических каркасах и связях, в отличие от белков, которые в первую очередь классифицируются в соответствии с их биологической функцией (например, киназа или ацилтрансфераза). Что сбивает с толку, некоторые липиды со схожими химическими структурами имеют разные названия (например, диацилглицерин и церамид), а другие липиды с похожими названиями имеют совершенно разные структуры (церамиды C14 и C26) и, следовательно, вероятно, разные функции ().Возможно, было бы легче оценить липидные комплексы, если бы мы подумали о них, основываясь на их химической структуре, которая знакома биологам, привыкшим изучать молекулярные взаимодействия, например, в активных центрах ферментов.

    Химические и предсказанные трехмерные (3D) структуры иллюстративных липидов. Химические структуры, а также виды сверху и сбоку показаны для каждого липида. Церамид C14 и C26 и диацилглицерин (DAG) с двойной связью и без нее показаны для иллюстрации различий между липидами в пределах одного и того же вида.Основные вариации заключаются в длине боковой цепи жирной кислоты (14 против 26 атомов углерода) или степени насыщения (боковая цепь C14 с нулевой или одной двойной связью). Показано, что церамид C14 против DAG (16: 0/14: 0) иллюстрирует аналогичные структуры, которые были отнесены к разным семействам липидов. Боковые цепи одинаковы в обоих липидах; части головных групп различаются. Трехмерные структуры этих липидов внутри мембран, особенно расположение боковых цепей, вероятно, будут регулироваться в зависимости от локального клеточного окружения и упаковки липидов.Трехмерные структуры были получены с использованием инструмента молекулярного моделирования VMD 1.9.1 (www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/allversions/cite.html) и минимизированы с помощью Molecular Operating Environment 2013.08 (Chemical Computing Group, Монреаль, Канада) с Силовое поле Amber 99 (Cornell et al ., 1995).

    Большинство липидов (кроме стеролов) содержат гидрофобные боковые цепи и полярные головные группы, а различные комбинации боковых цепей и головных групп составляют большую часть разнообразия липидов ().Хорошо известно, что модификации головных липидных групп необходимы для некоторых функций липидов (например, фосфорилирование фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата [PI (4,5) P 2 , ​​или PIP2] в фосфатидилинозитол 3,4,5- трифосфат [PI (3,4,5) P 3 или PIP3]). Однако только недавно стало ясно, что идентичность гидрофобных боковых цепей также важна (Zhang and Wakelam, 2014). Например, хотя известно, что некоторые липиды участвуют в делении клеток (Atilla-Gokcumen et al ., 2010), мы недавно показали, что делящиеся клетки HeLa проявляют исключительную химическую специфичность в регуляции содержания в них липидов, включая их боковые цепи (Atilla-Gokcumen et al ., 2014). Глядя на химические структуры, сразу становится ясно, что физические свойства — например, взаимодействия внутри и между разными створками мембраны -, скажем, липида с боковой цепью из 14 атомов углерода (C14) будут сильно отличаться от свойств липид с боковой цепью C26 или со значительными пространственными нарушениями из-за двойных связей в боковых цепях ().Следовательно, при исследовании функции липидов важно учитывать вклад как боковых цепей, так и головных групп.

    Амфипатическая природа липидов, с функциональной важностью как боковых цепей, так и головных групп, приводит к основной причине, почему было трудно вторгнуться в функцию липидов: липиды очень часто функционируют в гетерогенных ансамблях липидов и белков, и поэтому существует несколько линейных взаимосвязей, которые можно систематически анализировать, аналогично, например, киназе А, фосфорилирующей киназу В.Поскольку мы все больше понимаем, что многие белки также функционируют в динамических и сложных отношениях, некоторые подходы системной биологии к изучению белковых сетей должны стать применимыми к липидам, особенно в сочетании с методами, обсуждаемыми в следующих разделах.

    ЧТО ДЕЛАТЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ И КУДА НАМ ЕЩЕ НУЖНО ПОЙТИ?

    Есть много проблем на пути к пониманию роли липидов в биологических процессах. Нам необходимо: 1) определить, какие семейства и виды липидов участвуют в этом процессе; 2) визуализировать эти липиды в соответствующих клеточных компартментах или структурах, предпочтительно в живых клетках, чтобы можно было оценить обмен; 3) измерять физические и механические свойства соответствующих липидов и мембран, включая идентификацию партнеров по взаимодействию; и 4) нарушают уровни липидов для фенотипических и, следовательно, функциональных анализов.Мы выделяем некоторые стратегии, которые начинают решать эти проблемы.

    Идентификация липидов

    Белки и нуклеиновые кислоты состоят из разных субъединиц, которые многократно связаны одним и тем же типом химической связи, что делает их пригодными для итеративного секвенирования. Напротив, разные субъединицы в липидах имеют много разных химических связей, создаваемых сложными сетями биосинтетических ферментов, что делает систематическую идентификацию липидов более сложной задачей. Хотя можно обнаружить некоторые виды липидов с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометрия (МС) является наиболее общим методом определения химической структуры различных липидов, и достижения последнего десятилетия позволяют обнаруживать небольшие количества в сложные смеси, такие как экстракты клеток.Соответствующие липиды могут быть идентифицированы с помощью глобального или целевого анализа липидного профиля, и мы можем определить, какие липиды увеличиваются или истощаются в нескольких образцах, используя программное обеспечение для выявления изменений состава. Химической детективной работе, необходимой для предложения химической структуры интересующего липида на основе паттернов фрагментации МС, в значительной степени способствовало недавнее появление баз данных, таких как Lipidmaps (Fahy et al ., 2007) и Metlin (Smith et al. ., 2005; Таутенхан и др. ., 2012). Липидный рассеянный склероз сейчас подходит к той стадии, когда его могут использовать неспециалисты в химической лаборатории или лаборатории клеточной биологии, такой как наша. Например, мы смогли показать, что делящиеся клетки регулируют содержание липидов, и определили, какие липиды изменяются в зависимости от клеточного цикла (Atilla-Gokcumen et al ., 2014).

    Что дальше? МС следующего поколения; к пространственному разрешению

    Хотя анализ состава липидов, особенно в тканях, был информативным, он еще не достиг разрешения, которое позволило бы систематизировать механистические выводы.Обычно анализы проводят с экстрактами общих липидов, что означает, что они содержат липиды из всех липидных компартментов клетки. Чтобы проанализировать конкретно состав интересующей области или мембраны, нам необходимо либо улучшить нашу способность изолировать эту область биохимически для последующего МС, либо сочетать МС с методами, обеспечивающими пространственное разрешение. Обе стратегии набирают обороты. По мере того, как мы узнаем больше о мембранных процессах, мы идентифицируем вовлеченные белки и можем использовать эти белки в качестве маркеров при биохимической изоляции.

    Сочетание МС с визуализацией — многообещающий способ оценки распределения липидов в двумерном пространстве. Масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) может визуализировать организацию меченных изотопами липидов с очень высоким латеральным разрешением (~ 50 нм; Klitzing et al ., 2013). Визуализация с использованием матричной лазерной десорбционной ионизации (MALDI) также позволяет визуализировать пространственное распределение различных биомолекул, особенно крупных. Он в основном используется для характеристики фосфолипидов в тканях с латеральным разрешением от 10 до 50 мкм (обзор Berry et al ., 2011). Сочетание подробной химической информации измерений МС с пространственным разрешением станет еще более важным, поскольку наше понимание локализации различных липидов и их взаимодействия с разными партнерами во время биологических процессов улучшается.

    Визуализация липидов

    У большинства биологических молекул функция зависит от локализации, и это более верно для липидов, потому что они не могут свободно диффундировать через цитоплазму. Липиды можно визуализировать путем флуоресцентной маркировки липид-связывающих белков или липидов напрямую.Хотя оба подхода способствовали нашему пониманию, ни один из них не является идеальным, поскольку оба могут нарушать локальные взаимодействия и упаковку внутри ансамблей. Липиды могут быть химически связаны с флуорофором, и флуоресцентные производные липидов коммерчески доступны. Для растворимости и легкости введения в клетки флуоресцентные липиды часто имеют короткие гидрофобные боковые цепи. Поскольку становится ясно, что клетки тщательно и специфично регулируют свои липидные боковые цепи, предполагая, что они выполняют важные функции, флуоресцентные липиды с короткими боковыми цепями имеют ограниченное применение.Флуоресцентные гибридные белки широко используются для исследования локализации липидов в живых и фиксированных клетках. Например, меченый домен PH PLCδ1, связанный с флуоресцентным белком, используется для изучения липидов PIP2 (Stauffer et al ., 1998), важных регуляторов актинового цитоскелета (Varnai et al ., 1999; Schultz et al. al ., 2010).

    Что дальше? Функциональные флуоресцентные метки, визуализированные с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения

    По мере того, как мы лучше понимаем функцию липидов, появится возможность конструировать маркеры с минимальным функциональным нарушением — например, путем идентификации новых связывающих липидов доменов.Клетчатые липиды (обсуждаемые позже в Липидные пертурбации / функциональные исследования ) также являются многообещающими, как и клик-химия для синтеза меченых липидов in situ. Биоортогональная химическая функциональность (что означает, что она не встречается в природе — например, алкин или азид) может быть введена в интересующий липид, который затем вступает в реакцию или «щелкает» с соответствующим зондом, таким как флуорофор или сродство. tag, в идеале после того, как он находится в правильном клеточном контексте и связан со своими партнерами по взаимодействию (Prescher and Bertozzi, 2005).Модельные липиды с «нажатыми» метками были синтезированы и визуализированы в клетках (Neef and Schultz, 2009; Haberkant et al ., 2013). После того, как конкретное введение биоортогонально дериватизированных липидов в клетки, предпочтительно на физиологическом уровне, будет оптимизировано, этот подход будет применим ко многим различным липидам, поскольку он менее разрушает упаковку липидов (и, следовательно, потенциально функционирует) из-за небольшого размера. и минимальное локальное возмущение «кликабельных» азидных или алкиновых групп (Grammel and Hang, 2013).

    По мере улучшения липидного мечения необходимы и более совершенные методы визуализации. Основным ограничением визуализации клеточных липидов является то, что они часто локализуются в пузырьках или небольших структурах ниже предела обнаружения обычной флуоресцентной микроскопии. Недавние достижения в микроскопии сверхвысокого разрешения (например, микроскопия стохастической оптической реконструкции [STORM] и микроскопия фотоактивированной локализации [PALM]) являются многообещающими и могут снизить предел разрешения до ~ 20 нм (Sengupta et al ., 2012; Оуэн и Гаус, 2013). Поскольку существует немного липидных маркеров и не все красители подходят для этой техники, примеров прямой визуализации липидов пока не так много. Ключевым моментом будет разработка новых липидных меток, подходящих для PALM / STORM. Также возможны другие подходы со сверхвысоким разрешением (Eggeling et al ., 2009).

    Биофизические свойства липидов

    Физические свойства липидов важны, потому что они определяют, как липиды взаимодействуют с другими липидами и белками.В большинстве белок-белковых взаимодействий во взаимодействии участвуют относительно небольшие части каждого белка. Липиды намного меньше белков, и поэтому больший процент их общей поверхности взаимодействует с партнерами по связыванию. Это делает небольшие изменения в структуре и, следовательно, биофизических свойствах отдельных липидов и их ансамбля пропорционально более значимыми. Много отличных работ было проделано с модельными мембранами, и эта работа переводится в более сложные биологические системы.

    Боковая организация липидов в мембране может дать некоторые подсказки об их функциях и может быть измерена с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) с наноразмерным разрешением. Многое было изучено с помощью АСМ на модельных мембранах (Garcia-Manyes and Sanz, 2010), и мы использовали этот метод, чтобы показать, что, к удивлению, липиды, выделенные из делящихся клеток, образуют другие и более жесткие домены, чем липиды, выделенные из неделящихся клеток, хотя общее изменение клеточных липидов было довольно небольшим (Atilla-Gokcumen et al ., 2014). AFM начинает использоваться для исследования механических свойств непосредственно в клетках, например, на плазматической мембране. Наше исследование показало, что сила, необходимая для разрыва плазматической мембраны при делящихся клетках, по сравнению с неделящимися клетками, была выше, что согласуется с наблюдениями, которые мы сделали с изолированными липидами (Atilla-Gokcumen et al ., 2014).

    Что дальше? Комбинирование современных методов для решения проблемы повышенной сложности в клетках

    Мы только начинаем соотносить биофизические свойства клеточных липидов с функцией в сложных системах (т.е., живые клетки), и только недавно стало возможным использовать такие подходы, как АСМ, для их измерения. Другие физические и аналитические методы, такие как, например, рамановская спектроскопия, могут добавить ценную дополнительную информацию. Сочетание некоторых из различных методов, которые мы обсуждаем, поможет нам понять роль липидов и связать их с функцией белков в определенных клеточных компартментах. Мы ожидаем, что это станет возможным в ближайшее время: АСМ и ВИМС уже успешно используются вместе, как и микроскопия сверхвысокого разрешения с АСМ (Anderton et al ., 2011; Ходжес и др. , 2013).

    Чтобы исследовать, как физические свойства липидов влияют на организацию мембран, разрабатываются различные красители для определения мембранной среды. Например, красители Laurdan и молекулярные роторы могут использоваться для количественной оценки состояния липидной организации в мембранах (Owen et al ., 2012; Lopez-Duarte et al ., 2014). Оба семейства красителей сообщают о компартментах плазматической мембраны и внутренней мембраны. Будет очень информативно разработать экологически чувствительные красители, совместимые с микроскопией сверхвысокого разрешения.

    Нарушение липидов / функциональные исследования

    Чтобы понять функцию липидов, мы должны уметь управлять их клеточными и, в идеале, субклеточными уровнями. В отличие от биомолекул, синтез которых упрощен, например, с помощью рибосомы, липиды синтезируются множеством различных ферментов, что делает невозможными систематические делеции липидов, аналогичные РНК-интерференции (РНКи). Это оставляет нам три варианта изменения количества интересующего липида: химическая секвестрация (истощение), нарушение биосинтетических ферментов (увеличение или уменьшение) и добавление липидов (увеличение).Например, метил-β-циклодекстрин обычно используется для удаления холестерина с мембран, но этот подход не является общим, а липидная специфичность плохо изучена. Изменение липидного состава путем ингибирования ферментов биосинтеза липидов с помощью малых молекул или РНКи более перспективно, если принять во внимание некоторые предостережения. Биосинтез липидов жестко регулируется со многими возможными синтетическими путями и взаимосвязанными петлями обратной связи, которые, вероятно, приведут к различным липидным профилям, если используются короткие эксперименты с низкомолекулярными или более длинными РНКи (Eggert et al ., 2006; Атилла-Гоккумен и др. , 2011; Касторено и Эггерт, 2011). Непросто предсказать липидный состав клеток в случаях, когда биосинтез подавлен. Например, когда мы анализировали клетки, в которых был нарушен биосинтез, мы обнаружили, что их липиды не соответствовали ожиданиям традиционной биохимии (то есть истощение субстрата и накопление продукта; Atilla-Gokcumen et al ., 2011, 2014). Однако специфичность субстрата / продукта является вторичным фактором, когда ферменты используются для нарушения липидов, потому что фенотипы могут быть напрямую коррелированы с липидным составом, как определено с помощью MS.В настоящее время нарушение биосинтетических ферментов или белков, транспортирующих / связывающих липиды, является наиболее систематическим и всеобъемлющим способом изменения уровней липидов, но это неточно, потому что мы не знаем специфичности или регуляции, включая локализацию, большинства этих белков. По мере того, как наше понимание растет, мы должны иметь возможность влиять на уровни липидов и, следовательно, функционировать более точно.

    Что дальше? Направленная доставка липидов в клетке

    Следующими основными проблемами при манипулировании уровнями липидов является необходимость делать это с помощью пространственного, временного и количественного контроля в различных мембранных структурах.Прямая стратегия заключается в простом добавлении липидов к клеткам, что не так просто, как может показаться, потому что многие липиды не коммерчески доступны или имеют ограниченную растворимость, или невозможно предсказать, будет ли / где липид транспортироваться в клетки. Фотоактивация химически скрытых (или заключенных в клетку) липидов включает (нетривиальный) синтез производного липида с химической меткой, которая может быть удалена при облучении. Этот подход не только позволяет генерировать эндогенные липиды в определенное время и в определенных местах в клетках, но также служит средством доставки, поскольку клеточная проницаемость липидов увеличивается.Дальнейшая оптимизация также может позволить контролировать, сколько липидов доставляется в желаемое место. Клеточные липиды являются многообещающими и успешно используются для изучения нескольких липидно-опосредованных сигнальных путей (Subramanian et al ., 2010; Mentel et al ., 2011).

    OUTLOOK

    Исследования липидов в клеточной биологии находятся на захватывающем этапе, потому что мы, наконец, находимся на стадии, когда мы знаем достаточно, чтобы оценить то, чего мы еще не понимаем. Биохимия липидов и биофизика внесли большой вклад в создание модельных мембран, которые теперь могут быть объединены с современными аналитическими подходами для преобразования этих результатов в клетки и организмы.Хотя здесь слишком много нерешенных вопросов, чтобы перечислить их здесь, следующая важная задача, например, состоит в том, чтобы понять, как и взаимодействуют ли определенные липиды со специфическими мембранными белками и необходимо ли это для функционирования. У нас есть некоторые подсказки, что это так. Например, MS-анализ комплекса АТФазы обнаружил, что с комплексом связаны специфические липиды (Zhou et al ., 2011). Другое исследование показало, что липиды перемещаются между органеллами посредством серии специфических событий связывания с белками (Mesmin et al ., 2013 ). Мы можем решать подобные вопросы только с помощью современной междисциплинарной науки. Это требует сочетания подходов, основанных на биологии, химии, физике и инженерии, включая те, которые мы обсуждаем здесь. Используя такие интегрированные стратегии, мы сейчас находимся в точке, в которой мы можем начать раскрывать многие важные и разнообразные роли липидов в клеточной биологии.

    Что такое липиды?

    Липиды — это молекулы, содержащие углеводороды и составляющие строительные блоки структуры и функции живых клеток.Примеры липидов включают жиры, масла, воски, некоторые витамины (такие как A, D, E и K), гормоны и большую часть клеточной мембраны, которая не состоит из белка.

    Липиды не растворимы в воде, поскольку они неполярны, но поэтому они растворимы в неполярных растворителях, таких как хлороформ.

    Липидный бислой человека — 3D-рендеринг. Кредит изображения: Crevis / Shutterstock

    Из чего состоят липиды?

    Липиды в основном состоят из углеводородов в их наиболее восстановленной форме, что делает их отличной формой хранения энергии, так как при метаболизме углеводороды окисляются с высвобождением большого количества энергии.Тип липидов, обнаруженных в жировых клетках для этой цели, представляет собой триглицерид, сложный эфир, созданный из глицерина и трех жирных кислот.

    Откуда берутся липиды?

    Избыточные углеводы в рационе преобразуются в триглицериды, что включает синтез жирных кислот из ацетил-КоА в процессе, известном как липогенез, и происходит в эндоплазматическом ретикулуме. У животных и грибов один многофункциональный белок управляет большинством этих процессов, в то время как бактерии используют несколько отдельных ферментов.Некоторые типы ненасыщенных жирных кислот не могут быть синтезированы в клетках млекопитающих, и поэтому должны потребляться как часть рациона, например, омега-3.

    Ацетил-КоА также участвует в мевалонатном пути, ответственном за производство широкого спектра изопреноидов, в том числе важных липидов, таких как холестерин и стероидные гормоны.

    Гидролизуемые и негидролизуемые липиды

    Липиды, содержащие сложноэфирную функциональную группу, гидролизуются в воде. К ним относятся нейтральные жиры, воски, фосфолипиды и гликолипиды.Жиры и масла состоят из триглицеридов, состоящих из глицерина (1,2,3-тригидроксипропана) и 3 жирных кислот, образующих триэфир. Триглицериды находятся в крови и хранятся в жировых клетках. Полный гидролиз триацилглицеринов дает три жирные кислоты и молекулу глицерина.

    Негидролизуемые липиды лишены таких функциональных групп и включают стероиды и жирорастворимые витамины (A, D, E и K).

    Жирные кислоты

    Жирные кислоты — это длинноцепочечные карбоновые кислоты (обычно с 16 или более атомами углерода), которые могут содержать или не содержать двойные связи углерод-углерод.Число атомов углерода почти всегда четное и обычно неразветвленное. Олеиновая кислота — самая распространенная в природе жирная кислота.

    Мембрана, окружающая клетку, состоит из белков и липидов. В зависимости от расположения мембраны и ее роли в организме липиды могут составлять от 20 до 80 процентов мембраны, а остальное — белки. Холестерин, которого нет в растительных клетках, представляет собой липид, который помогает укрепить мембрану.Кредит изображения: Национальный институт общих медицинских наук

    Воски / жиры и масла

    Это сложные эфиры длинноцепочечных карбоновых кислот и длинных спиртов. Жир — это название класса триглицеридов, которые при комнатной температуре выглядят как твердые или полутвердые, жиры в основном присутствуют у животных. Масла — это триглицериды, которые появляются в виде жидкости при комнатной температуре, масла в основном присутствуют в растениях, а иногда и в рыбе.

    Моно / поли ненасыщенные и насыщенные

    Жирные кислоты без двойных углерод-углеродных связей называются насыщенными.Те, которые имеют две или более двойных связи, называются полиненасыщенными. Олеиновая кислота является мононенасыщенной, так как имеет одинарную двойную связь.

    Насыщенные жиры обычно представляют собой твердые вещества и получают из животных, в то время как ненасыщенные жиры являются жидкими и обычно извлекаются из растений.

    Ненасыщенные жиры имеют особую геометрию, которая препятствует тому, чтобы молекулы упаковывались так же эффективно, как в насыщенных молекулах, что приводит к их склонности существовать в виде жидкости, а не твердого тела.Таким образом, температура кипения ненасыщенных жиров ниже, чем у насыщенных жиров.

    Синтез и функции липидов в организме

    Липиды используются напрямую или синтезируются иным способом из жиров, присутствующих в пище. Существует множество биосинтетических путей расщепления и синтеза липидов в организме.

    Основные биологические функции липидов включают накопление энергии, поскольку липиды могут расщепляться с образованием большого количества энергии. Липиды также образуют структурные компоненты клеточных мембран и образуют различные мессенджеры и сигнальные молекулы в организме.

    Отчет о химическом анализе крови, показывающий нормальные функциональные тесты печени и липидный профиль с высоким уровнем триглицеридов. Кредит изображения: Стивен Барнс / Shutterstock

    Дополнительная литература

    границ | Знакомство с мембранным зарядом и мембранным потенциалом для передачи сигналов Т-лимфоцитами

    Введение

    Существует много обзоров о порядке мембран / липидных рафтах и ​​о том, как это свойство плазматической мембраны влияет на передачу сигналов Т-клеточного рецептора (TCR) [см.(1, 2) для недавних примеров], но важность заряда мембраны для передачи сигналов TCR становится очевидной только недавно. Цель этого обзора — действовать в качестве праймера в области мембранного заряда для тех, кто интересуется, как это применимо к передаче сигналов TCR. Поскольку эти биофизические концепции традиционно не были связаны с иммунологией, мы начинаем с изучения соответствующих концепций электрофизиологии и биофизики мембран, чтобы обеспечить контекст для недавних достижений в нашем понимании передачи сигналов TCR.

    Плазматическая мембрана клетки состоит из двух слоев фосфолипидов с гидрофильными головными группами, обращенными к водной внутри- и внеклеточной среде, в то время как гидрофобная ацильная цепь выравнивается латерально, образуя гидрофобное ядро ​​бислоя. Плазматическая мембрана не только действует как первичный барьер для отделения клетки от внешней среды, но также является интерфейсом, на котором происходят многие события трансмембранной передачи сигнала. Это в основном передается через трансмембранные белки и белки периферической мембраны, которые связаны с внутренним листком плазматической мембраны.Отличительной чертой трансмембранной передачи сигналов, включая передачу сигналов TCR, является то, что сигнальные реакции (i) высокоспецифичны; например, будучи инициированным только антигенами, (ii) высокочувствительным, так что задействования нескольких рецепторов достаточно для запуска реакции активации, и (iii) должно быть высококоординированным, чтобы предотвратить базальную передачу сигналов в отсутствие лигандов. В то время как основное внимание уделяется структуре и конформационным изменениям мембранных белков, становится все более очевидным, что состав и распределение мембранных липидов могут влиять на конформацию и функцию мембранных белков.

    Ранние модели клеточных мембран просто изображали мембранные липиды как жидкие объекты внутри гомогенного матрикса, с их основной функцией, заключающейся в аккомодации мембранных белков. Более поздние модели включают неоднородное распределение липидов как между двумя створками, так и латерально внутри мембраны. Большинство фосфолипидов имеют асимметричное распределение между наружными и внутренними листками плазматической мембраны клетки. В то время как нейтральные фосфолипиды, такие как сфингомиелин и цвиттерионный фосфатидилхолин, расположены в основном во внешнем листке плазматической мембраны, большинство анионных фосфолипидов, таких как фосфатидная кислота (PA), фосфатидилсерин (PS), фосфатидилэтаноламин (PE) и фосфатидиловые формы такие как фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP 2 ) и фосфатидилинозитол (3,4,5) -трифосфат (PIP 3 ), в основном расположены на внутренней створке (3).Низкие значения константы кислотной диссоциации (pKa) фосфатных групп головной липидной группы ответственны за отрицательный заряд этих липидов при физиологическом pH (3).

    Плазменная мембрана имеет две листочки с разным зарядом

    Асимметричное распределение фосфолипидов, особенно PS, оказывает несколько биологических воздействий и является высоко консервативным в эукариотических клетках (4, 5). В то время как латеральная диффузия липидов внутри монослоя является термодинамически благоприятной, трансмембранная транслокация липидов между двумя листочками является термодинамически сложной и, таким образом, в основном является аденозинтрифосфатным (АТФ) -зависимым процессом (5).Асимметричное распределение PS устанавливается и поддерживается ферментами флиппазы и флоппазы, которые перемещают липиды внутрь и из двух створок в противоположных направлениях. Са 2+ -зависимая скрамблаза перемещает липиды двунаправленным образом, что уравновешивает асимметричное распределение липидов (5). Асимметричное расположение PS обеспечивает большую механическую стабильность мембран за счет взаимодействия липидов внутри цитозольной створки с нижележащими белками цитоскелета (4).Кроме того, более высокая концентрация PS конической формы может вызвать отрицательную кривизну клеточной мембраны (6). Нарушение липидной асимметрии имеет прямые биологические последствия. Например, воздействие PS является медиатором свертывания крови в тромбоцитах и ​​активатором рецепторов скавенджеров на макрофагах для апоптоза (7). Дефицит экспрессии скрамблазы TMEM16F приводит к дефектам транслокации PS к наружной створке и нарушению свертываемости крови, что впервые выявлено у пациентов, страдающих синдромом Скотта (8).С другой стороны, неапоптотическое временное воздействие PS на листок наружной мембраны также наблюдалось при различных других клеточных событиях, в том числе во время активации Т-клеток (9, 10).

    Другим важным аспектом липидной асимметрии плазматической мембраны является обогащение отрицательно заряженными фосфолипидами во внутренней створке. Плазматическая мембрана состоит из ~ 30% PS и 0,3% PIP 2 , ​​находящихся преимущественно во внутренней створке, которая генерирует статический отрицательный поверхностный потенциал -25 мВ (3, 11-13).Этот электростатический потенциал притягивает положительно заряженные молекулы из цитоплазмы и отталкивает молекулы с отрицательным зарядом, как описано законом Кулона (12, 14). Многие белки периферической мембраны содержат положительно заряженные мотивы и могут, таким образом, электростатически связываться с плазматической мембраной из-за отрицательного поверхностного заряда внутренней створки (Рис. 1). Например, было показано, что истощение PS и PIP 2 во время фагоцитоза вызывает снижение мембранных зарядов в фагосомной чашке и диссоциацию многоосновных мембранных белков, таких как K-ras, Rac1 и c-Src ( 15).Точно так же поливалентные заряды PIP 2 и PIP 3 при физиологическом pH вносят синергетический вклад в мембранную ассоциацию многих многоосновных заряженных белков, когда истощение только PIP 2 или PIP 3 недостаточно. вызвать диссоциацию мембраны (16). Такие электростатические белок-липидные взаимодействия могут обратно модулировать эффективную концентрацию PIP 2 в цитоплазматическом листке плазматической мембраны. PIP 2 является источником трех важных сотовых мессенджеров.PIP 2 может быть гидролизован до диацилглицерина (DAG) и инозитол-1,4,5-трифосфата (Ins (1,4,5) P 3 ), что приводит к активации пути протеинкиназы C (PKC) и внутриклеточное высвобождение Ca 2+ из эндоплазматического ретикулума (ER) соответственно. PIP 2 также может фосфорилироваться до PIP 3 , ​​что приводит к привлечению нижестоящих эффекторных белков, таких как протеинкиназа Akt (17). Хорошо изученным мембранным липид-белковым взаимодействием является конститутивное связывание PIP 2 с положительно заряженным белком, миристоилированным богатым аланином субстратом С-киназы (MARCKS) (18).Предполагается, что это взаимодействие действует как сток PIP 2 , ​​который изолирует и высвобождает PIP 2 , ​​когда он связан и диссоциирован с мембраной (13). Отделение MARCKS от мембраны может быть вызвано повышенным внутриклеточным Ca 2+ , поскольку вновь образованный комплекс Ca 2+ / кальмодулин заряжен отрицательно и конкурирует за связывание с положительно заряженными MARCKS.

    Рисунок 1 . Трансмембранный потенциал происходит как от потенциала Нернста, так и от потенциала поверхностного заряда.Внутренняя часть клетки содержит более высокие концентрации K + и отрицательно заряженные белки и молекулы ДНК, в то время как внешняя часть клетки более обогащена Ca 2+ и Na + . Ионы K + выходят из клетки вниз по этому градиенту концентрации через калиевые каналы, что приводит к общему отрицательному заряду внутри клетки. Это вызывает установление потенциала Нернста через мембрану (TM на графике), который измеряется в электрофизиологических исследованиях с использованием патч-кламп.В меньшем масштабе накопление отрицательно заряженных фосфолипидов во внутренней мембранной створке создает дзета-потенциал с эффективным диапазоном ~ 1 нм (дзета на графике). Положительно заряженные ионы притягиваются к анионной поверхности, что особенно заметно на внутреннем листке плазматической мембраны. Поверхностный потенциал на внутренней створке сильно отличается от такового на внешней створке, и разницу между двумя поверхностными потенциалами можно рассматривать как альтернативный, локальный трансмембранный потенциал, который может напрямую влиять на активность трансмембранных белков.

    Мембранный потенциал: уроки электрофизиологии

    Учитывая, что внутренние и внешние листочки плазматической мембраны несут преимущественно отрицательно и положительно заряженные липиды, соответственно, создается трансмембранный потенциал, явление, хорошо известное в электрофизиологии. Традиционно трансмембранный потенциал определяется как разница в концентрациях солевых ионов по обе стороны от мембраны (19, 20). Транспортеры, обменники, насосы и ионные каналы внутри мембраны, таким образом, поддерживают этот трансмембранный потенциал (21).Например, концентрация ионов K + выше в цитоплазме по сравнению с внеклеточным пространством, тогда как ионы Na + , Ca 2+ и Cl обнаруживаются в более высоких концентрациях внеклеточно (22). Чем выше проницаемость иона, тем сильнее влияние на трансмембранный потенциал (19). Например, из-за проницаемости потенциал покоя K + близок к потенциалу Нернста, в результате чего внутренняя часть клетки заряжается более отрицательно по сравнению с внеклеточной средой (22).

    Изменение трансмембранного потенциала традиционно изучается с помощью электрофизиологических методов (23). Эксперименты с фиксацией напряжения предоставляют средства для управления трансмембранным потенциалом при одновременном мониторинге активности ионных каналов, а режим фиксации тока позволяет измерять изменения мембранного напряжения, которые возникают в результате ионного потока через ионных каналов. Несмотря на свою мощь, такие методы не исследуют напрямую локализованное распределение заряда на плазматической мембране и не фиксируют изменения в распределении ионов вблизи заряженной поверхности мембраны (3, 14, 24–26).И наоборот, локализованный поток ионов, опосредованный активностью канала, может приводить к флуктуациям в распределении заряда на мембране. Активность ионных каналов может опосредовать спектр сигнальных путей, поскольку отдельные семейства ионных каналов управляются или активируются разными сигналами. Кроме того, ионные каналы могут проявлять селективность по отношению к определенным видам ионов, что приводит либо к деполяризации мембраны (смещение в сторону более положительных мембранных потенциалов), либо к гиперполяризации. В возбудимых клетках эти сдвиги мембранного потенциала регулируют генерацию потенциала действия через активацию потенциал-управляемых каналов.В невозбудимых клетках, таких как Т-лимфоциты, механизм, с помощью которого изменения мембранного потенциала регулируют передачу сигналов ниже по течению, менее ясен.

    В Т-лимфоцитах был идентифицирован ряд классов ионных каналов, которые обладают различными механизмами вентиляции и ионной селективностью. Управляемые напряжением и / или активируемые Ca 2+ каналы K + при активации функционируют для гиперполяризации мембраны (27). Управляемый по напряжению канал K + , K v 1.3 запускается в ответ на сдвиг от мембранного потенциала покоя к более положительным потенциалам, таким образом, активация этого канала напрямую зависит от изменений напряжения на плазматической мембране.Электрохимический градиент K + диктует, что при открытии селективных каналов K + ионы K + будут диффундировать из клетки, что приведет к гиперполяризации мембраны (27). Такой сдвиг в сторону более отрицательных мембранных потенциалов может иметь несколько последующих эффектов, включая увеличение электрохимической движущей силы, которая способствует притоку Ca 2+ или Na + , когда активируются каналы, селективные для этих ионов. Считается, что деполяризующие токи опосредуются в Т-лимфоцитах каналами TRPM4, активированным Ca 2+ , проницаемым для Na + каналом (28).Однако любой поступающий внутрь поток катионов будет деполяризовать мембрану. В Т-лимфоцитах был идентифицирован ряд Ca 2+ -проводящих ионных каналов, включая рецептор P2X7 и каналы Ca 2+ L-типа (9, 29). Канал Ca 2+ L-типа принадлежит к семейству потенциал-управляемых каналов Ca 2+ , однако в Т-лимфоцитах эти каналы не активируются деполяризацией мембраны (29, 30), и точный механизм активации неизвестен. .

    Различные типы трансмембранных потенциалов

    Как указано выше, традиционный электрофизиологический трансмембранный потенциал плазматической мембраны определяется как разность электростатических потенциалов диффундирующих ионов по обе стороны от мембраны (19, 20).Это приводит к эффектам дальнего действия, глобально воздействующим на трансмембранные белки, такие как ионные каналы и обменники. Можно также рассматривать трансмембранный потенциал более локально. То есть каждая граница раздела мембрана-раствор имеет свой собственный поверхностный потенциал, который определяется заряженными липидами в мембране и противоионами в растворе (рис. 1). Этот поверхностный потенциал часто называют дзета-потенциалом с характерной длиной Дебая, расстояние, на котором находится потенциал, уменьшается до 1 / e от его максимума (3, 14, 26).Поскольку внутренние и внешние листочки плазматической мембраны несут разные заряженные липиды, дзета-потенциал на внеклеточной и внутриклеточной стороне также различается (24, 26). Альтернативным определением трансмембранного потенциала является разность этих двух поверхностных потенциалов (25). В этом случае асимметричное распределение зарядовых липидов может влиять на трансмембранный потенциал несколькими способами. Во-первых, отрицательный дзета-потенциал может притягивать положительно заряженные ионы к поверхности мембраны, образуя двойной ионный слой, как описано Маклафлином и его коллегами (3, 12–14).В результате ионный градиент, непосредственно прилегающий к мембране, может существенно отличаться от градиента, измеренного в нерасфасованных растворах, например, в экспериментах с патч-клампом целых клеток (21, 23) (рис. 1). Вероятно, что каналы, например, более чувствительны к ионному окружению, непосредственно прилегающему к мембране, чем к дистальным объемным концентрациям ионов. Второй вклад заряженных липидов в этот альтернативный, локально определенный трансмембранный потенциал возникает из-за взаимодействий внутри бислоя.Теоретические расчеты и молекулярно-динамическое моделирование показали, что трансмембранный потенциал может быть создан исключительно из разницы поверхностных потенциалов между двумя створками, независимо от разницы концентраций ионов в объемных растворах по обе стороны от мембраны (25, 31). В плазматической мембране, где заряженные липиды асимметрично распределены между двумя листочками, наблюдаемый трансмембранный потенциал может быть описан исключительно разностью поверхностного потенциала (25).Действительно, динамическое молекулярное моделирование показало, что трансмембранный потенциал 70–100 мВ возникает либо из-за асимметричного распределения цвиттерионных липидов между двумя мембранными листочками, либо из-за предпочтительного связывания ионов Na + с одним листом бислоя, несмотря на ионную силу. объемного раствора по обе стороны от бислоя одинаковы (32, 33). Экспериментально было показано, что катионный канал P2X7, управляемый АТФ, чувствителен к перемещению PS от внутреннего к внешнему листку, другими словами, чувствителен к изменениям разности двух поверхностных потенциалов, но не к изменениям в основной массе. трансмембранный потенциал (9).

    Электростатические дзета-потенциалы также могут иметь прямое отношение к функции трансмембранных каналов и других белков. Заряженные головные группы липидов создают кулоновские силы, которые напрямую изменяют локальное электростатическое окружение ионных каналов и, следовательно, могут напрямую влиять на их механизм стробирования (34–37). Например, многоосновный заряженный мотив на цитозольной стороне многих ионных каналов, таких как потенциал-управляемые каналы K + , связывает полианионный PIP 2 посредством электростатических взаимодействий , так что открытие и закрытие этих ионных каналов происходит напрямую. регулируется локальной концентрацией заряженных липидов во внутреннем листке плазматической мембраны (35, 37).В действительности, вероятно, что большинство трансмембранных белков чувствительны как к локальным, так и к глобальным электростатическим силам.

    Боковые неоднородности в мембране приводят к появлению заряженных мембранных доменов

    В настоящее время хорошо известно, что латеральное распределение мембранных липидов приводит к образованию мембранных доменов. Напр., Модели липидного рафта и пикетного ограждения предполагают, что мембранные домены формируются посредством липид-липидных взаимодействий и / или мембранных взаимодействий с нижележащим цитоскелетом (38).Недавно было высказано предположение, что анионные фосфолипиды во внутренней створке мембраны также могут собираться латерально в нанокластеры и что это происходит зарядозависимым образом (39–41). Эти мембранные домены, вероятно, влияют на мембранные белки. Например, совместная кластеризация липидов и белков ответственна за активацию киназы K-Ras, а также за активацию так называемых комплексов рецептора растворимого белка прикрепления NSF (SNARE) во время слияния нейросинаптических мембранных везикул.В случае K-Ras деполяризация мембраны, вызванная высокими внеклеточными концентрациями K + , приводит к совместной кластеризации PS и K-Ras, чему способствуют электростатические взаимодействия между многоосновным заряженным мотивом на C-конце K- Ras и отрицательно заряженные липиды PS. Эти K-Ras / PS-домены активируют сигнальный путь митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK) (39). Интересно, что количество PS во внутреннем листке не изменяется при деполяризации мембраны, подчеркивая важность локальных изменений дзета-потенциала мембраны в отличие от глобального трансмембранного потенциала.

    Подобно PS, как теоретические, так и экспериментальные данные показали, что двухвалентно заряженные ионы, такие как Ca 2+ , могут напрямую связывать и поперечно сшивать PIP 2 с образованием нанодоменов, обогащенных PIP 2 (рис. 2). Четырехвалентный заряд PIP 2 генерирует сильные кулоновские силы, которые могут расширять диапазон локальной длины Дебая на внутренней створке (3, 12). В результате PIP 2 взаимодействует с различными положительно заряженными молекулами, включая катионы, посредством множественных электростатических взаимодействий, которые могут привести к латеральной кластеризации белка и липидов (рис. 2B).Например, взаимодействие двухвалентных ионов Ca 2+ не только снижает эффект электростатического отталкивания отрицательно заряженных липидов PIP 2 , ​​но также может образовывать внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи с PIP 2 через заряд-зарядовые взаимодействия (42 ). Интересно, что хотя и Ca 2+ , и Mg 2+ несут двухвалентные положительные заряды, электростатические взаимодействия с PIP 2 , ​​по-видимому, специфичны для Ca 2+ . Молекулярное моделирование предполагает, что, хотя Mg 2+ заряжен одинаково, его больший гидродинамический радиус не позволяет ему образовывать сильные электростатические взаимодействия, такие как водородные связи с PIP 2 (42, 43).Было обнаружено, что многие мембранные и даже цитозольные белки, содержащие положительно заряженные пептидные мотивы, совместно локализуются с нанокластерами PIP 2 (41, 44–46). Одно из возможных объяснений состоит в том, что положительный заряд Ca 2+ недостаточен для нейтрализации поливалентного и отрицательного заряда PIP 2 . Таким образом, даже при повышении внутриклеточных уровней Ca 2+ нанодомены Ca 2+ и PIP 2 могут оставаться сильно отрицательно заряженными. В результате белки с поливалентными, положительно заряженными мотивами будут притягиваться к этим доменам и, таким образом, сами образуют нанокластеры.Например, было обнаружено, что поликатионный синтаксин-1A белка SNARE образует нанокластеры с PIP 2 , ​​когда внутриклеточные концентрации Ca 2+ были повышены (40, 45). Такие нанокластеры ответственны за стыковку и слияние синаптических пузырьков во время нейротрансмиссии. Другой пример — полилизиновый мотив VP40 вируса Эбола, который усиливает кластеризацию PIP 2 . Кластеризация PIP 2 , ​​в свою очередь, ответственна за образование гексамерной структуры VP40 на внутренней мембранной створке, которая необходима для отпочкования вируса (47).В этом случае образование мембранных доменов не зависит от Ca 2+ , но напрямую опосредуется электростатическими взаимодействиями между PIP 2 и вирусным белком.

    Рисунок 2 . Высокая локальная плотность поверхностного заряда может вызывать мембранную ассоциацию и кластеризацию мембранных белков. (A) Моновалентный заряд фосфатидилсерина (PS) и фосфатидной кислоты (PA) может способствовать мембранной ассоциации катионных молекул и может действовать в сочетании с гидрофобными взаимодействиями посредством групп пальмитоилирования, миристоилирования и фарнезилирования (черные хвосты).Соединение отрицательно заряженных липидов (группа с оранжевой головкой) с положительно заряженными остатками (синие кружки) нейтрализует изменение мембраны и предотвращает дополнительные взаимодействия. (B) Напротив, мультивалентные взаимодействия между фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатом (PIP 2 ) / фосфатидилинозитол (3,4,5) -трифосфатом (PIP 3 ) (красные головные группы) и Ca 2+ (маленькие бирюзовые кружки) вызывают кластеризацию PIP 2 / PIP 3 , ​​но не полностью нейтрализуют отрицательный заряд, позволяя рекрутировать белки, содержащие многоосновные заряженные мотивы (синие формы).Такие поливалентные взаимодействия часто могут приводить к латеральной совместной кластеризации PIP 2 / PIP 3 с заряженными белками, образуя нанодомены на внутреннем листке клеточной мембраны, которые могут запускать активацию сигнальных процессов.

    Роль заряженных липидов в активации Т-клеток

    Когда TCR взаимодействует с родственным пептидом, представленным в главном комплексе гистосовместимости (pMHC), он инициирует сигнальный каскад, который завершается активацией Т-клеток.В течение последнего десятилетия становится все более очевидным, что локальная заряженная липидная среда вокруг TCR играет важную роль в этом процессе.

    Комплекс TCR состоит из альфа- и бета-субъединиц, которые опосредуют взаимодействия с молекулами pMHC, а также гомо- и гетеродимеров CD3 (CD3γ, CD3δ, CD3ε и CD3ζ), которые придают сигнальный потенциал. После лигирования TCR киназа семейства Src, Lck, фосфорилирует тирозины в основанных на иммунотирозине мотивах активации (ITAM) цепей CD3, которые становятся сайтами стыковки для связанной с дзета-цепью протеинкиназы 70 (ZAP70).Привлеченный мембраной ZAP70 затем фосфорилирует линкер для активированных Т-клеток (LAT), который привлекает множество адаптеров, которые распространяют передачу сигналов и приводят к клеточным эффекторным функциям, таким как секреция цитокинов.

    Последовательности, богатые основанием (BRS) в неструктурированных цитоплазматических хвостах субъединиц CD3ε (48) и CD3ζ (49, 50), а также коактивирующий рецептор CD28 (51), вызывают ассоциацию хвостов с отрицательно заряженными фосфолипидами в внутренний листок плазматической мембраны. ЯМР-исследования восстановленных фосфолипидных бицелл, состоящих из отрицательно заряженных фосфолипидов, показывают, что тирозиновые боковые цепи CD3ε ITAM скрыты в гидрофобном ядре (48, 52).Фосфорилирование тирозиновых остатков ITAM предотвращает ассоциацию цепей CD3 с мембраной, предположительно, предотвращая встречные штыревые остатки тирозина в гидрофобном ядре и снижая общий заряд хвоста.

    Первоначальное наблюдение, что цитоплазматический хвост CD3ε ассоциируется с отрицательно заряженными фосфолипидами, привело к предложению механизма «Safety On» для запуска TCR (48, 53) (Рисунок 3A). В этой гипотезе сигнальные мотивы TCR удерживаются изолированными от Lck до тех пор, пока взаимодействие между TCR и родственным pMHC не вызовет диссоциацию хвостов CD3ε и CD3ζ от мембраны, позволяя Lck получать доступ и фосфорилировать ITAMs (Figure 3A).В соответствии с гипотезой о безопасности мы недавно показали, что снижение электростатического потенциала внутреннего листка плазматической мембраны (за счет включения положительно заряженных липидов) приводит к спонтанному фосфорилированию CD3ζ (54). Хотя мы не можем исключить возможность усиления активности Lck в этих экспериментах, похоже, что повышенное фосфорилирование было результатом отсоединения хвостов CD3 от мембраны, что позволило Lck получить доступ к мотивам ITAM.

    Рисунок 3 .Модель Safety On запуска Т-клеточного рецептора (TCR). (A) В покоящихся Т-клетках комплекс TCR (желтый) не может спонтанно передавать сигналы за счет электростатических взаимодействий между богатыми основами последовательностями в цитоплазматических доменах CD3ε и CD3ζ и отрицательно заряженными фосфолипидами (окрашены в красный цвет). Это взаимодействие скрывает критические остатки тирозина в основанных на иммунотирозине мотивах активации (ITAM) CD3ε и CD3ζ в гидрофобном ядре мембраны, таким образом, физически изолируя их от Lck (зеленый), предотвращая фосфорилирование и инициирование последующей передачи сигналов.Когда TCR задействует родственный пептид, представленный в главном комплексе гистосовместимости (pMHC, пурпурный), хвосты CD3 высвобождаются из мембраны посредством неизвестного механизма, позволяя им фосфорилироваться с помощью Lck и инициировать передачу сигналов ниже по течению. (B) Нулевая гипотеза для модели «Безопасность включена», которая также согласуется с текущими данными. Цитоплазматические хвосты CD3 находятся в динамическом равновесии между погружением в мембрану и освобождением от нее. Индуцированное агонистом pMHC рекрутирование Lck и / или сегрегация фосфатаз (обзор альтернативных механизмов запуска см. Van der Merwe и Dushek (55)), позволяет фосфорилировать цепи CD3, что предотвращает повторную ассоциацию с мембраной. (C) Локальное высвобождение Ca 2+ (синие кружки), после начальной активации (первая панель), также может играть роль, нейтрализуя отрицательно заряженные липиды, высвобождая хвосты CD3 в соседних нелигированных TCR и позволяя им становиться фосфорилированный (вторая и третья панели). Это может быть важно для усиления начальных сигнальных событий.

    Два механистических вопроса возникают из гипотезы «Безопасность включена» и остаются неясными: (1) является ли диссоциация хвоста CD3 причиной или следствием фосфорилирования, и (2) если ассоциация хвоста действительно блокирует фосфорилирование, то каков механизм, связывающий связывание лиганда TCR с Диссоциация хвоста CD3?

    Фосфорилированные хвосты CD3ε и CD3ζ не связаны с мембраной, но требуется ли для этого полная диссоциация или это просто следствие фосфорилирования, еще предстоит окончательно доказать.Недавние результаты предполагают, что ассоциация CD3ε хвостов с мембраной является динамическим процессом, существующим во множественных связанных с мембраной конформационных состояниях, и что ITAM CD3, вероятно, будут свободны, по крайней мере, часть времени (52). Это оставляет открытой возможность того, что диссоциация хвоста CD3 от мембраны не регулируется взаимодействием лиганда, а скорее является следствием лиганд-опосредованного фосфорилирования, которое предотвращает повторную ассоциацию хвоста с внутренней створкой (Рис. 3B). К настоящему времени результаты экспериментов in vitro не продемонстрировали окончательно, что ассоциация с мембраной препятствует фосфорилированию, при этом о плохом фосфорилировании пептидов цитоплазматических доменов CD3ε и CD3ζ сообщалось в присутствии отрицательно заряженных фосфолипидных везикул, о которых сообщали одни (48, 50), тогда как другие наблюдали спонтанное фосфорилирование CD3ζ в липосомах, содержащих физиологические уровни PS (56).

    Напротив, результаты мутации последовательностей BRS хвоста CD3 последовательно показывают снижение фосфорилирования и потерю активации Т-клеток (49, 57, 58). Хотя результаты исследований мутаций BRS предполагают прямо противоположное тому, что предсказывает механизм «Safety On», Shah et al. (59) дают убедительное альтернативное объяснение. Их результаты демонстрируют, что Lck специфически распознает остатки тирозина с богатыми основными последовательностями выше и ниже по течению, например, в хвостах CD3ε и CD3ζ, тогда как ZAP70 распознает остатки тирозина, фланкированные отрицательно заряженными остатками, например, в LAT.Т.о., мутация BRS для нейтрализации заряда и снижения ассоциации с мембраной также вероятно ведет к дефектному фосфорилированию из-за плохого распознавания Lck, что заставляет пересмотреть результаты, основанные на этой стратегии. Эти результаты были недавно поддержаны Li et al. (60), которые показали, что мотив BRS является центральным для эффективного связывания Lck с CD3ε, что, в свою очередь, рекрутирует киназу в комплекс TCR и позволяет фосфорилировать другие цепи CD3.

    В цитоплазматических доменах субъединиц CD3δ и CD3γ отсутствуют последовательности BRS, и нет никаких доказательств того, что они связаны с мембраной.Исходная модель «Safety On» предсказывала, что это может привести к конститутивному фосфорилированию ITAMs в этих цепях, поскольку они подвергаются воздействию Lck. Результаты Shah et al. (59) и Ли и др. (60) также объясняют, почему это не так. Хотя цитоплазматические домены CD3δ и CD3γ не связаны с мембраной, отсутствие основных регионов, вероятно, делает их плохими субстратами для Lck и им может потребоваться индуцированная близость, опосредованная взаимодействием CD3ε-Lck, чтобы стать эффективно фосфорилированными (60).

    Подводя итог, кажется вероятным, что функция последовательностей BRS в неструктурированных цитоплазматических хвостах иммунорецепторов, содержащих сигнальные мотивы на основе иммунотирозина, двоякая: во-первых, чтобы хвосты рецепторов были лучшими субстратами для Lck (59), и, во-вторых, чтобы позволить для зависимой от заряда ассоциации с внутренней створкой, которая делает фосфорилирование чувствительным к механизмам, регулирующим эту ассоциацию (48-50). Кроме того, вместо бинарной причинно-следственной связи между ассоциацией хвоста CD3-мембраны и фосфорилированием мы предполагаем, что реальность находится где-то между крайностями, обозначенными на рисунках 3A, B, и что условия, используемые для запуска Т-лимфоцитов, могут влиять на то, насколько сильно фосфорилирование зависит от диссоциация хвоста.Например, условия, приводящие к сильной сегрегации фосфатазы и колокализации Lck / TCR, могут приводить к фосфорилированию без необходимости сдвигать равновесие ассоциации CD3ε и хвоста CD3ζ с мембраной (61). Напротив, сдвиг в этом равновесии хвостов CD3ε и CD3ζ также сдвигает чувствительность TCR к фосфорилированию до предела спонтанного, независимого от лиганда фосфорилирования в полностью диссоциированных хвостах (54).

    Мембранные заряды, Ca

    2+ и сигнализация TCR

    Это все еще оставляет вопрос о том, что регулирует взаимодействие CD3ε и CD3ζ хвостов с мембраной.Хотя было предложено индуцированное лигандом конформационное изменение в комплексе TCR (52), убедительных доказательств, напрямую связывающих это с диссоциацией хвоста, не было. Одним из механизмов, который действительно регулирует взаимодействие хвостов CD3ε и CD3ζ с мембраной, является внутриклеточная передача сигналов Ca 2+ (62). Это происходит за счет прямой ассоциации Ca 2+ с головными группами PS, что нейтрализует заряд. Фосфорилирование CD3ε и CD3ζ значительно снижается, но не отменяется, когда клетки стимулируются анти-CD3 в отсутствие Ca 2+ или когда клетки загружены хелатором кальция BAPTA-AM (62).Следует отметить, что передача сигналов Ca 2+ происходит после активации TCR, и, таким образом, трудно предвидеть, как эти эффекты могут составлять начальное запускающее событие. Вместо этого любые эффекты, опосредованные Ca 2+ , могут функционировать как механизм прямой связи, повышающий чувствительность и / или усиливающий передачу сигналов во время активации Т-клеток (рис. 3C).

    Помимо диссоциации хвоста CD3 от мембраны, Ca 2+ также вызывает кластеризацию Т-клеток (63), что может дополнительно усиливать активацию Т-клеток (64).Механизм, с помощью которого Ca 2+ вызывает кластеризацию TCR, в настоящее время неясен. В наших экспериментах спонтанное фосфорилирование CD3ζ, облегченное снижением электростатических взаимодействий с внутренним листком, было недостаточным для индукции кластеризации TCR (54), предполагая, что кластеризация не обязательно зависит от фосфорилирования. Как указано в разделах выше, многочисленные белки, содержащие положительно заряженные пептидные мотивы, локализуются совместно с нанокластерами Ca 2+ / PIP 2 (41, 44–46), что позволяет предположить, что это также может происходить с TCR.

    Дополнительный механизм прямой связи может иметь форму привязки ZAP70 к PIP 2 / PIP 3 . С-концевой домен Sh3 ZAP70 специфически взаимодействует с PIP 2 и PIP 3 через сайт, который отличается от сайта связывания фосфотирозина ITAMs (65). Взаимодействие PIP 2 / PIP 3 не мешает связыванию фосфотирозина ITAM и, по-видимому, играет важную вспомогательную роль во время активации Т-клеток, приводя к более устойчивым потокам Ca 2+ и продукции IL-2 (65).Генерация PIP 2 / PIP 3 происходит после передачи сигналов TCR и костимулирующего рецептора CD28 [см. (66, 67)], и, таким образом, этот механизм может обеспечивать пролонгированное привлечение ZAP70 в мембрану и устойчивую передачу сигналов в сайтах микрокластеров TCR / PIP 2 / PIP 3 . Интересно, что этот механизм стабилизации мембранных взаимодействий белков, содержащих домены Sh3, может применяться к широкому спектру сигнальных белков, многие из которых, как известно, взаимодействуют с PIP 2 / PIP 3 (65).Возникает соблазн предположить, что это общий механизм, обеспечивающий большую пространственную специфичность рекрутирования Sh3-содержащих белков на фосфорилированные белки в заряженных липидных микродоменах.

    Теперь понятно, что пространственное распределение мембранного заряда неоднородно по иммунологическому синапсу, что приводит к предположению, что разные заряженные участки мембраны ответственны за пространственное расположение TCR и связанных сигнальных белков во время активации Т-клеток (54, 68 –70).Например, приток Ca 2+ во время активации Т-клеток происходит в основном в центре или в синапсе, возможно, потому что каналы Ca 2+ , активируемые высвобождением Ca 2+ в плазматической мембране, активируются высвобождением Ca 2+ и датчик Ca 2+ STIM1 в ER в основном локализуется в центре иммунологического синапса (71). Более высокая локальная концентрация Ca 2+ может вызвать множество эффектов. Во-первых, двухвалентные ионы связывают отрицательно заряженные липиды во внутренней створке плазматической мембраны, так что эффективная локальная плотность поверхностного заряда снижается (62) (рис. 4).Было продемонстрировано, что Ca 2+ , посредством скрининга заряда может напрямую отделять хвосты CD3ε от внутреннего листка плазматической мембраны (62). Во-вторых, повышенные уровни Ca 2+ могут изменять активность других ферментов, которые дополнительно снижают локальный дзета-потенциал мембраны. Это включает активацию фосфолипазы Cγ (PLCγ) и подавление активности мембранных флиппаз. PLCγ гидролизует полианионный липид PIP 2 в DAG и IP 3 , ​​и, хотя нейтрально заряженный DAG остается на плазматической мембране, отрицательно заряженный IP 3 высвобождается из мембраны и связывается с рецептором IP 3 в ER, чтобы вызвать высвобождение Ca 2+ из ER.В результате поверхностный заряд мембраны в центре синапса уменьшается. Локальное накопление DAG в центре синапса отвечает за активацию членов семейства протеинкиназ C (PKC), что приводит к привлечению центра организации микротрубочек и установлению полярности клеток и направленной секреции цитотоксических гранул (70). , 72).

    Рисунок 4 . Распределение мембранного заряда в иммунологическом синапсе. (A) en face схематический вид внутренней створки Т-клетки, сталкивающейся с поверхностью, представляющей родственный пептид, представленный на лигандах главного комплекса гистосовместимости, показывая значительное ремоделирование распределения фосфолипидов в зрелом иммунологическом синапсе.Кластеры фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PIP 2 ) / фосфатидилинозитол (3,4,5) -трифосфата (PIP 3 ) и Ca 2+ (красные шестиугольники и синие кружки, соответственно, в увеличенном масштабе вверху слева) в области) формируются вблизи периферии контактного интерфейса, тогда как в центре иммунологического синапса PIP 2 / PIP 3 истощаются из-за действия PLCγ. Повышенный уровень Ca 2+ в центре иммунного синапса вызывает экстернализацию фосфатидилсерина (PS, оранжевые фосфолипиды) во внешнюю створку (проиллюстрировано в увеличенной области вверху справа), которые здесь также обогащены. (B) Графики содержания PS, PIP 2 / PIP 3 и Ca 2+ , а также дзета-потенциала по профилям линий через иммунологический синапс [пунктирная линия в (A) ]. Дзета-потенциал теряется в центре синапса из-за экстернализации PS и экранирования заряда Ca 2+ .

    Уровни

    Ca 2+ также регулируют активность флиппазы, которая отвечает за конститутивную транслокацию PS от внешнего листка к внутреннему листку плазматической мембраны и, таким образом, за асимметричное накопление PS на цитоплазматической стороне.Мембрана иммунного синапса в активированных Т-клетках обогащена PS (73), однако PS-специфический биосенсор демонстрирует, что PS исключен из микрокластеров TCR (74). Причина этого очевидного несоответствия заключается в том, что повышение внутриклеточного Ca 2+ в центре синапса подавляет активность флиппазы, так что внешняя транслокация PS с помощью флоппаз является доминирующей и перекрывает внутреннюю транслокацию (75). В результате PS в основном экстернализируется в центре и обогащенных Ca 2+ областях синапса (рис. 4A), а отрицательный локальный дзета-потенциал, генерируемый на внутренней створке, снижается (74).Также было замечено, что CD45 является негативным регулятором экстернализации PS (9), который в основном исключен из иммунологического синапса из-за большого размера его эктодомена (76). Исключение CD45 из центра синапса, следовательно, может также вносить вклад в установление градиента PS от центра к краю синапса (Figure 4B).

    В отличие от центра синапса, заряд мембраны в периферических областях синапса намного выше (54). Предыдущие исследования показали, что поливалентный отрицательно заряженный липид PIP 3 в основном расположен в периферической области синапса.PIP 3 отвечает за рекрутирование Dock2 и последующую активацию Rac1, что приводит к полимеризации актина и образованию плотного актинового кольца, окружающего периферическую область синапса (69). Актиновое кольцо необходимо для клеточной адгезии и направленной секреции цитотоксических гранул и цитокинов (69). PIP 3 также может быть ответственным за образование кластеров TCR посредством поливалентного электростатического взаимодействия с катионами Ca 2+ и многоосновными заряженными цепями CD3ε и CD3ζ комплекса TCR (рис. 4A).Недавно мы картировали заряды мембраны в иммунологическом синапсе с помощью нашего датчика заряда мембраны с резонансным переносом энергии Фёрстера и показали, что мембранные заряды в основном равномерно распределены в покоящихся Т-клетках (54). После активации TCR заряд резко снижается в центре, но сохраняется в периферической области синапса. Интересно, что глобальное снижение мембранных зарядов за счет включения положительно заряженных липидов в Т-клетки не изменило распределение относительного заряда в синапсе (54).Это предполагает, что локальные мембранные заряды внутри иммунологического синапса регулируются отдельно от общего липидного состава. Весьма вероятно, что эта локальная регуляция включает взаимодействие заряженных липидов, ионов в растворе и специфических сигнальных белков Т-клеток.

    Сводка

    В заключение, асимметричное распределение заряженных липидов между двумя листочками плазматической мембраны и латерально внутри листочков играет важную роль во многих клеточных процессах, включая передачу сигналов TCR.Заряженные липиды, в частности, создают электростатический дзета-потенциал, который не только различается на границе межклеточной и внутриклеточной мембран, но также может приводить к различным структурам заряда мембраны, как в случае иммунологического синапса. Электростатический потенциал внутреннего листка плазматической мембраны локально регулирует временные взаимодействия цитозольных белков и ассоциацию цитозольных хвостов трансмембранных комплексов. Это, вероятно, контролирует фосфорилирование комплекса TCR-CD3 в Т-клетках.Поверхностные заряды также притягивают ионы из раствора, и локально ограниченные взаимодействия между заряженными липидами с поливалентными белками и ионами, такими как Ca 2+ , могут привести к образованию заряженных мембранных доменов или нанокластеров. Электростатическое притяжение ионов к заряженным мембранам эффективно изменяет ионную силу, прилегающую к мембране, по сравнению с объемным раствором. Этого эффекта достаточно, чтобы установить трансмембранный потенциал, который сильно отличается от того, который традиционно исследуется с помощью электрофизиологии.Кроме того, дзета-потенциалы могут напрямую управлять закрытием трансмембранных каналов, что может приводить к потокам ионов, которые, в свою очередь, влияют на электростатические взаимодействия белков и заряженных мембран. Таким образом, возникает сложная и целостная картина, в которой заряженные липиды, ионы в растворе и временные белковые взаимодействия находятся в динамическом равновесии. Мы только сейчас начинаем понимать, как проксимальная передача сигналов Т-лимфоцитов вписывается в эту картину, но даже при нашем неполном понимании кажется очевидным, что локальный наноразмерный заряд мембраны имеет важные последствия для функции TCR.

    Авторские взносы

    KG определила объем обзора. YM и JG разработали и изготовили фигурки. Все авторы написали и рецензировали рукопись.

    Заявление о конфликте интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Финансирование

    KG также выражает признательность за финансирование от Центра передового опыта ARC в области передовой молекулярной визуализации (CE140100011).

    Список литературы

    3. Маклафлин С. Электростатические свойства мембран. Annu Rev Biophys Biophys Chem (1989) 18: 113–36. DOI: 10.1146 / annurev.bb.18.060189.000553

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    4. Манно С., Такакува Ю., Мохандас Н. Определение функциональной роли липидной асимметрии в биологических мембранах: взаимодействия фосфатидилсерина и скелетных белков модулируют стабильность мембран. Proc Natl Acad Sci U S A (2002) 99 (4): 1943–8.DOI: 10.1073 / pnas.042688399

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    5. Фадил Б., Сюэ Д. Все аспекты асимметрии фосфолипидов в плазматической мембране: роль в здоровье и болезни. Crit Rev Biochem Mol Biol (2009) 44 (5): 264–77. DOI: 10.1080 / 104092303307

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    6. Сюй П., Болдридж Р.Д., Чи Р.Дж., Берд К.Г., Грэм Т.Р. Переворачивание фосфатидилсерина увеличивает кривизну мембраны и отрицательный заряд, необходимый для везикулярного транспорта. J Cell Biol (2013) 202 (6): 875–86. DOI: 10.1083 / jcb.201305094

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    8. Кунцельманн К., Нилиус Б., Овсианик Г., Шрайбер Р., Узингсават Дж., Сирианант Л. и др. Молекулярные функции аноктамина 6 (TMEM16F): хлоридный канал, катионный канал или фосфолипидная скрамблаза? Pflugers Arch (2014) 466 (3): 407–14. DOI: 10.1007 / s00424-013-1305-1

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    9.Эллиотт Дж. И., Сюрпренант А., Марелли-Берг Ф. М., Купер Дж. С., Кэссиди-Кейн Р. Л., Вудинг С. и др. Распределение мембранного фосфатидилсерина как неапоптотический сигнальный механизм в лимфоцитах. Nat Cell Biol (2005) 7 (8): 808–16. DOI: 10.1038 / ncb1279

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    10. Рысави Н.М., Шимода Л.М.Н., Диксон А.М., Спек М., Стокс А.Дж., Тернер Х. и др. Помимо апоптоза: механизм и функция асимметрии фосфатидилсерина в мембране активирующих тучных клеток. Биоархитектура (2014) 4 (4–5): 127–37. DOI: 10.1080 / 194

  • .2014.995516

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    11. Левентис П.А., Гринштейн С. Распределение и функция фосфатидилсерина в клеточных мембранах. Annu Rev Biophys (2010) 39: 407–27. DOI: 10.1146 / annurev.biophys.0.131234

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    12. Лангнер М., Кафисо Д., Марселья С., Маклафлин С. Электростатика фосфоинозитидных двухслойных мембран.Теоретические и экспериментальные результаты. Biophys J (1990) 57 (2): 335–49. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (90) 82535-2

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    14. Маклафлин С. Электростатические потенциалы на границах раздела мембрана-раствор. Curr Top Membr Transp (1977) 9: 71–144. DOI: 10.1016 / S0070-2161 (08) 60677-2

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    15. Йунг Т., Теребизник М., Ю. Л., Сильвиус Дж., Абиди В. М., Филипс М. и др.Активация рецептора изменяет потенциал внутренней поверхности во время фагоцитоза. Science (2006) 313 (5785): 347–51. DOI: 10.1126 / science.1129551

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    16. Хео В.Д., Иноуэ Т., Парк В.С., Ким М.Л., Пак Б.О., Wandless TJ и др. Липиды PI (3,4,5) P3 и PI (4,5) P2 нацелены на белки с многоосновными кластерами на плазматическую мембрану. Science (2006) 314 (5804): 1458–61. DOI: 10.1126 / science.1134389

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    17.Саламон Р.С., Бэкер Дж. М.. PIP3: средство выбора для PI 3-киназ класса I. Bioessays (2013) 35 (7): 602–11. DOI: 10.1002 / bies.201200176

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    18. Ким Дж., Шишидо Т., Цзян Х, Адерем А., Маклафлин С. Фосфорилирование, высокая ионная сила и кальмодулин меняют связывание MARCKS с фосфолипидными везикулами. J Biol Chem (1994) 269 (45): 28214–9.

    PubMed Аннотация | Google Scholar

    20. Ходжкин А.Л., Хаксли А.Ф.Количественное описание мембранного тока и его применение к проводимости и возбуждению в нерве. J. Physiol (1952) 117 (4): 500–44. DOI: 10.1113 / jphysiol.1952.sp004764

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    22. Раз А., Перуанский М. Глава 7 — Физиология центральной нервной системы: нейрофизиология. В: Хеммингс Х.С., Иган Т.Д., редакторы. Фармакология и физиология анестезии . Филадельфия: W.B. Сондерс (2013). п. 103–22.

    Google Scholar

    23.Хэмилл О.П., Марти А., Нехер Э., Сакманн Б., Сигворт Ф.Дж. Усовершенствованные методы фиксации патч-зажима для записи тока с высоким разрешением от клеток и бесклеточных мембранных участков. Арка Пфлюгерса (1981) 391 (2): 85–100. DOI: 10.1007 / BF00656997

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    24. Аоно О., Оки С. Происхождение потенциала покоя мембраны аксона. J Theor Biol (1972) 37 (2): 273–82. DOI: 10.1016 / 0022-5193 (72)

  • -7

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    25.Оки С. Мембранный потенциал, поверхностный потенциал и ионная проницаемость. Phys Lett A (1979) 75 (1): 149–52. DOI: 10.1016 / 0375-9601 (79)

    -4

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    27. Льюис Р.С., Кахалан Мэриленд. Подмножество специфической экспрессии калиевых каналов в развивающихся Т-лимфоцитах мыши. Science (1988) 239 (4841 Pt 1): 771–5. DOI: 10.1126 / science.2448877

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    28. Launay P, Cheng H, Srivatsan S, Penner R, Fleig A, Kinet JP.TRPM4 регулирует колебания кальция после активации Т-клеток. Science (2004) 306 (5700): 1374–7. DOI: 10.1126 / science.1098845

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    30. Баду А., Джа М.К., Маца Д., Мехал В.З., Фрейхель М., Флокерци В. и др. Критическая роль β-регуляторных субъединиц Cav каналов в функции Т-лимфоцитов. Proc Natl Acad Sci U S A (2006) 103 (42): 15529–34. DOI: 10.1073 / pnas.0607262103

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    31.Сюй Ц., Лёв Л. Влияние асимметричных поверхностных потенциалов на внутримембранное электрическое поле, измеренное с помощью чувствительных к напряжению красителей. Biophys J (2003) 84 (4): 2768–80. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (03) 75081-4

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    32. Ли С.Дж., Сон Й., Бейкер Н.А. Моделирование молекулярной динамики асимметричных растворов NaCl и KCl, разделенных бислоями фосфатидилхолина: потенциальные падения и структурные изменения, вызванные сильными взаимодействиями Na + -липидов и эффектами конечных размеров. Biophys J (2008) 94 (9): 3565–76. DOI: 10.1529 / biophysj.107.116335

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    33. Гуртовенко А.А., Ваттулайнен И. Трансмембранная асимметрия липидов и внутренний мембранный потенциал: две стороны одной медали. J Am Chem Soc (2007) 129 (17): 5358–9. DOI: 10.1021 / ja070949m

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    35. Зайдман М.А., Сильва Дж. Р., Делалое К., Ли Й, Лян Х., Ларссон Х. П. и др. Kv7.1 ионным каналам требуется липид для связи измерения напряжения с открытием пор. Proc Natl Acad Sci U S A (2013) 110 (32): 13180–5. DOI: 10.1073 / pnas.1305167110

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    36. Зайдман М.А., Цуй Дж. Регулирование PIP2 каналов KCNQ: биофизические и молекулярные механизмы липидной модуляции потенциал-зависимого стробирования. Front Physiol (2014) 5: 195. DOI: 10.3389 / fphys.2014.00195

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    37.Long SB, Tao X, Campbell EB, MacKinnon R. Атомная структура потенциал-зависимого канала K + в липидной мембраноподобной среде. Nature (2007) 450 (7168): 376–82. DOI: 10.1038 / nature06265

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    39. Чжоу Ю., Вонг CO, Чо К.Дж., ван дер Хувен Д., Лян Х., Такур Д.П. и др. Передача сигнала. Мембранный потенциал модулирует динамику фосфолипидов плазматической мембраны и передачу сигналов K-Ras. Наука (2015) 349 (6250): 873–6.DOI: 10.1126 / science.aaa5619

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    40. Зилли Ф.Е., Халемани Н.Д., Вальрафен Д., Спитта Л., Шрайбер А., Ян Р. и др. Са2 + вызывает кластеризацию мембранных белков в плазматической мембране посредством электростатических взаимодействий. EMBO J (2011) 30 (7): 1209–20. DOI: 10.1038 / emboj.2011.53

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    41. Хонигманн А., ван ден Богаарт Г., Ираета Е., Рисселада Х. Дж., Милованович Д., Мюллер В. и др.Фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатные кластеры действуют как молекулярные маяки для рекрутирования везикул. Nat Struct Mol Biol (2013) 20 (6): 679–86. DOI: 10.1038 / nsmb.2570

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    43. Ван Ю.Х., Коллинз А., Го Л., Смит-Дюпон К.Б., Гай Ф., Свиткина Т. и др. Индуцированное двухвалентным катионом образование кластеров полифосфоинозитидами в модельных мембранах. J Am Chem Soc (2012) 134 (7): 3387–95. DOI: 10.1021 / ja208640t

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    45.Милованович Д., Платен М., Юниус М., Дидериксен Ю., Шаап И.А., Хонигманн А. и др. Кальций способствует образованию мезомасштабных доменов синтаксина 1 через фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат. J Biol Chem (2016) 291 (15): 7868–76. DOI: 10.1074 / jbc.M116.716225

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    46. Перес-Лара А., Тапа А., Ньенхуис С.Б., Найенхуис Д.А., Гальдер П., Титцель М. и др. PtdInsP2 и PtdSer взаимодействуют, чтобы улавливать синаптотагмин-1 на плазматической мембране в присутствии кальция. Элиф (2016) 5: e15886. DOI: 10.7554 / eLife.15886

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    47. Gc JB, Герстман Б.С., Стахелин Р.В., Чапагейн П.П. Гексамер белка VP40 вируса Эбола усиливает кластеризацию липидов PI (4,5) P2 в плазматической мембране. Phys Chem Chem Phys (2016) 18 (41): 28409–17. DOI: 10.1039 / C6CP03776C

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    48. Сюй Ц., Ганьон Э., Call ME, Schnell JR, Schwieters CD, Carman CV, et al.Регуляция активации Т-клеточного рецептора путем динамического связывания с мембраной цитоплазматического тирозинового мотива CD3epsilon. Cell (2008) 135 (4): 702–13. DOI: 10.1016 / j.cell.2008.09.044

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    49. Zhang H, Cordoba SP, Dushek O, van der Merwe PA. Основные остатки в цитоплазматическом домене дзета-рецептора Т-клеток опосредуют ассоциацию с мембраной и модулируют передачу сигналов. Proc Natl Acad Sci U S A (2011) 108 (48): 19323–8.DOI: 10.1073 / pnas.1108052108

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    51. Доббинс Дж., Ганьон Э., Годек Дж., Пирдол Дж., Вигнали Д.А., Шарп А.Х. и др. Связывание цитоплазматического домена CD28 с плазматической мембраной ингибирует рекрутирование Lck и передачу сигналов. Научный сигнал (2016) 9 (438): ra75. DOI: 10.1126 / scisignal.aaf0626

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    52. Гуо X, Ян Ц., Ли Х, Хуанг В., Ши Х, Хуанг М. и др. Липид-зависимая конформационная динамика лежит в основе функциональной универсальности Т-клеточного рецептора. Cell Res (2017) 27 (4): 505–25. DOI: 10.1038 / cr.2017.42

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    54. Ма Й., Ямамото Й., Никович П. Р., Гойетт Дж., Росси Дж., Гудинг Дж. Дж. И др. Датчик FRET позволяет количественно измерять заряд мембраны в живых клетках. Nat Biotechnol (2017) 35 (5): 481. DOI: 10.1038 / nbt0517-481e

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    57. Беттини М.Л., Гай С., Дэш П., Виньяли К.М., Хамм Д.Э., Доббинс Дж. И др.Мембранная ассоциация сигнального домена CD3epsilon необходима для оптимального развития и функционирования Т-клеток. J Immunol (2014) 193 (1): 258–67. DOI: 10.4049 / jimmunol.1400322

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    58. Фернандес Р.А., Ю.С., Кармо А.М., Эванс Э.Дж., ван дер Мерве ПА, Дэвис С.Дж. Что контролирует фосфорилирование Т-клеточного рецептора? Cell (2010) 142 (5): 668–9. DOI: 10.1016 / j.cell.2010.08.018

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    59.Shah NH, Wang Q, Yan Q, Karandur D, Kadlecek TA, Fallahee IR, et al. Механизм электростатической селекции контролирует последовательную передачу сигналов киназы ниже рецептора Т-клеток. Элиф (2016) 5: e20105. DOI: 10.7554 / eLife.20105

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    60. Li L, Guo X, Shi X, Li C, Wu W., Yan C, et al. Ионное взаимодействие CD3-Lck регулирует инициирование передачи сигналов Т-клеточного рецептора. Proc Natl Acad Sci U S A (2017) 114 (29): E5891–9.DOI: 10.1073 / pnas.17019

  • CrossRef Полный текст | Google Scholar

    61. Чанг В.Т., Фернандес Р.А., Ганцингер К.А., Ли С.Ф., Зибольд С., Макколл Дж. И др. Инициирование передачи сигналов Т-клетками посредством сегрегации CD45 в «тесных контактах». Nat Immunol (2016) 17 (5): 574–82. DOI: 10.1038 / ni.3392

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    62. Ши Х, Би Й, Ян В., Го Х, Цзян И, Ван С. и др. Са2 + регулирует активацию Т-клеточного рецептора, модулируя заряд липидов. Nature (2013) 493 (7430): 111–5. DOI: 10.1038 / природа11699

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    63. Ма Й., Пандзич Э., Никович П.Р., Ямамото Й., Квятек Дж., Пейджон С.В. и др. Межмолекулярный датчик FRET обнаруживает динамику кластеризации рецепторов Т-клеток. Нац Коммуна (2017) 8: 15100. DOI: 10.1038 / ncomms15100

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    64. Пейджон С.В., Табарин Т., Ямамото Ю., Ма Ю., Бриджман Дж. С., Конен А. и др.Функциональная роль нанокластеров Т-клеточных рецепторов в инициации сигнала и распознавании антигенов. Proc Natl Acad Sci U S A (2016) 113 (37): E5454–63. DOI: 10.1073 / pnas.1607436113

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    65. Пак MJ, Sheng R, Silkov A, Jung DJ, Wang ZG, Xin Y, et al. Домены Sh3 служат липид-связывающими модулями для сигнальных белков pTyr. Mol Cell (2016) 62 (1): 7–20. DOI: 10.1016 / j.molcel.2016.01.027

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    66.Acuto O, Michel F. CD28-опосредованная костимуляция: количественная поддержка передачи сигналов TCR. Nat Rev Immunol (2003) 3 (12): 939–51. DOI: 10.1038 / nri1248

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    69. Ле Флок А., Танака Ю., Бантилан Н. С., Вуазин Дж., Алтан-Бонне Дж., Фукуи Ю. и др. Накопление кольцевого PIP3 контролирует архитектуру актина и модулирует цитотоксичность в иммунологическом синапсе. J Exp Med (2013) 210 (12): 2721–37. DOI: 10.1084 / jem.20131324

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    70.Quann EJ, Merino E, Furuta T., Huse M. Локализованный диацилглицерин управляет поляризацией центра организации микротрубочек в Т-клетках. Nat Immunol (2009) 10 (6): 627–35. DOI: 10.1038 / ni.1734

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    71. Hartzell CA, Jankowska KI, Burkhardt JK, Lewis RS. Приток кальция через каналы CRAC контролирует организацию и динамику актина в иммунном синапсе. Элиф (2016) 5: e14850. DOI: 10.7554 / eLife.14850

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    72.Quann EJ, Liu X, Altan-Bonnet G, Huse M. Каскад изоферментов протеинкиназы C способствует поляризации цитоскелета в Т-клетках. Nat Immunol (2011) 12 (7): 647–54. DOI: 10.1038 / ni.2033

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    73. Зеч Т., Эйсинг К.С., Гаус К., де Вет Б., Шевченко А., Саймонс К. и др. Накопление липидов рафта в доменах плазматической мембраны Т-клеток, участвующих в передаче сигналов TCR. EMBO J (2009) 28 (5): 466–76. DOI: 10.1038 / emboj.2009.6

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    74.Gagnon E, Schubert DA, Gordo S, Chu HH, Wucherpfennig KW. Локальные изменения в липидном окружении микрокластеров TCR регулируют связывание с мембраной цитоплазматическим доменом CD3epsilon. J Exp Med (2012) 209 (13): 2423–39. DOI: 10.1084 / jem.20120790

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    75. Фишер К., Воелкл С., Бергер Дж., Андрисен Р., Поморски Т., Макенсен А. Распознавание антигена индуцирует воздействие фосфатидилсерина на клеточную поверхность CD8 + Т-клеток человека. Кровь (2006) 108 (13): 4094–101.DOI: 10.1182 / кровь-2006-03-011742

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    границ | От редакции: Мембранные липиды в функциях Т-клеток

    От редакции по теме исследования

    Мембранные липиды в функциях Т-клеток

    Липиды плазматической мембраны играют важную роль в регуляции передачи сигналов, дифференцировки и эффекторных функций Т-клеток. Основными видами липидов в плазматической мембране являются глицерофосфолипиды, сфинголипиды и стеролипиды.TCR и костимулирующие молекулы приводят к глубоким изменениям в составе, распределении и динамике липидов плазматической мембраны. Например, холестерин, сфингомиелин и насыщенный фосфохолин обогащаются в зоне контакта между Т-клетками и антигенпрезентирующими клетками во время распознавания комплексов пептид / МНС, где они составляют платформу липидных доменов, необходимых для оптимальной передачи сигналов Т-клетками. Глицерофосфолипид обеспечивает стыковочные участки для связывания основных сигнальных белков, а также для их конформации, разделения на части и подвижности.Наконец, липиды плазматической мембраны также действуют как вторичные посредники с важными иммунорегуляторными функциями.

    Эта тема исследования содержит семь статей, в которых рассматриваются современные представления о механизмах и молекулах, участвующих в метаболизме и функции мембранных липидов, и о том, как различия в их содержании могут влиять на функциональные свойства Т-клеток.

    Одним из основных важных открытий в биологии Т-клеток стала идентификация специфических сигнальных платформ, обогащенных холестерином и гликосфинголипидами, называемых липидными рафтами, где накапливаются критические ферменты, адаптеры и белки каркаса и запускают основные пути передачи сигналов (1, 2). .После тщательного исторического пересмотра биохимических, биофизических и визуализирующих подходов, которые использовались в течение последних 20 лет для определения состава, динамики и функций липидных рафтов, Zumerle et al. обсуждают значимость мембранных рафтов в сигнальных функциях Т-клеток и ключевую роль костимулирующей молекулы CD28 в кластеризации мембранных рафтов в иммунологическом синапсе (IS) посредством массовых событий реорганизации актина. Интересно, что реорганизация цитоскелета и полимеризация актина также регулируются фосфатидилинозитол-4,5-бифосфатом (PIP2), мембранным фосфолипидом, который контролирует активность нескольких белков, важных для функций Т-клеток (Porciello et al.). Фосфатидилинозитол-4-фосфат-5-киназы (PIP5K) в основном участвуют в синтезе PIP2, и у человека были идентифицированы три изоформы (α, β и γ) и другие варианты сплайсинга. PIP5Kα и β были недавно идентифицированы как основные регуляторы воспалительных и костимулирующих функций CD28 (3–5), таким образом представляя полезные мишени для воспалительных и аутоиммунных заболеваний. Используя недавно открытый ингибитор PIP5Kα, ISA-2011B (6, 7), Kunkl et al. доказали критическую роль PIP5Kα в регуляции CD28-опосредованной активации воспалительных цитокинов у пациентов с диабетом 1 типа.

    Другая важная функция PIP2 — служить субстратом для фосфоинозитид-3-киназ класса 1 (PI3K), которые, фосфорилируя PIP2 в положении D3 инозитолового кольца, генерируют липиды фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфата (PIP3). Путь передачи сигналов PI3K имеет решающее значение для развития, созревания и функционирования иммунных клеток, и в своем обзоре Элих и Зауэр подробно обсуждают роль аналогов PIP3, IP4 и IP7, а также ферментов, ответственных за их синтез и обмен в стволовых клетках. гомеостаз, функция нейтрофилов и NK-клеток, а также развитие и функция B-клеток и T-клеток.Также обсуждается патологическая роль нарушения регуляции активности IP4 в лимфоцитах, а также ее связь с некоторыми злокачественными новообразованиями В-клеток, такими как болезнь Кавасаки или тяжелый комбинированный иммунодефицит.

    Поддержание структуры и стабильности липидных рафтов в Т-клетках также обеспечивается количеством холестерина (8), поскольку изменения содержания холестерина могут влиять на биофизические свойства липидных рафтов (9). Влияние регуляторов транскрипции холестерина, в частности Х-рецепторов печени (LXR), рецепторов эстрогена (ER) и рецепторов, активируемых пролифератором пероксисом (PPAR), на мембранные липидные рафты и функции Т-клеток обсуждается в обзоре Robinson et al.которые описывают роль этих факторов транскрипции ядерных рецепторов в управлении метаболизмом липидов. В частности, авторы подчеркивают причастность дерегулированного функционирования LXR, ER и PPAR к нескольким иммунным заболеваниям и потенциальную пользу воздействия на эти рецепторы в качестве терапевтического подхода к аутоиммунным и воспалительным заболеваниям.

    Учитывая критическую структурную и функциональную роль холестерина, метаболизм холестерина Т-клеток представляет большой интерес как для фундаментальных, так и для трансляционных исследований.В обзоре Bietz et al. авторы обсуждают недавние основополагающие работы, показывающие, что метаболизм холестерина имеет решающее значение не только для создания липидных строительных блоков в пролиферирующих Т-клетках, но также для приобретения эффекторной функции Т-клеток (10–12). Таким образом, регулирование метаболизма холестерина можно использовать для усиления активности Т-клеток в контексте различных заболеваний, таких как рак и аутоиммунитет. Воспользовавшись лекарствами, ранее разработанными для лечения метаболических заболеваний, исследователи могут использовать их для иммунотерапии, что открывает новые возможности для клинического применения.Концепция инь-янь может быть хорошо отражена в терапевтических планах.

    Биофизические свойства клеточной мембраны также регулируются сфингомиелиназами, которые, катализируя распад сфингомиелина на церамид, играют критическую роль в реорганизации актинового цитоскелета и поляризации Т-лимфоцитов (13-15). Используя как ингибирующие препараты (ES048), так и специфическую миРНК, Collenburg et al. доказательства того, что активность нейтральной сфингомиелиназы необходима для CXCR4-индуцированной реорганизации цитоскелета, поляризации и направленной миграции CD4 + Т-лимфоцитов, а также для созревания аффинности LFA-1 и адгезии во время трансэндотелиальной миграции.

    Один новый аспект, обсуждаемый Ma et al. это влияние мембранных зарядов на передачу сигналов TCR. Например, плазматическая мембрана имеет асимметричное распределение фосфолипидов с нейтральными фосфолипидами, такими как сфингомиелин, локализованными в основном во внешнем листке, и анионными фосфолипидами во внутреннем листке (16). Авторы сосредотачиваются на роли электростатического потенциала внутреннего листочка в регуляции ранних сигнальных событий, запускаемых с помощью TCR, и его ассоциации с цитоплазматическими хвостами CD3.Они также обсуждают влияние заряженных липидов внутри IS на создание электростатического потенциала, который дифференциально регулируется от остальной части плазматической мембраны и необходим для эффективной передачи сигналов TCR.

    Таким образом, мы все еще находимся на ранней стадии понимания сложной роли мембранных липидов в биологии Т-клеток, но текущий прогресс подчеркивает светлое будущее этой области. Понимание структурных и функциональных ролей различных липидных молекул в Т-клетках приведет к лучшему пониманию биологии Т-клеток, а также позволит разработать новые иммунотерапевтические методы лечения различных заболеваний.

    Авторские взносы

    LT написал первый черновик рукописи и обновил последнюю версию. CX доработал и исправил черновик.

    Заявление о конфликте интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Финансирование

    LT финансируется FISM — Fondazione Italiana Sclerosi Multipla — cod. 2016 / R / 29 и Sapienza Università di Roma (B83C17000530005).CX финансируется CAS (QYZDB-SSW-SMC048, CAS Facility-based Open Research Program, XDB08020100), NSFC (31425009, 31530022, 31621003), STCSM (16JC1404800, 15XD1504200) и Национальной программой поддержки молодых специалистов высшего уровня. .

    Список литературы

    3. Muscolini M, Camperio C, Capuano C, Caristi S, Piccolella E, Galandrini R и др. Активация фосфатидилинозитол-4-фосфат-5-киназы альфа критически влияет на CD28-зависимые сигнальные ответы. J Immunol (2013) 190: 5279–86.DOI: 10.4049 / jimmunol.1203157

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    4. Muscolini M, Camperio C, Porciello N, Caristi S, Capuano C, Viola A и др. Фосфатидилинозитол-4-фосфат-5-киназа альфа и Vav1 взаимное сотрудничество в CD28-опосредованном ремоделировании актина и функциях передачи сигналов. Дж. Иммунол (2015) 194: 1323–33. DOI: 10.4049 / jimmunol.1401643

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    5. Калликурдис М., Тровато А.Е., Роселли Дж., Мусколини М., Порсьелло Н., Туосто Л. и др.Фосфатидилинозитол-4-фосфат-5-киназа β контролирует привлечение липидных рафтов в иммунологический синапс. Дж. Иммунол (2016) 196: 1955–63. DOI: 10.4049 / jimmunol.1501788

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    6. Сарвар М., Семенас Дж., Мифтахова Р., Симулис А., Робинсон Б., Гьорлофф Вингрен А. и др. Направленное подавление AR-V7 с использованием ингибитора PIP5K1alpha преодолевает устойчивость к энзалутамиду в клетках рака простаты. Oncotarget (2016) 7: 63065–81.DOI: 10.18632 / oncotarget.11757

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    7. Семенас Дж., Хедблом А., Мифтахова Р.Р., Сарвар М., Ларссон Р., Щербина Л. и др. Роль PI3K / AKT PIP5K1alpha и открытие его селективного ингибитора для лечения распространенного рака простаты. Proc Natl Acad Sci U S A (2014) 111: E3689–98. DOI: 10.1073 / pnas.1405801111

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    8. Свами М., Бек-Гарсия К., Бек-Гарсиа Э., Хартл Ф.А., Морат А., Юсефи О.С. и др.Аллостерическая модель фосфорилирования Т-клеточного рецептора на основе холестерина. Иммунитет (2016) 44: 1091–101. DOI: 10.1016 / j.immuni.2016.04.011

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    9. Левенталь И., Гржибек М., Саймонс К. Рафт-домены с переменными свойствами и составом в везикулах плазматической мембраны. Proc Natl Acad Sci U S A (2011) 108: 11411–6. DOI: 10.1073 / pnas.1105996108

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    10.Бенсингер С.Дж., Брэдли М.Н., Джозеф С.Б., Зелцер Н., Янссен Е.М., Хауснер М.А. и др. Передача сигналов LXR связывает метаболизм стеролов с пролиферацией приобретенного иммунного ответа. Cell (2008) 134: 97–111. DOI: 10.1016 / j.cell.2008.04.052

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    11. Кидани Й., Эльзэссер Х., Хок М.Б., Вергнес Л., Уильямс К.Дж., Аргус Дж. П. и др. Белки, связывающие регуляторные элементы стеролов, необходимы для метаболического программирования эффекторных Т-клеток и адаптивного иммунитета. Nat Immunol (2013) 14: 489–99. DOI: 10.1038 / ni.2570

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    12. Ян В., Бай И, Сюн Й, Чжан Дж, Чен С., Чжэн Х и др. Усиление противоопухолевого ответа CD8 (+) Т-клеток путем модуляции метаболизма холестерина. Nature (2016) 531: 651–5. DOI: 10.1038 / природа17412

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    13. Гассерт Э., Авота Э., Хармс Х., Кроне Г., Гулбинс Э., Шнайдер-Шаулис С.Индукция мембранных керамидов: новая стратегия вмешательства в реорганизацию цитоскелета Т-лимфоцитов при вирусной иммуносупрессии. PLoS Pathog (2009) 5: e1000623. DOI: 10.1371 / journal.ppat.1000623

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    14. Лопес Пиньейро М.А., Крун Дж., Хугенбоезем М., Гертс Д., ван Хет Хоф Б., ван дер Пол С.М. и др. Керамид, производный от кислой сфингомиелиназы, регулирует функцию ICAM-1 во время трансмиграции Т-клеток через эндотелиальные клетки головного мозга. J Immunol (2016) 196: 72–9. DOI: 10.4049 / jimmunol.1500702

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    15. Мюллер Н., Авота Е., Колленбург Л., Грассме Х, Шнайдер-Шаулис С. Нейтральная сфингомиелиназа в физиологическом подавлении Т-клеток, индуцированном вирусом кори. PLoS Pathog (2014) 10: e1004574. DOI: 10.1371 / journal.ppat.1004574

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    16. Маклафлин С. Электростатические свойства мембран. Annu Rev Biophys Biophys Chem (1989) 18: 113–36. DOI: 10.1146 / annurev.bb.18.060189.000553

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Набор проблем с клеточными мембранами

    В Биологический проект > Cell Биология > Клетка Мембраны > Обзор


    Клеточные мембраны: Основные понятия

    Графика модели жидкой мозаики для клеточной мембраны

    1. Клеточные мембраны — это селективные барьеры, разделяющие отдельные клетки. и клеточные отсеки.
    2. Мембраны представляют собой сборки из углеводов , белков , и липидов , удерживаемых вместе нековалентными силами. Они регулируют транспорт молекул, управление потоком информации между клетками, генерировать сигналы для изменения поведения клеток, содержать ответственные молекулы для клеточной адгезии в
      формирование тканей и может разделять заряженные молекулы для передачи сигналов клетки и производство энергии.
    3. Клеточные мембраны динамичны, постоянно образуются и разрушаются. Мембранные везикулы перемещаются между клеточными органеллами и поверхностью клетки. Неспособность разрушить компоненты мембраны может привести к накоплению лизосом. болезни .
    4. Липиды клеточных мембран включают фосфолипиды, состоящие из глицерин, жирные кислоты, фосфат и гидрофобное органическое производное такие как холин или фосфоинозитол.Холестерин — липидный компонент клеточных мембран, регулирует текучесть мембран и входит в состав мембранные сигнальные системы. Липиды мембран создают гидрофобную барьер между водными отсеками клетки. Основная структура липидной части мембраны представляет собой липидный бислой с гидрофобным ядра, состоящие преимущественно из цепей жирных кислот и гидрофильных поверхностей.
    5. Мембранные белки определяют функции клеточных мембран, в том числе служащие насосами, воротами, рецепторами, молекулами клеточной адгезии, энергией преобразователи и ферменты.Белки периферической мембраны связаны с поверхностями мембран, в то время как интегральные мембранные белки встроен в мембрану и может проходить через липидный бислой или более раз.
    6. Углеводы , ковалентно связанные с белками (гликопротеинами) или липиды (гликолипиды) также являются частью клеточных мембран и функционируют как адгезионные и адресные локусы для клеток.
    7. Жидкость Mosaic Model описывает мембраны как жидкий липидный бислой с плавающие белки и углеводы.
    8. Клеточные соединения — это особый набор белков, которые закрепляют клетки вместе (десмосомы) закупоривают воду, проходящую между клетками (плотные соединения), и позволить ячейке к ячейке прямое сообщение (щелевые соединения).

    проблема 1

    В Биологический проект > Cell Биология > Клетка Мембраны > Обзор


    http: // www.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    2008 - 2021 | Охотники за сердцами