Липи́дные ра́фты — особые участки (микродомены) плазматической мембраны, обогащённые гликосфинголипидами и холестерином. Эти участки координируют клеточные процессы, влияют на , служат организующими центрами для сборки сигнальных молекул, регулируют перемещение мембранных белков, рецепторов, а также регулируют нейротрансмиссию. Липидные рафты более структурированы и упакованы плотнее, чем окружающий их липидный бислой; при этом они способны свободно в нём перемещаться.
История изучения До 1982 года было широко распространено мнение, что фосфолипиды и мембранные белки распределены в клеточной мембране случайным образом — в соответствии с строения клеточной мембраны, предложенной в 1972 году и . В модели предполагалось, что мембранные белки «плавают» в однородном липидном море.
Однако в 1970-х годах А. Штир и Э. Закман, а также М. Дж. Карновски с коллегами с использованием физических методов доказали существование особых мембранных микродоменов. Существование этих микродоменов объяснялось физическими свойствами и организацией липидных смесей. В 1974 году наблюдение влияния температуры на поведение мембраны позволило выдвинуть предположение о существовании в мембранах «кластеров липидов», а в 1975 году было открыто, что эти кластеры могут представлять собой «квазикристаллические» участки, располагающиеся внутри более жидких липидных областей. В 1978 году исследования с использованием дали новый толчок развитию идеи «кластеров» и позволили определить микродомены как «липиды в более упорядоченном состоянии». В 1982 году Карновски и его сотрудники сформулировали концепцию липидных доменов в мембране. Их исследования установили неоднородность во времени жизни флуоресценции молекул 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена, что свидетельствует о наличии нескольких липидных фаз в мембране. Один тип таких микродоменов образован холестерином и сфинголипидами. Они формируются в результате выделения данных липидов в отдельную фазу, что было показано экспериментально. Также было установлено, что такие микродомены («рафты») имеются и в клеточных мембранах.
В результате постепенно сформировалась новая концепция строения клеточной мембраны, отражающая динамическую реструктуризацию с формированием молекулярных высокоуровневых кластеров. Термин «липидные рафты» был впервые предложен в 1988 году и Г. ван Меером. Они применили данный термин ( ‘липидный плот’) к участкам плотно упакованного липида, плавающего на поверхности более текучего фосфолипида. Первоначально концепция рафтов использовалась для объяснения транспорта холестерина из транс-отдела аппарата Гольджи в плазматическую мембрану. Эту идею впервые представили Симонс и Э. Иконен в 1997 году. В 2006 году на Главном симпозиуме по липидным рафтам и клеточным функциям () липидные рафты были определены как «небольшие (10—200 нм), гетерогенные, высоко динамичные домены, обогащенные стеролами и сфинголипидами, которые компартментализуют клеточные процессы. Небольшие рафты могут иногда объединяться в более крупные через белок-белковые взаимодействия». В последнее время было опубликовано много противоречивых работ, касающихся липидных рафтов; к числу спорных моментов можно отнести размер и время существования липидных рафтов (подробнее см. Споры вокруг липидных рафтов).
К настоящему моменту следующие вопросы о липидных рафтах остаются без ответов: Какой эффект оказывают различия в содержании мембранных белков? Какова физиологическая роль липидных рафтов? Какой эффект на образование рафтов оказывает перемещение липидов? Какой эффект на липидные рафты оказывает питание и приём различных препаратов? Какое действие на липидные рафты оказывают белки, расположенные на их границе?
Основные свойства
Одним из главных различий липидных рафтов и плазматической мембраны является их липидный состав. Исследования показали, что липидные рафты содержат в 3—5 раз больше холестерина, чем окружающий их липидный бислой. Кроме того, липидные рафты обогащены сфинголипидами — например, сфингомиелином, содержание которого в липидных рафтах обычно на 50 % превышает таковое в плазматической мембране. Глицерофосфолипидов в рафтах практически нет. Чтобы компенсировать повышенное содержание сфингомиелина, доля фосфатидилхолина в липидных рафтах снижена, в результате чего процент холин-содержащих липидов в них также почти на 50 % ниже по сравнению с окружающей мембраной. Холестерин предпочтительнее взаимодействует со сфинголипидами (хотя и не только с ними), что обусловлено их структурой и степенью насыщения их углеводородных цепочек. Хотя не все фосфолипиды в рафте полностью насыщены, их гидрофобные ацильные группировки более насыщены и упакованы плотнее, чем в липидах окружающего бислоя.
Холестерин служит динамическим «клеем», который скрепляет липиды рафта воедино и заполняет все пустоты между ними. Из-за жёсткой природы стерольной группы холестерин предпочтительнее располагается в рафтах, где длинные насыщенные ацильные хвосты сфинголипидов могут образовывать более компактные и прочные связи с его кольцевой системой, чем более короткие и часто ненасыщенные хвосты фосфолипидов окружающего бислоя. По этой причине липидные рафты являются менее жидкими по сравнению с остальным бислоем.
Некоторые исследователи связывают возникновение рафтов в модельных мембранах с разделением мембраны на (Lo-фаза) и неупорядоченную (Ld-, или Lα-фаза) жидкие фазы. Причины такого разделения на фазы неясны, однако их несмешиваемость, по-видимому, сводит к минимуму свободную энергию этих двух фаз. Показано, что липидные рафты и окружающая мембрана имеют различную толщину по причине того, что углеводородные цепи у сфинголипидов более длинные и прямые, чем у других липидов мембраны. Это приводит к тому, что гидрофобные слои рафтов и остального бислоя не стыкуются друг с другом на границе двух фаз. Было установлено, что такое различие в толщине увеличивает поверхностное натяжение на границе разделения двух фаз, в результате чего возникают более крупные рафты с округлыми границами, и тем самым затраты энергии на поддержание рафтов как отдельных фаз сводятся к минимуму. Другие спонтанные события — такие, как изгиб мембраны или слияние мелких рафтов в более крупные — могут также минимизировать натяжение на границе разделения фаз.
Из-за своего строения и устойчивости к действию неионных детергентов — таких, как Triton X-100 или Brij-98 — липидные рафты также называют детергент-нерастворимыми комплексами, обогащёнными гликолипидами () или детергент-устойчивыми мембранами (). Это свойство липидных рафтов можно использовать для того, чтобы оценить долю поверхности клетки, занятой рафтами, по фракции, устойчивой к солюбилизации детергентами. В некоторых случаях она может составлять 50 %. Косвенные измерения размеров рафтов позволяют грубо оценить диаметр одного рафта в 50 нм (впрочем, на этот счёт есть и другие мнения, см. Споры вокруг липидных рафтов).
Липидные рафты чрезвычайно обогащены интегральными мембранными белками двух классов: одни заякорены в мембране при помощи двух ковалентно связанных с этими белками длинноцепочечных насыщенных жирных кислот (две пальмитоильные или пальмитоильная и миристоильная группы), а другие — посредством гликозилфосфатидилинозитольного (GPI-) якоря. Между белками рафта и остального бислоя происходит постоянный обмен: мембранные белки могут заходить внутрь рафтов и выходить наружу за время порядка нескольких секунд. Для процесса, в котором взаимодействуют два мембранных белка, их одновременное присутствие в одном и том же рафте очень сильно увеличивает вероятность их столкновения. Поэтому некоторые мембранные рецепторы и сигнальные белки обособляются вместе именно в мембранных рафтах, причём передачу сигнала через эти белки можно прервать с помощью манипуляций, которые выводят холестерин из мембраны и разрушают рафты; таким образом, липидные рафты принимают участие во многих сигнальных путях клетки.
Типы липидных рафтов Предполагают существование двух типов липидных рафтов: планарные (также известные как некавеолярные, или гликолипидные рафты) и кавеолярные липидные рафты. Планарные липидные рафты лежат в плоскости плазматической мембраны (не образуют впячиваний) и не имеют отличительных морфологических особенностей. Кавеолярные рафты, напротив, формируют в плазматической мембране колбообразные впячивания, содержащие белок кавеолин, который входит в состав особых углублений мембраны — кавеол; большинство наблюдаемых рафтов относятся к этому типу. Кавеолины интенсивно экспрессируются в мозге, микрососудах нервной системы, эндотелиальных клетках, астроцитах, олигодендроцитах, шванновских клетках, спинальных ганглиях и нейронах гиппокампа. Планарные рафты содержат белок и встречаются в нейронах, лишённых кавеол. Оба типа рафтов имеют сходный липидный состав (обогащены холестерином и сфинголипидами). Флотиллин и кавеолин обладают способностью рекрутировать сигнальные молекулы к липидным рафтам, тем самым играя важную роль в передаче сигналов, опосредованной нейромедиаторами. Было высказано предположение, что эти микродомены отвечают за такую пространственную организацию сигнальных молекул, которая способствует кинетически выгодным взаимодействиям, необходимым для передачи сигнала. Впрочем, эти же микродомены и разделяют сигнальные молекулы, подавляя ненужные взаимодействия и приводя к затуханию сигнала.
Роль в передаче сигналов Термин «передача сигнала» относится к любому процессу, при помощи которого клетка превращает один тип сигнала или стимула в другой. Путь сигнала или стимула может быть простым, как в случае с молекулами рецепторов. Более сложная передача сигнала включает участие комплексов лиганд-рецептор во многих внутриклеточных процессах, например, фосфорилирование тирозинкиназами или . Специфичность и точность передачи сигнала необходимы для эффективного ответа клетки на изменения окружающей среды. Отчасти это достигается при помощи различной локализации белков, участвующих в сигнальных путях. В плазматической мембране отчасти такую компартментализацию осуществляют липидные рафты.
Одним из важных доказательств в пользу существования липидных рафтов является их работа как платформ, на которых концентрируются отдельные рецепторы после активации при связывании с лигандом. Если же активация рецептора происходит в самом липидном рафте, то сигнальный комплекс оказывается защищённым рафтом от внешних ферментов, например, мембранных фосфатаз. В общем, липидные рафты привлекают белки в новую микросреду, так что их (де)фосфорилированное состояние может быть изменено локальными киназами и фосфатазами и дать начало последующим реакциям сигнального пути. Было установлено, что липидные рафты участвуют во многих сигнальных путях — например, сигнальном пути иммуноглобулина Е, Т- и В-клеточных антигеновых рецепторов, рецептора эпидермального фактора роста (EGF), инсулинового рецептора и др. Некоторые примеры таких сигнальных путей приведены ниже.
Сигнальный путь иммуноглобулина E
Изучение сигнального пути иммуноглобулина Е (IgE) впервые убедительно продемонстрировало участие липидных рафтов в передаче сигнала. Доказательствами участия липидных рафтов в этом процессе служат сниженная растворимость Fc-эпсилон рецепторов (FcεR) в детергенте Triton X-100 при переходе от одиночного состояния к связанному поперечными сшивками с другим рецептором того же типа; формирование скоплений из ганглиозидов и GPI-заякоренных белков, достаточно больших для того, чтобы быть различимыми в флуоресцентный микроскоп; прекращение работы пути при удалении поверхностного холестерина при помощи метил-β-циклодекстрина и др.