Липидомика

Липидомика
Биохимия
липидных сигналов
Михаил Акимов
Многообразие состояний липидов
Свободные
липиды
Межклеточные
сигналы
•эндоканнабиноиды
•эндованилоиды (ККМ 10 мкМ)
•оксилипины (ККМ 20мМ)
Внутриклеточные
сигналы
•Жирные кислоты (ККМ 1 мМ)
Отдельная фаза
(ККМ 10нМ-1мкМ)
Микро
•экзосомы
•везикулы
•липопротеины
Макро
•Аппарат Гольджи
•ЭПР
•Митохондрии
•Плазмалемма
•...
Мембранные системы клетки
3d-реконструкция
мембран клетки
Ремоделлинг ЭПР
Физико-химические параметры липидов:
доля в клетке (диаметр 20 мкм)
Органелла
Диаметр, Площадь,
мкм
мкм2
плазмалемма
20
мембраны шероховатого ЭПР
мембраны гладкого ЭПР
аппарат Гольджи
везикулы Гольджи
0.03-0.08
секреторные везикулы
0.1-1
липидные капли
0.2-5
лизосомы
0.5-1
пероксисомы
0.5-1
митохондриальные мембраны
0.5-1
ядерная мембрана
0.80
(Доля в клетке)
Объем,
мкм3
2400
70 000
32 000
14 000
0.008
0.13
1
0.01
2.2
0.205
400
12-120
400
180
110
13
210
10
0.017
0.017
(34.1%)
(55.2%)
3
Структурная неоднородность мембран
Аннулярная зона
Зоны движения липидов в мембране
Рафты
мат. модель
модельная мембрана
Кластер щелевых контактов
микроскопия
Сравнение сигнальных систем
низкомолекулярные
сигналы
липиды
белки/пептиды
Структуры некоторых липидов
церамид
сфингомиелин
Взаимопревращения глицерофосфолипидов
Превращения
фосфатидил инозита
OH
28
329
OH
D4
I
R1
I
R1
Fig. 9. Numbering o f the inositol ring. Phosphates call be attached at positions D l through D6 on the
inositol ring. Shown is phosphatidylinositol, in which inositol is attached to the glycerol backbone by a
phosphate in position DI.
r" • - " I
i
"3P+sE
I/
PI4K I [4PTSE
I
+l
I~PI3K
P,+ IT
примеры
белков
Pi.3,4.p2
~
PTSE
5 PTSE ~
] PI'3,4,5"P3
P,-s-P i
~ / 3
Pl_4,5.p 2
PTSE
Fig. 10. lnterconversion of phosphoinositides. The pathways by which phosphoinositide kinases and
phosphatases synthesize and degrade various phosphoinositides are shown. Abbreviations: PI, phosphatidylinositol; PI-4-R Pl-4-phosphate; PI-4,5-P2, PI-4,5-bispbosphate; PI-3,4,5-P~, PI-3,4,5-trisphosphate; PI 3K,
Pl 3-kinase; 3 PTSE, PI 3-phosphatase.
lipid; PI-4,5-P2, the substrate for PLC, is about 5%; phosphoinositides phosphorylated
at the 3 position are less than 0.25% of the total inositol-containing lipids [22]. The
phosphoinositides regulate a large number of signaling pathways and cellular functions
by binding to specific sites on proteins to alter their localization or activity (Section
5.2). A complex set of PI kinases and phosphatases is involved in the interconversion
(Fig. 10) (Section 5.1), and considerable progress in identifying these enzymes at the
molecular level has been made. Phosphoinositide-metabolizing enzymes are regulated
by receptor-triggered signaling processes, which results in highly localized changes in
Review
TRENDS in Biochemical Sciences Vol.32 No.1
Превращения сфингозина
Типы липидных сигналов
•
•
По структуре
•
•
•
•
Мономолекулярные (стероиды, эйкозаноиды)
Мультимолекулярные (этаноламиды жирных кислот)
Везикулярные
Неоднородности мембран
По типу информации
•
•
•
Регуляционные
Рецепторные
Организационные
Мономолекулярные липидные сигналы
•
•
Непревращающиеся
эйкозаноиды
продукты окислительной
деградации
Превращающиеся
• Один конкретный рецептор
сфинголипиды
или семейство рецепторов
сфингозин
церамид
Действуют в форме
•
сфингозин фосфат
индивидуальных молекул
церамид фосфат
глицерофосфолипиды
лизофосфатидовая кислота
фосфатидилинозит и
фосфорилированные
производные
диацилглицерол
лизо-фосфатидилэтаноламин
ПНЖК
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Мультимолекулярные сигналы
Вещество
Рецепторы
AA-EA
CBR1,VR1
Palm-EA
CBR2
Ol-EA
CBR1, GABAaR,
5HTR
+
усиление действия
AA-EA при добавлении
других этаноламидов
“entourage effect”
Шеддинг экзосом
Размеры:
• 100-200 нм
• 400-1000 нм
• 1-12 мкм
Сигналы:
• Иммуностимуляция
• Индукция толерантности
• Сигналы адгезии
• Маскировка раковых клеток
Состав:
• Плазмалемма
• Поверхностные
рецепторы
• Цитоскелет
• Цитоплазма
Механизмы
формирования:
• Экзоцитоз через
формирование
мультивезикулярных тел
• Отрыв фрагмента клетки
Схема образования малых экзосом
Шеддинг фрагментов 1-10 мкм
•
•
•
Только при движении
•
До конца не изучен
Характерен для раковых клеток
Предположительно, в результате нарушения механизма
открепления интегринов от субстрата
Организационные сигналы липидов
•
•
Анионные липиды: посадочные площадки белков
•
Отбор белков по параметрам трансмембранной
области
Рафты: отбор белков по модификациям
ненасыщенными жирными кислотами
ANRV311-BB36-06
ARI
3 April 2007
17:2
a
0. Downloaded from arjournals.annualreviews.org
hemistry RAS on 10/30/09. For personal use only.
d0
I
b
c
u0
u0
d0
I
Stretching
½ Ka(2u /d0) 2
Bending
½ KC(∇ 2u – c0) 2
d0
I
Stretching
½ Ka(2u /d0) 2
Bending
½ KC(∇ 2u – c0) 2
Figure 3
Bilayer-protein hydrophobic mismatch. Nonpolar residues are gray; polar residues are blue. (a) Perfect
hydrophobic match: The protein hydrophobic length (l ) matches the thickness of the unperturbed
bilayer (d0 ). (b, c) Hydrophobic mismatch: The protein’s hydrophobic length is longer (b) or shorter (c)
Increase membrane thickness
Свойства мембраны в зависимости от
липидного состава
1556
Посадочные места на плазмалемме
Модель участка
мембраны эритроцита
фосфатидилхолин
фосфатидилэтаноламин
холестерин
Механизм формирования:
термодинамика
Карта гидрофобности
поверхности кардиотоксина
Формирование посадочных площадок за счет
фосфатидилинозита
Посадка белков на мембрану:
Модификации жирными кислотами
миристилирование
• котрансляционно
• миристиновая кислота
• посттрансляционно после
гидролиза
• N-концевой глицин
• N-миристоил трансфераза
• слабая ассоциация с
мембранами
• необратимо
пальмитоилирование
• посттрансляционно
• пальмитиновая и др. кислоты
от С14
• цистеин, треонин, серин,
лизин
• требует наличия
гидрофобной области или
предварительных
модификаций
• пальмитоил трансфераза
• автоацилирование in vitro
• однозначная связь с
мембраной
• обратимо
ГФИ-якоря белков
•
•
•
•
1% всех клеточных белков
20-30% мембранных белков
необратимая модификация
возможен ремоделлинг
Fig. 2. A: General scheme for GPI biosynthesis in the ER of yeast and mammals. The ER is depicted as a topologically defined
compartment. Biosynthesis begins at the top of the figure with a PtdIns acceptor (gray box). In step 1, PtdIns is glycosylated to generate
GlcNAc-PI on the cytoplasmic face of the ER. GlcNAc-PI is then de-N-acetylated (step 2) to yield GlcN-PI. GlcN-PI is flipped (step 3) into the
lumenal leaflet of the ER, where it is inositol-acylated (step 4), inositol-mannosylated, and modified by Etn-P (steps 5–10). Man is derived
from Dol-P-Man (synthesized from Dol-P and GDP-Man in a reaction catalyzed by DPM1 on the cytoplasmic face of the ER), and Etn-P
C-2
WHITE
■
1/7/05
2:31 PM
Page 2
HI-RES-PA45-24-White.qxd
ANDERSON
1/7/05
2:31 PM
Page 3
SIGNALING NETWORKS IN LIVING CELLS
l. Toxicol. 2005.45:587-603. Downloaded from arjournals.annualreviews.org
ikov Institute of Bioorganic Chemistry RAS on 10/28/09. For personal use only.
PA45-24-White.qxd
Пространственное разделение
сигналов за счет кавеол
Figure 2 Multiple pathways of caveolae traffic. Type 1 caveolae are able to invaginate and bud from the membrane, probably in a dynamin-dependent process (33, 34).
The vesicles that form, called cavicles, are able to travel on microtubules to various
endosomal compartments. Cavicles also can travel from endosomes to other places
in the cell. Type 2 caveolae invaginate and seal off from the plasma membrane but
are retained at the surface by the actin cytoskeleton. We imagine that type 3 caveolae begin as membrane invaginations similar to the other types but then get caught on
microtubules and become stretched by microtubule motor activity into tubules.
(Diagram adapted from 39.)
Поляризованность
кавеолярного входа Ca2+
при стимуляции АТФ
C-3
Ключевые идеи
•
Липиды могут существовать в индивидуальном
состоянии и в виде агрегатов
•
На долю липидов приходится 55% клеточного объема и
34% поверхности
•
Молекулы сигнальных липидов могут быть
метаболизированы в молекулы других сигнальных
липидов с изменением передаваемого сигнала
•
Помимо рецепторных мономолекулярных сигналов,
липиды могут выступать в качестве сигнальных
комплексов и организовывать внутриклеточное
пространство