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膜泡運輸

閱讀：779發(fā)布時間：2011-5-18

膜泡運輸是細(xì)胞內(nèi)部內(nèi)膜系統(tǒng)各個部分之間的物質(zhì)傳遞常常通過膜泡運輸方式進行。如從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體；高爾基體到溶酶體；細(xì)胞分泌物的外排，都要通過過渡性小泡進行轉(zhuǎn)運。膜泡運輸是一種高度有組織的定向運輸，各類運輸泡之所能夠被準(zhǔn)確地運到靶細(xì)胞器，主要是因為細(xì)胞器的胞質(zhì)面具有特殊的膜標(biāo)志蛋白。許多膜標(biāo)志蛋白存在于不止一種細(xì)胞器，可見不同的膜標(biāo)志蛋白組合，決定膜的表面識別特征。

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-基本

簡介
中的大多數(shù)運輸小泡是在膜的特定區(qū)域以出芽的方式產(chǎn)生的。其表面具有一個籠子狀的由蛋白質(zhì)構(gòu)成的衣被（coat）。這種衣被在運輸小泡與靶細(xì)胞器的膜融合之前解體。衣被具有兩個主要作用：①選擇性的將特定蛋白聚集在一起，形成運輸小泡；②如同模具一樣決定運輸小泡的外部特征，相同性質(zhì)的運輸小泡之所以具有相同的形狀和體積，與衣被蛋白的組成有關(guān)。

胞內(nèi)沿微管或微絲運行，動力來自馬達蛋白（motorproteins）。與有關(guān)的馬達蛋白有3類：一類是動力蛋白（dynein），可向微管負(fù)端移動；另一類為驅(qū)動蛋白（kinesin），可牽引物質(zhì)向微管的正端移動；第三類是肌球蛋白（myosin），可向微絲的正極運動。在馬達蛋白的作用下，可將膜泡轉(zhuǎn)運到特定的區(qū)域，

-衣被類型

已知三類具有代表性的衣被蛋白，即：籠形蛋白（clathrin）、COPI和COPII，個介導(dǎo)不同的運輸途徑。
（一）籠形蛋白衣被小泡
籠形蛋白衣被小泡是zui早發(fā)現(xiàn)的衣被小泡，介導(dǎo)高爾基體到內(nèi)體、溶酶體、植物液泡的運輸，以及質(zhì)膜到內(nèi)膜區(qū)隔的。

籠形蛋白分子由3個重鏈和3個輕鏈組成，形成一個具有3個曲臂的形狀（triskelion）。許多籠形蛋白的曲臂部分交織在一起，形成一個具有5邊形網(wǎng)孔的籠子。

籠形蛋白形成的衣被中還有銜接蛋白（adaptin）。它介于籠形蛋白與配體受體復(fù)合物之間，起連接作用。目前至少發(fā)現(xiàn)4種不同類型的銜接蛋白，可分別結(jié)合不同類型的受體，形成不同性質(zhì)的轉(zhuǎn)運小泡，如AP1參與高爾基體→內(nèi)體的運輸、AP2參與質(zhì)膜→內(nèi)體的運輸、AP3參與高爾基體→溶酶體的運輸。

當(dāng)籠形蛋白衣被小泡形成時，可溶性蛋白動力素（dynamin）聚集成一圈圍繞在芽的頸部，將小泡柄部的膜盡可能地拉近（小于1.5nm），從而導(dǎo)致膜融合，掐斷（pinchoff）衣被小泡。動力素是一種GTP酶，調(diào)節(jié)小泡以出芽形式脫離膜的速率。動力素可以召集其它可溶性蛋白在小泡的頸部聚集，通過改變膜的形狀和膜脂的組成，促使小跑頸部的膜融合，形成衣被小泡。

當(dāng)衣被小泡從膜上釋放后，衣被很快就解體，屬于hsp70家族的一種分子伴侶（molecularchaperone）充當(dāng)衣被解體的ATP酶，一種輔蛋白（auxillin）可以激活這種ATP酶。

（二）COPI衣被小泡
負(fù)責(zé)回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白（escapedproteins）返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。起初發(fā)現(xiàn)于高爾基體碎片，在含有ATP的溶液中溫育時，能形成非籠形蛋白包被的小泡。進一步的研究發(fā)現(xiàn)這種衣被蛋白復(fù)合體包含多達7種肽鏈。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體輸送運輸小泡時，一部分自身的蛋白質(zhì)也不可避免的被運送到了高爾基體，如不進行回收則內(nèi)質(zhì)網(wǎng)因為磷脂和某些蛋白質(zhì)的匱乏而停止工作。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過兩種機制維持蛋白質(zhì)的平衡：一是轉(zhuǎn)運泡將應(yīng)被保留的駐留蛋白排斥在外，例如有些駐留蛋白參與形成大的復(fù)合物，因而不能被包裝在出芽形成的轉(zhuǎn)運泡中，結(jié)果被保留下來；二是通過對逃逸蛋白的回收機制，使之返回它們正常駐留的部位。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正常駐留蛋白，不管在腔中還是在膜上，它們在C端含有一段回收信號序列（retrievalsignals），如果它們被意外地逃逸進入轉(zhuǎn)運泡從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運至高爾基體cis面，則cis面的膜結(jié)合受體蛋白將識別并結(jié)合逃逸蛋白的回收信號，形成COPI衣被小泡將它們返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的蛋白，如蛋白二硫鍵異構(gòu)酶和協(xié)助折疊的分子伴侶，均具有典型的回收信號Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜蛋白（如SRP受體）在C端有一個不同的回收信號，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意氨基酸），同樣可保證它們的回收。

COPI衣被小泡還可以介導(dǎo)高爾基體不同區(qū)域間的蛋白質(zhì)運輸。

（三）COPⅡ衣被小泡
介導(dǎo)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。zui早發(fā)現(xiàn)于酵母ER在ATP存在的細(xì)胞質(zhì)液中溫育時，ER膜上能形成類似于COPI的衣被小泡，某些溫度敏感型的酵母，由于COPII衣被蛋白發(fā)生變異，在特定溫度下會在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累蛋白質(zhì)。

COPII衣被由多種蛋白質(zhì)構(gòu)成，其中Sar1GTP酶與Sec23/Sec24復(fù)合體結(jié)合在一起，形成緊緊包圍著膜的一層衣被，Sec13/Sec31復(fù)合體形成覆蓋在外圍的一層衣被，Sec16推測可能是一種骨架蛋白，Sec12是Sar1的鳥苷酸交換因子。真核生物的COPII衣被蛋白亞單位具有一些橫向同源物（Paralog），這些同源物可能介導(dǎo)不同的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運，具有不同的調(diào)節(jié)機制。在實驗條件下，純化的Sar1、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31等5種成分足以在人工脂質(zhì)體上形成小泡，說明這些成分具有改變膜的形狀和掐斷運輸小泡的功能。

COPII衣被小泡形成與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的特殊部位，稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口（exitsites），這些部位沒有核糖體，由交織在一起的管道和囊泡組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的蛋白轉(zhuǎn)運中，大多數(shù)跨膜蛋白是直接結(jié)合在COPII衣被上，但是少數(shù)跨膜蛋白和多數(shù)可溶性蛋白通過受體與COPII衣被結(jié)合，這些受體在完成轉(zhuǎn)運后，通過COPI衣被小泡返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。

COPII衣被所識別的分選信號位于跨膜蛋白胞質(zhì)面的結(jié)構(gòu)域，形式多樣，有些包含雙酸性基序[DE]X[DE]（D為Asp，E為Glu，X為任何一種氨基酸），如Asp-X-Glu序列，其他一些具有短的疏水基序，如FF，YYM，F(xiàn)Y，LL，IL等等（其中F為Phe，Y為Tyr，M為Met，L為Leu，I為Ile）。

-衣被的形成

衣被是在一類叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitmentGTPase）作用下形成的。衣被召集GTP酶通常為單體GTP酶（monomericGTPase），也叫G蛋白，起分子開關(guān)的作用，結(jié)合GDP的形式?jīng)]有活性，位于細(xì)胞質(zhì)中，結(jié)合GTP而活化，轉(zhuǎn)位至膜上，能與衣被蛋白結(jié)合，促進核化和組裝。

G蛋白具有兩類重要的調(diào)節(jié)蛋白，即：鳥苷酸交換因子（guanine-nucleotideexchangefactor,GEF）和GTP酶激活蛋白（GTPaseactivatingprotein,GAP）。GEF的作用是使G蛋白釋放GDP，結(jié)合GTP而激活。GAP的作用是激活G蛋白的酶活性，使GTP水解，G蛋白失活，G蛋白本身的GTP酶活性不高。除單體G蛋白以外，三聚體G蛋白也起分子開關(guān)的作用，控制衣被小泡的形成。

衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar1蛋白，Arf參與高爾基體上籠形蛋白衣被與COPI衣被的形成，Sar1參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上COPII衣被的形成，兩者的作用方式大體相似。質(zhì)膜上籠形蛋白衣被的形成也與GTP酶有關(guān)，但其成分尚不明確。

衣被召集GTP酶大量存在于細(xì)胞質(zhì)中，但處于結(jié)合GDP的失活狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上要形成COPII衣被小泡時，Sar1釋放GDP結(jié)合GTP而激活，激活的Sar1暴露出一條脂肪酸的尾巴，插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，然后開始召集衣被蛋白，以衣被蛋白為模型形成運輸小泡。活化的衣被召集GTP酶還可以激活磷脂酶D（phospholipaseD），將一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白質(zhì)牢固地結(jié)合在膜上。

衣被召集GTP酶對衣被的形成其動態(tài)調(diào)節(jié)作用，當(dāng)多數(shù)衣被召集GTP酶處于結(jié)合GTP的狀態(tài)時，它催化衣被的形成；反之當(dāng)多數(shù)衣被召集GTP酶處于結(jié)合GDP的狀態(tài)時，它催化衣被的解體。因此衣被的形成過程是邊形成便解體的動態(tài)過程，只有在組裝速率大于解體速率時，才能形成衣被小泡。

-定向機制

衣被小泡沿著細(xì)胞內(nèi)的微管被運輸?shù)桨屑?xì)胞器，馬達蛋白水解ATP提供運輸?shù)膭恿?。各類運輸小泡之所以能夠被準(zhǔn)確地和靶膜融合，是因為運輸小泡表面的標(biāo)志蛋白能被靶膜上的受體識別，其中涉及識別過程的兩類關(guān)鍵性的蛋白質(zhì)是SNAREs（solubleNSFattachmentproteinreceptor）和Rabs（targetingGTPase）。其中SNARE介導(dǎo)運輸小泡特異性停泊和融合，Rab的作用是使運輸小泡靠近靶膜。

（一）SNAREs
SNAREs的作用是保證識別的特異性和介導(dǎo)運輸小泡與目標(biāo)膜的融合，動物細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)20多種SNAREs，分別分布于特定的膜上，位于運輸小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-SNAREs和t-SNAREs都具有一個螺旋結(jié)構(gòu)域，能相互纏繞形成跨SNAREs復(fù)合體（trans-SNAREscomplexes），并通過這個結(jié)構(gòu)將運輸小泡的膜與靶膜拉在一起，實現(xiàn)運輸小泡特異性停泊和融合。實驗證明包含了SNARE的脂質(zhì)體和包含匹配SNARE的脂質(zhì)體間可發(fā)生融合，盡管速度較慢。這說明除了SNARE之外，還有其他的蛋白參與運輸泡與目的膜的融合。

在SNAREs接到新一輪的運輸小泡停泊之前，SNAREs必須以分離的狀態(tài)存在，NSF（N-ethylmaleimide-sensitivefusionprotein,NSF）催化SNAREs的分離，它是一種類似分子伴娘的ATP酶，能夠利用ATP作為能量通過插入幾個適配蛋白（adaptorprotein）將SNAREs復(fù)合體的螺旋纏繞分開。

在神經(jīng)細(xì)胞中SNAREs負(fù)責(zé)突觸小泡的停泊和融合，破傷風(fēng)毒素和肉毒素等細(xì)菌分泌的神經(jīng)性毒素實際上是一類特殊的蛋白酶，能夠選擇性地降解SNAREs，從而阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)。

精卵的融合、成肌細(xì)胞的融合均涉及SNAREs，另外病毒融合蛋白的工作原理與SNAREs相似，介導(dǎo)病毒與宿主質(zhì)膜的融合。

（二）Rabs
Rab也叫targetingGTPase，屬于單體GTP酶，結(jié)構(gòu)類似于Ras，已知30余種。不同膜上具有不同的Rab，每一種細(xì)胞器至少含有一種以上的Rab。Rabs的作用是促進和調(diào)節(jié)運輸小泡的停泊和融合。與衣被召集GTP酶相似的是，起分子開關(guān)作用，結(jié)合GDP失活，位于細(xì)胞質(zhì)中，結(jié)合GTP激活，位于細(xì)胞膜、內(nèi)膜和運輸小泡膜上，調(diào)節(jié)SNAREs復(fù)合體的形成。Rabs的調(diào)節(jié)蛋白與其它G蛋白的相似。Rabs還有許多效應(yīng)因子（effector），其作用是幫助運輸小泡聚集和靠近靶膜，觸發(fā)SNAREs釋放它的抑制因子（圖6-14）。許多運輸小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。

-內(nèi)吞與外排

（一）內(nèi)吞作用介紹
細(xì)胞的內(nèi)吞可分為兩類，批量內(nèi)吞（Bulk-phaseendocytosis）和受體介導(dǎo)的內(nèi)吞（Receptormediatedendocytosis,RME），批量內(nèi)吞是非特異性的攝入細(xì)胞外物質(zhì)，如培養(yǎng)細(xì)胞攝入辣根過氧化物酶。細(xì)胞表面的內(nèi)陷（caveolae）是發(fā)生非特異性內(nèi)吞的部位。

受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是一種選擇濃縮機制，既可保證細(xì)胞大量地攝入特定的大分子，同時又避免了吸入細(xì)胞外大量的液體。低密脂蛋白、運鐵蛋白、生長因子、胰島素等蛋白類激素、糖蛋白等，都是通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進行的。

衣被小窩（coatedpits）是質(zhì)膜向內(nèi)凹陷的部位，約占肝細(xì)胞和成纖維細(xì)胞膜表面積的2%。受體大量集中于此處，凹陷的胞質(zhì)側(cè)具有大量的籠形蛋白和銜接蛋白，類似的結(jié)構(gòu)也存在于高爾基體的TGN區(qū)。受體在衣被小窩處的集中與是否結(jié)合配體無關(guān)。衣被小窩就相當(dāng)一個分子過濾器（molecularfilter），幫助細(xì)胞獲取所需要的大分子物質(zhì)。

運輸小泡的衣被中，除籠形蛋白外，還有銜接蛋白（adaptin）。它介于籠形蛋白與配體受體復(fù)合物之間，起連接作用。銜接蛋白存在有不同的種類，可分別結(jié)合不同類型的受體。跨膜受體蛋白的胞質(zhì)端有一個由4個氨基酸殘基組成的序列（Tyr-X-X-Φ），此序列是發(fā)生內(nèi)吞作用的信號，X表示任何一種氨基酸，Φ為分子較大的疏水氨基酸，如Phe、Leu、Met等，銜接蛋白對此序列有識別能力。

受體同配體結(jié)合后啟動內(nèi)化作用，籠形蛋白開始組裝。在dynamin的作用下掐斷后形成衣被小泡（coatedvesicles）。衣被小泡進入胞質(zhì)后，衣被蛋白隨即脫去，分子返回到質(zhì)膜下方，重又參與形成新的衣被小泡。其過程和高爾基體的TGN區(qū)形成溶酶體小泡的過程相似。

*主要在肝細(xì)胞中合成，隨后與磷脂和蛋白質(zhì)形成低密脂蛋白（low-densitylipoproteins，LDL），釋放到血液中。LDL顆粒的質(zhì)量為3X106Da，直徑20~30nm，芯部含有大約1500個*分子，這些*分子被酯化成長鏈脂肪酸。芯部周圍由一脂單層包圍，脂單層包含磷脂分子和未酯化的*以及一個非常大的單鏈糖蛋白質(zhì)（apolipoproteinB-100），這個蛋白質(zhì)分子可以和靶膜上的受體結(jié)合。

當(dāng)細(xì)胞進行膜合成需要*時，細(xì)胞即合成LDL跨膜受體蛋白，并將其嵌插到質(zhì)膜中。受體與LDL顆粒結(jié)合后，形成衣被小泡；進入細(xì)胞質(zhì)的衣被小泡隨即脫掉籠形蛋白衣被，成為平滑小泡，同早期內(nèi)體融合，內(nèi)體中PH值低，使受體與LDL顆粒分離；再經(jīng)晚期內(nèi)體將LDL送人溶酶體。在溶酶體中，LDL顆粒中的*酯被水解成游離的*而被利用。細(xì)胞對*的利用具有調(diào)節(jié)能力，當(dāng)細(xì)胞中的*積累過多時，細(xì)胞即停止合成自身的*，同時也關(guān)閉了LDL受體蛋白的合成途徑，暫停吸收外來的*。有的人因為LDL受體蛋白編碼的基因有遺傳缺陷，造成血液中*含量過高，因而會過早地患動脈粥樣硬化癥（atherosclerosis），這種人往往因易患冠心病而英年早逝。

在受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用過程中，不同類型的受體具有不同的胞內(nèi)體分選途徑：①大部分受體返回它們原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，如LDL受體又循環(huán)到質(zhì)膜再利用；②有些受體不能再循環(huán)而是zui后進入溶酶體，在那里被消化，如與表皮生長因子（epidermalgrowthfactor，EGF）結(jié)合的細(xì)胞表面受體，大部分在溶酶體被降解，從而導(dǎo)致細(xì)胞表面EGF受體濃度降低，稱為受體下行調(diào)節(jié)（receptordown-regulation）；③有些受體被運至質(zhì)膜不同的結(jié)構(gòu)域，該過程稱作穿胞運輸（transcytosis）。在具有極性的上皮細(xì)胞，這是一種將內(nèi)吞作用與外排作用相結(jié)合的物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運方式，即轉(zhuǎn)運的物質(zhì)通過內(nèi)吞作用從上皮細(xì)胞的一側(cè)被攝人細(xì)胞，再通過外排作用從細(xì)胞的另一側(cè)輸出。如母鼠的抗體從血液通過上皮細(xì)胞進入母乳中，乳鼠腸上皮細(xì)胞將抗體攝人體內(nèi)，都是通過跨細(xì)胞的轉(zhuǎn)運完成的。

（二）外排作用介紹
與細(xì)胞的內(nèi)吞作用相反，外排作用是將細(xì)胞內(nèi)的分泌泡或其他某些膜泡中的物質(zhì)通過細(xì)胞質(zhì)膜運出細(xì)胞的過程。組成型的外排途徑（constitutiveexocytosispathway）：所有真核細(xì)胞都有從高爾基體TGN區(qū)分泌囊泡向質(zhì)膜運輸?shù)倪^程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成質(zhì)膜外周蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)、或作為營養(yǎng)成分和信號分子。

調(diào)節(jié)型外排途徑（regulatedexocytosispathway）：分泌細(xì)胞產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）儲存在分泌泡內(nèi)，當(dāng)細(xì)胞在受到胞外信號刺激時，分泌泡與質(zhì)膜融合并將內(nèi)含物釋放出去。調(diào)節(jié)型的外排途徑存在于特化的分泌細(xì)胞。其蛋白分選信號存在于蛋白本身，由高爾基體TGN上特殊的受體選擇性地包裝為運輸小泡。

組成型的外排途徑通過defaultpathway完成蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運過程。在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成的蛋白質(zhì)除了某些有特殊標(biāo)志的蛋白駐留在ER或高爾基體中或選擇性地進入溶酶體和調(diào)節(jié)性分泌泡外，其余的蛋白均沿著粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→分泌泡→細(xì)胞表面這一途徑完成其轉(zhuǎn)運過程。

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