標籤:膜泡

細胞內部內膜系統各個部分之間的物質傳遞常常通過膜泡運輸方式進行。如從內質網到高爾基體;高爾基體到溶酶體;細胞分泌物的外排,都要通過過渡性小泡進行轉運。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確地運到靶細胞器,主要是因為細胞器的胞質面具有特殊的膜標誌蛋白。許多膜標誌蛋白存在於不止一種細胞器,可見不同的膜標誌蛋白組合,決定膜的表面識別特徵。胞內膜泡運輸沿微管或微絲運行,動力來自馬達蛋白(motor proteins),與膜泡運輸有關的馬達蛋白有3類。

1簡介

衣被的作用
大多數運輸小泡是在膜的特定區域以出芽的方式產生的。其表面具有一個籠子狀的由蛋白質構成的衣被(coat)。這種衣被在運輸小泡與靶細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徵,相同性質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。
籠形蛋白衣被小泡
籠形蛋白衣被小泡是最早發現的衣被小泡,介導高爾基體到內體、溶酶體、植物液泡的運輸,以及質膜到內膜區隔的膜泡運輸。
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邊形網孔的籠子。
籠形蛋白形成的衣被中還有銜接蛋白(adaptin)。它介於籠形蛋白與配體受體複合物之間,起連接作用。目前至少發現4種不同類型的銜接蛋白,可分別結合不同類型的受體,形成不同性質的轉運小泡,如AP1參與高爾基體→內體的運輸、AP2參與質膜→內體的運輸、AP3參與高爾基體→溶酶體的運輸。
當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,將小泡柄部的膜儘可能地拉近(小於1.5nm),從而導致膜融合,掐斷(pinch off)衣被小泡。動力素是一種GTP酶,調節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。
當衣被小泡從膜上釋放后,衣被很快就解體,屬於hsp70家族的一種分子伴侶(molecular chaperone)充當衣被解體的ATP酶,一種輔蛋白(auxillin)可以激活這種ATP酶。
COPⅡ衣被小泡
介導從內質網到高爾基體的物質運輸。最早發現於酵母ER在ATP存在的細胞質液中溫育時,ER膜上能形成類似於COP I的衣被小泡,某些溫度敏感型的酵母,由於COP II衣被蛋白髮生變異,在特定溫度下會在內質網中積累蛋白質。
COP II衣被由多種蛋白質構成,其中Sar1GTP酶與Sec23/Sec24複合體結合在一起,形成緊緊包圍著膜的一層衣被,Sec13/Sec31複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COP II衣被蛋白亞單位具有一些橫向同源物(Paralog)[1],這些同源物可能介導不同的蛋白質轉運,具有不同的調節機制。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。
COP II衣被小泡形成與內質網的特殊部位,稱為內質網出口(exit sites),這些部位沒有核糖體,由交織在一起的管道和囊泡組成網路結構。
由內質網到高爾基體的蛋白轉運中,大多數跨膜蛋白是直接結合在COP II衣被上,但是少數跨膜蛋白和多數可溶性蛋白通過受體與COP II衣被結合,這些受體在完成轉運后,通過COP I衣被小泡返回內質網。
COP II衣被所識別的分選信號位於跨膜蛋白胞質面的結構域,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,FY,LL,IL等等(其中F為Phe,Y為Tyr,M為Met,L為Leu,I為Ile)。

2衣被的形成

衣被是在一類叫作衣被召集GTP酶(coat-recruitment GTPase)作用下形成的。衣被召集GTP酶通常為單體GTP酶(monomeric GTPase),也叫G蛋白,起分子開關的作用,結合GDP的形式沒有活性,位於細胞質中,結合GTP而活化,轉位至膜上,能與衣被蛋白結合,促進核化和組裝。
G蛋白具有兩類重要的調節蛋白,即:鳥苷酸交換因子(guanine-nucleotide exchange factor, GEF)和GTP酶激活蛋白(GTPase activating protein, GAP)。GEF的作用是使G蛋白釋放GDP,結合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蛋白也起分子開關的作用,控制衣被小泡的形成。
衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar 1蛋白(圖6-9),Arf參與高爾基體上籠形蛋白衣被與COP I衣被的形成,Sar 1參與內質網上COP II衣被的形成,兩者的作用方式大體相似。質膜上籠形蛋白衣被的形成也與GTP酶有關,但其成分尚不明確。
衣被召集GTP酶大量存在於細胞質中,但處於結合GDP的失活狀態。當內質網上要形成COPII衣被小泡時,Sar 1釋放GDP結合GTP而激活,激活的Sar 1暴露出一條脂肪酸的尾巴,插入內質網膜,然後開始召集衣被蛋白,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(phospholipase D),將一些磷脂水解,使形成衣被的蛋白質牢固地結合在膜上。
衣被召集GTP酶對衣被的形成其動態調節作用,當多數衣被召集GTP酶處於結合GTP的狀態時,它催化衣被的形成;反之當多數衣被召集GTP酶處於結合GDP的狀態時,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過程,只有在組裝速率大於解體速率時,才能形成衣被小泡。

3膜泡運輸的定向機制

衣被小泡沿著細胞內的微管被運輸到靶細胞器,馬達蛋白水解ATP提供運輸的動力。各類運輸小泡之所以能夠被準確地和靶膜融合,是因為運輸小泡表面的標誌蛋白能被靶膜上的受體識別,其中涉及識別過程的兩類關鍵性的蛋白質是SNAREs(soluble NSF attachment protein receptor)和Rabs(targeting GTPase)。其中SNARE介導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。

4關鍵性蛋白

Rabs
Rab也叫targeting GTPase,屬於單體GTP酶,結構類似於Ras,已知30餘種。不同膜上具有不同的Rab,每一種細胞器至少含有一種以上的Rab。Rabs的作用是促進和調節運輸小泡的停泊和融合。與衣被召集GTP酶相似的是,起分子開關作用,結合GDP失活,位於細胞質中,結合GTP激活,位於細胞膜、內膜和運輸小泡膜上,調節SNAREs複合體的形成。Rabs的調節蛋白與其它G蛋白的相似。Rabs還有許多效應因子(effector),其作用是幫助運輸小泡聚集和靠近靶膜,觸發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之後才能形成。

5細胞的內吞與外排

外排作用
與細胞的內吞作用相反,外排作用是將細胞內的分泌泡或其他某些膜泡中的物質通過細胞質膜運出細胞的過程。
組成型的外排途徑(constitutive exocytosis pathway):所有真核細胞都有從高爾基體TGN區分泌囊泡向質膜運輸的過程,其作用在於更新膜蛋白和膜脂、形成質膜外周蛋白、細胞外基質、或作為營養成分和信號分子。
調節型外排途徑(regulated exocytosis pathway):分泌細胞產生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)儲存在分泌泡內,當細胞在受到胞外信號刺激時,分泌泡與質膜融合併將內含物釋放出去。調節型的外排途徑存在於特化的分泌細胞。其蛋白分選信號存在於蛋白本身,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default pathway完成蛋白質的轉運過程。在粗面內質網中合成的蛋白質除了某些有特殊標誌的蛋白駐留在ER或高爾基體中或選擇性地進入溶酶體和調節性分泌泡外,其餘的蛋白均沿著粗面內質網→高爾基體→分泌泡→細胞表面這一途徑完成其轉運過程。
[1]起源於同一祖先,在不同生物體中行使同一功能的基因,稱為「直向同源物(Ortholog),同一生物體中同一基因複製而產生的多個蛋白質稱為旁系同源物或橫向同源物(Paralog)。

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