细胞生物学小泡运输的分子机理.doc
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1、9.6 小泡运输的分子机理(molecular mechanism of vesicular traffic)膜结合核糖体合成的蛋白质进入内质网后的运输是通过小泡转运实现的,其机理涉及三个基本问题:小泡是怎样形成的? 不同类型小泡如何准确到达作用部位? 小泡与细胞质膜、小泡与小泡之间是怎样融合的?9.6.1 运输小泡的类型和分选信号在细胞分泌和内吞过程中,从膜上形成的小泡通常由不同的蛋白质包被,因此称为被膜小泡(coated vesicles), 有三种类型的被膜小泡(图9-63)。图9-63 在细胞分泌和内吞途径中三种类型的被膜小泡及运输途径 分泌小泡的类型 披网格蛋白小泡(clathrin
2、-coated vesicle)由网格蛋白形成的被膜小泡, 介导从反面高尔基体网络到细胞质膜、从细胞质膜到反面高尔基网络的运输。从高尔基体反面网络形成的披网格蛋白小泡与从细胞质膜形成的披网格蛋白小泡所用的衔接蛋白(adaptin)是不同的。在披网格蛋白小泡形成过程中, 网格蛋白同膜受体结合, 形成被膜小窝, 并逐渐使被膜小窝下陷, 最后同膜脱离形成一个包有网格蛋白外被的小泡。据估计, 在培养的成纤维细胞中, 每分钟大约有2500个披网格蛋白小泡从质膜上脱离下来。 COP被膜小泡(COP coated vesicle)这种类型的小泡是介导非选择性运输的小泡, 它参与从ER到顺面高尔基体、从顺面高
3、尔基体到高尔基体中间膜囊、从中间膜囊到反面高尔基体的运输。这种小泡的外被是外被蛋白COP(coat protein , COP),外被蛋白是一个大的复合体,称为外被体(coatomer), COP被膜小泡(COPcoated vesicle),主要介导蛋白质从高尔基体运回内质网,包括从反面高尔基体运向顺面高尔基体,以及将蛋白质从反面高尔基体运回到内质网。虽然已经发现了三种类型的运输小泡介导不同途径的运输,但还不清楚组成型运输小泡是如何包被的。三种不同小泡虽然有很多差异,但在小泡形成的方式和所需的成份基本一致(图9-64)。图9-64 参与被膜小泡出芽形成的一些组分 出芽形成被膜小泡时需要小GT
4、P结合蛋白、外被体和衔接蛋白、膜受体蛋白等。 三种类型小泡间的差异三种类型小泡不仅外被蛋白不同, 小泡形成时所需的小GTP结合蛋白和衔接蛋白也不相同(表9-10)。表9-10 三种不同类型小泡的外被蛋白、衔接蛋白及运输路线小GTP结小泡类型外被和衔接蛋白合蛋白运输方向网格蛋白网格蛋白重链和轻链,AP2ARF质膜内体(内吞作用) 网格蛋白重链和轻链,AP1ARFGolgi内体网格蛋白重链和轻链,AP3ARFGolgi溶酶体、液泡、黑色体、血小板小泡COPCOP ,ARFGolgiER高尔基体膜囊间的回运 COPSec23/Sec24复合物;Sec13/Sec31复合物;Sec16Sar1ERGo
5、lgi 小泡运输的分选信号三种不同类型运输小泡的形成和定向运输都是由信号指导的。如KDEL信号是内质网蛋白的滞留信号, 因此KDEL是COP型小泡形成的信号。小泡形成不仅需要信号,同时也需要衔接蛋白和信号受体,表9-11综合了三种类型运输小泡的一些信号、受体和衔接分子。表9-11 分泌蛋白与膜蛋白经小泡运输的分选信号蛋白质信号序列*的类型运输方向小泡类型信号受体Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)分泌蛋白GolgiERCOPI位于高尔基体的 KDEL受体(ERD2蛋白)Lys-Lys-X-X(KKXX)膜蛋白GolgiERCOPICOP和亚基二酸性(如Asp-X-Glu)膜蛋白ERGol
6、giCOP未知M6P分泌蛋白反面高尔基体和质膜向次级内体网格蛋白反面高尔基体和质膜中M6P受体,AP1和 AP2衔接蛋白Tyr-X-X-(YXX)膜蛋白质膜内体网格蛋白AP2衔接蛋白 Leu-Leu(LL)膜蛋白质膜内体网格蛋白 AP2衔接蛋白注:X=任何氨基酸, =各种疏水氨基酸;括号中单字母表示氨基酸的单字母缩写,而非括号中的单字母不仅表示氨基酸缩写,也表示是膜蛋白的细胞质结构域。9.6.2 披网格蛋白小泡形成的机理在大量进行内吞活动的细胞(如肝细胞、成纤维细胞)中,细胞质膜有许多网格蛋白小窝(图9-65)。这些小窝的形成需要很多衔接子(adapter)和网格蛋白,小泡最后与质膜的脱离还需
7、要一种称作发动蛋白(dynamin)的GTP结合蛋白。图9-65 成纤维细胞质面的网格蛋白被膜小窝的电子显微镜照片 网格蛋白(clathrin)及包被亚基(coat subunits)典型的披网格蛋白小泡的直径为50100nm。网格蛋白由相对分子质量为180kDa的重链和相对分子质量为3540kDa的轻链组成二聚体, 三个二聚体形成包被的基本结构单位-三联体骨架(triskelion), 称为三腿蛋白(three-legged protein)。许多三腿复合物再组装成六边形或五边形网格结构,即包被亚基,然后由这些网格蛋白亚基组装成披网格蛋白小泡(图9-66)。图9-66 网格蛋白的结构(a)
8、网格蛋白的三腿复合物;(b)网格蛋白包被亚基;(c)披网格蛋白小泡。 衔接蛋白(adaptin, AP) 和发动蛋白(dynamin) 衔接蛋白在网格蛋白被膜小窝形成时, 网格蛋白和膜之间有一种蛋白质起衔接作用,这就是衔接蛋白。所以衔接蛋白是一种在披网格蛋白小泡形成中起中介作用的蛋白质(图9-67)。图9-67 衔接蛋白与膜受体细胞质结构域中的信号序列相互作用目前已知有三种衔接蛋白:AP1、AP2和AP3。AP1: 衔接蛋白AP1参与反面高尔基体的披网格蛋白小泡的出芽。由于M6P受体蛋白既存在于反面高尔基体又存在于细胞质膜,所以这种受体既能同AP1作用又能与AP2相互作用。AP2: 衔接蛋白A
9、P2是由衔接蛋白(链)和衔接蛋白(链)两种衔接蛋白组成的异二聚体。参与反面高尔基体网络的披网格蛋白小泡的组装。AP3: 最近在酵母和鼠的研究中又鉴定了一种衔接蛋白, AP3,具有AP3突变的酵母,反面高尔基体的某些蛋白就不能被运输到液泡、溶酶体。什么是衔接蛋白? 在小泡装配中起什么作用? 发动蛋白发动蛋白是一种胞质溶胶蛋白,有900个氨基酸, 能够同GTP结合并将GTP水解。发动蛋白的作用是在被膜小窝的颈部聚合,通过水解GTP调节自己收缩, 最后将小泡与质膜割开。 披网格蛋白小泡的形成和运输披网格蛋白小泡的形成分为三个基本过程 被膜小窝(clathrin-coated pit)的形成网格蛋白被
10、膜小窝是披网格蛋白小泡形成过程中的一个中间体。在胞吞过程中, 吞入物(配体)先同膜表面特异受体结合, 然后网格蛋白装配的亚基结合上去, 使膜凹陷成小窝状。由于这种小窝膜外侧结合有许多网格蛋白, 故称为网格蛋白被膜小窝。 披网格蛋白小泡的形成在形成了网格蛋白被膜小窝之后, 很快通过出芽的方式形成小泡,即披网格蛋白小泡, 小泡须在发动蛋白的作用下与质膜割离。由于此时的小泡外面有网格蛋白包被, 故称为被膜小泡。 无被小泡的形成披网格蛋白小泡形成之后, 很快脱去网格蛋白的外被, 成为无被小泡。在真核细胞中有一种分子伴侣Hsc70催化披网格蛋白小泡的外被去聚合形成三腿复合物, 并重新用于披网格蛋白小泡的
11、装配。披网格蛋白小泡形成的过程示于图9-68。图9-68 披网格蛋白小泡的形成过程。 Ca2+ 参与了披网格蛋白小泡包被的形成和去被的过程。在形成包被时, 钙泵将Ca2+ 泵出细胞外, 使胞质中的Ca2+ 保持低浓度, 有利于有被小窝的形成。一旦形成被膜小泡, Ca2+ 同网格蛋白的轻链结合, 使包被不稳定而脱去。简要叙述披网格蛋白小泡形成和运输的基本过程及参与的因子9.6.3 COP-被膜小泡形成的机理COP-被膜小泡介导的是非选择性的小泡运输, 包括从内质网到高尔基体潴泡、从一个潴泡到另一个潴泡、到反面高尔基体网络以及从反面高尔基体向ER的回运。 小GTP结合蛋白(small GTP bi
12、nding protein)小GTP结合蛋白是细胞内的一个大的蛋白家族, 它以两种状态存在: 同GTP结合时, 具活性状态; 同GDP结合, 则是非活性状态。小GTP结合蛋白的活性和非活性状态的转变取决于两种蛋白: 一种是鸟嘌呤核苷释放蛋白(guanine-nucleotide-releasing protein, GNRP), 它催化GDP同GTP的交换。另一种是GTP 酶激活蛋白(GTPase-activating protein, GAP), 它触发结合的GTP水解。在COP-被膜小泡的形成中小G蛋白起重要作用。 装配反应因子及COP被膜小泡的形成 装配反应因子(assembly rea
13、ction factor, ARF)装配反应因子被认为是外被体外被的装配和去装配的信号。ARF是一种单体GTPase。当ARF同GDP结合时,游离存在于胞质溶胶中,若同GTP结合,GTP使ARF的构型发生改变,暴露出它的脂肪酸链,并随即插入到供体膜中。同膜结合后的ARFGTP可以同外被体结合,形成被膜小泡。 外被体蛋白质(coatmer protein, COP)COP是一种胞质溶胶蛋白质复合物,由7个亚基组成:、。COP在出芽小泡的胞质溶胶面聚合, 形成COP被膜小泡。由COP作为外被的小泡称为COP 被膜小泡。 COP被膜小泡的形成通过无细胞系统研究了COP运输小泡的出芽过程(图9-69)
14、: 一种胞质溶胶中的小分子GTP结合蛋白,即ARF,释放所结合的GDP,然后同GTP结合,形成ARF-GTP复合物,并整合在高尔基体膜中。GDP与GTP的交换是由高尔基体膜中的一种酶催化的; COP同ARF以及高尔基体膜蛋白的细胞质部分结合;在脂酰CoA(fatty-acyl CoA)的帮助下形成COP被膜小泡,但脂酰CoA的确切作用尚不清楚。一旦COP小泡形成就立即从供体膜释放出来,COP包被去聚合, 并与膜脱离, 这一过程是由与ARF结合的GTP水解所触发。图9-69 COP被膜小泡形成的过程在高尔基体膜中一种酶的催化下,ARF蛋白将所结合的GDP与GTP进行交换,出芽随即开始。ARF-G
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