分子生物学基础:细胞内膜交通

文摘   2024-08-13 11:32   北京  

基础概念

每个细胞都需要摄取营养、与外界沟通并快速响应环境变化。为此,细胞不断调整其质膜和内部隔室的组成,通过内膜系统实现这些调节。主要过程包括:

  • 外排作用(Exocytosis):分泌途径将新合成的蛋白质、碳水化合物和脂质输送到质膜或细胞外空间。
  • 内吞作用(Endocytosis):质膜成分被移除并转运到内部的内体(endosome)中,再被回收到质膜或送至溶酶体(lysosome)降解。

囊泡运输的分子机制

在真核细胞中,运输囊泡不断从一个膜上出芽,带着膜成分和溶质分子(货物)融合到另一个膜上。囊泡交通遵循高度有组织的方向性路径,使得细胞能够分泌物质、摄取养分并重塑质膜和细胞器。

囊泡运输路径:
  • 分泌途径(Secretory Pathway):从内质网(ER)向外延伸到高尔基体(Golgi)和质膜,包括到溶酶体的分支。
  • 内吞途径(Endocytic Pathway):从质膜向内运输。

膜标记和囊泡选择性

每个运输囊泡必须具备选择性,仅携带适当的分子,并且只能与正确的靶标膜融合。这种选择性由膜上的分子标记实现,这些标记确保囊泡仅与目标隔室融合。

被膜囊泡的种类

大多数运输囊泡由专门的被膜区域形成,这些区域覆盖有蛋白质笼子:
  • 网格蛋白被膜囊泡(Clathrin-coated Vesicles):负责高尔基体与质膜、内体与高尔基体之间的运输。
  • COPI 和 COPII 被膜囊泡:分别负责高尔基体隔腔之间及 ER 和高尔基体之间的运输。

这些被膜有两层结构:内层浓缩特定膜蛋白,选择适当的膜分子进行运输;外层笼子形成弯曲的、类似篮子的结构,塑造囊泡。

膜弯曲蛋白和膜运输中的 GTP 酶

膜弯曲蛋白(如 BAR 域蛋白)帮助在囊泡形成过程中变形膜结构。单体 GTP 酶(如 Sar1 和 ARF)在被膜组装和拆解中发挥重要作用。Sar1 在 ER 膜上启动 COPII 被膜组装,而 ARF 控制在高尔基体上的 COPI 和网格蛋白被膜组装。

Rab 蛋白在运输囊泡的指导作用

Rab 蛋白是另一类单体 GTP 酶,在囊泡运输的特异性中起关键作用。Rab 蛋白在膜上定位,帮助识别并引导囊泡到达正确的目标膜。

SNARE 蛋白介导膜融合

SNARE 蛋白通过缠绕在一起形成稳定的四螺旋束,将囊泡与目标膜紧密结合,推动膜融合。v-SNARE 通常位于囊泡膜上,而 t-SNARE 位于目标膜上。SNARE 复合物不仅决定膜融合的特异性,还提供推动膜融合的能量。


Molecular biology of the cell (Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis etc.) 

Dr Leo
ENT医生的科研分享
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