细胞内膜运输

细胞内膜运输知识总结，包括膜的动态更新、内吞作用、细胞分泌，小泡的定向运输，停靠与融合机制等等。

细胞内膜运输

• 有被小泡的类型，装配因子及信号
  • 类型
    • 网格蛋白有被小泡（clathrin-coated vesicle）
    • COPI有被小泡（COP I-coated vesicle）
    • COP II有被小泡（COP II-coated vesicle）
  • 装配因子
    • GTPase的帮助
  • 介导有被小泡形成的信号
• 有被小泡的形成
  • 网格蛋白有被小泡的形成
    • 结构
      • 网格蛋白（clathrin）是一种进化上高度保守的蛋白质，是由分子质量为180kDa的重链和分子质量为35～40kDa的轻链组成的二聚体。三个 位－三腿蛋白体（triskelion），二聚体形成包被的基本结构单或称三腿蛋白复合体。许多三腿蛋白复合体再组装成五边形或六边形网格结构，即包被亚基（coat subunit），然后由这些网格蛋白亚基组装成网格蛋白有被小泡
    • 衔接蛋白
      • 衔接蛋白位于包被的内层，介于网格蛋白货物与膜之间，是一种在网格蛋白有被小泡形成中起选择作用的蛋白质。
    • 磷脂肌醇标记细胞器及膜结构域
    • 网格蛋白包被的装配与去分配
      • 网格蛋白包被的装配与去装配分三个过程，伴 随此过程，形成运输小泡 第一个过程是形成网格蛋白有被小窝 第二个过程是网格蛋白有被小泡的形成。 第三个过程是网格蛋白有被小泡形成之后，很快脱去网格蛋白的包被，成为无被小泡
    • 发动蛋白
      • 发动蛋白的主要作用是在有被小窝的颈部聚合，通过水解GTP释放的能量进行自己收缩，最后将小泡与质膜断开（pinchingoff）。发动蛋白是一种G蛋白，属于 GTPase。
    • 网格蛋白有被小泡的脱被作用
      • 小泡一旦与母体膜脱离，就会快速地脱去外部的网格蛋白包被。此时被一同装配到膜泡的网格蛋白包被中的PIP磷酸酶就会水解掉膜中PI（4，5）P2，从而削弱了衔接蛋白的结合作用。此外，一种称为Hsp70的分子伴侣起着脱被ATPase的作用，它使用ATP对网格蛋白包被进行剥离。另一种蛋白－辅助蛋白（auxilin），通过激活ATPase 参与网格蛋白包被的脱离。 Ca2＋也参与了包被的形成和脱被的过程。在形成包被时，钙泵将Ca2＋泵出细胞外，使胞质中的Ca＋保持低浓度，有利于有被小窝的形成。一旦形成有被小泡，Ca2＋与网格蛋白的轻链结合，使包被不稳定而脱去。
  • COP有被小泡的形成
    • COPⅠ与COPⅡ有被小泡
      • COP1是一种胞质溶胶蛋白，由7个亚基组成：α、β、β、Y、8、ε、。如同网格蛋白，COPI在出芽小泡的胞质溶胶面聚合，装配成有被小泡。
      • COP II有被小泡介导从内质网到高尔基体的运输，所以COPII有被小泡首先是从内质网形成的，其外被蛋白与COP1相似但不相同，故称为COP II包被。
    • 单体GTPase控制被膜的装配
      • 细胞为了保持小泡的输入与输出的平衡，包被蛋白仅是在需要的时间与地点进行装配。而局部区域产生的PIP对于从细胞质膜及高尔基体形成网格蛋白包被小泡则起主要的调节作用。此外，细胞还采用其他的方式调控包被的形成，如包被招募GTPase控制内吞体，以及高尔基体与内质网膜中COPI、COPII包被的形成。
    • COPⅡ有被小泡的形成
      • COPⅡ有被小泡的外被是双层的
      • 与膜结合的、具有活性的Sarl-GTP将COP I的衔接蛋白招募到膜上，它们选择某些膜蛋白，并引起膜变性。然后，衔接蛋白招募外被蛋白，帮助形成一个“芽”，最后与膜脱离成为包被小泡，小泡有两层包被，外被由Sec13/Sec31组成，内被由Sec23/Sec24组成。
    • COP有被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濉泡、从潞泡到反面高尔基网，以及从反面高尔基同向内质网的回运。
• 小泡的定向运输，停靠与融合机制
  • Rab蛋白介导运输小泡寻靶
    • Rab蛋白的基本特性
      • Rab蛋白亚家族是单体GTPase中最大的亚家族。每一种Rab蛋白都存在于与分泌或内吞有关的膜性细胞器中，并且这些细胞器的细胞质面至少有一种Rab蛋白。Rab蛋白选择性分布在各类票上，成为膜的一种特殊标记，并指导小泡进行定向运输。另外，Rab既能在运输小泡上起作用，也能在靶膜上发挥作用，或在运输小泡及靶膜上同时发挥作用。
    • Rab蛋白与效应蛋白在膜上的装配
      • Rab 蛋白和其效应蛋白在膜上的装配是协同进行的，最后会产生一个大的、特别的膜斑（membrane patch）。
    • Rab的级联对膜特性的改变
      • Rab结构域通过去装配或是被其他的Rab结构域所替换，改变细胞器的标记性质，这种改变称为Rab级联（Rab cascade）。
    • Rab蛋白在小泡特异性运输中起关键作用。就象包被招募GTPase一样，Rab蛋白也属于单体GTPase，已知有60多个成员。Rab蛋白是一类调节型的单体GTPase，属于小GTP结合蛋白（small GTP binding protein）。
  • SNARE蛋白与NSF蛋白
    • SNARE蛋白
      • SNARE蛋白的中文全称是可溶性N-乙酰马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体（soluble N- athylmaleimide-sensitive factor attachment proteinmoptor，SNARE）蛋白。动物细胞中至少有35种不同的SNARE，每一种都是与分泌或内吞途径中的细胞器结合在一起的。它们都是穿膜蛋白，并且是互补配套存在的。
    • NSF蛋白
      • 细胞中的大多数SNARE都会参与多轮小泡运输，但有时也会作为膜的组成成分稳定地存在。如果要参与新一轮的运输，SNARE必须去装配，帮助SNARE去装配的是NSF蛋白。NSF （N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein）的中文全称是N-乙基马来酰亚胺敏感融合蛋白，是AAA-ATPase 家族中一种六聚体的ATPase，既能存在于膜，又能存在于胞质溶胶。NSF利用ATP作为能源、催化解开配对的SNARE蛋白质螺旋结构域间的卷曲缠绕
• 细胞分泌
  • 从内质网到高尔基体的分泌
  • 从反面高尔基网向溶酶体的分泌
    • 溶酶体酶蛋白的M6P标记
      • 由于溶酶体的酶都是水解酶类，对细胞内的结构和化学组分具有破坏作用，所以它的形成必须有独特的机制。研究发现，溶酶体的酶上都有一个特殊的标记，即甘露糖－6-磷酸（mannose-6-phosphate，M6P），这一标记是溶酶体酶合成后在糙面内质网和高尔基体通过糖基化及磷酸化修饰而成的。
    • GleNAc-磷酸转移酶
      • 溶酶体的酶蛋白在附着核糖体上合成，通过信号肽的引导进入糙面内质网，在糙面内质网进行N-连接的糖基化。在此过程中，溶酶体酶蛋白先带上3个葡萄糖、9个甘露糖和2个N-乙酰葡萄糖胺；然后切除3分子葡萄糖和1分子甘露糖后转运到高尔基体；在顺面高尔基网对N-连接的糖链进行磷酸化修饰，带上甘露糖－6-磷酸的标记。这一修饰作用是由位于顺面高尔基体中的两种酶催化的：一种是N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶（N-acetylglucosaminephosphotransferase），简称GlcNAc-磷酸转移酶（GlcNAc-phosphotransferase）；另一种是N-乙酰葡萄 糖胺糖苷酶（N-acetylglucosaminidase）。
    • M6P受体及溶酶体酶网格蛋白有被小泡的形成
      • 经过顺面高尔基体潴泡中酶的修饰，带上M6P标记的溶酶体酶蛋白被转运到反面高尔基网，在高尔基体外侧澹泡的膜上有识别M6P标记的受体，通过M6P与受体的识别与结合，溶酶体酶蛋白被分选出来。M6P受体同时含有一特殊的2亮氨酸序列，该序列能够与称作GGA的衔接蛋白结合.GGA蛋白可招募网格蛋白，通过出芽形成游前溶酶体网格蛋白有被小泡，接着脱去网格蛋白包被，形成早期内体，经受体分选、脱磷后成为溶酶体
      • M6P受体蛋白主要存在于高尔基体的外侧潴泡的膜 M6P受体蛋白与M6P的结合是高度特异的，并且具有较高的结合力。它在pH为6.5～7的条件下与M6P结合，而在酸性条件下（pH6）解离。
    • 内体
      • 内体（endosome），又称内吞体，既可产生于细胞的内吞，又可产生于高尔基体的分选形成的有被小泡，但其命运始终与溶酶体息息相关。
      • 内体是细胞内一种动态的小泡结构，有早期内体（early endosome） 和晚期内体（late endosome）之分，早期内体通常位于细胞质的外侧，晚期内体常位于细胞质的内侧，靠近细胞核。内体的主要特征是酸性的、不含溶酶体酶的小囊泡（溶酶体分泌泡除外）。一般认为早期内体是由于细胞的内吞作用而形成的含有内吞物质的小泡，通常是管状和小泡状的网络结构集合体。 晚期内体中的pH呈酸性，且具有分拣作用，能够分选出结合货物的受体
    • 溶酶体的异质性
    • 溶酶体形成的非M6P途径
  • 胞吐作用：从反面高尔基网向细胞外分泌
    • 组成型与调节型分泌活动
      • 组成型分泌途径
      • 调节型分泌途径
    • 极性细胞膜蛋白的分选运输
    • 分泌泡中蛋白质的酶解加工。
    • 溶酶体与多泡体经过胞吐释放
• 内吞作用
  • 内吞途径
    • ①第一种途径是依赖于网格蛋白、由受体介导的内吞，是细胞选择性输入细胞外大分子的重要方式。②第二种途径是依赖于窖蛋白（caveolin）的内吞，这是发生在含有脂筏的质膜微区的内吞作用，也需要受体，同样需要发动蛋白将膜泡与质膜切离，形成的窖蛋白内吞体相互融合，形成大的内吞泡，窖蛋白可循环使用。③第三种途径独立于网格蛋白与窖蛋白的内吞，有些需要发动蛋白，有些不需要发动蛋白。
  • 受体介导的内吞作用
    • 受体介导的内吞（receptor-mediated endocytosis）是一种特殊类型的胞吞作用，主要是通过细胞表面的受体摄取细胞外特殊的生物大分子。受体介导的内吞是大多数动物细胞从外部环境中获得特别的大分子的主要途径。
    • 特点
      • 在受体介导的内吞中，被吞入的物质首先要与质膜中的受体结合，与受体结合的物质称为配体（ligand），配体即是经受体介导被内吞的特异性大分子。根据配体的性质及被细胞内吞后的作用可将其分为四大类：①营养物，如运铁蛋白、低密度脂蛋白等；②有害物质，如病原菌；③免疫物质，如免疫球蛋白、抗原等；④信号物质，如胰岛素等多种肽类激素等。
    • 受体介导的低密度脂蛋白的内吞
    • 运铁蛋白结合铁离子的内吞运输
    • 细胞质膜信号转导受体的调节性内吞
  • 内体的加工与成熟
    • 多泡体
      • 在内体成熟过程中，内体的某些膜区会内陷直至与内体膜脱离形成内体腔内泡（intraluminalvesicle），即小泡中的小泡。含有腔内泡的内体称为 多泡体（multivesicular body，MVB）
    • 内体成熟：从内吞途径到溶酶体
    • 转胞吞作用与再循环内体
      • 在转胞吞作用中，受体从早期内体回到质膜不是直线式、一步到位的。首先，受体通过网格蛋白有被小窝，进入网格蛋白有被小泡，被转运到早期内体，再被转运到再循环内体（recyclingendosome），随着运输途径的改变，其中来自早期内体的受体将会在不同的膜位点结合并卸载结合的配体。来自早期内体的一些受体都具有分选信号，指导它们进入合适的运输途径。
      • 转胞吞作用（transcytosis），即胞吞转运作用，是一种特殊的内吞作用，受体和配体在内吞中并未微任何处理，只是经细胞内转运到相反的方向，然后通过分泌作用，将内吞物释放到细胞外。转胞吞作用主要发生在极性细胞中。
  • 吞噬细胞的吞噬
    • 春噬作用（phagocytosis）又称胞吃（cellularcating）。香噬是一种特殊形式的内吞作用，吞入物通常是较大的颗粒，如微生物、死亡的细胞或细胞一般大于250nm。吞噬作用只限于几种特殊的细胞残片；形成的内吞泡叫吞噬体（phagosome），直径类型，如变形虫（amoeba）和一些单细胞的真核生物通过吞噬作用从周围环境中摄取营养。在大多数高等动物细胞中，吞噬作用是一种保护措施而非摄食的手段。高等动物具有一些特化的吞噬细胞，包括巨噬细胞和中性粒细胞。它们通过吞噬作用摄取和消灭感染的细菌、病毒，以及损伤的细胞、衰老的红细胞等
  • 吞饮作用
    • 吞饮作用（pinocytosis）又称胞饮作用（cellulardrinking），是胞吞作用的一种类型，它是一种非选择性的连续摄取细胞外基质中液滴的内吞过程。吞入的物质通常是液体或溶解物，所形成的小囊泡的直径小于150nm。吞饮作用通常是从质膜上特殊区域开始的，形成一个小窝，最后形成一个很薄且没有外被包裹的膜泡。细胞外基质中存在的任何分子和颗粒都可以通过胞饮作用被细胞吞入。
• 膜的动态更新
  • 膜脂的来源及不对称性分布
  • 膜蛋白的更新
    • 膜整合蛋白和外周蛋白的形成
    • 脂锚定蛋白的形成
• 细胞通过细胞质膜的内陷将细胞外的物质转运到细胞内的过程称为内吞作用（endocytosis）或胞吞作用。包括吞噬作用、吞饮作用、受体介导的内吞作用三种类型
• 动物细胞和植物细胞将在内质网上合成而又非内质网组成部分的蛋白质和脂通过小泡运输的方式经过高尔基体的进一步加工和分选运送到细胞内相应结构、细胞质膜及细胞外的过程称为细胞分泌（cell secretion）。