囊泡运输

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,细胞囊泡运输,一、,2013,年诺贝尔生理学、医学奖,2013,年诺贝尔生理学或医学奖被授予三位科学家，来自,耶鲁大学,、出生于美国的詹姆斯,罗斯曼,(James E. Rothman),；,加州大学伯克利分校,的兰迪,谢克曼,(Randy W. Schekman),；来自,斯坦福大学,、二十世纪,80,年代移居美国的德国人托马斯,祖德霍夫,(Thomas C. Sudhof),他们的研究揭示了细胞内运输机制，并帮助解释了神经细胞如何传递信息、胰岛细胞如何分泌胰岛素、以及胚胎是如何释放促进器官生长发育的化学物质的。,兰迪,.,谢克曼发现了一组与细胞囊泡运输机制相关的基因。,詹姆斯,.,罗斯曼发现了让囊泡与其目标相融合从而进行物质传递的蛋白质机制。,托马斯,.,祖德霍夫则发现了囊泡如何在指令下精确地释放出内部物质。,细胞囊泡形成过程所需要两类基本元件,1),内质网膜或高尔基体膜，这是囊泡形成的结构基础；,2),形成囊泡被膜所需要的相关分子，它们保证了囊泡突起的形成和分离；,细胞内物质的跨膜运输,囊泡运输的机制,囊泡的形成过程,A,蛋白的分选、转运和定向融合,B,细胞的胞吞作用,C,囊泡的关键性结构：,有被小泡,(coated vesicle),包括：,（,1,）网格蛋白有被小泡（,clathrin-coated vesicle,）,（,2,）,COPI,有被小泡,（,3,）,COPII,有被小泡,主要作用：,选择性地将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡，,决定运输小泡的外部特征,第一节 囊泡的形成过程,（一）网格蛋白有被囊泡,产生：,高尔基复合体、细胞膜。,功能：,质膜胞内体（内吞作用）,高尔基复合体胞内体,高尔基复合体溶酶体,参与的分子：网格蛋白、衔接蛋白、发动蛋白,A.,网格蛋白有被小泡形态特征电镜图；,B.,网格蛋白有被小泡结构特征示意图,网格蛋白：,构成网架结构，形成囊泡外被。,成纤维细胞的网格蛋白衣被电子显微镜照片,衔接蛋白：在网格蛋白结构外框与囊膜间隙中填充、覆盖。,具有识别特异的跨膜蛋白受体,，并将其连接到网格蛋白上的作用。衔接蛋白一端与网格蛋白重链结合，催化网格蛋白的聚合；另一端又与被转运的“货物”分子衔接。,TGN,47,Clathrin,Adaptor,参与,TGN,出芽形成的网格蛋白囊泡,参与受体介导的入泡作用,形成的网格蛋白囊泡,参与,TGN,出芽,形成的网格蛋白囊泡,(,酵母和小鼠,),不同类型的网格蛋白囊泡含有不同的衔接蛋白。目前已发现衔接蛋白有,4,种，每种都与特定的转运囊泡结合，其中,3,种衔接蛋白,(AP1,、,AP2,和,AP3),性质已明。,缢断蛋白（发动蛋白）,：,参与囊泡形成,是可结合并水解,GTP,的特殊蛋白质，,在膜芽生形成时与,GTP,结合，在膜囊的颈部聚合使膜缢缩并断离形成囊泡。,又称为动力蛋白,(dynamin),是一种,小分子,G,蛋白,，在包被小窝形成时，缢断蛋白环绕在,囊泡底端逐渐形成较狭窄的环状结构，称为囊胞颈部；,其作用类似于“烟袋的抽绳”。随着缢断蛋白,GTP,的水解，“抽绳”不断收紧，结果将囊泡“缢”割下来，形成包被囊泡。,经由,胞吞作用,的网格蛋白有被小泡之形成过程,（二）,COPII,有被囊泡,功能：,负责从内质网,高尔,基复合体的物质运输。,产生,:,糙面,内质网,COPII,介导的内质网,-,高尔基复合体物质运输,COP II,有被小泡的形态结构,A. COP II,有被小泡形态特征电镜图；,B. COP II,有被小泡的结构组成；,组成：,由,5,种亚基组成,Sar,蛋白,:,属于一种小的,GTP,结合蛋 白，通过与,GTP,或,GDP,结合，调节囊泡外被的装配与去装配。,COPII,蛋白,:,通过识别并结合内质网,穿膜蛋白受体胞质端的信号序列，介导囊泡的选择性物质运输。,COP II,有被小泡的组装形成过程示意图,C. COP II,的组装激活；,D. COP II,的装配,（三）,COPI,有被囊泡,功能：,捕捉、回收转运内质网逃逸蛋白,;,逆向运输高尔基复合体膜内蛋白,;,行使从内质网到高尔基复合体的顺向转移,(,中间体中转,),产生：,高尔基复合体,COP,有被囊泡的主要功能,COPI,有被小泡由多个亚基组成的多聚体。,蛋白：也称,ARF,蛋白，类似于,COPII,中的,Sar,蛋白亚基，作为一种,GTP,结合蛋白，可调节控制外,被蛋白复合物的聚合、装配及膜泡的转运。,三种衣被小泡的功能,衣被类型,GTP,酶,组成，衔接蛋白,运输方向,clathrin,Dynamin,Clathrin,重链与轻链，,AP2,质膜内体,Clathrin,重链与轻链，,AP1,高尔基体内体,Clathrin,重链与轻链，,AP3,高尔基体溶酶体，植物液泡,COP I,ARF,COP,高尔基体内质网,COP II,Sar1,Sec23/Sec24,复合体，,Sec 13/31,复合体，,Sec 16,内质网高尔基体,ARF,：,a,ssembly,r,eaction,f,actor,，装配反应因子，即,COPI,衣被小泡的,蛋白亚基,囊泡运输的机制,囊泡的形成过程,A,蛋白的分选、转运和定向融合,B,细胞的胞吞作用,C,蛋白质分选运输的途径,门控运输,（,gated transport,）,跨膜运输,（,transmembrane transport,）,囊泡运输,（,vesicular transport,）,蛋白质分选运输的途径,1.,门控运输,（,gated transport,）,：指核孔,可以选择性地主动运输大分子物质,和,RNP,（核糖核蛋白）,复合体，,并且允许小分子物质自由进出细胞核。,电镜下核孔是呈圆形或八角形,核孔复合体的组成：,1.,核膜；,2.,外环；,3.,辐；,4.,核篮；,5.,纤维。,蛋白质分选运输的途径,门控运输,（,gated transport,）,跨膜运输,（,transmembrane transport,）,囊泡运输,（,vesicular transport,）,2.,跨膜运输,（,transmembrane transport,）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质在信号序列的引导下，通过线粒体上,的,跨膜通道,，,以解折叠的线性分子进入线粒体。,图片引自, transport,）,跨膜运输,（,transmembrane transport,）,囊泡运输,（,vesicular transport,）,3,、,囊泡运输,（,vesicular transport,）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入细胞外大分子颗粒物质等。,这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别。,2.,细胞器上的,信号识别装置,（分选受体，,sorting receptor,）,1.,蛋白质中的,信号序列,（,signal sequence,）,蛋白质的定向,融合,细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：,信号肽（,signal peptide,）,存在于蛋白质一级结构上的,线性序列,，通常,15-60,个氨基酸残基,有些在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶切除,信号序列,对其所引导的蛋白,没有特异性,信号序列决定蛋白质转运方向。,信号斑（,signal patch,）,存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间,可以不相邻,，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。,功能,信号序列,输入细胞核,-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-,输出细胞核,-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-,输入线粒体,+,H,3,N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-,输入质体,+,H,3,N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu- Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu- Gln-Gly-,输入过氧化物酶体,-Ser-Lys-Leu-COO-,输入内质网,+,H,3,N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys- Glu-Val-Phe-Gln-,返回内质网,-Lys-Asp-Glu-Leu-COO,-,（,KDEL,）,由质膜到内体,Tyr-X-X-,注：,+H3N,为蛋白质,N,端，,COO,-,为蛋白质,C,端，,X,表示任何一种氨基酸，,为分子较大的疏水氨基酸，如,Phe,、,Leu,、,Met,等。,Cargo-binding,domain,Light chain,Neck linker,Stalk,Heads,动力蛋白（,dynein,），趋向微管负端；细胞核,驱动蛋白（,kinesin,）,趋向微管正端；细胞膜,肌球蛋白（,myosin,），,Va,趋向微丝的正端,VI,趋向微丝的负端,运输工具,马达蛋白,(1),分类,马达蛋白的运动方式（,kinesin,）,Inchworm,尺蠖,微管是一种具有极性的,细胞骨架,hand-over-hand,I left,right,II left,left or right,right,马达蛋白在复杂网络的运动,MTOC,微管组织中心,微丝,与,微管,和中间纤维共同组成细胞骨架,融合,结合,识别,囊泡与靶膜的融合是一个涉及多种蛋白的识别与锚泊结合、装配与去装配的复杂调控过程，具有高度的特异性,“,定向和融合的关键环节,”,融合复合物,配体,-,受体,囊泡运输的定向融合机制,囊泡运输的定向和融合机制,（,1,）,SNAREs,蛋白：主要作用是介导囊泡融合,动物细胞已发现,20,多种,SNAREs,运输小泡上的称,v-SNAREs,，,靶膜上的称,t-SNAREs,v-,和,t-SNAREs,都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨,SNAREs,复合体,(trans-SNAREs complexes),，将运输小泡膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合,SNAREs,突触小泡,神经细胞,Rab,GTP,Tethering protein,Transport vesicle,V-SNARE,t-SNARE,t-SNARE,Target membrane,Transport vesicle,V-SNARE,V-SNARE,Target membrane,t-SNARE,t-SNARE,t-SNARE,t-SNARE,SNAREs,Rabs,调节,SNAREs,复合体的形成,（,2,）,Rabs,Rabs,，属于单体,GTP,酶，已知,30,余种，不同膜上具有不同的,Rabs,G,蛋白的一种,Rabs,结合,GDP,失活，位于细胞质中,结合,GTP,激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上,Rabs,作用,:,通过效应因子,，,调节,SNAREs,复合体的形成,促进和调节运输小泡的停泊和融合。,第三节 胞吞作用（,endocytosis),胞吞作用是病毒及生物大分子颗粒等进入细胞的一种方式,过程中消耗一定的能量,分为,吞噬作用（,phagocytosis),胞饮作用（,pinocytosis),受体介导的胞吞作用,（一）吞噬作用（,phagocytosis,）,又称胞吃作用（,cellular eating,）。吞噬作用只限于几种特殊的细胞类型，如变形虫（,Amoebae,）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。,（一）吞噬作用（,phagocytosis,）,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（,macrophages,）和中性粒细胞（,neutrophils,）。它们通过吞噬菌体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,巨噬细胞正在吞噬衰老的红细胞,（二）吞饮作用（,pinocytosis,）,又称胞饮作用（,cellular drinking,）， 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,。,（三）受体介导的内吞作用,一些大分子物质先与膜上特异性受体识别并结合，通过膜内陷形成囊泡，囊泡脱离膜进入细胞的胞吞作用。是一种特异的、高效的摄取细胞外大分子的方式。,受体介导内吞的基本特点有两个特点：,配体与受体的结合是特异的， 具有选择性；,要形成特殊包被的内吞泡。,过程：以,LDL,为例,LDL,是一种球形颗粒的脂蛋白，能够与特定细胞的表面受体结合。 ），核心是,1500,个胆固醇酯。,LDL,与受体结合后，就会形成,被膜小泡,被细胞吞入，接着是,网格蛋白,解聚， 受体回到质膜再利用， 而,LDL,被传送给溶酶体， 在,溶酶体,中蛋白质被降解， 胆固醇被释放出来用于质膜的装配， 或进入其他代谢途径,受体介导的,LDL,内吞过程,