第十二节
对生物膜“动手术”的蛋白质

前面我们谈到细胞用膜包裹的小囊运输“货物”的情况：在细胞的吞饮过程中，小囊可以由细胞膜向内凹形成，包裹细胞外的液体或颗粒，然后与溶酶体融合；在从高尔基体反面向溶酶体和细胞膜输送水解酶和分泌蛋白时，高尔基体的膜突出形成小囊，再与溶酶体膜或细胞膜融合。要膜形成小囊，就需要有蛋白质结合在膜的一个局部区域，让其变形，再有蛋白质将突出来的泡状结构“掐下”，使其成为游离的小囊，随后还要有机制让小囊与其他膜（例如细胞膜和溶酶体膜）融合，以便“提交货物”。要让生物膜变形并且将其“掐断”，需要改变生物膜中磷脂的双层结构，并且拉断膜内脂肪酸尾巴之间的相互作用；要让小囊与膜融合，又需要克服生物膜表面负电荷的排斥，让本来位于膜内部的亲脂部分彼此接触而后融合。这些过程都是高难度的，需要许多蛋白质分子的参与。原核生物在几十亿年的时间里也没有能够做到这一点，所以小囊运输的体系以及与此相关的对生物膜“动手术”的本事，是真核细胞的发明。看看真核生物是如何在生物膜上“玩把戏”是很有趣的，我们在这里介绍其中一些研究得比较详细的蛋白质和它们的工作机制。

网格蛋白

从高尔基体反面形成小囊输送物质到溶酶体或细胞膜，或者在吞噬过程中从结合了细胞外分子的细胞表面受体处的细胞膜形成内体小囊，使用的是网格蛋白（clathrin）。网格蛋白是由三条重链（相对分子质量约190000）和三条轻链（相对分子质量约25000）组成的三叉形状的蛋白质。三条重链的羧基端结合轻链，再彼此结合，形成一个三叉形状。重链的氨基端有一个拐弯，末端膨大，像长在腿上的脚。网格蛋白的这种三叉形状，很像是五边形和六边形的皮革拼成足球表面时的交接线汇聚处。足球上五边形和六边形的皮片拼接时，接缝的交汇处总是三叉的，这个几何原理网格蛋白早就“懂得”了，多个三叉形的网格蛋白分子彼此连接聚合，就可以像足球缝线那样连成笼形结构，不过这里不是足球那样是“面”的结合，而是像足球缝线“边”的结合。根据其中五边形和六边形的数目，笼的大小可以变化。例如最小的笼状物只有4个六边形，其余的都是五边形。而大的笼状物可以有20个六边形。

网格蛋白并不直接和生物膜结合，而是通过转接蛋白（adaptin）间接与生物膜结合。这些转接蛋白识别生物膜上的一些蛋白质，例如细胞膜上结合有配体（如胰岛素或低密度脂蛋白）的受体蛋白质分子，或者高尔基体反面膜上结合有溶酶体蛋白质的6-磷酸甘露糖受体，以决定哪些蛋白质将被包括在要形成的运输小囊中。这些转接蛋白再与网格蛋白氨基端的膨大“脚”部结合，不断召集网格蛋白到膜附近。这些网格蛋白彼此聚合，形成笼状结构，与网格蛋白结合的转接蛋白由于和生物膜上的蛋白质相连，就把生物膜拉向笼子的内表面，生物膜就变形突起了（图3-32）。

图3-32 网格蛋白和它包裹成的运输小囊

突起的这部分生物膜现在还与原来的膜相连。要把这部分膜与其他的膜部分“切开”，成为包裹在笼状物内部的小囊，需要另一个叫发动蛋白（dynamin）的蛋白质。它在球的颈部聚集，形成像弹簧一样的结构绕住颈部，利用它结合的GTP水解的能量将颈部收紧，最后把膜切断，形成由网格蛋白包裹的小球。细胞膜形成内体和高尔基体反面发出的运输小囊，就是由网格蛋白包裹形成的。

小球形成后，网格蛋白还必须解离，释放出由膜包裹的小囊，否则包着网格蛋白的小球无法与另外的生物膜融合。这个任务是由细胞质中的热激蛋白Hsp70来完成的。Hsp70使用GTP水解释放出来的能量让网格蛋白解离。释放出来的网格蛋白又可以形成新的运输小囊。

从内质网到高尔基体顺面，从高尔基体反向运输蛋白回内质网，小囊形成时使用的就不是网格蛋白，而是包被蛋白（coat protein，简称COP）。从内质网运往高尔基体的小囊是由包被蛋白Ⅱ（COPⅡ）形成的。COPⅡ复合物含有由Sec13/Sec31组成二聚体，由Sec23/Sec24组成的二聚体，以及Sar1蛋白（一种GTP酶，上结合有1分子的GDP）。当结合有GDP的Sar1蛋白与内质网膜上的一个蛋白质相互作用，改为结合GTP时，Sar1形状改变，其亲脂的“尾巴”暴露出来，插入内质网膜中。结合于内质网膜的Sar1接着又结合Sec23/Sec24二聚体，这个二聚体又结合Sec13/Sec31二聚体。这几种蛋白的聚合就能够形成笼状结构，使内质网膜变形，形成运输小囊（图3-33）。

图 3-33 在内质网和高尔基体之间运输货物的小囊。Sec13/31二聚体能够形成笼状结构。它通过Sec23/24与Sar1相连，Sar1在结合GTP时，其亲脂的尾部暴露出来，插入膜中，使膜与笼状结构紧密相连，形成运输小囊

从高尔基体反向运输分子到内质网的小囊是由COPⅠ复合物包裹的。COPⅠ含有7个蛋白质，其中包括由3个 α 蛋白和3个 β 蛋白组成的三叉结构，以及一个ARF蛋白。和COPⅡ系统的Sar1类似，COPⅠ系统也需要一个GTP酶来启动。这个GTP酶叫做ARF（ADP ribosylation factor）。和Sar1类似，结合GDP的ARF是溶于细胞质的，但是ARF蛋白上连有一个脂肪酸叫“豆蔻酸”（myristic acid，十四烷酸），使ARF有一定的亲脂性。当高尔基体膜上的蛋白质把ARF-GDP变成ARF-GTP时，ARF的形状发生变化，脂肪酸和它亲脂的氨基端都暴露出来，使ARF结合在高尔基体的膜上。ARF再促使COPI复合物聚合，组成笼状结构，使里面的膜形成运输小囊（图3-34）。

图3-34 COPⅠ复合物和它形成的笼状结构。左为含α亚基和β亚基的蛋白复合物结构图。右下为COPⅠ复合物形成的笼状结构

由此可见，真核细胞在使生物膜变形，形成运输小囊时，使用了多种蛋白质。网格蛋白、COPⅠ和COPⅡ与不同的生物膜作用，生成运送蛋白质或其他物质的小囊。

膜融合蛋白

光有形成运输小囊的机制还不够，还必须有使小囊与目的地膜融合的机制，否则小囊携带的蛋白质就无法交送。但是要让两张生物膜融合不是一件容易的事。生物膜的表面是亲水的磷脂头部，带有负电。要让埋藏在膜内部的脂肪酸尾巴冲破膜表面的磷脂层互相接触并且融合，需要特殊的机制，这就是通过膜融合蛋白来完成的。

膜融合蛋白（SNARE）主要包含三种蛋白质，分别位于运输小囊和目标膜上。这套系统在神经末梢的突触（synapse）分泌神经递质的系统中研究得最详细，所以这些蛋白的名称中都和突触synapse这个词有关，其实在非神经细胞中膜的融合也使用这些蛋白质。位于运输小囊上的蛋白叫小突触小泡蛋白（synaptobrevin），它有一个亲脂的羧基端插入小囊的膜中，暴露在细胞质中的部分则用来和目标膜上的融合蛋白结合。运输小囊都含有这个蛋白，以保证以后能够和目标膜融合。

目标膜上的融合蛋白有两种，分别是突触融合蛋白（syntaxin）和突触联系蛋白25（synaptosomal associated protein 25，简称SNAP 25）。突触融合蛋白和小突触小泡蛋白一样，也有一个亲脂的羧基端插入膜中，不过在这里是插入目标膜中，其暴露在细胞质中的部分则用于和其他融合蛋白相作用。突触联系蛋白SNAP 25没有插入膜的亲脂区段，而是在其中部的半胱氨酸残基上连有一个脂肪酸（棕榈酸，即十六烷酸），通过这个脂肪酸附着在目标膜上。

每一种融合蛋白都含有能够与其他融合蛋白结合的区段，叫“融合区段”（SNARE motif）。这个区段是60~70个氨基酸残基长的 α-螺旋，其中含有由7个氨基酸残基组成的重复序列，能够和其他融合蛋白的融合区段结合。小突触小泡蛋白和突触融合蛋白都只提供一个融合区段，而突触联系蛋白25提供两个融合区段。当运输小囊靠近目标膜时，位于囊上的小突触小泡蛋白的融合区段就与位于目标膜上的突触融合蛋白和突触联系蛋白25的融合区段结合。这四个区段的结合从氨基端开始，接着像拉链一样向羧基端前进，最后形成紧密地结合在一起的融合区段的四聚体。由于小突触小泡蛋白和突触融合蛋白各有一个亲脂的尾巴分别插入运输小囊和目标膜，四个融合区段拉链式的拉合过程中就会产生拉力，通过插入小囊膜和目标膜的亲脂尾巴把两张膜拉在一起并且彼此融合（图3-35）。

在膜融合完成以后，这个融合区段的四聚体就不再需要了。这个解离工作就是由前面提到的N-乙基马来酰胺敏感的融合因子（NSF）来完成的。NSF是一个ATP酶，在蛋白质SNAP（NSF attachment protein）的协助下，结合于融合蛋白，并且用ATP水解提供的能量使融合蛋白彼此解离。