囊泡运输
囊泡在细胞内像一个篮球,结构封闭,没有开口。当囊泡运输到细胞膜后,如何将其内部的宝藏释放到细胞膜外呢?是谁在关键时刻喊出了类似“芝麻开门”的咒语,打开了囊泡和细胞膜之间的融合孔洞呢?
“芝麻开门”咒语的药引——钙离子研究发现,是钙离子吹响了冲锋的号角,最终打开了囊泡与细胞膜融合孔的开关。
例如,在神经元中,当动作电位来临,钙离子通过电压门控钙通道进入细胞质中,诱导位于突触前膜的突触小泡与细胞膜融合,释放神经递质到突触间隙中。
钙离子诱导神经递质释放
同样的,在胰岛β细胞中,在细胞膜发生去极化时,钙离子通过电压门控钙通道进入细胞质中,诱导包裹胰岛素的囊泡与细胞膜融合,从而将胰岛素释放到细胞外,发挥调节血糖的功能。
钙离子作为一个结构超级简单的二价阳离子,是怎样执行如此复杂的功能呢?原来,这要归功于细胞内的两个分子机关,一个叫突触结合蛋白(Synaptotagmin),另一个叫核心蛋白复合体(SNAREs)。正是利用这两个机关,钙离子才能够运用神奇的“咒语”,开启囊泡内的宝藏。
囊泡锚定细胞膜——突触结合蛋白当囊泡运输到细胞膜附近时,下一步需要钙离子开启。例如,在神经末梢,钙离子的富集主要由动作电位诱发。动作电位可以打开神经末梢上的钙离子通道,使得膜外的钙离子涌入神经末梢内部。
囊泡上的突触结合蛋白是钙离子感受器,它拥有C2A和C2B两个结构域,专门负责钙离子的感受。
突触结合蛋白跟钙离子结合后,锚定在细胞膜上
突触结合蛋白和钙离子结合后,构象会发生变化,拥有了跟细胞膜上的一种蛋白结合的能力。细胞膜上的这种蛋白好似岸上的锚,而突触结合蛋白就像绳索,将船一样漂浮于大海中的囊泡,稳稳停靠在细胞膜附近。
船停靠在岸边
此时,囊泡和细胞膜仍有一定的距离,囊泡需要进一步靠近细胞膜才能完成最终的融合释放。这进一步的靠近,跟细胞膜上的“锚”蛋白有关。
囊泡拉近细胞膜——核心蛋白复合体(SNARE)“锚”蛋白是核心蛋白复合体的一个成分,名为突触融合蛋白(Syntaxin)。“锚”蛋白和另外一个位于细胞膜的蛋白(突触体神经相关蛋白25,SNAP-25)一起合称为t-SNARE。这里的t是target的首字母,意指囊泡运输最终目标——细胞膜。
相对应的,囊泡上有另外一种核心蛋白复合体成分蛋白,突触小泡膜蛋白(Synaptobrevin/VAMP),称为v-SNARE。这里的v是囊泡的英文vesicle的首字母,意指位于囊泡上的核心蛋白复合体成分。