第十二節
對生物膜“動手術”的蛋白質

前面我們談到細胞用膜包裹的小囊運輸“貨物”的情況：在細胞的吞飲過程中，小囊可以由細胞膜向內凹形成，包裹細胞外的液體或顆粒，然后與溶酶體融合；在從高爾基體反面向溶酶體和細胞膜輸送水解酶和分泌蛋白時，高爾基體的膜突出形成小囊，再與溶酶體膜或細胞膜融合。要膜形成小囊，就需要有蛋白質結合在膜的一個局部區域，讓其變形，再有蛋白質將突出來的泡狀結構“掐下”，使其成為游離的小囊，隨后還要有機制讓小囊與其他膜（例如細胞膜和溶酶體膜）融合，以便“提交貨物”。要讓生物膜變形并且將其“掐斷”，需要改變生物膜中磷脂的雙層結構，并且拉斷膜內脂肪酸尾巴之間的相互作用；要讓小囊與膜融合，又需要克服生物膜表面負電荷的排斥，讓本來位于膜內部的親脂部分彼此接觸而后融合。這些過程都是高難度的，需要許多蛋白質分子的參與。原核生物在幾十億年的時間里也沒有能夠做到這一點，所以小囊運輸的體系以及與此相關的對生物膜“動手術”的本事，是真核細胞的發明。看看真核生物是如何在生物膜上“玩把戲”是很有趣的，我們在這里介紹其中一些研究得比較詳細的蛋白質和它們的工作機制。

網格蛋白

從高爾基體反面形成小囊輸送物質到溶酶體或細胞膜，或者在吞噬過程中從結合了細胞外分子的細胞表面受體處的細胞膜形成內體小囊，使用的是網格蛋白（clathrin）。網格蛋白是由三條重鏈（相對分子質量約190000）和三條輕鏈（相對分子質量約25000）組成的三叉形狀的蛋白質。三條重鏈的羧基端結合輕鏈，再彼此結合，形成一個三叉形狀。重鏈的氨基端有一個拐彎，末端膨大，像長在腿上的腳。網格蛋白的這種三叉形狀，很像是五邊形和六邊形的皮革拼成足球表面時的交接線匯聚處。足球上五邊形和六邊形的皮片拼接時，接縫的交匯處總是三叉的，這個幾何原理網格蛋白早就“懂得”了，多個三叉形的網格蛋白分子彼此連接聚合，就可以像足球縫線那樣連成籠形結構，不過這里不是足球那樣是“面”的結合，而是像足球縫線“邊”的結合。根據其中五邊形和六邊形的數目，籠的大小可以變化。例如最小的籠狀物只有4個六邊形，其余的都是五邊形。而大的籠狀物可以有20個六邊形。

網格蛋白并不直接和生物膜結合，而是通過轉接蛋白（adaptin）間接與生物膜結合。這些轉接蛋白識別生物膜上的一些蛋白質，例如細胞膜上結合有配體（如胰島素或低密度脂蛋白）的受體蛋白質分子，或者高爾基體反面膜上結合有溶酶體蛋白質的6-磷酸甘露糖受體，以決定哪些蛋白質將被包括在要形成的運輸小囊中。這些轉接蛋白再與網格蛋白氨基端的膨大“腳”部結合，不斷召集網格蛋白到膜附近。這些網格蛋白彼此聚合，形成籠狀結構，與網格蛋白結合的轉接蛋白由于和生物膜上的蛋白質相連，就把生物膜拉向籠子的內表面，生物膜就變形突起了（圖3-32）。

突起的這部分生物膜現在還與原來的膜相連。要把這部分膜與其他的膜部分“切開”，成為包裹在籠狀物內部的小囊，需要另一個叫發動蛋白（dynamin）的蛋白質。它在球的頸部聚集，形成像彈簧一樣的結構繞住頸部，利用它結合的GTP水解的能量將頸部收緊，最后把膜切斷，形成由網格蛋白包裹的小球。細胞膜形成內體和高爾基體反面發出的運輸小囊，就是由網格蛋白包裹形成的。

小球形成后，網格蛋白還必須解離，釋放出由膜包裹的小囊，否則包著網格蛋白的小球無法與另外的生物膜融合。這個任務是由細胞質中的熱激蛋白Hsp70來完成的。Hsp70使用GTP水解釋放出來的能量讓網格蛋白解離。釋放出來的網格蛋白又可以形成新的運輸小囊。

從內質網到高爾基體順面，從高爾基體反向運輸蛋白回內質網，小囊形成時使用的就不是網格蛋白，而是包被蛋白（coat protein，簡稱COP）。從內質網運往高爾基體的小囊是由包被蛋白Ⅱ（COPⅡ）形成的。COPⅡ復合物含有由Sec13/Sec31組成二聚體，由Sec23/Sec24組成的二聚體，以及Sar1蛋白（一種GTP酶，上結合有1分子的GDP）。當結合有GDP的Sar1蛋白與內質網膜上的一個蛋白質相互作用，改為結合GTP時，Sar1形狀改變，其親脂的“尾巴”暴露出來，插入內質網膜中。結合于內質網膜的Sar1接著又結合Sec23/Sec24二聚體，這個二聚體又結合Sec13/Sec31二聚體。這幾種蛋白的聚合就能夠形成籠狀結構，使內質網膜變形，形成運輸小囊（圖3-33）。

從高爾基體反向運輸分子到內質網的小囊是由COPⅠ復合物包裹的。COPⅠ含有7個蛋白質，其中包括由3個 α 蛋白和3個 β 蛋白組成的三叉結構，以及一個ARF蛋白。和COPⅡ系統的Sar1類似，COPⅠ系統也需要一個GTP酶來啟動。這個GTP酶叫做ARF（ADP ribosylation factor）。和Sar1類似，結合GDP的ARF是溶于細胞質的，但是ARF蛋白上連有一個脂肪酸叫“豆蔻酸”（myristic acid，十四烷酸），使ARF有一定的親脂性。當高爾基體膜上的蛋白質把ARF-GDP變成ARF-GTP時，ARF的形狀發生變化，脂肪酸和它親脂的氨基端都暴露出來，使ARF結合在高爾基體的膜上。ARF再促使COPI復合物聚合，組成籠狀結構，使里面的膜形成運輸小囊（圖3-34）。

由此可見，真核細胞在使生物膜變形，形成運輸小囊時，使用了多種蛋白質。網格蛋白、COPⅠ和COPⅡ與不同的生物膜作用，生成運送蛋白質或其他物質的小囊。

膜融合蛋白

光有形成運輸小囊的機制還不夠，還必須有使小囊與目的地膜融合的機制，否則小囊攜帶的蛋白質就無法交送。但是要讓兩張生物膜融合不是一件容易的事。生物膜的表面是親水的磷脂頭部，帶有負電。要讓埋藏在膜內部的脂肪酸尾巴沖破膜表面的磷脂層互相接觸并且融合，需要特殊的機制，這就是通過膜融合蛋白來完成的。

膜融合蛋白（SNARE）主要包含三種蛋白質，分別位于運輸小囊和目標膜上。這套系統在神經末梢的突觸（synapse）分泌神經遞質的系統中研究得最詳細，所以這些蛋白的名稱中都和突觸synapse這個詞有關，其實在非神經細胞中膜的融合也使用這些蛋白質。位于運輸小囊上的蛋白叫小突觸小泡蛋白（synaptobrevin），它有一個親脂的羧基端插入小囊的膜中，暴露在細胞質中的部分則用來和目標膜上的融合蛋白結合。運輸小囊都含有這個蛋白，以保證以后能夠和目標膜融合。

目標膜上的融合蛋白有兩種，分別是突觸融合蛋白（syntaxin）和突觸聯系蛋白25（synaptosomal associated protein 25，簡稱SNAP 25）。突觸融合蛋白和小突觸小泡蛋白一樣，也有一個親脂的羧基端插入膜中，不過在這里是插入目標膜中，其暴露在細胞質中的部分則用于和其他融合蛋白相作用。突觸聯系蛋白SNAP 25沒有插入膜的親脂區段，而是在其中部的半胱氨酸殘基上連有一個脂肪酸（棕櫚酸，即十六烷酸），通過這個脂肪酸附著在目標膜上。

每一種融合蛋白都含有能夠與其他融合蛋白結合的區段，叫“融合區段”（SNARE motif）。這個區段是60~70個氨基酸殘基長的 α-螺旋，其中含有由7個氨基酸殘基組成的重復序列，能夠和其他融合蛋白的融合區段結合。小突觸小泡蛋白和突觸融合蛋白都只提供一個融合區段，而突觸聯系蛋白25提供兩個融合區段。當運輸小囊靠近目標膜時，位于囊上的小突觸小泡蛋白的融合區段就與位于目標膜上的突觸融合蛋白和突觸聯系蛋白25的融合區段結合。這四個區段的結合從氨基端開始，接著像拉鏈一樣向羧基端前進，最后形成緊密地結合在一起的融合區段的四聚體。由于小突觸小泡蛋白和突觸融合蛋白各有一個親脂的尾巴分別插入運輸小囊和目標膜，四個融合區段拉鏈式的拉合過程中就會產生拉力，通過插入小囊膜和目標膜的親脂尾巴把兩張膜拉在一起并且彼此融合（圖3-35）。

在膜融合完成以后，這個融合區段的四聚體就不再需要了。這個解離工作就是由前面提到的N-乙基馬來酰胺敏感的融合因子（NSF）來完成的。NSF是一個ATP酶，在蛋白質SNAP（NSF attachment protein）的協助下，結合于融合蛋白，并且用ATP水解提供的能量使融合蛋白彼此解離。