囊泡

分泌蛋白外排过程中的运输载体

某些两亲性分子,如许多天然的合成的 表面活性剂 及不能简单缔合成 胶束 的 磷酸甘油酯 ,分散于水中时会自发形成一类具有封闭双层结构的分子有序组合体,称为囊泡(Vesicles)也称为 脂质体 (Liposome)

在一些 细胞 中用来储存、运输和消化细胞产品和废物。

简介

囊泡和脂质体这两个术语的意义在文献中有些含混。一般认为,如果这些 两亲分子 是天然表面活性剂卵磷脂,则形成的结构就称为脂质体;若由合成表面活性剂组成,则称为囊泡。因此,囊泡在分泌蛋白的外排过程中起重要的运输载体的作用。

应用

囊泡最重要的应用之一是模拟 生物膜 。生物膜的主体是由 磷脂 和 蛋白质 定向排列组成的封闭双分子层囊泡结构。生物膜在生物活体中起着很重要的作用,具有离子迁移、免疫识别等功能。通过对囊泡的研究,可加深人们对生物膜的认识,也为人们的仿生研究提供了一条新的途径。

囊泡的另一个重要的应用是作为药物的载体。与其它微结构相比,囊泡具有奇特的结构,即存在亲水微区和疏水微区,这使得囊泡具有同时运载水溶药物和水不溶药物的能力。同时,囊泡具有双层膜结构,与 生物膜 有很好的 兼容性 ,是理想的体内药物的载体。由于分子进出囊泡需要较长的时间,利用这一特性,近年来,人们研究用囊泡作为缓释剂,以更好地发挥药效。

这些年来,随着 纳米技术 的发展,人们也将囊泡用作模扳来制备 纳米材料 。囊泡也可以为一些化学反应及生物化学反应提供适宜的微环境。另外,囊泡在化妆品工业以及食品工业也有一定的应用。

运输机制

生物体内 细胞 的正常运转有赖于让合适的分子在合适的时间抵达合适的位置。一部分分子,如 胰岛素 ,需要被转运出细胞之外,而其他分子则需要被在细胞内部进行运输。细胞内部产生的分子被包裹于囊泡之中(图中蓝色表示),但是这些囊泡具体是如何达成这种精准的运输的?这一点一直没有被理解。

Randy W. Schekman发现基因控制下的 蛋白质 在这种囊泡运输机制中起到重要作用。正如这里的图上所展示的那样,通过对比正常酵母菌细胞(左)和转运机制缺陷的细胞(右),他成功识别出操控这一转运过程的基因。

James E. Rothman发现一种蛋白质化合物(图中橘色表示)可以让囊泡实现与目标细胞膜的融合。囊泡上的蛋白质物质会与目标细胞膜上的特定蛋白质之间发生结合,从而让囊泡可以在正确的位置上释放其所运载的特殊“分子货物”。

Thomas C. Südhof研究了大脑中神经细胞之间是如何互相传递信号的,以及钙离子在这一过程中所起的作用。他识别出一种分子机制(图中用紫色表示),其可以对进入的钙离子发生反应并触发囊泡融合,从而解释了囊泡输运机制中时间的精确性是如何达成的,以及其所携带的 信号分子 物质是如何能做到受控释放。

10月7日消息,据 诺贝尔奖 官方网站报道,2013 诺贝尔生理学或医学奖 今日公布,得主为James E. Rothman, Randy W. Schekman & Thomas C. Südhof,得奖原因为他们发现了细胞内的运输机制之谜。

生物体内每一个 细胞 都是一个生产和输出分子的工厂。比如, 胰岛素 在这里被制造出来并释放进入血液当中,神经传递素从一个神经细胞传导至另一个细胞。这些分子在细胞内都是以“小包”的形式传递的,这就是“细胞囊泡”。这三位获奖科学家发现了这些“小包”是如何被在正确的时间输运至正确地点的分子机制。

Randy Schekman发现了一系列与细胞囊泡输运机制有关的基因;James Rothman发现了让这些囊泡得以与其目标相融合的 蛋白质 机制,从而可以实现对所运“货物”的传递;Thomas Südhof则揭示了信号是如何实现对囊泡的控制,使其得以精确分配其所载“货物”。

在这项发现过程中,三位科学家:Rothman, Schekman 和Südhof揭示了细胞内输运体系的 精细结构 和控制机制。这一系统的失稳将导致有害结果,如神经系统疾病, 糖尿病 或 免疫系统 紊乱。