膜融合是如何实现的?

囊泡运输的过程中,总是要涉及膜融合的过程,比如内质网和高尔基体之间的膜泡运输,回收的膜泡与endosome的融合,以及要分泌的膜泡与细胞膜之间的融合。
在这些过程中,膜融合不是自动完成的,而是需要很多不同的蛋白。这些蛋白是用什么样的力量让两边的细胞膜融合在一起?仅仅是把两边的细胞膜拉在一起么?还是需要克服某种膜与膜之间的排斥力?毕竟膜内是疏水环境,不会轻易与其他膜融合在一起。

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1个答案
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桔子帮小帮主细胞生物学博士,果壳网研究员

2013-10-10 18:25

你提的问题里特别抓住要害的就是,你注意到了:membrane fusion,膜融合的过程中要克服一个非常非常不稳定的瞬间。
就是不管是囊泡,还是目的地那边的膜,都是磷脂双分子层。也就是说,都是疏水的结构被非常稳定地包裹在里面,外面全都是亲水的,结果现在需要把膜的双层先切断,再和另一个球的双层粘在一起。中途必然有一个非常不稳定的状态。
想象一个双层的小气球和另一个双层的小气球碰在一起,双层的里面装了水,那这俩小气球怎么能在破坏了膜之后,又完好地融合成一个大气球。下面这个图是拆解这个过程:先凑近——然后外面那层破坏、融合——最后通了,变成一个球。


这个问题问的就是,这么一个不容易实现的过程,是靠什么驱动力完成的呢?简而言之,就是膜上有专门的蛋白,把膜拉近,然后靠自己构型改变所产生的力,克服膜融合需要的能量。就是下面这个图画的蓝色、红色、黄色的蛋白啦。


把这个过程稍微梳理一下吧。
囊泡运输有特别多的步骤:
首先要被运到合适的位置,然后碰到一起,就是vesicle tethering,这个步骤还没耗能,是可逆的,这个过程已经涉及到不少有特异功能的蛋白了,如果你学得更多一点,应该知道它们是rab protein,就是一些GTPase。在tethering这个步骤最后,你说的关键的蛋白就登场了。就是SNARE protein。SNARE protein依据分布的位置不同,分成v-SNARE和t-SNARE,v和t代表vesicle(囊泡)和target。它们都是-helix,其中囊泡上有一根儿,要融合的膜上有三根。
下面的步骤,被称为Vesicle docking和priming,还有最后的fusion完成。从docking开始,也就是那几根蛋白缠在一起,就是不可逆的了,上图看不清楚,可以看下面的示意图的第二个步骤往下,这三根要融合的膜上的SNARE和囊泡上的那一根SNARE,在去除抑制之后,如果要形成一个four--helix bundle,是会放出能量的。就是这些能量,来克服膜融合过程中的排斥力。

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