備課素材：囊泡及其運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制 第一學(xué)期高中生物學(xué)必修一

囊泡及其運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制2019版高中生物學(xué)必修一介紹了囊泡:細(xì)胞分成很多不同的工作區(qū)域，區(qū)域之間靠囊泡溝通:那么,“囊泡”是什么？它們的運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制究竟怎樣？2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家詹姆斯-E.羅斯曼和蘭迪-W.謝克曼、德國(guó)科學(xué)家托馬斯-C.蘇德霍夫，以表彰他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)部囊泡運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制“指揮交通”。蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)了控制囊泡運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)是哪些基因表達(dá)的。囊泡運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程是否正常，與這組基因是否正常表達(dá)有直接關(guān)系

“收信地址”

詹姆斯·羅斯曼發(fā)現(xiàn)一種蛋白質(zhì)化合物，可以讓囊泡實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)細(xì)胞膜的準(zhǔn)確結(jié)合

“送貨時(shí)間”

托馬斯·祖德霍夫探索細(xì)胞內(nèi)囊泡在指令來(lái)了以后如何準(zhǔn)確、有效地釋放內(nèi)容物

囊泡很忙

細(xì)胞里有不計(jì)其數(shù)形似皮球的囊泡，這些囊泡通過(guò)將細(xì)胞本身產(chǎn)生的一些分子與物質(zhì)包裹起來(lái)進(jìn)行傳送，以滿足生命活動(dòng)

要說(shuō)囊泡，首先得講講細(xì)胞。

“我們每個(gè)人身體內(nèi)大概有1×1014—1×1015個(gè)數(shù)量級(jí)的細(xì)胞，這么多細(xì)胞活動(dòng)的總和就是我們生命的表現(xiàn)，包括人的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、變異、衰老、死亡等?！绷_深秋說(shuō)，完成這個(gè)復(fù)雜的生命過(guò)程，需要不同細(xì)胞的分工合作，“但不管是什么樣的細(xì)胞，它們的一些基本活動(dòng)是一致的，如細(xì)胞內(nèi)部及彼此間的一些物質(zhì)交換。而在很多時(shí)候，這些物質(zhì)交換就是通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的囊泡來(lái)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

“囊泡就像一個(gè)皮球?！绷_深秋形容，它的“皮”就是所謂的生物膜。在細(xì)胞這個(gè)繁忙的“工廠”中，不計(jì)其數(shù)的囊泡通過(guò)將細(xì)胞本身產(chǎn)生或從外面進(jìn)來(lái)的一些分子與物質(zhì)包裹起來(lái)進(jìn)行傳送，以滿足生命活動(dòng)。

“具體來(lái)說(shuō)，這些物質(zhì)的傳遞有兩個(gè)方向，一個(gè)是細(xì)胞內(nèi)，一個(gè)是細(xì)胞外。有些分子與物質(zhì)往往不能直接穿過(guò)細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞外的，而需要通過(guò)囊泡與細(xì)胞膜的融合來(lái)進(jìn)行細(xì)胞外傳遞。”羅深秋說(shuō)。

可見，囊泡很忙，需要日夜穿梭。但如果傳輸雜亂無(wú)章，必然會(huì)讓細(xì)胞陷入紊亂的狀況，那是誰(shuí)來(lái)“指揮交通”？

作為本屆諾獎(jiǎng)獲得者之一，科學(xué)家蘭迪·謝克曼（RandyShekman）找到了答案?！澳遗葸\(yùn)輸調(diào)節(jié)通常是由蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，而蛋白質(zhì)又是通過(guò)基因的表達(dá)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)，謝克曼發(fā)現(xiàn)的就是控制囊泡運(yùn)輸?shù)倪@些蛋白質(zhì)是哪些基因表達(dá)的，因此，囊泡運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程是否正常，與這組基因是否正常表達(dá)就有直接關(guān)系。”羅深秋解釋。

“指揮交通”的有了，那“收信地址”在哪里？

另一位獲獎(jiǎng)?wù)哒材匪埂ち_斯曼（JamesRothman）給出了這個(gè)問(wèn)題的答案。他發(fā)現(xiàn)的一種蛋白質(zhì)化合物，可以讓囊泡實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)細(xì)胞膜的準(zhǔn)確結(jié)合?！斑@就是一個(gè)‘接頭’的過(guò)程?！绷_深秋解釋說(shuō)，“囊泡膜自身就含有一定的膜蛋白和脂類物質(zhì)，羅斯曼發(fā)現(xiàn)，需要‘接頭’的兩者，即囊泡與目標(biāo)細(xì)胞的膜上含有高度特異性的蛋白復(fù)合物，他們兩邊的結(jié)構(gòu)，就像拉鏈一樣，兩邊完全錯(cuò)開，但卻正好能因此緊密吻合。”囊泡膜與目標(biāo)細(xì)胞膜上特定的蛋白質(zhì)發(fā)生結(jié)合，囊泡便找到了自己的“送貨地址”。

在傳輸過(guò)程中還有很關(guān)鍵的一步，即“送貨時(shí)間”。

“一個(gè)東西什么時(shí)候送，是需要指令的，此外，不同的指令，代表著該送不同的物質(zhì)，比如說(shuō)A指令來(lái)了之后是送胰島素，B指令來(lái)了之后是送生長(zhǎng)因子。因?yàn)?，囊泡里的物質(zhì)在傳遞時(shí)要按需傳遞，什么時(shí)候需要了才會(huì)釋放出去?！绷_深秋表示，第三位獲獎(jiǎng)?wù)咄旭R斯·祖德霍夫（ThomasSudhof）研究的重點(diǎn)是探索細(xì)胞內(nèi)囊泡在指令來(lái)了以后如何準(zhǔn)確、有效地釋放內(nèi)容物。他認(rèn)為可能有某種特定物質(zhì)進(jìn)入囊泡后，能與之發(fā)生反應(yīng)，觸發(fā)兩膜的融合，即將之前已經(jīng)結(jié)合的“拉鏈”打開，促使它所攜帶的物質(zhì)釋放出去。

早在20多年前，細(xì)胞囊泡的運(yùn)輸形式就已被發(fā)現(xiàn)，但其調(diào)控運(yùn)輸機(jī)制一直不明，此次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，恰恰解答了細(xì)胞中囊泡內(nèi)的物質(zhì)是如何被運(yùn)輸、如何保證在準(zhǔn)確的時(shí)間送往目的地、如何在細(xì)胞內(nèi)部以及在細(xì)胞之間有條不紊地運(yùn)行等“機(jī)制”方面的問(wèn)題。

囊泡壞了？

囊泡運(yùn)輸發(fā)生障礙會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞甚至整個(gè)人體出現(xiàn)很多功能障礙，這意味著若它們出問(wèn)題，我們的小命也可能不保了

囊泡會(huì)不會(huì)累壞？不小心“違反交通規(guī)則”會(huì)出什么問(wèn)題？

“囊泡運(yùn)輸發(fā)生障礙會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞甚至整個(gè)人體出現(xiàn)很多功能障礙?！痹诹_深秋看來(lái)，囊泡運(yùn)輸是生命活動(dòng)中非?；A(chǔ)而重要的一種存在形式，一旦出問(wèn)題，我們的生命都可能受到威脅。

比如糖尿病，就是囊泡運(yùn)輸機(jī)制突然“短路”的體現(xiàn)。

“目前臨床上的糖尿病大概分為兩類，型糖尿病和型糖尿病?！绷_深秋解釋，“型糖尿病就是一種典型的囊泡運(yùn)輸問(wèn)題導(dǎo)致的疾病，因囊泡運(yùn)輸有障礙，胰島素生成之后無(wú)法正常傳遞到細(xì)胞外的血液中。胰島素是能促進(jìn)全身組織對(duì)葡萄糖進(jìn)行攝取和利用的激素，它能抑制糖原的分解和糖原異生，起到降低血糖的作用，如果它出不去，血糖必然就會(huì)升高?！?/p>

又好比老年癡呆，其發(fā)病也與囊泡運(yùn)輸障礙有關(guān)?！凹?xì)胞每天都會(huì)合成很多蛋白質(zhì)，而在細(xì)胞內(nèi)部也存在一個(gè)檢查、監(jiān)控機(jī)制，如果生產(chǎn)的蛋白質(zhì)不‘合格’，那是要被‘退貨’的?！绷_深秋解釋，如被退回來(lái)的蛋白質(zhì)無(wú)法及時(shí)以囊泡形式運(yùn)走，就會(huì)堆積在神經(jīng)細(xì)胞里成為細(xì)胞的沉淀物，同時(shí)擠占了細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器原有的工作空間，讓它們無(wú)法干活。這樣，神經(jīng)細(xì)胞的功能發(fā)生紊亂，時(shí)間長(zhǎng)了也就容易出現(xiàn)老年癡呆的癥狀。

因缺乏抗體導(dǎo)致抵抗力低下的情況也是一樣。由細(xì)胞合成的蛋白質(zhì)抗體，在經(jīng)過(guò)細(xì)胞的“包裝加工”之后再被輸送到細(xì)胞外，這個(gè)過(guò)程同樣也是通過(guò)囊泡運(yùn)輸形式實(shí)現(xiàn)的。如果囊泡的運(yùn)輸出了問(wèn)題，抗體無(wú)法從生產(chǎn)它的細(xì)胞內(nèi)輸送出來(lái)，無(wú)疑，人就缺少了抗體，抵抗力也會(huì)很差。

正因如此，評(píng)獎(jiǎng)結(jié)果揭曉后，瑞典卡羅琳的臨床兒科腫瘤學(xué)教授亨特不吝贊美：“這些美麗的發(fā)現(xiàn)，對(duì)了解人體很重要，對(duì)了解神經(jīng)系統(tǒng)、糖尿病和免疫系統(tǒng)失調(diào)等不同器官的疾病，也很重要?！?/p>

囊泡在細(xì)胞生物學(xué)中指一類體積相對(duì)較小的細(xì)胞內(nèi)囊狀構(gòu)造，這些囊泡外圍由至少一層的脂質(zhì)雙層分子膜構(gòu)成，用來(lái)存放、消化或傳送物質(zhì)，如細(xì)胞產(chǎn)物或廢物。它就像一個(gè)皮球，它的“皮”是生物膜。在細(xì)胞這個(gè)繁忙的“工廠”中，不計(jì)其數(shù)的囊泡通過(guò)將細(xì)胞本身產(chǎn)生或從外面進(jìn)來(lái)的一些分子與物質(zhì)包裹起來(lái)進(jìn)行傳送，以滿足生命活動(dòng)。每個(gè)細(xì)胞都是一個(gè)生產(chǎn)和出口分子的工廠：胰島素被合成并釋放到血液中、神經(jīng)遞質(zhì)從一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)送到另一個(gè)。這些分子被包裝在“囊泡”中，再運(yùn)輸?shù)街車募?xì)胞。這三名諾貝爾獎(jiǎng)得主發(fā)現(xiàn)了這種運(yùn)輸系統(tǒng)背后的分子機(jī)制，揭示了這些細(xì)胞貨物如何在正確的時(shí)間被運(yùn)送到正確的細(xì)胞靶點(diǎn)。蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)了一系列囊泡運(yùn)輸所需的基因；詹姆斯·羅斯曼闡明了允許囊泡與目標(biāo)進(jìn)行融合、使分子得以轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)機(jī)制。托馬斯·聚德霍夫則揭示了指導(dǎo)囊泡精確釋放貨物的信號(hào)機(jī)制。鑒于以上發(fā)現(xiàn)，羅斯曼、謝克曼和聚德霍夫揭示了控制細(xì)胞貨物進(jìn)行精確轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制。如果轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)受到干擾，則會(huì)對(duì)有機(jī)體產(chǎn)生有害影響，并導(dǎo)致如神經(jīng)系統(tǒng)疾病，糖尿病，免疫疾病等病癥。細(xì)胞貨物如何轉(zhuǎn)運(yùn)？在繁忙的大港口，為了確保正確的貨物在合適的時(shí)間被運(yùn)送到正確的目的地，需要?jiǎng)佑枚鄠€(gè)系統(tǒng)。同理，有著多個(gè)不同的細(xì)胞器的細(xì)胞也面臨著類似的問(wèn)題：細(xì)胞產(chǎn)生的分子，如激素，神經(jīng)遞質(zhì)，細(xì)胞因子和酶等，有些要被傳遞到細(xì)胞內(nèi)的其他地方，有些要被轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞——所有細(xì)胞貨物都要在正確的時(shí)刻被轉(zhuǎn)運(yùn)到正確的地點(diǎn)。

囊泡（Vesicles）是由膜包裹的微型小泡，能夠帶著細(xì)胞貨物穿梭于細(xì)胞器間，也能夠與細(xì)胞膜融合，將貨物釋放到細(xì)胞外部。由于神經(jīng)激活過(guò)程中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、代謝調(diào)節(jié)過(guò)程中激素的釋放都涉及這種轉(zhuǎn)運(yùn)，囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是非常重要的。那么，這些囊泡怎么知道何時(shí)在哪里交付貨物？從“堵車”現(xiàn)象中揭秘遺傳控制

蘭迪·謝克曼為細(xì)胞如何組織其轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)而深深著迷。在20世紀(jì)70年代，他決定利用酵母作為模式生物，研究這種轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)遺傳基礎(chǔ)。通過(guò)基因篩選，他發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制有缺陷的酵母細(xì)胞，這種酵母的細(xì)胞貨物轉(zhuǎn)運(yùn)情況就好像安排不周的公共交通系統(tǒng)一樣：囊泡堆積在細(xì)胞的某些部位。他發(fā)現(xiàn)，是遺傳原因?qū)е铝诉@種“擁堵”，于是致力于鑒別與此相關(guān)的突變基因。謝克曼鑒定了能控制細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)不同方面的三類基因，從而為介導(dǎo)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的嚴(yán)格調(diào)控機(jī)制提供了新的見解。精確對(duì)接詹姆斯·羅斯曼也對(duì)細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的本質(zhì)深感好奇。他在20世紀(jì)80年代和90年代利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞研究囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。羅斯曼發(fā)現(xiàn)一個(gè)蛋白復(fù)合物能使囊泡與他們的目標(biāo)膜進(jìn)行對(duì)接和融合。在融合過(guò)程中，囊泡和目標(biāo)膜上的蛋白以類似拉鏈的方式結(jié)合。事實(shí)上，這樣的蛋白有很多，為了確保貨物被交付到一個(gè)精確的位置，它們只會(huì)以特異性的方式進(jìn)行結(jié)合。囊泡結(jié)合細(xì)胞外膜釋放細(xì)胞貨物的原理與在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的原理是相同的。原來(lái)，謝克曼鑒別的那些酵母基因中，有一部分基因的蛋白產(chǎn)物是與羅斯曼在在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的蛋白相對(duì)應(yīng)的，這揭示了細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)古老的演化起源?？偟膩?lái)說(shuō)，他們揭示了細(xì)胞貨物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的關(guān)鍵部件。時(shí)間就是一切托馬斯·聚德霍夫則對(duì)大腦中神經(jīng)細(xì)胞間如何建立溝通很感興趣。囊泡通過(guò)與神經(jīng)細(xì)胞外膜融合將神經(jīng)遞質(zhì)釋放到胞外。這一過(guò)程中起作用的正是羅斯曼和謝克曼發(fā)現(xiàn)的機(jī)制。然而，這些囊泡只有在需要向相鄰的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)送神經(jīng)信號(hào)時(shí)才能將包含的神經(jīng)遞質(zhì)放出，怎么對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行精確控制？鈣離子參與了這一過(guò)程。在20世紀(jì)90年代，聚德霍夫致力于搜索神經(jīng)細(xì)胞中的鈣離子敏感蛋白。他隨后揭示了對(duì)鈣離子內(nèi)流進(jìn)行應(yīng)答、并促使相鄰蛋白質(zhì)迅速將囊泡結(jié)合到神經(jīng)細(xì)胞外膜的分子機(jī)制——拉鏈被打開、信號(hào)物質(zhì)被釋放。聚德霍夫的發(fā)現(xiàn)解釋了囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間精度是如何實(shí)現(xiàn)的，并闡釋了和囊泡中貨物的釋放可以通過(guò)信號(hào)加以控制。從囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)洞察疾病進(jìn)程三名諾貝爾獎(jiǎng)得