蛋白质的分选机制

先看一道试题：

如图为某动物细胞内部分蛋白质合成及转运的示意图，据图分析下列有关叙述错误的是（　　）
 

 A． 高尔基体对其加工的蛋白质先进行分类再转运至细胞的不同部位

 B． 附着核糖体合成的多肽通过囊泡运输到内质网加工

 C． 分泌蛋白经细胞膜分泌到细胞外体现了生物膜的结构特点

 D． 细胞膜上的糖蛋白的形成经内质网和髙尔基体的加工

解析： 解读题图可知，高尔基体对其加工的蛋白质先进行分类再转运至细胞的不同部位

A、看图可知：高尔基体对其加工的蛋白质先进行分类再转运至细胞的不同部位，A正确；B、附着核糖体合成的多肽是在信号肽的引导下进入内质网腔进行粗加工（这一过程没有囊泡运输），内质网将该蛋白通过囊泡运输到高尔基体进行深加工的．B错误；C、分泌蛋白经细胞膜分泌到细胞外属于胞吐作用，体现了生物膜的结构特点，C正确；D、看图可知：细胞膜上的糖蛋白的形成经内质网和髙尔基体的加工，D正确．故选：B．

这道试题涉及到蛋白质在核糖体合成,内质网及高尔基体加工、分选、转运至细胞的特定部位。

那么，蛋白质是如何分选的？

真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数蛋白质都是由核基因编码，起始合成均发生在游离核糖体上，然后或在细胞质基质（游离核糖体）中完成翻译过程，或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成。然而，蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分。因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位，也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复合体，才能参与实现细胞的各种生命活动。这一过程称蛋白质分选（protein sorting）或蛋白质寻靶（protein targeting）。蛋白质分选不仅保证了蛋白质的正确定位，也保证了蛋白质的生物学活性。实际上，蛋白质分选主要依靠蛋白质自身信号序列，从蛋白质起始合成部位转运到其功能发挥部位的过程。

核基因编码的蛋白质的分选大体可分2条途径：

（1）共翻译转运（cotranslational translocation）途径：即蛋白质合成在游离核糖体上起始之后，由信号肽和与之结合的SRP引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入糙面内质网腔或定位在ER膜上，经转运膜泡运到高尔基体加工包装再分选至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外。这种蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运。注意：内质网和高尔基体本身的蛋白质分选也按此途径来完成。

（2）翻译后转运（post-translational translocation）途径：即蛋白质在细胞质基质游离核糖体上合成以后，再转移到膜围绕的细胞器，如细胞核、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。酵母中有些分泌蛋白由结合ATP的分子Bip蛋白（Bip-ATP）与膜整合蛋白Sec63复合物相互作用，水解ATP提供动力驱动翻译后转运途径，即分泌蛋白在细胞质基质游离核糖体上合成后，再转运至内质网中。

左：共翻译转运         右：翻译后转运

真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型↑

根据蛋白质分选的机制或转运方式不同，又可将蛋白质转运分为4类：

（1）跨膜转运（transmembrane transport）：指共翻译转运途径中蛋白质边合成边转运进入内质网腔或插入内质网膜；另指翻译后转运途径中蛋白质在合成后依不同机制转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器。

（2）膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被不同类型的转运膜泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体进而再分选转移至细胞的不同部位，其中涉及供体膜出芽形成不同的转运膜泡、膜泡运输和转运膜泡与靶膜的融合等过程。

（3）选择性门控转运（gated transport）：在游离核糖体上合成的蛋白质通过核孔复合体在核-质间双向选择性地完成核输入或核输出。

（4）细胞质基质中蛋白质的转运：蛋白质在细胞质基质中的转运显然与细胞骨架系统密切相关，其它不明。

转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的蛋白质分选是一个多步过程，需要多个不同的靶向序列（targeting sequence）。

定位到叶绿体的前体蛋白N端具有40~50个氨基酸组成的转运肽（transit peptide），用以指引多肽定位到叶绿体并进一步穿过叶绿体被膜进入基质或类囊体中。

转运到线粒体和过氧化物酶体的蛋白质靠的是线粒体蛋白N端的导肽（leader peptide）或过氧化物酶体蛋白C端的靶向序列（targeting sequence）。

蛋白质最终的定位还需要其它空间定位信号；蛋白质必须在分子伴侣的帮助下解折叠或维持非折叠状态，以利于通过膜；蛋白质输入通常需要能量。

蛋白质从细胞质基质输入到线粒体

1. 线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质：两性的N端靶向信号序列（形成α螺旋构象）对于指导蛋白质输入线粒体基质是至关重要的；需要分子伴侣胞质蛋白Hsc70和线粒体基质蛋白Hsc70协助；需要从内外膜接触点的Tom（外膜移位子）和Tim（内膜移位子）处输入。

2. 线粒体蛋白以3种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜：途径A：具有N端基质靶向序列和内部停止转移序列；途径B：具有N端基质靶向序列和内部疏水的Oxa1靶向序列（内膜蛋白Oxa1所识别 ）；途径C：没有N端基质靶向序列，含有多个内部靶向序列；倆种膜间隙蛋白（Tim9/10）为外膜与内膜之间转运的分子伴侣。

3. 线粒体蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙：途径A：具有N端基质靶向序列和内部间隙靶向序列（其过程类似内膜蛋白途径A，需要内膜上蛋白酶于膜间隙一侧切割释放。）；途径B：通过外膜Tom40孔直接进入膜间隙。

叶绿体基质蛋白与类囊体蛋白的靶向输入

进入基质与线粒体的相似：叶绿体前体蛋白具有N端叶绿体（基质）靶向序列和类囊体靶向序列，进入基质与线粒体的相似：如前体蛋白非折叠，依赖于基质Hsc70水解ATP提供能量。但与线粒体不同的是：不产生跨内膜的电化学梯度。

进入基质后不同蛋白的转运途径不同：一个是叶绿体SRP依赖途径（与蛋白质进入内质网过程相似）；另一种是pH依赖途径（蛋白质与其辅因子结合，在类囊体靶向序列N端的2个Arg残基和跨线粒体内膜的pH 梯度是折叠蛋白输入到类囊体腔所必需的。）。

过氧化物酶体蛋白的分选

过氧化物酶体是真核细胞中唯一利用分子氧氧化底物形成小分子用于合成途径的细胞器。

由内质网出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物酶体的膜蛋白掺入，形成过氧化物酶体雏形。

过氧化物酶体靶向信号（PTS）：常见的C端PTS1和少见的N端PTS2。

可溶性细胞质受体识别并结合具有PTS序列的基质蛋白将其靶向运输到过氧化物酶体的基质中。

可溶性细胞质受体（Pex5或Pex7）和膜结合受体（ Pex14 ）似乎与SRP和SRP受体的功能有相似性