细胞内蛋白质的分选和转运机制

陈建坤

蛋白质作为生命活动的执行者和体现者，与生物的遗传、疾病等都有着重要关联。在细胞内，有些蛋白质是先合成再进行分选转运，如线粒体、叶绿体、细胞核等结构中的蛋白质；而有些是边合成边分选转运，如分泌蛋白、膜蛋白等。细胞根据蛋白质是否携有分选信号（信号序列）以及分选信号的性质，有选择地将蛋白质运送到细胞的不同部位。

1分选信号的种类

分选信号有两类：①信号肽：蛋白质多肽链上一段连续的特定氨基酸序列，一般位于新肽链的N端，属于一级结构。完成分选任务后常被切除。②信号斑：位于多肽链不同部位的几个特定氨基酸序列經折叠后形成的斑块区，是一种三维结构。完成分选任务后，仍然存在。

2原核细胞中蛋白质分选转运途径

原核细胞（如细菌）没有复杂的生物膜系统。但是为了维持生命，原核细胞需要合成一些蛋白质分泌到细胞质或者转运到细胞外发挥作用。原核生物中蛋白质的转运分泌途径主要包括3种：①一般分泌途径，即SEC途径；②双精氨酸移位酶途径，即TAT途径；③信号颗粒识别途径，即SRP途径。除此之外，还有V型分泌途径、TPS分泌途径和分子伴侣引导分泌途径等。

①一般分泌途径，即SEC途径：SEC分泌途径是原核生物中蛋白质主要的跨膜运输机制，主要由SEC移位酶作为介导。SEC途径可以转运多种蛋白质，包括毒性因子、菌毛、黏附素和蛋白酶等。SEC途径主要功能是把尚未折叠完成的蛋白质转运到质膜外，在质膜外折叠成有活性的蛋白质。SEC途径大致可分为3个过程：信号序列的识别与定位、跨膜转运和多肽的释放。

②双精氨酸移位酶途径，即TAT途径：TAT途径识别的肽链N端信号序列通常含有两个连续的精氨酸残基。TAT途径主要转运已经折叠完成的蛋白质，而尚未折叠完成的蛋白质通常不能通过该系统分泌，从而避免未完成折叠蛋白在胞外被降解的命运，保证了分泌产物的结构和功能的准确性。此外，TAT途径还可以将少数蛋白质整合到质膜中。

③信号颗粒识别途径，即SRP途径：SRP途径是原核细胞内专一性转运质膜蛋白。SRP介导的质膜定位是一个共翻译过程。新生肽在核糖体上合成的同时N端信号序列在SRP的作用之下，与质膜上的SPR受体结合识别完成定位。

3真核细胞中蛋白质分选转运途径

真核细胞中蛋白质是在核糖体上合成后，根据细胞需求运输到细胞内的各个部位（如线粒体、叶绿体、内质网、细胞核、细胞膜等）或者被运输到细胞外（图1）。

3.1真核细胞中蛋白质的分选转运机制和运输方式

真核细胞中蛋白质的分选转运可分为两条途径：

①翻译后转运途径：先在细胞质基质游离的核糖体上合成多肽链，然后再转运到众多细胞器或者留在细胞质基质中利用。

②共翻译转运途径：蛋白质合成在游离核糖体上起始之后，由信号肽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中，再经高尔基体的加工包装运至溶酶体、细胞膜或分泌细胞外。根据转运到的部位不同，细胞内部利用的蛋白质称为胞内蛋白，分泌到细胞外发挥作用的称为分泌蛋白。

真核细胞中蛋白质的运输方式通常有以下3种形式：

①门控运输，主要指通过核孔复合体进行。核可调控的门，可介导选择性的双向运输。此过程需要消耗能量。进出细胞核的蛋白质分别含有核定位信号和核输出信号。这两种信号序列可为信号肽或信号斑，分别被门控上的核输入受体和核输出受体识别，一般不被切除，可反复使用。

②穿膜运输：主要指蛋白质从细胞质基质穿越细胞器膜，分别进入内质网、线粒体、叶绿体等细胞器的过程。蛋白质上的分选信号被靶细胞器膜的转运子所识别。此过程需要消耗能量。

③小泡运输：细胞器之间通过运输小泡进行的蛋白质运输。如分泌蛋白和神经递质的合成分泌过程中囊泡的运输，胞吞作用中出现的小泡等。此过程体现了生物膜的流动性，运输小泡表面通常有特殊标记，可被靶膜上的受体识别。此过程需要消耗能量。

3.2分泌蛋白的分选和转运

分泌蛋白的分选转运与信号肽有着重要关联，属于共翻译转运途径。信号肽通常包括16～26个氨基酸残基，可分为三部分：疏水核心区、信号肽的C端和信号肽N端。分泌蛋白质首先在细胞质基质游离的核糖体上起始合成，当多肽链延伸至80个氨基酸左右时，N端信号肽暴露出来。在信号识别颗粒（SRP）的协助下，N端信号肽与内质网上SRP受体识别结合，使内质网膜产生通道。在信号肽的引导之下，新合成的肽链通过通道进入内质网腔。进入内质网腔后，信号肽被信号肽酶所降解。新合成的肽链如果存在停止转移序列，该序列可以与内质网膜有着很强的结合能力从而使得肽链转移停留，这种多肽链最终转变为内质网膜上的跨膜蛋白。进入内质网腔的多肽链经糖基化等修饰加工，再经高尔基体的加工分类包装，以囊泡的方式运至溶酶体、细胞膜或者分泌细胞外。

3.3线粒体内的蛋白质分选和转运机制

这类蛋白质首先在核糖体上初步合成为不成熟蛋白质，称为前体蛋白，属于翻译后转运途径。前体蛋白中已经存在信号序列。信号序列会被位于线粒体外膜上的外膜受体复合体所识别，通过外膜受体蛋白和内膜受体蛋白所形成膜蛋白通道进入线粒体。进入之后，N端信号肽就会被信号肽酶切除水解。切除信号肽的蛋白质在线粒体基质中进行空间折叠，形成成熟的蛋白质。整个过程需要消耗能量。转运到叶绿体、氧化物酶体的蛋白质与此过程类似，只是依赖的信号序列不同而已。此外，有的细胞器蛋白在穿越细胞器膜时，需要分子伴侣的协助。分子伴侣可以帮助这些前体蛋白解折叠或者维持非折叠状态，便于通过膜蛋白通道。

无论原核细胞还是真核细胞，蛋白质能准确到达目的地，不仅仅取决于信号序列，还与目的地的信号识别装置有关。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。