內膜系統與蛋白質分選［細胞生物學］
發布時間：2011-10-18 共1頁
內膜系統與蛋白質分選（protein sorting）
蛋白質是由核糖體合成的，合成之后必須準確無誤地運送到細胞的各個部位。在進化過程中每種蛋白形成了一個明確的地址簽（address target）， 細胞通過對蛋白質地址簽的識別進行運送， 這就是蛋白質的分選（protein sorting）。細胞中蛋白質的運輸有兩種方式：共翻譯運輸和翻譯后運輸，內膜系統參與共翻譯運輸，是分泌蛋白質分選的主要系統。
■ 蛋白質分選定位的時空概念
所謂蛋白質分選定位的時空概念包括兩種含義：①合成的蛋白質何時轉運？②合成蛋白質在細胞中定位空間及轉運中所要逾越的空間障礙是什么？
● 從時間上考慮，蛋白質的合成分選有兩種情況：先合成，再分選和一邊合成一邊分選。為了適于蛋白質分選的時間上的需要，核糖體在合成蛋白質時就有兩種存在狀態：游離的或與內質網結合的。
● 從蛋白質定位的空間看，包括了細胞內各個部分，即使是具有蛋白質合成機器的線粒體和葉綠體也需要從細胞質中獲取所需蛋白質（圖9-5）。
圖9-5 細胞質中蛋白質合成和空間定位路線
細胞中各部位（包括細胞質）中的蛋白質都是來自胞質溶膠，不過內質網以上的細胞器，包括細胞核、線粒體、過氧化物酶體和質體所需蛋白是由胞質溶膠直接運送的。而從內質網以下的各種細胞器，包括內質網、高爾基體、溶酶體、內體、分泌泡、細胞質膜以及細胞外基質等所需的蛋白質雖然起始于胞質溶膠，但要經過內質網和高爾基體的中轉。
■ 蛋白質分選定位的空間障礙及運輸方式
從蛋白質定位的細胞內空間部位結構來看，可分為三種類型：①沒有膜障礙的，如胞質溶膠，包括胞質溶膠中的細胞骨架蛋白和各種酶及蛋白分子；②有完全封閉的膜障礙，如線粒體、葉綠體、內質網、高爾基體等；③有膜障礙，但是膜上有孔，如細胞核。
根據三種不同的空間障礙， 合成的蛋白質通過三種不同方式進行運輸定位（圖9-6）。
● 核孔運輸（transport through nuclear pore） 胞質溶膠中合成的蛋白質穿過細胞核內外膜形成的核孔進入細胞核，被運輸的蛋白需要有核定位信號。
● 跨膜運輸（across membrane transport） 胞質溶膠中合成的蛋白質進入到內質網、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等則是通過跨膜機制進行運輸的，需要膜上運輸蛋白（protein translocators）的幫助，被運輸的蛋白要有信號肽或導肽。
● 小泡運輸（transport by vesicles） 蛋白質從內質網轉運到高爾基體以及從高爾基體轉運到溶酶體、分泌泡、細胞質膜、細胞外等則是由小泡介導的，這種小泡稱為運輸小泡（transport vesicles）。
圖9-6 膜結合細胞器的三種運輸機制
蛋白質在核孔運輸和小泡運輸中可保持折疊的形式，但在跨膜運輸中必須解折疊，定位后再進行折疊。無論是何種運輸方式都需要消耗能量。［］
■ 信號序列指導蛋白質的正確運輸
● 信號序列的作用
雖然蛋白質可通過不同的方式和機制克服空間障礙， 定位到膜結合的細胞器中，但就其定位的準確性來說， 無論何種運輸機制都是通過信號引導實現的，換句話說，信號序列決定蛋白質的正確運輸方向（圖9-7）。
圖9-7 信號序列在蛋白質分選中的作用
（a）具有ER定位信號序列的蛋白質被運輸到ER中，而沒有引導序列的蛋白質存在于胞質溶膠中。（b）通過重組DNA技術將引導序列與胞質溶膠的蛋白基因重組，表達的胞質溶膠蛋白被定位到ER， 相反，被剝奪了ER定位信號的蛋白質則只能存在于胞質溶膠中。該實驗說明引導序列對所引導的蛋白質沒有特異性。
● 信號序列特性
通常為15-60個氨基酸長度，位于新生肽的N端。通過基因工程的方法證明信號序列指導的蛋白質運輸和定位對蛋白質沒有特異性，但不同的膜結合細胞器具有不同的蛋白質定位的信號序列（表9-3）。
表9-3 細胞內某些典型蛋白運輸信號及功能
| 功能 | 信號序列組成 |
| 輸入內質網 | +H3 N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu- Gln-Leu-Thr- Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln |
| 滯留內質網 | -Lys-Asp-Glu-Leu-COO―― |
| 輸入線粒體 | +H3 N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe- Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser- Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu- |
| 輸入細胞核輸入過氧化物酶體 | -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val--Ser-Lys-Leu- |
說明： +H3N 代表氨基端； COO――代表羧基端。
● 信號序列的類型
根據信號序列運輸方向的不同分為三種類型，即入核信號、引導肽和信號肽。入核信號指導核蛋白的運輸，引導肽指導線粒體、葉綠體和過氧化物酶體蛋白的運輸，信號肽則指導內膜系統的蛋白質運輸。
