細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

陳建坤

蛋白質(zhì)作為生命活動的執(zhí)行者和體現(xiàn)者，與生物的遺傳、疾病等都有著重要關(guān)聯(lián)。在細(xì)胞內(nèi)，有些蛋白質(zhì)是先合成再進(jìn)行分選轉(zhuǎn)運(yùn)，如線粒體、葉綠體、細(xì)胞核等結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)；而有些是邊合成邊分選轉(zhuǎn)運(yùn)，如分泌蛋白、膜蛋白等。細(xì)胞根據(jù)蛋白質(zhì)是否攜有分選信號（信號序列）以及分選信號的性質(zhì)，有選擇地將蛋白質(zhì)運(yùn)送到細(xì)胞的不同部位。

1分選信號的種類

分選信號有兩類：①信號肽：蛋白質(zhì)多肽鏈上一段連續(xù)的特定氨基酸序列，一般位于新肽鏈的N端，屬于一級結(jié)構(gòu)。完成分選任務(wù)后常被切除。②信號斑：位于多肽鏈不同部位的幾個特定氨基酸序列經(jīng)折疊后形成的斑塊區(qū)，是一種三維結(jié)構(gòu)。完成分選任務(wù)后，仍然存在。

2原核細(xì)胞中蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

原核細(xì)胞（如細(xì)菌）沒有復(fù)雜的生物膜系統(tǒng)。但是為了維持生命，原核細(xì)胞需要合成一些蛋白質(zhì)分泌到細(xì)胞質(zhì)或者轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外發(fā)揮作用。原核生物中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)分泌途徑主要包括3種：①一般分泌途徑，即SEC途徑；②雙精氨酸移位酶途徑，即TAT途徑；③信號顆粒識別途徑，即SRP途徑。除此之外，還有V型分泌途徑、TPS分泌途徑和分子伴侶引導(dǎo)分泌途徑等。

①一般分泌途徑，即SEC途徑：SEC分泌途徑是原核生物中蛋白質(zhì)主要的跨膜運(yùn)輸機(jī)制，主要由SEC移位酶作為介導(dǎo)。SEC途徑可以轉(zhuǎn)運(yùn)多種蛋白質(zhì)，包括毒性因子、菌毛、黏附素和蛋白酶等。SEC途徑主要功能是把尚未折疊完成的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜外，在質(zhì)膜外折疊成有活性的蛋白質(zhì)。SEC途徑大致可分為3個過程：信號序列的識別與定位、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和多肽的釋放。

②雙精氨酸移位酶途徑，即TAT途徑：TAT途徑識別的肽鏈N端信號序列通常含有兩個連續(xù)的精氨酸殘基。TAT途徑主要轉(zhuǎn)運(yùn)已經(jīng)折疊完成的蛋白質(zhì)，而尚未折疊完成的蛋白質(zhì)通常不能通過該系統(tǒng)分泌，從而避免未完成折疊蛋白在胞外被降解的命運(yùn)，保證了分泌產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能的準(zhǔn)確性。此外，TAT途徑還可以將少數(shù)蛋白質(zhì)整合到質(zhì)膜中。

③信號顆粒識別途徑，即SRP途徑：SRP途徑是原核細(xì)胞內(nèi)專一性轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)膜蛋白。SRP介導(dǎo)的質(zhì)膜定位是一個共翻譯過程。新生肽在核糖體上合成的同時N端信號序列在SRP的作用之下，與質(zhì)膜上的SPR受體結(jié)合識別完成定位。

3真核細(xì)胞中蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

真核細(xì)胞中蛋白質(zhì)是在核糖體上合成后，根據(jù)細(xì)胞需求運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)的各個部位（如線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞核、細(xì)胞膜等）或者被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外（圖1）。

3.1真核細(xì)胞中蛋白質(zhì)的分選轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制和運(yùn)輸方式

真核細(xì)胞中蛋白質(zhì)的分選轉(zhuǎn)運(yùn)可分為兩條途徑：

①翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)途徑：先在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)游離的核糖體上合成多肽鏈，然后再轉(zhuǎn)運(yùn)到眾多細(xì)胞器或者留在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中利用。

②共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑：蛋白質(zhì)合成在游離核糖體上起始之后，由信號肽引導(dǎo)轉(zhuǎn)移至糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，然后新生肽邊合成邊轉(zhuǎn)入糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，再經(jīng)高爾基體的加工包裝運(yùn)至溶酶體、細(xì)胞膜或分泌細(xì)胞外。根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)到的部位不同，細(xì)胞內(nèi)部利用的蛋白質(zhì)稱為胞內(nèi)蛋白，分泌到細(xì)胞外發(fā)揮作用的稱為分泌蛋白。

真核細(xì)胞中蛋白質(zhì)的運(yùn)輸方式通常有以下3種形式：

①門控運(yùn)輸，主要指通過核孔復(fù)合體進(jìn)行。核可調(diào)控的門，可介導(dǎo)選擇性的雙向運(yùn)輸。此過程需要消耗能量。進(jìn)出細(xì)胞核的蛋白質(zhì)分別含有核定位信號和核輸出信號。這兩種信號序列可為信號肽或信號斑，分別被門控上的核輸入受體和核輸出受體識別，一般不被切除，可反復(fù)使用。

②穿膜運(yùn)輸：主要指蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)穿越細(xì)胞器膜，分別進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、葉綠體等細(xì)胞器的過程。蛋白質(zhì)上的分選信號被靶細(xì)胞器膜的轉(zhuǎn)運(yùn)子所識別。此過程需要消耗能量。

③小泡運(yùn)輸：細(xì)胞器之間通過運(yùn)輸小泡進(jìn)行的蛋白質(zhì)運(yùn)輸。如分泌蛋白和神經(jīng)遞質(zhì)的合成分泌過程中囊泡的運(yùn)輸，胞吞作用中出現(xiàn)的小泡等。此過程體現(xiàn)了生物膜的流動性，運(yùn)輸小泡表面通常有特殊標(biāo)記，可被靶膜上的受體識別。此過程需要消耗能量。

3.2分泌蛋白的分選和轉(zhuǎn)運(yùn)

分泌蛋白的分選轉(zhuǎn)運(yùn)與信號肽有著重要關(guān)聯(lián)，屬于共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。信號肽通常包括16～26個氨基酸殘基，可分為三部分：疏水核心區(qū)、信號肽的C端和信號肽N端。分泌蛋白質(zhì)首先在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)游離的核糖體上起始合成，當(dāng)多肽鏈延伸至80個氨基酸左右時，N端信號肽暴露出來。在信號識別顆粒（SRP）的協(xié)助下，N端信號肽與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上SRP受體識別結(jié)合，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜產(chǎn)生通道。在信號肽的引導(dǎo)之下，新合成的肽鏈通過通道進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后，信號肽被信號肽酶所降解。新合成的肽鏈如果存在停止轉(zhuǎn)移序列，該序列可以與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜有著很強(qiáng)的結(jié)合能力從而使得肽鏈轉(zhuǎn)移停留，這種多肽鏈最終轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的跨膜蛋白。進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的多肽鏈經(jīng)糖基化等修飾加工，再經(jīng)高爾基體的加工分類包裝，以囊泡的方式運(yùn)至溶酶體、細(xì)胞膜或者分泌細(xì)胞外。

3.3線粒體內(nèi)的蛋白質(zhì)分選和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

這類蛋白質(zhì)首先在核糖體上初步合成為不成熟蛋白質(zhì)，稱為前體蛋白，屬于翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。前體蛋白中已經(jīng)存在信號序列。信號序列會被位于線粒體外膜上的外膜受體復(fù)合體所識別，通過外膜受體蛋白和內(nèi)膜受體蛋白所形成膜蛋白通道進(jìn)入線粒體。進(jìn)入之后，N端信號肽就會被信號肽酶切除水解。切除信號肽的蛋白質(zhì)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行空間折疊，形成成熟的蛋白質(zhì)。整個過程需要消耗能量。轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體、氧化物酶體的蛋白質(zhì)與此過程類似，只是依賴的信號序列不同而已。此外，有的細(xì)胞器蛋白在穿越細(xì)胞器膜時，需要分子伴侶的協(xié)助。分子伴侶可以幫助這些前體蛋白解折疊或者維持非折疊狀態(tài)，便于通過膜蛋白通道。

無論原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞，蛋白質(zhì)能準(zhǔn)確到達(dá)目的地，不僅僅取決于信號序列，還與目的地的信號識別裝置有關(guān)。蛋白質(zhì)分選不僅保證了蛋白質(zhì)的正確定位，也保證了蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性。