【重点提要】

信号假说与蛋白质分选信号；细胞内蛋白质分选的基本途径与类型；膜泡装配、运输及融合机制；生物大分子的装配及其意义。

【基本概念】

1．  蛋白质分选（protein sorting）：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后翻译转运途径和共翻译转运途径。根据转运方式或机制不同，又可将蛋白质转运分为4 类：蛋白质的跨膜转运、膜泡运输、选择性的门控转运和细胞质基质中蛋白质的转运。

2．  信号假说（signal hypothesis）：1975 年Blobel 和 Sabatini 提出。分泌蛋白N 端携带信号序列，一旦该序列从核糖体翻译合成，细胞质中的结合因子和该序列结合，指导其转移到内质网膜，后续翻译过程将在内质网膜上进行。

3．  信号肽（signal peptide）：常指新合成多肽链中用于指导蛋白质在rER上合成的N-末端的氨基酸序列。一般由16～26 个氨基酸残基组成，其中包括疏水核心区、信号肽的C 端和N端等3 部分。信号肽可被细胞质基质中的信号识别颗粒所识别；信号肽似乎没有严格的专一性。

4．  信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）：由6条不同多肽和一个小RNA分子构成的RNP颗粒。识别并结合从核糖体中合成出来的内质网信号序列，指导新生多肽及核糖体和mRNA附着到内质网膜上。

5．  信号序列（signal sequence）：蛋白质中由特定氨基酸组成的连续序列，决定蛋白质在细胞中的最终定位。如：开始转移序列、停止转移序列、内在信号锚定序列、信号肽和导肽等。

6．  后翻译转运（post-translationaltranslocation）：即在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。

7．  共翻译转运（co-translational translocation）：即蛋白质合成在游离核糖体上起始之后，由信号肽及其与之结合的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，经转运膜泡运至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，内质网与高尔基体本身的蛋白质分选也是通过这一途径完成的。

8．  蛋白质跨膜转运（transmembrane transport）：主要是指共翻译转运途径中，在细胞质基质中起始合成的蛋白质，在信号肽-SRP介导下转移到内质网，然后边合成边转运或进入内质网腔或插入内质网膜；此外是指后翻译转运途径中，在细胞质基质核糖体上完成合成的多肽链在不同靶向信号序列指导下，依不同的机制转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器。

9．  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分选转运至细胞的不同部位，其中涉及供体膜出芽形成不同的转运膜泡、膜泡运输以及膜泡与靶膜的融合等过程。

10．             选择性门控转运（gated transport）：在细胞质基质中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，参见核孔复合体的选择性运输。

11．             SNAP受体（SNARE）：位于细胞器及膜泡膜上跨膜蛋白大家族，介导膜泡与靶膜的准确识别。其中v-SNARE位于膜泡的膜上，与之互补的t-SNARE位于靶膜上。

【知识点解析】

一、细胞内蛋白质的分选

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，在游离核糖体上起始合成，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，再通过不同的机制转运至细胞的特定部位并组装成结构与功能的复合体，参与实现细胞的各种生命活动，这一过程称为蛋白质分选（protein sorting）。

细胞内合成的蛋白质之所以能够定向转运到特定细胞器取决于两个方面：

–其一是蛋白质自身包含特殊的信号序列（signal sequence）。

–其二是靶细胞器上具有特定的信号识别装置（分选受体，sortingreceptor）。

1. 信号假说与蛋白质分选信号

信号假说认为N端信号肽可指导分泌性蛋白质在糙面内质网膜上合成，并引导新生肽链边合成边通过内质网膜上的移位子蛋白复合体进入内质网腔，腔面上的信号肽酶切除信号肽并快速使之降解。此过程还需要细胞质基质中的信号识别颗粒（SRP）和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（docking protein, DP）等因子共同协助完成。

信号肽 （signal peptide）位于蛋白质的N 端，一般由16～26 个氨基酸残基组成，其中包括疏水核心区、信号肽的C 端和N 端等3 部分；信号肽可被细胞质基质中的信号识别颗粒所识别；信号肽似乎没有严格的专一性。原核细胞某些分泌性蛋白的N 端也具有信号序列。

信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）是一种由6 种不同的蛋白质和一个由300个核苷酸组成的 7S RNA结合组成的核糖核蛋白复合体。SRP通常存在于细胞质基质中，它既能特异识别新生肽的信号肽，又能与核糖体的A位点结合，并与核糖体的A位点结合形成SRP核糖体复合体，阻止了携带氨基酸的tRNA进入核糖体，核糖体的蛋白质合成便暂停，直到SRP核糖体复合体与内质网膜上的SRP受体结合为止。

SRP 受体（docking protein,DP）是内质网膜的整合蛋白，由α和β 亚基组成，可特异地与信号识别颗粒结合。SRP将核糖体引导到内质网膜上，与膜上的SRP受体结合，将合成的信号肽插入内质网腔内，SRP离去，使多肽链合成又重新启动。如果合成的是一些分泌蛋白，进入内质网腔的信号肽将被信号肽酶切掉，蛋白质被释放到内质网腔。合成终止后，核糖体脱离内质网膜，大、小亚基解离，重新加入“核糖体循环”。

蛋白质分选信号序列统称信号序列（signal sequence）。其作用是指导蛋白质转运至细胞的特定部位，如引导新生肽链穿过内质网膜移位子的信号肽，或者称为开始转移序列（start transfer sequence）；新生肽链中还存在某些内在序列与内质网膜有很强的亲和力从而使之结合在脂双层之中，这段序列不再转入内质网腔中，称为内在停止转移锚定序列（internal stop-transfer anchor sequence，STA）和内在信号锚定序列（internalsignalanchor sequence，SA）；引导蛋白质转运至线粒体、叶绿体以及过氧化物酶体中的信号序列称之为导肽（leader peptide）。这些分选信号的氨基酸残基有时呈线性排列，有时折叠形成三维结构的信号斑（signal patch），如引导蛋白质定向运输到溶酶体的信号斑，是溶酶体酸性水解酶被高尔基体选择性加工的标识。

2. 蛋白质分选转运的基本途径与类型

蛋白质分选可分为两条基本途径即共翻译转运途径和后翻译转运途径。

（1）后翻译转运途径：即在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。

（2）共翻译转运途径：即蛋白质合成在游离核糖体上起始之后，由信号肽及其与之结合的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，经转运膜泡运至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。

从蛋白质分选的转运方式或机制来看，蛋白质转运分为四类，即跨膜转运、膜泡运输、选择性门控转运和细胞质基质中的蛋白质转运。

（1）跨膜运输：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质在信号序列的引导下，通过线粒体上的转位因子，以解折叠的线性分子进入线粒体。

（2）门控运输（gated transport）：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。

（3）膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素，都属于这种运输方式。

（4）细胞质基质中的蛋白质转运：目前对此转运方式了解较少，但是可以肯定的是此过程与细胞骨架系统密切相关。

3. 蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选

后翻译转运途径中，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，这些细胞器蛋白最终是定位在不同的膜上还是不同的基质空间，除线粒体蛋白N 端的导肽、过氧化物酶体蛋白C端的内在靶向序列（SKL）和叶绿体前体蛋白N 端转运肽（transit peptide）外，还需要其他空间定位信号序列，即需要多个不同的靶向序列 （targeting sequence）。此外，进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的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，而且蛋白质输入这些细胞器通常是需要能量的过程。

二、细胞内膜泡运输

1. 三种包被膜泡的装配与运输

膜泡运输主要强调了3种类型有被小泡的运输作用和机制，包括COPⅡ有被小泡负责从内质网到高尔基体的物质运输（其中Sar 1作为GTP酶而发挥启动膜泡形成作用）；COPⅠ有被小泡负责从顺面高尔基体网状结构到内质网的运输，即回收内质网逃逸蛋白返回内质网（其中ARF作为GTP酶发挥启动膜泡形成作用）；网格蛋白有被小泡介导蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体或溶酶体或植物液泡的运输，另外，在受体介导的胞吞作用中负责将物质从质膜运往细胞质，以及从胞内体到溶酶体的运输。

2. 膜泡运输的定向、融合机制

根据转运膜泡表面包被蛋白的不同，目前发现有3 种不同类型：COPⅡ（coat proteinⅡ ）包被膜泡、COPⅠ（coat proteinⅠ）包被膜泡和网格蛋白/ 接头蛋白（clathrin/ adaptor protein）包被膜泡，它们分别介导不同的膜泡转运途径。

（1）COPⅡ包被膜泡的装配与运输：COPⅡ包被膜泡介导细胞内顺向运输（anterograde transport），即负责从内质网到高尔基体的物质运输。COPⅡ包被膜泡是通过胞质可溶性COPⅡ包被蛋白在供体膜（ER 膜）出芽时聚合形成的，包被装配的聚合过程受小分子GTP 结合蛋白Sar1 调控，Sar1 隶属GTPase 超家族成员，通过GDP-Sar1/ GTP-Sar1 的转换，起分子开关调控作用。

（2）COPⅠ包被膜泡的装配与运输：COPⅠ包被膜泡介导细胞内膜泡逆向运输（retrogradetransport），负责从高尔基体反面膜囊到高尔基体顺面膜囊以及从高尔基体顺面网状区到内质网的膜泡转运，包括再循环的膜脂双层、内质网驻留的可溶性蛋白和膜蛋白，是内质网回收错误分选的逃逸蛋白（escaped protein）的重要途径。COPⅠ包被装配的聚合过程受小分子GTP结合蛋白ARF调控。ARF 也是一种结合 GDP/GTP 转换的分子开关调控蛋白。

（3）网格蛋白/ 接头蛋白包被膜泡的装配与运输：网格蛋白/ 接头蛋白包被膜泡介导的蛋白质分选途径包括从高尔基体TGN 向胞内体或向溶酶体、 黑（色）素体、血小板囊泡和植物细胞液泡的运输。在受体介导的胞吞途径中还负责将物质从细胞表面运往胞内体转而到溶酶体的运输。典型的网格蛋白/ 接头蛋白包被膜泡是一类双层包被的膜泡，外层由网格蛋白组成，内层由接头蛋白复合物组成。小分子GTP 结合蛋白ARF参与了网格蛋白包被膜泡的装配调节。

膜泡运输的关键步骤至少涉及如下过程：① 供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同的包被转运膜泡；②在细胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道的膜泡运输；③ 转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合。

各类运输小泡之所以能够准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSFattachment protein receptor）和Rabs（targetingGTPase）。其中SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合，Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。

3. 细胞结构体系的组装

生物大分子的组装方式大体可分自我装配（selfassembly）、协助装配（aided-assembly）和直接装配 （direct-assembly）以及更为复杂的细胞结构及结构体系之间的组装。有些装配过程需ATP 或GTP 提供能量。自我装配的信息存在于装配大分子复合物亚基本身；协助装配方式在其大分子复合物装配过程中需要其他组分的介入；或者对装配亚基进行修饰；直接装配是指某些亚基直接装配到预先形成的基础结构上。

各种类型的装配具有以下重要的生物学意义：（1）减少和校正蛋白质合成中出现的错误；（2）可大大减少所需的遗传物质信息量；（3）通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程。