第三节　细胞内蛋白质的转运

新生肽链必须经过一系列加工(包括二硫键的形成、糖基化作用、羟基化作用、磷酸化作用等100多种化学修饰)、肽链的折叠和去折叠、运输到它发挥生物功能的场所(可能涉及多次越膜过程)、亚基的组装、水解除去前体分子中的pro-和pre-顺序而活化等，最终才形成确定的由一级结构决定的三维结构，并获得特有的生物活性，成熟后成为功能蛋白分子。

哺乳动物一个细胞含有近1万种、约10¹⁰个蛋白质分子，蛋白质分子在细胞内的加工、运输和分泌主要是由真核细胞所特有的内膜系统来完成的。它们一般在细胞质中开始合成，然后根据其氨基酸序列中有无分选信号(sorting signals)以及分选信号的性质被选择性地运送到细胞的不同部位。

一、蛋白质转运的基本特征

(一)细胞内蛋白质运输的途径

蛋白质在细胞质的核糖体上合成后，在细胞内主要通过以下两条途径运输(图4-11):①蛋白质在核糖体上合成后释放到细胞质中，其中有些蛋白质带有分选信号，被分别运送到细胞核、线粒体和过氧化物酶体中;而大多数蛋白质没有分选信号，留在细胞质中。②蛋白质在核糖体上开始合成后不久，位于N端的信号肽(signal peptide)使核糖体附着于粗面内质网(RER)上并继续合成。新合成的多肽链穿过内质网(ER)膜，有的游离于ER腔内成为可溶性蛋白;有的插入ER膜成为跨膜蛋白。由这一条途径合成的蛋白质，进一步又有两种选择:一种是留在ER;另一种是被运送到GC和细胞其他部位。

图4-11　细胞内蛋白质的运输途径

(二)细胞内蛋白质运输的方式

蛋白质从细胞质运送到细胞器，或者从一个细胞器运送到另一个细胞器，有3种不同的运输方式。

1．门控性转运　门控性转运(gated transport)主要是指蛋白质分子及其形成的蛋白质颗粒通过核孔(或核孔复合体)进出细胞核的蛋白质转运方式。

2．穿膜转运　这种方式主要发生在细胞质和细胞器之间的蛋白质运输，蛋白质穿过细胞器的膜从细胞质进入细胞器内部。这种运输需要两个条件:①膜上必须存在一种特殊的蛋白质转位装置(protein translocator);②穿膜的蛋白质必须是非折叠的。蛋白质从细胞质进入ER腔就是属于装置直接穿膜运输。

3．膜性细胞器间的膜泡转运　这种方式主要见于膜性细胞器之间的蛋白质运输，如从ER到GC、从GC的一个膜囊到另一个膜囊，以及从GC到其他细胞器的蛋白质运输都是通过转运小泡来实现的。转运小泡直径为50～100nm，它从一个细胞器以出芽方式(budding)形成，小泡内含有被运输的蛋白质，小泡膜上镶嵌有膜蛋白。当转运小泡达到靶细胞器即与其融合，将蛋白质从一个细胞器运送到另一个细胞器(图4-12)。

图4-12　细胞器之间的转运小泡运输

(三)蛋白质的分选信号

蛋白质在细胞内的运输方式是由蛋白质分子上的分选信号决定的。目前对蛋白质的分选信号已经有了一定的了解，但对它们相应的膜受体则了解很少。蛋白质分选信号有信号肽和信号斑(signal patch)两种类型。

信号肽和信号斑都具有分选信号的功能。信号肽是位于蛋白质上一段连续的氨基酸序列，一般有15～60个残基;而信号斑是位于蛋白质不同部位的氨基酸序列在多肽链折叠后形成的一个斑块区，它是一种三维结构。组成信号斑的不同氨基酸可在多肽链上相距很远(图4-13)。信号肽通常引导蛋白质从细胞质进入ER、线粒体和细胞核，也引导某些蛋白质保留在ER内。在完成分选任务即引导蛋白质到达目的地后，信号肽往往从蛋白质上被切除。信号斑则引导其他一些分选过程，如GC中某些溶酶体酶蛋白上具有信号斑，可被特殊的分选酶识别。

(四)分子伴侣

分子伴侣(molecular chaperone)是一类与其他蛋白不稳定构象相结合并使之稳定的蛋白，它们通过控制结合和释放来帮助被结合多肽在细胞内进行折叠、组装、转运或降解等。分子伴侣(蛋白)本身不包括控制正确折叠所需的构象信息，而只是阻止非天然态多肽链内部的或相互间“不正确”的相互作用，或者说它们为处于折叠中间态的多肽链提供了更多的“正确”折叠的机会。因此，分子伴侣在细胞内的蛋白质转运具有特殊的意义。

图4-13　蛋白质的分选信号:信号肽和信号斑

二、蛋白质分拣与转运的信号假说

不同类型的信号肽引导蛋白质到达各自特定目的地的机制可用信号假说(signal hypothesis)来解释。其基本内容是:①核糖体上信号肽合成;②胞质中信号识别颗粒(SRP)识别信号肽，形成SRP-核糖体复合体，蛋白质合成暂停;③核糖体与ER膜结合，形成SRP-SRP受体-核糖体复合体;④SRP脱离并参加再循环，核糖体蛋白质合成继续进行;⑤信号肽被切除;⑥合成继续进行;⑦核糖体在分离因子作用下被分离;⑧成熟的蛋白质落入ER腔。该过程中，信号肽、SRP和SRP受体缺一不可，而SRP与信号肽结合所造成的蛋白质合成暂停也保证了这些蛋白质不会被错误地释放到细胞质中。提出这一学说的Günter Blobel获得了1999年诺贝尔生理学医学奖(图4-14)。

图4-14　根据信号假说蛋白质合成后穿越ER膜

三、穿膜信号

在RER上合成的多肽链有两个去向:一是全部穿过ER膜，进入ER腔成为游离的可溶性蛋白;二是部分插入ER膜中，成为膜蛋白。两种情况取决于新生多肽链上的穿膜信号，包括起始转运信号(start-transfer signal)和终止转运信号(stop-transfer signal)。

可溶性蛋白的N端信号肽具有双重功能，除了将蛋白质和核糖体引至ER膜，还作为蛋白质穿膜的起始转运信号。在蛋白质的整个穿膜过程中，信号肽保持与膜上的蛋白转位装置结合，其他部分则陆续穿过膜而形成一个套环。当蛋白质的C端通过膜后，信号肽被信号肽酶切除，蛋白质就被释放到ER腔。

膜蛋白的跨膜移位比较复杂。最简单的膜蛋白只有一个起始转运信号(信号肽)，但在信号肽附近没有信号肽酶作用的位点，所以当蛋白质穿膜后，信号肽插在ER膜中，其C端则游离在ER腔。大多数膜蛋白除了一个或多个起始转运信号外，还有一个终止转运信号。根据转运信号的位置和多少，在蛋白质合成过程中形成不同类型的膜蛋白。膜蛋白可以只穿膜1次，也可以多次穿膜;可以是N端朝ER腔，也可以是C端朝ER腔。

四、蛋白质的门控转运

核膜是内膜系统的组成部分，它构成了细胞质和核之间的界膜。由于它是一个双层膜系统，而且分布有许多核孔复合体，使得细胞核内外的物质交换更为复杂。一般来说，水分子和一些离子如Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Cl^－等，以及相对分子质量在5000以下的一些小分子如单糖、氨基酸、核苷和核苷酸等，可以自由通过核膜;而相对分子质量较大的物质如DNA聚合酶、RNA聚合酶、核糖体亚基和mRNA则要通过核孔复合体进行运输，这种转运方式即门控转运。

(一)参与门控转运的蛋白

一般来说，核转运主要有3类蛋白质参与，包括核转运受体，即以Impβ超家族受体为主的核转运受体、分子接头蛋白和RanGTP酶系统。RanGTP酶系统是这一机制的核心。

RanGTP酶系统包括核心蛋白Ran及其他调控蛋白质，主要有鸟苷酸交换因子(guanine exchange factor，GEF)RCC1、RanGTP酶活化蛋白(RanGTPase activating protein，RanGAP)、Ran结合蛋白(Ran binding protein，RanBP)RanBP1和RanBP2。

参与门控转运核孔复合体的许多颗粒蛋白，往往带有苯丙氨酸(F)与甘氨酸(G)的二聚重复(FG重复)，它可识别相关受体的特定区域。

(二)核定位信号

经核孔复合体输入到细胞核的多肽，在其肽链中必须具有特定的核定位信号(nuclear localization signal，NLS)，一般包括:Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val。

(三)门控转运的机制

Ran蛋白可以在GDP结合与GTP结合两种形态之间转变。RanGDP转变为RanGTP是在GEF作用下，通过核苷酸的交换完成的。由于正常细胞核中的GTP含量大大多于GDP含量，因此，细胞核中反应总是向生成RanGTP方向进行。RanGTP向RanGDP的转变通过RanGAP来实现，RanGAP与RanBP1均只存在于细胞质中，从而协同作用，降低细胞质中RanGTP的含量。通过这种机制，形成核内外的RanGTP梯度，使核转运能够正常进行。

RanGTP可以特异地与Impβ相关的核转运受体结合，从而调控转运受体对配体的结合。一个转运受体有两种构象，其中一种可以与RanGTP紧密结合。对入核受体(importin)来说，无Ran结合的构象对配体结合有利，而与RanGTP结合后将导致配体的释放。晶体结构显示配体Impα(一种接头蛋白)的入核受体结合区β(IBB)和RanGTP分别与受体结合时受体的构象变化，发现入核受体与IBB结合时的构象必须经过很大转变才能变成与Ran-GTP结合的构象，IBB和RanGTP与入核受体的结合部位部分重叠。因此，RanGTP与入核受体的结合使配体Impα脱离。对出核受体(exprotin)，RanGTP与配体可以稳定同一个受体构象，即它们的结合有协同作用，同时与受体结合或解离。根据这些推测，入核受体在胞质中与配体结合，入核后由于RanGTP的结合使配体脱离，实现配体的内转;反之，出核受体在核内与配体以及RanGTP结合，转到胞质后，RanGTP脱离，使配体也脱离受体，实现外转。以上结果提示，RanGTP调控着物质的转入与转出。

五、穿膜转运

细胞内蛋白质的直接穿膜转运涉及:①穿过线粒体的双层膜进入线粒体基质(或膜间腔、内膜);②穿过过氧化物酶体膜进入过氧化物酶体;③穿过ER进入到ER腔等3个方面。

(一)穿过线粒体膜的转运

由核编码并在细胞质中合成的线粒体前体蛋白带有一定的线粒体基质导肽，在分子伴侣的引导下，与线粒体外膜上的受体结合，进而导入线粒体。详见第三章第三节。

(二)穿过ER膜的转运

注定要进入ER的蛋白质除了ER本身的蛋白质外，还包括分泌性蛋白(胞外酶、激素和抗体等)、溶酶体水解酶以及许多膜蛋白等。它们按信号假说的基本步骤进入ER。

六、膜性细胞器间的膜泡转运

用单位膜特异性的或非特异性的包被一些物质或细胞内合成的蛋白质进行转运的方式称为膜泡转运。基本途径包括:①胞吞作用(包括吞噬作用、吞饮作用和受体介导的内吞作用);②胞吐作用;③从ER到GC的膜泡转运;④从GC到ER的膜泡转运;⑤GC内部的膜泡转运;⑥从GC到内体的膜泡转运;⑦从GC到细胞表面的膜泡转运。

胞内膜泡转运沿微管或微丝运行，动力来自动力蛋白(motor protein)。与膜泡运输有关的动力蛋白有3类:一类是动位蛋白(dynein)，可向微管负端移动;另一类为驱动蛋白(kinesin)，可牵引物质向微管的正端移动;第3类是肌球蛋白(myosin)，可向微丝的正极运动。在动力蛋白的作用下，可将膜泡转运到特定的区域。现将部分转运过程作一介绍。

(一)从ER到GC的膜泡转运

1．基本过程这一过程包括:①新合成的蛋白质转移到ER的末端，该末端没有核糖体附着，也称为ER出口(exit sites);②带有被转运蛋白的COPⅡ(coatmer proteinⅡ)有被小泡通过ERGIC(endoplasmic reticulum-Golgi intermediate compartment)将蛋白质从ER的末端转运到GC的顺侧(cis-Golgi network)。

2．转运小泡的形成COPⅡ是由5个亚基组成的复合体，其主要作用是:①形成转运小泡;②选择被转运的蛋白质，COPⅡ所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序［DE］X［DE］，其他一些具有短的疏水基序，如FF、YYM、FY、LL和IL等。因此在小泡形成过程中，COPⅡ起着关键的作用。

在转运小泡形成过程中，首先是一种称为Sar1的蛋白质结合在ER膜上，它起到一个召集者的作用，召集相应的包被蛋白参与包被形成;同时ER膜上的受体从ER腔内选择相应的被转运蛋白，并与之结合。包括COPⅡ在内的其他一些蛋白质(如GC的酶)与Sar结合，所有这些蛋白质都十分协调地、按照一定的角度呈楔形(wedg-shaped)排列，因此逐步形成芽状结构、泡状结构，最后出芽，形成小泡。

3．转运小泡对GC的定向　各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程两类关键性的蛋白质是SNARE(soluble NSF attachment protein receptor)和Rab(targeting GTPase)。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。

(1)SNARE的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合，已发现20多种SNARE，分别分布于特定的膜上，位于转运小泡上的称为v-SNARE，位于靶膜上的称为t-SNARE。v-SNARE和t-SNARE都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNARE复合体(trans-SNARE complexes)，并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。除了SNARE之外，还有其他蛋白参与运输泡与目的膜的融合。

(2)Rab属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rab的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。Rab起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中;结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNARE复合体的形成。Rab的调节蛋白与其他G蛋白的调节蛋白相似。Rab还有许多效应因子，其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNARE释放它的抑制因子。许多运输小泡只有在包含了特定的Rab和SNARE之后才能形成。

(二)膜泡转运的其他形式

膜泡转运的其他形式在机制上与从ER到GC的膜泡转运机制(包括小泡的形成、定向、停泊和融合等)相似，差别可能只是在于膜泡的包被组成成分(表4-1)。

表4-1　细胞内囊泡外被蛋白的类型