细胞内功能区隔与蛋白质分选

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真核细胞具有复杂的由内膜构成的功能区隔。细胞内膜系统指在结构，功能或发生上相关的细胞内膜形成的细胞结构，包括核被膜、内质网、高尔基体及其形成的溶酶体和分泌泡等，以及其它细胞器如线粒体，质体和过氧化物酶体等膜包围的细胞器（膜性细胞器）。

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内膜系统形成了一种胞内网络结构，其主要功能在于两个方面：其一是扩大膜的总面积，为酶提供附着的支架，如脂肪代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上。其二是将细胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独特的环境。

动物细胞的主要内膜功能区隔

从系统发生来看，内膜系统起源于质膜的内陷和内共生（线粒体、叶绿体）。从个体发生来看，新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时，不仅要进行染色体和细胞核的复制，同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大，然后随着细胞的分裂分配到子细胞中去。新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分裂。

真核细胞及其内膜进化的途径（推测）

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，或在游离核糖体上合成，或在糙面内质网膜结合核糖体上合成。然而，蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分。因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位，也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复合体，才能参与实现细胞的各种生命活动。这过程称蛋白质寻靶(protein targeting)或蛋白质分选(protein sorting)。蛋白质分选与组装是涉及多种信号调控的复杂而重要的细胞生物学热点问题。

细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器，取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence or targeting sequence），其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor），因此内膜系统的发生具有核外遗传（epigenetic）的特性。

典型的信号肽序列

细胞至少存在两类蛋白质分选信号：①信号序列（ signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60 个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切除。②信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。

两类分选信号：信号肽和信号斑

蛋白质分选信号的作用是引导蛋白质从胞质溶胶进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，也可以引导蛋白质从细胞核进入细胞质或从高尔基体进入内质网。这种分选信号的氨基酸残基有时呈线性排列，有时折叠成信号斑，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。

每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向，如输入内质网的蛋白质通常 N 端具有一段信号序列，含有 6-15 个带正电荷的非极性氨基酸。由高尔基体返回内质网的蛋白质，其 C 端的四个氨基序列。目前对于信号斑了解较少，主要是因为它存在于复杂的三维结构中，很难将其分离出来研究。

核基因编码的蛋白分选根据分选与合成时间上的差异，大体可分2条途径:

(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。

根据蛋白质分选的转运方式或机制不同，蛋白质的分选运输途径又能分成以下三类：

蛋白质通过三种方式进入具有内膜结构的功能区隔（细胞器们）

1 、门控运输（gated transport）：在细胞质基质中合成的蛋白质，通过门控方式选择性地完成输入或输出。如核孔复合体可以选择性地在核质间双向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。

核膜外围与内质网相接，核孔复合物形成门控通道使分子进入或离开。
GTP水解驱动核运输受体往返于质核之间，并将与之结合的蛋白通过核孔复合物带进细胞核。

2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如后翻译转运途径中，在细胞质核糖体合成的多肽或蛋白，在信号序列指导下，依不同机制转运到线粒体（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）、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器。如共翻译转运途径中，细胞质基质起始合成的蛋白质在SRP介导下转移到内质网，边合成边转运，进入内质网腔或插入内质网膜。

大多数线粒体和叶绿体蛋白由核基因编码，从细胞质导入。常在N端有一个信号序列，允许其进入特定细胞器。在接触位点上，蛋白质被展开，易位完成后移除信号序列。伴侣蛋白有助于其过膜，在进入后协助其重新折叠。根据蛋白移除第一个信号肽后暴露的信息进一步分类，转运到内膜、外膜或类囊体膜。
进入内质网的大多数蛋白在肽链完全合成前穿过内质网膜。SRP-核糖体复合物与ER膜的受体结合，将核糖体传递到易位通道，多肽链跨脂双层插入膜中。水溶蛋白质完全跨ER转运释放到腔，既可切割（在细胞表面释放），也可分配到细胞器。跨膜蛋白仅部分跨ER膜易位并嵌入其中，驻留在ER膜、其他细胞器膜或质膜。

3、膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被选择性地从糙面内质网合成部位包装成运输小泡，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。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。

从内质网到高尔基体，高尔基体到其他腔室的运输通过囊泡萌发和融合进行。囊泡介导内质网向外到质膜、质膜向内到溶酶体运输，提供了胞内与周围环境间的沟通途径。许多蛋白和脂质沿这些途径向外运输时，会经历各种各样的化学修饰，如添加糖类侧链(蛋白质、脂质)、形成二硫键(多肽)以稳定蛋白质结构。

这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别。

蛋白的转运也涉及蛋白质在细胞质基质中的转运，这一过程显然与细胞骨架系统密切相关，但由于细胞质基质的结构尚不清楚，因此对其中的蛋白质转运特别是信号转导途径中蛋白质分子的转运方式了解甚少。

下一讲我们将详细介绍内质网和高尔基体的膜泡运输。

参考文献

  1. Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Essential cell biology_4th Edition.
  2. Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Molecular Biology of THE CELL_6th Edition.
  3. 翟中和,王喜忠,丁明孝. 细胞生物学(第4版), 高等教育出版社, 2011
  4. 田润刚. 细胞生物学教程, 绍兴文理学院生物科学系网络教材, 2004

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：鑫波和他的小鱼干

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