蛋白质分选的基本途径和类型
蛋白质的分选途径
蛋白质的分选途径蛋白质是生物体中最重要的分子之一，它们在生命活动中扮演着重要的角色，包括催化、结构支持、运输、信号传递等。
因此，对于研究蛋白质的分选途径，不仅有助于理解生命活动的本质，还可以为新药物的研发提供重要的指导。
蛋白质的分选途径主要包括离子交换层析、凝胶过滤层析、亲和层析、透析、电泳、质谱等。
下面将分别介绍这些分选途径的原理和应用。
1.离子交换层析离子交换层析是蛋白质分选中最常用的方法之一。
其原理是利用离子交换树脂的特性，将带电的蛋白质分离出来。
离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两种。
阳离子交换树脂能吸附带负电的蛋白质，而阴离子交换树脂则能吸附带正电的蛋白质。
离子交换层析的应用范围十分广泛，可以用于分离各种蛋白质，例如血清蛋白、酶、激素等。
此外，离子交换层析还可以用于提纯蛋白质，去除杂质和有害物质，从而提高蛋白质的纯度。
2.凝胶过滤层析凝胶过滤层析是一种基于分子大小的蛋白质分选方法。
其原理是利用分子筛的特性，将大分子蛋白质滞留在分子筛中，而小分子蛋白质则通过分子筛。
分子筛的孔径大小可以根据需要进行调整，从而实现对不同分子大小的蛋白质的分离。
凝胶过滤层析的应用范围广泛，可以用于分离各种蛋白质，例如血清蛋白、酶、激素等。
此外，凝胶过滤层析还可以用于去除杂质和有害物质，从而提高蛋白质的纯度。
3.亲和层析亲和层析是一种基于分子亲和力的蛋白质分选方法。
其原理是利用某些化合物与特定蛋白质之间的亲和力，将目标蛋白质从混合物中分离出来。
亲和层析的化合物可以是抗体、配体、金属离子等。
亲和层析的应用范围也十分广泛，可以用于分离各种蛋白质，例如酶、激素、抗体等。
此外，亲和层析还可以用于提纯蛋白质，去除杂质和有害物质，从而提高蛋白质的纯度。
4.透析透析是一种基于分子大小的蛋白质分选方法。
其原理是利用半透膜的特性，将小分子物质从大分子物质中分离出来。
透析的半透膜可以是纸膜、凝胶、膜过滤器等。
透析的应用范围也十分广泛，可以用于去除杂质和有害物质，从而提高蛋白质的纯度。
细胞内蛋白质分选的两条途径
细胞内蛋白质分选的两条途径细胞是生命的基本单位，其中蛋白质是细胞最重要的组成部分之一。
在细胞内，蛋白质需要在不同的位置发挥不同的功能，因此需要进行分选。
目前已知有两种主要的细胞内蛋白质分选途径：囊泡转运和直接转运。
一、囊泡转运1. 什么是囊泡转运？囊泡转运是指通过形成、移动和融合小型液滴（即囊泡）来实现蛋白质分选的过程。
这些囊泡可由内质网、高尔基体、溶酶体等细胞器形成。
2. 囊泡转运的过程（1）合成：在内质网上合成的蛋白质被包裹在一个小型液滴中，形成一个囊泡。
（2）移动：这些囊泡随后通过微管道系统向高尔基体或其他目标位置移动。
（3）融合：到达目标位置后，这些囊泡与目标部位上的膜进行融合，并释放出其所携带的蛋白质。
3. 囊泡转运的特点（1）速度快：相对于直接转运，囊泡转运速度更快。
（2）可控性高：囊泡转运可以通过调节囊泡合成、移动和融合等过程来实现对蛋白质分选的精确控制。
（3）适用范围广：囊泡转运可以用于多种类型的细胞内蛋白质分选，例如从内质网到高尔基体、从高尔基体到溶酶体等。
二、直接转运1. 什么是直接转运？直接转运是指蛋白质在没有形成液滴的情况下，通过与其他蛋白质或分子相互作用实现分选的过程。
这些相互作用可能包括靶标蛋白识别、信号传递等。
2. 直接转运的过程（1）靶标识别：特定类型的蛋白质通过与目标位置上的特定靶标结合来实现定向传输。
（2）信号传递：一些蛋白质需要特定信号才能在细胞内进行分选。
例如，磷酸化可以作为一种信号来调节蛋白质在细胞内的分布。
3. 直接转运的特点（1）精确度高：直接转运可以通过靶标识别和信号传递等机制来实现对蛋白质分选的精确控制。
（2）适用范围窄：相对于囊泡转运，直接转运的适用范围较窄，只适用于特定类型的蛋白质分选。
结论：细胞内蛋白质分选是细胞内复杂的过程之一，目前已知有两种主要的分选途径：囊泡转运和直接转运。
这两种途径在速度、可控性、适用范围等方面存在差异，但都可以通过不同机制来实现对蛋白质分选的精确控制。
蛋白质的分选 2
细胞质基质→过氧化物酶体
• 具有定位在过氧化物酶体信号序列的蛋白 质在细胞质基质中游离核糖体上合成后， 在细胞质基质中转运至过氧化物酶体，然 后蛋白质跨膜转运进入过氧化物酶体。 • 信号序列没有被切除。
3.蛋白质分选的运输类型
• 1)、蛋白质的跨膜转运（transmembrane transport）：主要是指在细胞质基质中合成 的蛋白质转运到内质网、线粒体、质粒 （包括叶绿体）和过氧化物酶体等细胞器， 但进入内质网与线粒体、叶绿体和过氧化 物酶体等细胞器的机制又有所不同。
细胞质基质
• 蛋白质在游离的核糖体上合成，当肽链延 伸至80个左右氨基酸残基时，N端的内质网 信号序列暴露出核糖体，并与信号识别颗 粒结合，导致肽链延伸暂时停止。
内质网
SRP与受体结合；核糖体/新生肽和移位子结合，孔
道打开，SRP脱离信号肽； 肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生
肽链进入内质网腔；信号肽切除；肽链延伸至终
• 4、细胞质基质中的蛋白质转运：上述几种 分选类型也涉及蛋白质在细胞基质中的转 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并不清楚， 因此对其中的蛋白质转运特别是伴随信号 转导途径中的蛋白质分子的转运方式了解 很少。
细胞质基质→细胞核
具有核定位序列的蛋白质（亲核蛋白）细 胞质基质中游离核糖体上合成后，与细胞 质基质中的importingα和importingβ结合后 形成复合物。 运送到核膜附近的细胞质基质，与核孔复 合体胞质环上的蛋白纤维结合后，运送到 细胞核核基质，在Ran-GTP作用下，复合 体解散，亲和蛋白分离进入细胞核基质。 核定位没有被切除。
蛋白质的最终去向
• 位于高尔基体反面膜囊或网状结构的蛋白 质通过网格蛋白包被的膜泡运输；运送到 发挥作用的场所：1、分泌到细胞外，如抗 体、激素等；2、留在细胞内（驻留蛋白）， 如溶酶体酶；3、细胞膜整合蛋白。
ch8 蛋白质分选与膜泡运输
第八章蛋白质分选与膜泡运输第一节细胞内蛋白质的分选蛋白质分选细胞内存在不同的机制确保蛋白质转运至细胞的特定部位，这一过程称为蛋白质寻靶/定向转运（protein targeting）或蛋白质分选(protein sorting)。
一、信号假说与蛋白质分选信号1．信号假说分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束前信号肽被切除。
2. 指导蛋白在糙面内质网合成的决定因素（1）信号肽（signal peptide）引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于蛋白质的N端，又称开始转移序列。
（2）信号识别颗粒（signal recognition particle,SRP）一种核糖核蛋白复合体，一般存在于细胞质中，当新合成的信号肽从多聚核糖体上延伸暴露出来，SRP即可于新生信号肽序列和核糖体大亚基结合，又可与内质网停泊蛋白（docking protein, DP）即SRP受体结合。
（3）停泊蛋白（docking protein, DP）SRP受体，存在于内质网膜上，可特异地与SRP结合。
（4）停止转移序列肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲和力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。
（5）移位子（translocon）内质网膜上由3～4个Sec61蛋白复合体构成的类似炸面圈的结构，是蛋白质进入内质网的通道。
3. 分泌性蛋白在内质网上合成的共翻译转运(cotranslational translocation)过程4. 导肽（leader peptide）/转运肽（transit peptide）/靶向序列线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中，为了研究方便，有人将这种信号序列称为导肽(线粒体)、转运肽（叶绿体）或靶向序列（过氧化物酶体）。
2023年高中生物竞赛课件：细胞内蛋白质的分选
新生肽链跨膜取向
新生跨膜蛋白的肽链中没 有N端信号肽，只有内部 信号序列(internal signal sequence)。内部信号序列 的转位方向主要取决于其 侧翼氨基酸残基电荷的分 布。一般而言，带正电荷 的氨基酸残基一侧朝向细 胞质基质一侧
一、信号假说与蛋白质分选信号
Ⅳ型：G蛋白偶联受体、葡 萄糖转运蛋白、电压门 Ca2+通道、CFTR(Cl-)通道
图6-4 内质网膜整合蛋白的拓扑学类型
一、信号假说与蛋白质分选信号
(五)ER膜整合蛋白的信号序列
ER单次跨膜 新生跨膜蛋白肽链中既有N端信号肽，又 蛋白的合成 有停止转移信号
一、信号假说与蛋白质分选信号
(五)ER膜整合蛋白的信号序列
一、信号假说与蛋白质分选信号
（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程
1、分泌性蛋白在游离核糖体上起始合成 2、多肽链延伸至80个氨基酸残基时，N端内质网信号序列暴露，与 SRP结合，肽链延伸暂停，防止新生肽链N端损伤和成熟前折叠
一、信号假说与蛋白质分选信号
（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程
3、SRP与ER膜上SRP受体结合，核 糖体新生肽复合物附着到ER膜，两 分子GTP分别与SRP-p54亚基和SRP 受体α亚基结合，相互作用加强
5、腔面信号肽酶切除信号肽并使之快速降解 6-8、肽链继续延伸，并在ER腔内折叠，移位子关闭
一、信号假说与蛋白质分选信号
（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程
一、信号假说与蛋白质分选信号
（五）ER膜整合蛋白的信号序列
➢ 开始转移序列(start transfer sequence) 作为内质网的信号序列，指导新合成的多肽向内
细胞内蛋白质分选的基本途径
细胞内蛋白质分选的基本途径
一、翻译后转运途径
翻译后转运途径是指蛋白质在完成多肽链的合成后，再通过特定的转运途径将其输送到细胞内指定位置。
这一途径主要涉及信号识别颗粒（SRP）的识别和核糖体与内质网之间的相互作用。
通过翻译后转运途径，细胞可以精确地控制蛋白质的合成和分选过程，以满足其特定需求。
二、共翻译转运途径
共翻译转运途径是指蛋白质在合成过程中即开始进行分选转运的途径。
该途径涉及信号肽的识别和引导，以及跨膜运输过程中的信号肽切除。
共翻译转运途径的主要特点是蛋白质在合成过程中就与转运相关的分子结合，从而引导其向特定方向进行转运和定位。
三、膜泡运输途径
膜泡运输途径是指蛋白质在合成过程中被包裹在膜泡内，通过一系列膜泡的转运和融合过程，最终将蛋白质运送到指定位置。
膜泡运输途径的主要特点是能够将蛋白质从粗面内质网合成部位转运至高尔基体，进而再转运至溶酶体、分泌泡等细胞内的不同部位。
四、门控转运途径
门控转运途径是指通过核孔复合体进行的选择性转运过程。
这一途径主要涉及细胞核内外蛋白质的合成与运输，特别是一些核质穿梭蛋白在细胞核与细胞质之间的运动。
门控转运途径对于维持细胞核的正常功能具有重要意义。
五、定位与锚定途径
定位与锚定途径是指蛋白质通过与细胞骨架系统的相互作用，实现其在细胞内的准确定位和锚定。
细胞骨架系统由微管、微丝和中间纤维构成，它们共同维持了细胞的形态并参与物质运输。
通过定位与锚定途径，蛋白质能够在特定的细胞区域发挥其功能，从而维持细胞的正常生理活动。
蛋白质分选的基本途径与类型
改变离子通道和转运蛋白的活性，调节物质进出细胞的速率。
03
蛋白质的囊蛋白质分选的 重要途径之一，通过囊泡将蛋白 质从一处转运到另一处，实现蛋 白质的定位和功能。
02
囊泡运输涉及到多种细胞器之间 的相互联系和蛋白质的跨膜转运 ，对于维持细胞结构和功能具有 重要意义。
囊泡运输的调控机制
信号分子调控
某些信号分子可以与囊泡上的受 体结合，调控囊泡的转运方向和 目的地。
能量依赖性调控
囊泡运输需要消耗能量，如ATP 水解产生的能量，以驱动囊泡的 转运过程。
蛋白激酶与磷酸化
调控
某些蛋白激酶可以调控囊泡运输 相关蛋白的磷酸化状态，从而影 响囊泡的转运过程。
04
蛋白质的膜泡运输
囊泡运输的途径
蛋白质从粗面内质网（RER）到高尔基体的运输
在蛋白质合成过程中，新生蛋白质通过RER进行合成，然后通过囊泡转运到高尔基体进行 加工和分类。
跨膜运输
囊泡可以穿过细胞膜，将蛋白质从一个细胞器转运到另一个细胞器，如从高尔基体转运到 溶酶体或转运到细胞膜。
胞吐作用
当囊泡与细胞膜融合时，其内容物会被释放到细胞外，如神经递质的释放。
药物研发过程中，针对影响蛋白质分选的靶点进行设计， 可以实现对特定蛋白质的调控，从而达到治疗疾病的目的 。
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01
蛋白质通过内质网-高尔基体途径进行膜泡运输，该途径包括顺 面高尔基体、反面高尔基体和溶酶体等细胞器。
02
蛋白质还可以通过核膜-内质网途径进行膜泡运输，该途径涉及
核孔复合体和内质网等细胞器。
此外，还有其他的膜泡运输途径，如线粒体膜泡运输和叶绿体
细胞内蛋白质分选转运与细胞结构体系装配要求
共转移（信号肽）
主要是在粗面内质网 上合成的蛋白；
特点：蛋白质边合成 边转移
内质网腔
后转移（post translocation） 1 分子伴侣结合
线粒体，叶绿体等的蛋 胞质中多肽
白;
2 导肽结合线粒体
基本特征：
上的受体
蛋白完全在细胞质基质 中合成，然后再转移到 某些细胞器中。
3 当多肽转移时， 伴随ATP水解,胞 质中的分子伴侣 脱离
②膜泡运输(vesicular transport)：蛋白由不同类 型转运小泡从其ER合成部位转运至高尔基体进 而分选运至细胞的不同部位。
③孔门运输(gated transport)：细胞质基质中合成 的蛋白质通过核孔复合体到核内或相反。
④细胞质基质中蛋白质的转运：和细胞骨架相关。
二 膜泡运输
普遍存在于真核细胞中，是蛋白运输的一种 特有方式。在转运过程中涉及蛋白本身的修 饰、加工和组装，及不同膜泡定向运输和复 杂的调控过程。 ＞10种运输小泡参与完成胞内的膜泡运输， 其上有特殊标志，可以保证转运物质到达特 定部位。
蛋白质跨膜转移需
4 线粒体中的分子
ATP使多肽去折叠，及一 伴侣结合转运中的
些蛋白的帮助（如Hsp70） 多肽
使其正确折叠。
5随ATP水解
而释放,多肽在
线粒体中折叠
2.蛋白质分选的四种基本类型：
①跨膜转运(transmembrane transport)： 在细胞 质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、 质体(包括叶绿体)和过氧化物酶体等细胞器。 蛋白以非折叠态跨膜。
组成： COPI包被含有8种蛋白亚基， 其依赖ARF（GTP 酶）调节包被的装配与去装配；
功能： ① 负 责 回 收 、 转 运 内 质 网 逃 逸 蛋 白 （ escaped proteins）返回内质网（Golgi →ER，逆行转运）; ②行使从Golgi →ER-Golgi中间组分→ ER的物质 运输。 ③在组成性分泌过程中，其在非选择性的批量运 输中行使功能。
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1. 翻译后转运途径：
核基因编码的mRNA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、细胞核，或者成为细胞质基质的可溶
性驻留蛋白和支架蛋白。
2. 共翻译转运途径：
蛋白质合成在游离核糖体上起始之后由信号肽引导转 移至糙面内质网中，再经高尔基体加工包装转运至溶酶体、 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。
1975年，G.Blobel和D.Sabatini等提出的。 1999年，获得诺贝尔医学和生理奖。 分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内 质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易
位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号
肽被切除。
信号序列
※ 进入线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核的蛋白质，其N、C端 具有一段信号序列。 叶绿体——N端转运肽；
输入线粒体
输入质体
输入过氧化物酶体
+
-Ser-Lys-Leu-COOH3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-GlyIle-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-LysCys- Glu-Val-Phe-Gln-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL） Tyr-X-X-Φ
线粒体——N端导肽；
过氧化物酶体——C端内在引导信号。 ※ 成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和支架蛋白,其N端无信号序列。 ※ 基质中开始合成转移至内质网完成合成的蛋白质，其N端具有内质 网定向信号序列（信号肽）。
Signal
sequence
蛋白质分选信号的作用是： a. 引导蛋白质从细胞质基质 体。 内
输入细胞核
输出细胞核
+
-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-IleH3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-PheLys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-LeuLeuH3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-SerSer-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-LeuGly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-LeuGln-Gly+
溶酶体 Lysosome
二、真核细胞蛋白分选的具体类型
共转移
途径1：基质中开始由信号肽引导至内质网完成蛋白质合成。 途径6：内质网中完成蛋白质合成通过膜泡运输转运至高尔基体。
途径7、8、9：蛋白质通过膜泡运输从高尔基体转运至溶酶体、细 胞质膜、分泌到细胞外。
后转移 途径2、3、4：基质中完成蛋白质合成通过跨膜转运至线粒体、叶 绿体、过氧化物酶体。 途径5：基质中完成蛋白质合成通过门控运输转运至细胞核。
质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶
b. 引导蛋白质从细胞核
或从Golgi体 内质网。
细胞质
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，是溶酶溶酶体酸性水解酶被高 尔基体选择性加工的标识。
表1一些典型的分选信号
功能
信号序列 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-
三、蛋白质分选的转运机制
1．门控运输：基质中合成的蛋
白质通过核孔复合完成核输入或 核输出。 2．跨膜运输：基质中合成的蛋 白质转运至特定的细胞器，但进 入不同细胞器的机制有所不同。 3．膜泡运输：蛋白质通过不同类 型的转运小泡从rER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。
四、蛋白质分选的两条途径
输入内质网 返回内质网 由质膜到内体
细胞质基质 Cytosol 2 细胞核 Nucleus 线粒体 Mitochondria 内质网 ER 6 1 3 4 5 过氧化物酶体Peroxisome 叶绿体 Plastids = 门控转运 gated transport = 跨膜运输 trans-membrane transport = 膜泡运输 vesicular transport 分泌小泡 Secretory vesicle 细胞质膜 Plasma membrane 高尔基体 Golgi 8 9 7
山西省中青年教师讲课比赛
讲授内容：蛋白质分选的基本途径和类型 课程名称：细胞生物学 课程性质：专业基础课 推荐单位：晋中学院 参赛教师：韩 红 艳 参赛时间：2012.7.16
本节内容
一、信号假说与蛋白质分 Nhomakorabea信号 二、真核细胞蛋白质分选的具体类型 三 、 蛋 白 质 分 选 的 转 运 机 制
四、蛋白质分选的两条基本途径
扁囊状 小管 细胞膜 内质网 小泡 核膜
蛋白质合成的场所：细胞质基质 和 内质网。
蛋白质合成 (磷酸转移酶) 溶酶体糖磷酸化
rER
顺面高尔基网 顺面囊 中间囊 反面囊 高 尔 基 垛 高 尔 基 复 合 体
反面高尔基网
溶酶体
一、信号假说与蛋白质分选信号
信号假说：
思考题
1. 基质中合成的蛋白质进入内质网与线粒体、叶绿 体、过氧化物酶体的机制有何不同？
2. 蛋白质膜泡运输中涉及到几种有被小泡？它们是
如何组装和参与运输的？