知識樹：蛋白質的命運（一）
蛋白質從合成到降解的過程是很大的一塊知識框架，我對其很有興趣，奈何現有能力不足以充分的羅列出全部知識內容，謹以本文拋出蛋白質命運的一個框架，若有紕漏之處，還請各位斧正。
蛋白質，作為生命活動的主要執行者，各細胞器結構和功能產生差異的原因，其生命的周期可以比作人的一生：
- 合成，就好像胚胎的孕育與成熟；
- 初期分選，就像從獲得認知能力到高中教育時期；
- 次級分選，則是大學以及工作階段；
- 降解，退休。
下面，讓我們以真核生物為例（因為原核生物不涉及內質網以及高爾基體對蛋白質的修飾和分選過程）來看一下蛋白質的一生是如何度過的。
蛋白質的分選
我們通常所說的蛋白質分選過程分為初級分選和次級分選，初級分選是指多肽鏈在翻譯過程中或翻譯後從細胞質基質中定位到不同的細胞器上；此後，特別地，將高爾基體的分泌囊泡對修飾過蛋白的分選稱為次級分選，蛋白質分選的化學信號主要有兩種，其一是由蛋白質氨基酸序列組成的信號肽序列，第二種是蛋白質上特殊氨基酸的糖基化、磷酸化等修飾。
是否有人想問我為什麼不把遊離的核糖體產生的蛋白質之後進行的劃分也稱為次級分選？是因為此類蛋白質完全翻譯、轉運和修飾過程全在胞質中進行，所以不涉及到蛋白質的分選。
蛋白質分選的化學基礎：信號肽的結構與功能
在了解蛋白質的分選過程之前，我們有必要先來解釋一下信號序列這個概念。
此前，科學家們發現，在分泌到細胞外的新生蛋白質N端上有一段長度不等的的肽段，通常由20~30個氨基酸殘基構成，而在成熟的分泌蛋白上則不存在此肽段。在當時，含有這類肽段的肽鏈統稱成為蛋白質的前體，而這類肽段則被稱為前肽（prepeptide），或成為前序列（presequence）。後來，科學家們發現這類肽段是新生肽鏈分泌到細胞外的信號，它們也可以作為一些蛋白質定位在質膜和其他一些與細胞外想通的細胞器（包括內質網、高爾基體和溶酶體等）內的信號，因而也被稱為信號肽。
那麼，科學家們是如何設計實驗證明信號肽的功能的呢？
微粒體為純化的內質網（Endoplasmic reticulum，ER），常用來進行無細胞蛋白質合成實驗。以有無微粒體進行的蛋白質合成實驗結果發現，加入微粒體的系統中產生的多肽均比未加入微粒體的系統的多肽短，且在有微粒體系統中，多肽均在微粒體中發現（圖2，b）。如此便可以分離信號肽，用於研究信號肽的結構。
信號肽一般位於初生蛋白的N端，也可位於蛋白質內部或者C端，具有共同的結構特徵：帶正電荷的氨基酸末端區域，位於中部的疏水區域以及極性很強的羧基末端區域，在信號肽的C端區域上游存在4-6個氨基酸殘基通常可以被其靶向的細胞器中的信號肽酶切割，這也就是圖二中多肽靶向微粒體後被截短的原因。被截斷的信號序列會被降解或者在細胞質等區域具有與其他生理作用。
在概念上，信號肽介導的蛋白質轉運可以分為兩大類 ：若某個蛋白質的合成與轉運是同時發生的，則屬於共翻譯轉運；若蛋白質從核糖體上釋放後才發生轉運，則屬於翻譯後轉運。
新生多肽的初級轉運
研究發現，蛋白質的分選過程中並不是信號序列單一的完成整個過程，它還需要信號肽識別顆粒以及其受體的輔助才能完成初級轉運的過程。
信號識別顆粒存在於細胞質中，是一種細長的RNA-蛋白質複合體，SRP由6條多肽鏈和300多個鹼基的7S RNA組成。SRP可以在核糖體翻譯出信號肽序列後立即結合在信號肽序列上，形成SRP-核糖體-新生多肽鏈的複合體，阻止多肽鏈的進一步翻譯。在胞質中形成的信號肽-核糖體-SRP複合體首先通過SRP和SRP受體（SRP-receptor，SR）的特異性相互作用結合到ER膜上，這個過程需要GTP的結合但是不水解GTP。SRP蛋白與其受體結合後，多肽鏈的延伸繼續進行，其信號肽的疏水區段結合在易位子的內部，新合成的肽鏈以絆環的結構通過易位子。待肽鏈合成結束後，之前結合的GTP在SRP與SP複合體的作用下水解供能（SRP-SP複合體相當於G蛋白），SRP-SP複合體解離，並使SRP進入新一輪的循環。根據信號肽種類與數量的不同，新生肽鏈可以進入ER進行修飾或者定位在ER上形成膜蛋白。
信號肽分為起始信號肽和終止信號肽，在化學性質上都是疏水區段的多肽，容易進入易位子，並與內壁產生疏水相互作用。信號肽可以是末端的信號肽（起始信號肽在N端，終止信號肽在C端），也可以是內信號肽，。下面給出幾幅圖片可以很清楚的了解這部分不同信號肽的區別以及作用。
所以說，內信號肽的方向決定暴露在胞質的為羧基端或者氨基端，信號肽的數量決定膜蛋白的跨膜次數。
此前，我們敘述了新生肽段的信號序列被SRP識別、結合併靶向到ER上與SP結合的過程，以這種方式進行蛋白質合成後加工的過程被我們稱為共翻譯轉運機制。與之不同的還存在一種翻譯後轉運機制，這種轉運機制是在特定條件下蛋白質在其合成結束後才開始轉運，採用這種機制定位的蛋白一般都是可溶性蛋白，它們的信號肽有一段適當疏水的信號肽序列可以使他們在合成時避開SRP的識別。從而可以進入核仁、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等細胞器中。
這裡值得一提的是，在翻譯後修飾機制中有一種特殊的蛋白質可以阻止或者輔助蛋白質的摺疊，這種蛋白質就是伴侶分子，它們在細胞內幫助其他含多肽的結構完成正確的組裝，而且在組裝完畢後與之分離，不構成這些蛋白質結構執行功能的組分。換言之，能夠識別並結合到不完整摺疊或者裝配的蛋白質，幫助這些多肽正確的摺疊、轉運或防止他們聚集，其本身不參與最終產物的形成。而熱休克蛋白就是一大類分子伴侶。
以線粒體為例，通過翻譯後轉運機制產生的胞質蛋白靶向線粒體時，胞質熱休克蛋白（Hsp70）消耗ATP結合在前體蛋白上，防止前體蛋白提前摺疊，隨後前體蛋白的信號肽靶向線粒體膜上的輸入受體（Tom20/22），前體蛋白與Tom20/22結合後通過Tom40進入膜間腔，在接觸位點通過Tim23/17，在Tim44的輔助下進入基質，在前體蛋白未完全通過Tim23/17時基質Hsp70會與其結合防止前體蛋白不規則摺疊，此時伴隨著信號肽酶切割信號肽。當前體蛋白完全進入基質後基質Hsp70脫落，前體蛋白開始摺疊。
與此類似的，前體蛋白也通過這種方式進入其他細胞器。
蛋白質的修飾以及次級分選
蛋白質前體的修飾首先要經過M端的fMet或Met的切除、形成二硫鍵、在特定鹼基處進行化學基團的修飾（修飾的類型和例子見上圖），有些特定的蛋白質還需要經過切除肽鏈中的非功能片段才可以獲得生理活性（例如胰島素）。同時，蛋白質還在分子伴侶的協助之下進行摺疊：可自發摺疊的蛋白質需要分子伴侶組織在肽鏈未完全暴露時的無效摺疊，不可自發摺疊的蛋白質需要分子伴侶協助進行摺疊。需要注意的是，不要把這些過程理解為是依次進行的，它們在其相應的組分中是一個
蛋白質前體的修飾首先要經過M端的fMet或Met的切除、形成二硫鍵、在特定鹼基處進行化學基團的修飾（修飾的類型和例子見上圖），有些特定的蛋白質還需要經過切除肽鏈中的非功能片段才可以獲得生理活性（例如胰島素）。同時，蛋白質還在分子伴侶的協助之下進行摺疊：可自發摺疊的蛋白質需要分子伴侶組織在肽鏈未完全暴露時的無效摺疊，不可自發摺疊的蛋白質需要分子伴侶協助進行摺疊。需要注意的是，不要把這些過程理解為是依次進行的，它們在其相應的組分中是一個同時進行的過程。
在這裡我們簡單介紹一下修飾過程中的糖基化（若對其他的修飾過程感興趣就請自行學習~）
蛋白質的糖基化修飾
蛋白質的糖基化修飾分為N-連接和O-連接，N-連接的糖鏈起始於內質網，完成於高爾基體。
ER膜的胞質面處在一種多萜醇載體，這種載體由多萜醇和一分子的磷酸基團構成。多萜醇載體在經過進一步的磷酸化後可以結合兩個N-乙醯葡萄糖胺，隨後再結合5分子甘露糖經過ER膜上易位子的易位作用進入ER腔內再加上4分子的甘露糖、3分子的葡萄糖。同時，新生多肽通過易位子進入ER腔內，新生多肽合成並進入ER內時一旦暴露出天冬醯胺，合成的15分子糖鏈便會脫離載體與Asn相連，這樣便完成了多肽的糖基化過程初步過程（ER中的加工修飾）。此後多萜醇載體再經過易位作用轉回胞質面脫磷酸基進行再利用。
經過初步糖基化修飾的新生多肽會通過囊泡運輸。從高爾基器的Cis面進入腔內，這裡我們要明確一個概念，那就是高爾基器，高爾基器的每一個片層裡面含有不同的酶類，可以進行不同的修飾，被正確修飾的多肽通過囊泡運輸從高爾基器的Cis面向trans面移動，而出現錯誤修飾的蛋白可以通過反向的囊泡運輸或者膜囊之間的細小管道進行重新修飾（甚至可以通過囊泡運輸返回ER進行重新加工）。
進入高爾基器的15分子糖基化多肽會經過進一步的糖鏈加工，具體過程如下圖，圖很詳細，此處就不做過多敘述了。
如此便完成了蛋白質的N-連接糖基化過程，O-連接的糖基化修飾過程僅在高爾基器中進行，過程與前者類似（在不同膜囊進行糖鏈修飾），此處亦不做過多描述。
蛋白質的次級分選
蛋白質的次級分選是由高爾基器trans face上的特異性受體決定的，在高爾基器的trans face上經過分揀濃縮後形成囊泡完成蛋白質的次級分選。次級分選主要分為膜蛋白、細胞器蛋白和分泌蛋白，在這裡我們主要講述細胞器蛋白以及分泌蛋白。
細胞器蛋白的形成
以溶酶體蛋白為例：
接前所述，溶酶體額酶蛋白前體在粗面內質網合成後需要經過N-連接的糖基化修飾，以囊泡運輸方式進入高爾基器。在高爾基器中完成糖基化的修飾後會在複合體的順面扁囊內在N-乙醯葡萄糖胺磷酸轉移酶的識別溶酶體水解酶的信號斑，將N-乙醯葡萄糖胺磷酸轉移到1-2個甘露糖殘基上轉移至中間膜囊。在中間膜囊內由N-乙醯葡萄糖胺酶切去N-乙醯葡萄糖胺形成M6P配體。在高爾基器的Cis face具有M6P受體，受體與溶酶體蛋白結合後，濃縮聚集在一起被分揀進入有被小泡。有被小泡的外被脫落後形成運輸小泡，運輸小泡與前溶酶體融合以後才能形成溶酶體。這是因為在前溶酶體膜上有質子泵，其內部為酸性環境，導致溶酶體酶蛋白前體的M6P脫磷酸，成為有活性的酸性水解酶，形成溶酶體。M6P受體回到高爾基器進行循環。
分泌蛋白
分泌蛋白主要分為調節型分泌途徑和組成型分泌途徑。
組成型分泌途徑：通過此途徑分泌的蛋白一般是為了在宿主正常生理條件所需要不斷產生的蛋白質如細胞因子、膜整合蛋白。此過程不需要任何信號的粗發，它存在於大多數的細胞中。在大多數細胞中，組成型分泌途徑的物質運輸不需要分選信號，從內質網經高爾基體到細胞表面的物質運輸是自動地進行的。組成型分泌途徑除了分泌蛋白質外，也為細胞質膜提供膜整合蛋白和膜脂
調節型分泌途徑：此途徑通常見於某些特化的途徑，如內分泌細胞。在這些細胞中，調節型分泌小泡成群地聚集在質膜下，只有在外部信號的觸發下，質膜產生胞內信使後才和質膜融合，分泌內容物。
蛋白質的降解
生物體內蛋白質的降解亦稱水解，可分為細胞外蛋白質的水解和細胞內蛋白質的水解。細胞外蛋白質的水解通常通過各類蛋白酶以及肽酶進行水解，而細胞內蛋白質主要通過兩種降解途徑進行降解：溶酶體降解途徑、泛素化降解途徑。在這裡我們主要介紹一下泛素化降解途徑。
泛素系統可以選擇性的水解蛋白質。該途徑要求被降解的目標蛋白首先進行泛素化標記，然後降解。泛素是一個低分子質量的蛋白質，只有76個氨基酸，序列高度保守（酵母和人的泛素幾乎完全相同）。
泛素化是指泛素分子在一系列特殊的酶作用下，將細胞內的蛋白質分類，從中選出靶蛋白分子，並對靶蛋白進行特異性修飾的過程。這些特殊的酶包括泛素激活酶，結合酶、連結酶和降解酶等。泛素化在蛋白質的定位、代謝、功能、調節和降解中都起著十分重要的作用。同時，它也參與了細胞周期、增殖、凋亡、分化、轉移、基因表達、轉錄調節、信號傳遞、損傷修復、炎症免疫等幾乎一切生命活動的調控。
簡單敘述泛素化的過程：
① 在ATP供給能量的情況下，泛素活化酶E1將泛素分子活化；
② 泛素活化酶E1將活化的泛素分子傳遞給泛素結合酶E2；
③ 泛素連接酶E3將結合E2的泛素連接到靶蛋白上。
④ 26s蛋白酶體特異性地識別這個帶有泛素標籤的底物蛋白，將其降解掉。
用蛋白質的命運作為主題，只是一個風趣的譬喻，實際上，細胞作為高度擁擠的系統，蛋白質的命運也許沒有我們描述的那麼「整齊」「有序」，但正是這樣系統化的描述，才能讓我們更加系統地認識這個系統。
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