16.1: Überblick über Proteinsortierung und -transport

Eukaryotische Zellen haben unterschiedliche membranumhüllte Organellen mit unterschiedlichem Bedarf an Proteinen. Der Prozess, durch den Proteine gezielt zu einer bestimmten Organelle geleitet werden, wird Proteinsortierung genannt.

Es gibt zwei Arten der Proteinsortierung: signalgesteuerte Sortierung und vesikelvermittelter Transport. Bei der signalgesteuerten Sortierung zielen bestimmte Aminosäuresequenzen, sogenannte Sortiersignale, Proteine entweder über einen gesteuerten Transport oder durch Proteintranslokation an den richtigen Ort innerhalb der Zelle. Im sogenannten "gated transport" werden gefaltete Proteine mit freiliegenden nukleären Lokalisierungssignalen von löslichen zytoplasmatischen Rezeptoren erkannt. Der zytoplasmatische Rezeptor bindet die Fracht und transportiert sie in den Zellkern, indem er durch den in der Kernmembran eingebetteten Kernporenkomplex hindurchgeht.

Im Gegensatz dazu werden Vorläufer von Proteinen aus Zytosol in verschiedene Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, endoplasmatisches Retikulum (ER) und Peroxisomen verlagert oder bewegt. Während der Proteintranslokation binden zytoplasmatische Chaperone an das Zielprotein und helfen, es zu entfalten, um es zur Oberfläche des Organells zu führen. Spezifische Rezeptoren auf einer Organellenmembran erkennen die Signalsequenzen auf dem entfalteten Proteinvorläufer und binden sie. Die entfaltete Peptidkette wird durch spezielle Transporter, sogenannte Translokons, geführt, um die Lipiddoppelschichtmembran zu durchqueren und das Lumen der Organelle zu erreichen.

Bei der Proteinsortierung durch vesikulären Transport handelt es sich um die Bewegung von Proteinen in membrangebundenen Strukturen, die als Transportvesikel bezeichnet werden. Lösliche Proteine im ER-Lumen werden auf die Transportvesikel gepackt und von der ER-Membran abgelöst. Auf der Organellenmembran angezeigte molekulare Marker steuern die korrekte Abgabe und Fusion der Transportvesikel.

Die Proteinsortierung erfolgt während der Translation oder nach der Proteinsynthese durch zwei unterschiedliche Prozesse: die signalbasierte Sortierung und den vesikelbasierten Transport. Bei der signalbasierten Sortierung kommen zwei Transportmittel zum Einsatz: der Gated Transport und die Proteintranslokation.

Kernproteine werden aktiv vom Zytosol in den Zellkern über die in die Kernhülle eingebetteten Kernporenkomplexe transportiert. Dieser Vorgang wird als Gated Transport bezeichnet.

Diese Proteine enthalten spezifische Aminosäuresequenzen, sogenannte Sortiersignale, die von einem Sortierrezeptor erkannt werden, der das Protein zum Zellkern transportiert.

Proteine, die auf die Chloroplasten, Mitochondrien und das endoplasmatische Retikulum abzielen, werden durch Translocons, spezialisierte Transmembranproteine, in einem Prozess importiert, der als Proteintranslokation bezeichnet wird.

Bei der Translokation binden Chaperonproteine im Zytosol an das Zielprotein und geben es an die Membran ab, wo die Sortiersignale von den Importrezeptoren des Translokons erkannt werden. Bei der ATP-Hydrolyse wird das Zielprotein entfaltet und durch einen Kanal im Translokon transportiert, um sein Ziel innerhalb der Organelle zu erreichen.

Beim vesikulären Transport werden lösliche Proteine aus dem Lumen des endoplasmatischen Retikulums gepackt und auf membrangebundene Transportvesikel geladen.

Transportvesikel knospen von der endoplasmatischen Retikulummembran ab und verschmelzen mit der Golgi-Membran oder der Zellmembran, ohne die Lipiddoppelschichten zu durchqueren, um die Proteine an ihren Zielort zu bringen.