16.1: Überblick über Proteinsortierung und -transport

Eukaryotische Zellen haben unterschiedliche membrangebundene Organellen mit unterschiedlichen Proteinanforderungen. Der Prozess, bei dem Proteine auf eine bestimmte Organelle abzielen, wird als Proteinsortierung bezeichnet.

Es gibt zwei Arten von Proteinsortierung: signalbasierte Sortierung und vesikelbasierten Transport. Bei der signalbasierten Sortierung zielen spezifische Aminosäuresequenzen, sogenannte Sortiersignale, Proteine entweder über einen Gated Transport oder durch Proteintranslokation an den richtigen Ort in der Zelle an. Beim Gated Transport werden gefaltete Proteine mit exponierten Kernlokalisationssignalen von löslichen zytosolischen Rezeptoren erkannt. Der zytosolische Rezeptor bindet die Fracht und transportiert sie durch den Zellkern, indem er den in die Kernmembran eingebetteten Kernporenkomplex passiert.

Im Gegensatz dazu werden Vorläufer von Proteinen aus dem Zytosol in verschiedene Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, endoplasmatisches Retikulum (ER) und Peroxisomen transloziert oder verschoben. Während der Proteintranslokation binden und entfalten zytosolische Chaperone das Zielprotein, um es zur Organellenoberfläche zu leiten. Spezifische Rezeptoren auf einer Organellenmembran erkennen die Signalsequenzen auf dem entfalteten Proteinvorläufer und binden sie. Die entfaltete Peptidkette wird durch spezialisierte Transporter, sogenannte Translokons, gefädelt, um die Lipiddoppelschichtmembran zu durchqueren und das Lumen der Organelle zu erreichen.

Bei der Proteinsortierung durch vesikulären Transport werden Proteine in membrangebundenen Strukturen, den sogenannten Transportvesikeln, bewegt. Lösliche Proteine im ER-Lumen werden auf die Transportvesikel gepackt und von der ER-Membran abgestoßen. Molekulare Marker, die auf der Organellenmembran angebracht sind, steuern die ordnungsgemäße 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.