Ciljanje proteina ili sortiranje proteina je biološki mehanizam pomoću kojeg se proteini transportuju na odgovarajuća odredišta unutar ili izvan ćelije. Proteini mogu biti ciljani na unutrašnji prostor organele, različite unutarćelijske membrane, plazmamembranu ili na vanjski prostor ćelije putem sekrecije. Ovaj proces isporuke usmjeravaju informacije sadržane u samom proteinu. Ispravno sortiranje ključno je za ćeliju; greške ili disfunkcija u sortiranju povezani su s više bolesti.
Historija thumb|282x282px|Günter Blobel, dobitnik Nobelove nagrade za fiziologiju ili medicine 1999. za otkriće da proteini sadrže unutrašnje signalne sekvence. Godine 1970, Günter Blobel izveo je eksperimente na translokaciji proteina preko membrana. Blobel, tada docent na Rockefeller University, nadovezao se na rad svog kolege Georgee Paladea. Palade je ranije pokazao da su nesekretirani proteini prevedeni slobodnim ribosomima u citosolu, dok su izlučeni proteini (i ciljni proteini, općenito) prevedeni ribosomima vezanim za endoplazmatski retikulum. Objašnjenja kandidata u to vrijeme su postulirala razliku u procesuiranju između slobodnih i ER vezanih ribosoma, ali Blobel je pretpostavio da se ciljanje proteina oslanja na karakteristike inherentne proteinima, a ne na razliku u ribosomima. Podržavajući svoju hipotezu, Blobel je otkrio da mnogi proteini imaju kratku aminokiselinsku sekvencu na jednom kraju koja funkcionira kao poštanski broj koji specificira unutarćelijsko ili vanćelijsko odredište. Opisao je ove kratke sekvence (uglavnom 13 do 36 aminokiselinskih ostataka) kao signalni peptid ili signalne sekvence I za to otkriće dobio je 1999. Nobelovu nagradu za fiziologiju.
Signalni peptidi
Signalni peptidi služe kao ciljani signali, omogućavajući ćelijskoj transportnoj mašineriji da usmjeri proteine na specifične unutar- i vanćelijske lokacije. Iako konsenzusna sekvenca nije identificirana za signalne peptide, mnogi ipak posjeduju karakterističnu trodijelnu strukturu:
Pozitivno nabijena, hidrofilna regija u blizini N-terminala. Raspon od 10 do 15 hidrofobnih aminokiselina blizu sredine signalnog peptida. Blago polarna refgija blizu C-terminala, tipsko favorizovanje aminokiselina sa manjim bočnim lancima na pozicijama koje se približavaju mjestu cepanja.
Nakon što protein stigne do svog odredišta, signalni peptid se općenito cijepa signalnom peptidazom. Shodno tome, većina zrelih proteina ne sadrži signalne peptide. Dok se većina signalnih peptida nalazi na N-terminalu, u peroksisomima se ciljana sekvenca nalazi na produžetku C-terminala. Za razliku od signalnih peptida, signalne pjege sastoje se od aminokiselinskih ostataka koji su diskontinuirani u primarnoj sekvenci, ali postaju funkcionalni kada ih savijanje spoji na površini proteina. Za razliku od većine signalnih sekvenci, signalne zakrpe se ne cijepaju nakon završetka sortiranja. Pored unutrašnjih signalnih sekvenci, proteinske modifikacije poput glikozilacija također mogu izazvati ciljanje na specifične unutarćelijske ili vanćelijske regije.
Translokacija proteina Pošto se translacija iRNK u protein pomoću ribosoma odvija unutar citosola, proteini namijenjeni za lučenje ili specifična organela moraju biti translocirani. Ovaj proces može se dogoditi tokom prevođenja, poznat kao kotranslacijska translokacija, ili nakon što je prijevod završen, poznat kao posttranslacijska translokacija. Kotranslacijska translokacija Većina sekretornih proteina i proteina vezanih za membranu su kotranslacijski translocirani. Proteini koji se nalaze u endoplazmatskom retikulumu (ER), Golgijevom aparatu ili endosomu također koriste put kotranslacijske translokacije. Ovaj proces počinje dok se protein sintetizira na ribosomu, kada čestica za prepoznavanje signala (SRP) prepozna N-terminalni signalni peptid proteina u nastajanju. Vezivanje SRP-a privremeno zaustavlja sintezu dok se kompleks ribosom-protein prenosi na SRP receptor na ER u eukariotima i plazmamembranu u prokariotima. Tamo se protein u nastajanju insertira u translokon, membranski vezani kanal za provođenje proteina koji se sastoji od translokacijskog kompleksa Sec61 u eukariota i homolognog kompleksa SecYEG u prokariota. U sekretornim proteinima i tipu I transmembranskih proteina, signalna sekvenca se odmah cijepa od polipeptida u nastajanju, nakon što je translocirana u membranu ER (eukarioti) ili plazmamembranu (prokarioti), pomoću signalne peptidaze. Signalna sekvenca membranskih proteina tipa II i nekih politopskih membranskih proteina se ne odcjepljuju i stoga se nazivaju sekvencama sidrenja signala. Unutar ER-a, protein je najprije prekriven šaperonskim proteinom, kako bi ga zaštitio od visoke koncentracije drugih proteina u ER-u, dajući mu vremena da se ispravno saviju. Jednom presavijen, protein se modificira prema potrebi (naprimjer, glikozilacijom), zatim se transportira u Golgijev aparat na daljnju obradu i ide do svojih ciljnih organela ili se zadržava u ER različitim mehanizmima ER-retencija.
Aminokiselinski lanac transmembranskih proteina, koji su često transmembranski receptori, prolazi kroz membranu jedan ili nekoliko puta. Ovi proteini ubacuju se u membranu translokacijom, sve dok se proces ne prekine sekvencom stop-transfera, koja se također naziva membransko sidro ili sekvenca sidrenog signala. Ovi složeni membranski proteini do sada su karakterizirani korištenjem istog modela ciljanja koji je razvijen za sekrecijske proteine. Međutim, mnogi složeni multitransmembranski proteini sadrže strukturne aspekte koji se ne uklapaju u ovaj model. Sedam transmembranskih receptora vezanih za G-protein (koji predstavljaju oko 5% gena u ljudi) uglavnom nemaju amino-terminalnu signalnu sekvencu. Za razliku od sekretornih proteina, prvi transmembranski domen djeluje kao prva signalna sekvenca, koja ih usmjerava na ER membranu. To također rezultira translokacijom amino terminala proteina u lumen ER membrane. Ova translokacija, koja je demonstrirana s opsinom u eksperimentima in vitro,Kanner EM, Friedlander M, Simon SM. (2003). "Co-translational targeting and translocation of the amino terminus of opsin across the endoplasmic membrane requires GTP but not ATP". J. Biol. Chem. 278 (10): 7920–7926. . .Kanner EM, Klein IK. et al. (2002). "The amino terminus of opsin translocates "posttranslationally" as efficiently as cotranslationally". Biochemistry 41 (24): 7707–7715. . . razbija uobičajeni obrazac "kotranslacijske" translokacije koji je oduvijek vrijedio za proteine sisara usmjerenih na ER. Velik dio mehanike transmembranske topologije i savijanja tek treba razjasniti.
Posttranslacijska translokacija Iako je većina sekretornih proteina kotranslacijski translocirana, neki se prevode u citosolu i kasnije se transportiraju u ER/plazmamembranu, putem posttranslacijskog sistema. Kod prokariota ovaj proces zahtijeva određene kofaktore kao što su SecA i SecB, a olakšavaju ga Sec62 i Sec63, dva proteina vezana na membranu. Kompleks Sec63, koji je ugrađen u ER membranu, uzrokuje hidrolizu ATP-a, dopuštajući šaperonskim proteinima da se vežu na izloženi peptidni lanac i gurnu polipeptid u lumen ER. U lumenu, polipeptidni lanac se može pravilno presavijati. Ovaj se proces događa samo u nesavijenim proteinima koji se nalaze u citosolu.
Osim toga, proteini usmjereni na druga ćelijska odredišta, kao što su mitohondrije, hloroplasti ili peroksisomi, koriste specijalizirane posttranslacijske puteve. Proteini ciljani na jedro također se translociraju posttranslacijsko dodavanjem signala jedarne lokalizacije (NLS) koji podstiče prolaz kroz jedarnu ovojnicu preko jedarnih pora.
Sortiranje proteina Mitohondrija
Većina mitohondrijskih proteina sintetizira se kao citosolni prekursori koji sadrže unos peptidnih signala. Citosolni šaperoni isporučuju preproteine do receptora povezanih s kanalima u mitohondrijskoj membrani. Predprotein s predsekvencijom usmjerenom na mitohondrije vezan je receptoriima i općom importnom porom (GIP), zajednički poznatim kao translokaza vanjske membrane (TOM), na vanjskoj membrani. Zatim se translociraju kroz TOM kao ukosnice. Predprotein se prenosi kroz međumembranski prostor malim TIM-ovima (koji također djeluju kao molekulski šaperoni) do TIM23 ili TIM22 (translokaza unutrašnje membrane) na unutarnjoj membrani. Unutar matrice ciljana sekvenca odcjepljuje se pomoću mtHsp70.
Poznata su tri receptora mitohondrijske vanjske membrane:
TOM70: Veže se na unutrašnje ciljane peptide i djeluje kao tačka spajanja za citosolne šaperone. TOM20: Veže predsekvence. TOM22: Veže i predsekvence i interne ciljane peptide.
TOM kanal (TOM40) je kanal visoke vodljivosti specifične za katione s molekulskom težinom od 410 kDa i porama promjera od 21Å.
Presekvencijska translokaza23 (TIM23) lokalizirana je na unutrašnjoj mitohondrijskoj membrani i djeluje kao protein koji stvara pore i veže prekursorske proteine sa svojim N-terminalom. TIM23 djeluje kao translokator za pretproteine za mitohondrijski matriks, unutrašnju mitohondrijsku membranu kao i za intermembranski prostor. TIM50 je vezan za TIM23 na unutrašnjoj strani mitohondrija i utvrđeno je da veže presekvence. TIM44 je vezan na strani matrice i pronađeno je da se veže za mtHsp70. Presekvenca translokaze 22 (TIM22) veže pretproteine isključivo vezane za unutrašnju mitohondrijsku membranu.
Ciljane sekvence mitohondrijskog matriksa bogate su pozitivno nabijenim i hidroksiliranim aminokiselinama.
Proteini su usmjereni na submitohondrijske odjeljke višestrukim signalima i nekoliko putova.
Ciljanje na vanjsku membranu, međumembranski prostor i unutrašnju membranu često zahtijeva još jednu signalnu sekvencu uz matričnu ciljanu sekvencu.
Hloroplasti Pretprotein za hloroplast može sadržavati stromnu importnu sekvencu ili stromnu i tilakoidnu ciljanu sekvencu. Većina pretproteina prenosi se kroz Toc i Tic komplekse koji se nalaze unutar ovojnice hloroplasta. U stromi se stromna importna sekvenca otcijepi i presavije, a razvrstavanje unutar hloroplasta na tilakoid se nastavlja. Proteini usmjereni na ovojnicu hloroplasta obično nemaju cjepivu sekvencu za sortiranje.
I hloroplasti i mitohondrije Mnogi proteini su potrebni i u mitohondrijama i u hloroplastima. Općenito, dvostruko ciljani peptid je srednjeg karaktera u odnosu na dva specifična. Ciljani peptidi ovih proteina imaju visok sadržaj baznih i hidrofobnih aminokiselina, nizak sadržaj negativno nabijenih aminokiselina. Imaju manji sadržaj alanina, a veći sadržaj leucina i fenilalanina. Dvostruko ciljani proteini imaju više hidrofobni ciljani peptid nego mitohondrijski i hloroplastni. Međutim, zamorno je predviđati je li peptid dvostruko ciljan ili ne na temelju njegovih fizičkohemijskih karakteristika.
Peroksisomi Svi peroksisomski proteini su kodirani jedarnim genima. Do danas postoje dva tipa poznatih peroksisomnih ciljajućih signala (PTS):
Peroksizom ciljani signal 1 (PTS1): C-terminalni tripeptid s konsenzusnom sekvencom (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). Najčešći PTS1 je serin-lizin-leucin (SKL). Većina peroksisomskih matriksnih proteina posjeduje signal tipa PTS1. Peroksisom ciljani signal 2 (PTS2): nenapeptid smješten blizu N-kraja s konsenzusnom sekvencom (R/K)-(L/V/I)-XXXXX-(H/Q)-( L/A/F) (gdje X može biti bilo koja aminokiselina).
Postoje i proteini koji nemaju niti jedan od ovih signala. Njihov se transport može temeljiti na takozvanom „prasac“ mehanizmu ("piggy-back"): takvi se proteini povezuju s proteinima matriksa koji posjeduju PTS1 i zajedno s njima se translociraju u peroksisomni matriks..
Bolesti Transport proteina je neispravan u sljedećim genetičkim bolestima: Zellwegerov sindrom. Adrenoleukodistrofija (ALD). Refsumova bolest Parkinsonova bolest Hiperholesterolemija, ateroscleroza, gojaznost i diajbetes
U bakterijama i arhejama