Valkude liikumine rakus ühest kompartmendist teise
Kõikide valkude teekond rakus algab tsütoplasmaatilistelt ribosoomidelt (v.a. muidugi need valgud, mis tehakse mitokondrite või plastiidide ribosoomidel) Nende edasine saatus on väga erinev, see sõltub valgu primaarjärjestusest, kas seal on mingeid signaaljärjestusi või ei. Paljudel valkudel neid pole ning need jäävad tsütoplasmasse. Signaaljärjestusi kandvad valgud viiakse aga kas tuuma, ER-i, mitokondrisse, kloroplasti või peroksüsoomi. ER-st viiakse valgud edasi teistesse sihtkohtadesse rakus.
Rakus on 3 põhimõttelist teed, kuidas valgud liiguvad ühest kompartmendist teise.

1. Väravtransport (gated transport).

Tuuma ja tsütoplasma vaheline transport käib läbi spetsiaalsete väravate - tuuma poori komplekside. Tuum ja tsütoplasma on tuuma pooride kaudu pidevas ühenduses ja madalmolekulaarsed ained saavad sealt difusiooni teel vabalt läbi. Suurematel valgumolekulidel (üle 40 kDa) peab olema aga värava avamiseks spetsiaalne võti - NLS. Selline transpordi liik on iseloomulik ainult rakutuumale, üheski teises organellis taolisi struktuure, nagu seda on tuuma poori kompleksid, ei esine. Täpsemalt selle transpordi tee kohta vaata siit.

2. Transmembraanne transport.

Selles osalevad membraanseoselised translokaator-molekulid, mis aitavad valgu läbi mebraani viia. Selle transpordi puhul valk tavaliselt pakitakse transpordi ajaks lahti, s.t. tema kõrgema järgu struktuur kaob. Nii satuvad valgud ER-i, mitokondrisse, kloroplasti, peroksüsoomi. Transmembraanse transpordi juures osalevad hsp70 perkonda kuuluvad chaperon-valgud, mis seostuvad "lahtipakitud" valkudega. Näit. valgu transpordil mitokondrisse ja plastiidi osalevad hsp70 valgud nii tsütoplasma pool kui organelli maatriksis. .

3. Vesikulaartransport

Membraaniga ümbritsetud transportvesiikulid kannavad laadungi ühest kohast teise. Selline transport käib ER-i ja Golgi kompleksi vahel, Golgi kompleksi ja lüsosoomide ning välismembraani vahel. Selle transpordi puhul toimub transportvesiikuli pungumine lähtekompartmendist, selle liikumine mikrotuubulite abil teise kohta ning lõpuks ühinemine sihtkompartmendi mebraaniga. Vesikulaartranspordil võib eristada kolme põhilist suunda:
a) Konstitutiivne sekretoorne suund. Selle all mõeldakse seda, et valk, mis satub ER-i (kas selle membraani või valendikku) liigub läbi Golgi kompleksi ning jõuab raku välispinnale (vastavalt kas raku välismembraani või rakust välja. Arvatakse, et see suund toimub ilma spetsiaalse signaalita, automaatselt (default pathway). S.t., et kõik valgud, mis ER-i satuvad ja millel pole küljes signaaljärjestusi, mis neid mingis kompartmendis kinni hoiaksid (näit. KDEL järjestus, mis hoiab valke ER-is) saadetakse automaatselt raku välismembraanile või rakust välja.
b) Lüsosomaalne suund. Lüsosoomi sattumiseks peavad vastavad valgud saama spetsiaalselt märgistatud. Selleks on mannos-6-fosfaat, mis on lüsosomaalsete ensüümide marker. Seda markerit kandvad valgud kallutatakse kõrvale konstitutiivselt sekretoorselt suunalt ja saadetakse läbi endosoomi lüsosoomi.
c) Reguleeritud sekretoorne suund. See rada on olemas spetsialiseeritud rakkudes, kus esineb nn. kontrollitud eksotsütoos. Vastavatel valkudel peavad olema analoogsed signaaljärjestused mannoos-6-fosfaadiga, mis määrab ära nende saatmise trans-Golgist sekretoorsetesse vesiikulitesse.
Tegelikkuses on paljudel rakkudel asi veelgi keerulisem. Eriti sellistel rakkudel, kes on polariseeritud ja kellel on eristatavad mitu mebraanidomääni.. Näit. epiteelirakul on apikaalne ja basolateraalne membraanidomään, kumbki erinevad oma valguliselt koostiselt. Seega trans- Golgis tuleb neil rakkudel teha kindlasti üks lisa otsustus, kas saata valk apikaalsesse või basolateraalsesse domääni. On teada, et apikaalse domääni sorteerimissignaalina toimib vähemalt osades rakkues glükosüül-fosfatidüül-inositool e. GPI-struktuur, mis liidetakse valgule posttranslatsioonilisel

Ülaltoodust tuleneb: kõik ER-i membraani või selle valendikku sattunud valgud lõpetavad oma teekonna vastavalt kas raku välismembraanis või rakku ümbritsevas keskkonnas, juhul kui puuduvad signaaljärjestused, mis sunniksid valku kuskil peatuma või sellelt teelt kõrvale kalduma.

Valkude sisenemist ER-i ja liikumist läbi Golgi kompleksi kuni raku välispinnale transportvesiikulite abil nimetatakse ka klassikaliseks sekretoorseks rajaks .ER-i ja Golgi kompleksi valendikud on topoloogiliselt ekvivalentsed raku väliskeskkonnaga. Nimetatud kompartmendid on omavahel pidevas ühenduses transportvesiikulite abil, mis punguvad ühest kompartmendist ja ühinevad järgmisega. Vesiikulite liikumine on täpselt organiseeritud, see toimub ER-st Golgi suunas ja sealt edasi raku välispinnale.

Vaatamata sellele, et sekretoorse raja organellidest käib läbi pidev membraanikomponentide vool, peavad nad säilitama oma identsuse. Kompartmendid on defineeritud kindlate valkude poolt. Kuidas aga saavutatakse see, et ühe kompartmendi membraanis on teatud valke piisavalt kõrges kontsentratsioonis ja miks neid ei transpordita edasi teistesse kompartmentidesse? Vastust tuleb otsida vesiikulite tekke mehanismis, mille käigus kindla koostisega membraani osad ja kindlad organelli valendikus olevad lahustunud valgumolekulid pakitakse vesiikulitesse ning transporditakse sel kujul ühest kompartmendist teise. Õigete molekulide vesiikulitesse pakkimise eelduseks on nende seostumine organelli membraanis olevate retseptoritega (analoogselt retseptor-vahendatud endotsütoosile). Näit. trans-Golgi membraanis paiknev mannos-6-fosfaadi retseptor tunneb ära lüsosomaalsed ensüümid, need pakitakse eraldi vesiikulisse ja saadetakse endosoomi, cis-Golgis aga tuntakse retsptori poolt ära valgud, mis kannavad KDEL-järjestust ning need saadetakse ER-i tagasi.

Kuidas transportvesiikul pungub?

Transportvesiikulite teket katalüüsivad spetsiaalsed katte valgud, mis kinnituvad vesiikulit tekitava membraani tsütoplasmapoolsele küljele. Nende valkude kaasabil justkui imetakse teatud osa membraanist välja ja tekitatakse vesiikul. Esimene vesiikulite katte valk, mis avastati, oli klatriin. Klatriiniga kaetud vesiikulid liiguvad plasmamembraani ja endosoomide vahel (endotsütoosi vesiikulid), samuti trans-Golgi retiikulumi ja endosoomide vahel (lüsosomaalseid ensüüme kandvad vesiikulid).
Mõned aastad tagasi avastati veel teist tüüpi kattevalgud, mis osalevad ER-st ja Golgist pärit vesiikulite moodustumisel. Neid nimetatakse COP-valkudeks (coat proteins). Erinevalt klatriinist vajab COP-valkudest koosneva katte teke ATP energiat. Ka ei tule COP-valkudest koosnev kate vesiikuli küljest kohe peale vesiikuli teket ära (nagu klatriini puhul) ja saadab vesiikulit kuni selle ühinemiseni sihtmembraaniga. COP-valkudest koosneva katte tekkes osaleb ka väike GTP-d siduv valk ARF-1.
Lisaks sellele, et transportvesiikul peab moodustumise ajal doonorkompartmendist kokku korjama õigeid molekule, tuleb rakul lahendada veel üks oluline küsimus :

Kuidas transportvesiikul tunneb rakus ära õiget sihtmembraani, millega ühineda?

Arvatakse, et selles osalevad organelle markeerivad nn. SNARE- valgud. Selle hüpoteesi järgi vesiikulite liikumise spetsiifilisus on tagatud vSNARE (vesiikuli membraanis paiknev) ja tSNARE (sihtmembraanis paiknev) valkude omavahelise komplekseerumise tulemusel. Kuigi palju küsimusi seoses transportvesiikulite õige adresseerimisega rakus on vastamata, on kogunemas järjest andmeid, mis toetavd SNARE valkude osalust selles. Kui vesiikul on rakus üles leidnud õige sihtmembraani ja selle juures "sildunud" , siis:

Vesiikul ühineb sihtmembraaniga

Vesiikuli sildumine õige sihtmembraani juures ja sellega ühinemine on eri sündmused. Vesiikuli ühinemine sihtmembraaniga ei toimu automaatselt vaid vajab teatud fusogeensete valkude kaasabi, mis katalüüsivad membraanide ühinemist. Selle kohta on hea näide reguleeritud eksotsütoos, kus sekretoorsed vesiikulid lokaliseeruvad plasmamembraani läheduses kuid ilma väliskeskkonnast tuleva signaalita ei toimu vesiikuli membraani ühinemine plasmamebraaniga. Hästiuuritud fusogeensed valgud on pärit viirustest, see katalüüsib viiruse membraani ühinemist endosoomi membraaniga ja võimaldab viiruslikul nukleiinhappel väljuda tsütoplasmasse.

Tuntakse mitmeid valke, mida rakk sekreteerib, kuid mis ei toimu klassikalise sekretoorse raja kaudu. Näiteks aluseline fibroblastide kasvu faktor (bFGF) või interleukiin-1 (IL-1) jõuavad raku välispinnale ilma et nad oleksid sisenenud ER-i ja liikunud sealt edasi Golgi kompleksi kaudu rakust välja. Enamikul sellistel juhtudel pole teada, kuidas nende transmembraanne transport on katalüüsitud. Kuid näiteks on teada, et mõned pärmi valgud läbivad rakumembraani ATP energia poolt käivitatava membraanseoselise pumba nn. ABC-transporteri abil. Seega on võimalik, et analoogsed transmembraanset transporti katalüüsivad ensüümid võimaldavad teatud valkudele "privaatset" transporti.