是蛋白質被運輸到細胞內或細胞外適當目的地的生物學機制。蛋白質可以靶向細胞器的內部空間、不同的細胞內膜、質膜，或通過分泌物靶向細胞外部。蛋白質本身所含的信息指導著這一傳遞過程。正確排序對細胞至關重要；分類中的錯誤或功能障礙與多種疾病有關。

1970年，GünterBlobel進行了蛋白質跨膜轉運實驗。Blobel，當時是洛克菲勒大學的助理教授，在他的同事GeorgePalade的工作基礎上建立起來。Palade之前已經證明，非分泌蛋白是由胞質溶膠中的游離核糖體翻譯的，而分泌蛋白（通常是靶蛋白）是由與內質網結合的核糖體翻譯的。當時的候選解釋假設游離核糖體和ER結合核糖體之間存在加工差異，但Blobel假設蛋白質靶向依賴于蛋白質固有的特征，而不是核糖體的差異。支持他的假設，Blobel發現許多蛋白質在一端具有短的氨基酸序列，其功能類似于指定細胞內或細胞外目的地的郵政編碼。他將這些短序列（通常為13到36個氨基酸殘基）描述為信號肽或信號序列，并因此獲得1999年諾貝爾生理學獎。

信號肽用作靶向信號，使細胞轉運機制能夠將蛋白質引導至特定的細胞內或細胞外位置。雖然尚未確定信號肽的共有序列，但仍有許多具有特征性的三方結構：

1. 靠近N端的帶正電的親水區域。
2. 靠近信號肽中間的10到15個疏水氨基酸的跨度。
3. 靠近C末端的弱極性區域，通常偏愛在接近切割位點的位置具有較小側鏈的氨基酸。

在蛋白質到達其目的地后，信號肽通常被信號肽酶切割。因此，大多數成熟蛋白質不含信號肽。雖然大多數信號肽位于N端，但在過氧化物酶體中，靶向序列位于C端延伸。與信號肽不同，信號貼片由氨基酸殘基組成，這些氨基酸殘基在一級序列中是不連續的，但在將它們折疊到蛋白質表面時會發揮作用。與大多數信號序列不同，信號補丁在排序完成后不會被切割。除了內在的信號序列外，糖基化等蛋白質修飾也可以誘導靶向特定的細胞內或細胞外區域。

由于核糖體將mRNA翻譯成蛋白質是在胞質溶膠中進行的，因此必須轉移用于分泌或特定細胞器的蛋白質。這個過程可以在翻譯過程中發生，稱為共翻譯易位，也可以在翻譯完成后發生，稱為翻譯后易位。

大多數分泌蛋白和膜結合蛋白是共翻譯易位的。駐留在內質網(ER)、高爾基體或內體中的蛋白質也使用共翻譯易位途徑。這個過程開始于蛋白質在核糖體上合成時，此時信號識別粒子(SRP)識別新生蛋白質的N端信號肽。SRP的結合會暫時停止合成，而核糖體-蛋白質復合物會轉移到真核生物ER上的SRP受體和原核生物的質膜上。在那里，新生蛋白被插入到translocon中，這是一種膜結合蛋白傳導通道，由真核生物中的Sec61易位復合物和原核生物中的同源SecYEG復合物組成。在分泌蛋白和I型跨膜蛋白中，一旦信號肽酶將信號序列轉移到內質網（真核生物）或質膜（原核生物）的膜中，信號序列就會立即從新生多肽上切割下來。II型膜蛋白和一些多體膜蛋白的信號序列沒有被切割掉，因此被稱為信號錨定序列。在ER內，蛋白質首先被伴侶蛋白保護它免受ER中高濃度其他蛋白質的影響，使其有時間正確折疊。一旦折疊，蛋白質會根據需要進行修飾（例如，通過糖基化），然后運輸到高爾基體進行進一步加工并進入其靶細胞器或通過各種ER保留機制保留在ER中。

跨膜蛋白的氨基酸鏈，通常是跨膜受體，通過膜一次或多次。這些蛋白質通過易位插入膜中，直到該過程被停止轉移序列（也稱為膜錨或信號錨序列）中斷。這些復雜的膜蛋白目前使用為分泌蛋白開發的相同靶向模型進行表征。然而，許多復雜的多跨膜蛋白包含不符合該模型的結構方面。七種跨膜G蛋白偶聯受體（約占人類基因的5%）大多沒有氨基末端信號序列。與分泌蛋白相比，xxx個跨膜結構域充當xxx個信號序列，將它們靶向到ER膜。這也導致蛋白質的氨基末端易位到ER膜腔中。這種易位已在體外實驗中用視蛋白證實，打破了通常的“共翻譯”易位模式，這種模式一直適用于靶向ER的哺乳動物蛋白質。大量跨膜拓撲結構和折疊的機制仍有待闡明。

盡管大多數分泌蛋白是共翻譯易位的，但有些分泌蛋白在胞質溶膠中翻譯，然后通過翻譯后系統轉運到ER/質膜。在原核生物中，這一過程需要某些輔助因子，例如SecA和SecB，并由Sec62和Sec63（兩種膜結合蛋白）促進。嵌入ER膜中的Sec63復合物導致ATP水解，使伴侶蛋白與暴露的肽鏈結合，并將多肽滑入ER腔。一旦進入管腔，多肽鏈就可以正確折疊。該過程僅發生在位于胞質溶膠中的未折疊蛋白質中。

此外，針對其他細胞目的地的蛋白質，如線粒體、葉綠體或過氧化物酶體，使用專門的翻譯后途徑。靶向核的蛋白質也通過添加核定位信號(NLS)進行翻譯后易位，該信號促進通過核孔穿過核膜。

大多數線粒體蛋白被合成為含有攝取肽信號的胞質前體。胞質伴侶將前蛋白遞送至線粒體膜中的通道連接受體。具有針對線粒體的前序列的前蛋白在外膜處與受體和通用輸入孔(GIP)結合，統稱為外膜轉位酶(TOM)。然后它作為發夾環通過TOM易位。前蛋白通過膜間隙運輸通過小的TIM（也充當分子伴侶）到內膜的TIM23或TIM22（內膜的轉位酶）。在基質內，靶向序列被mtHsp70切割。

已知三種線粒體外膜受體：

1. TOM70:與內部靶向肽結合并充當細胞溶質伴侶的對接點。
2. TOM20：綁定前序。
3. TOM22：結合前序列和內部靶向肽。

TOM通道(TOM40)是一種陽離子特異性高電導通道，分子量為410kDa，孔徑為21?。

前序列轉位酶23(TIM23)定位于線粒體內膜，作為一種成孔蛋白，將前體蛋白與其N端結合。TIM23充當線粒體基質、線粒體內膜以及膜間空間的前蛋白的轉運蛋白。TIM50在線粒體內側與TIM23結合，并發現與前序列結合。TIM44結合在基質側并發現與mtHsp70結合。前序列轉位酶22(TIM22)與專門結合線粒體內膜的前蛋白結合。

線粒體基質靶向序列富含帶正電荷的氨基酸和羥基化氨基酸。

蛋白質通過多種信號和多種途徑靶向亞線粒體區室。

靶向外膜、膜間隙和內膜通常需要除了基質靶向序列之外的另一個信號序列。

葉綠體的前蛋白可能包含基質輸入序列或基質和類囊體靶向序列。大多數前蛋白通過位于葉綠體包膜內的Toc和Tic復合物轉移。在基質中，基質輸入序列被切割并折疊，并且繼續向類囊體進行葉綠體內分選。靶向葉綠體包膜的蛋白質通常缺乏可切割的分選序列。

線粒體和葉綠體都需要許多蛋白質。一般而言，雙靶向肽具有兩個特定肽的中間特征。這些蛋白質的靶向肽具有高含量的堿性和疏水性氨基酸，低含量的帶負電荷的氨基酸。它們的丙氨酸含量較低，而亮氨酸和苯丙氨酸含量較高。與線粒體和葉綠體蛋白相比，雙靶向蛋白具有更疏水的靶向肽。然而，根據其物理化學特性來預測肽是否具有雙重靶向性是很繁瑣的。

所有過氧化物酶體蛋白都由核基因編碼。迄今為止，已知的過氧化物酶體靶向信號(PTS)有兩種類型：

1. 過氧化物酶體靶向信號1(PTS1)：具有共有序列(S/A/C)-(K/R/H)-(L/A)的C末端三肽。最常見的PTS1是絲氨酸-賴氨酸-亮氨酸(SKL)。大多數過氧化物酶體基質蛋白具有PTS1型信號。
2. 過氧化物酶體靶向信號2(PTS2)：位于N端附近的九肽，具有共有序列(R/K)-(L/V/I)-XXXXX-(H/Q)-(L/A/F)(其中X可以是任何氨基酸）。

還有一些蛋白質不具備這些信號。它們的運輸可能基于所謂的“搭載”機制：這些蛋白質與具有PTS1的基質蛋白結合，并與它們一起易位到過氧化物酶體基質中。