לחלבונים חוצי ממברנה יכולת לקיים דו-שיח ולקשר בין אזורים פריפראלי אחד של הממברנה הליפידית הדו שכבתית לצידה השני של הממברנה אם על ידי אפשרות למעבר ישיר של מולקולות (לדוגמה תעלה ממברנלית) או על ידי סנכרון בין אתרי קישור בעלי זיקה שונה משני צידי הממברנה שונים (הובלה פעילה מצומדת להשקעת אנרגיה או פסיבית לפי גרדיאנט דיפוזיה).
חלבונים טראנסממברנלים יכולים מקוטלגים ל-Type I, שנמצאים באוריינטציה כזו שהקצה האמיני טרמינלי פונה לצד החיצוני של הממברנה, או Type II, שהקצה הקרבוקסילי טרמינלי פונה לצד החיצוני של הממברנה.
חלבונים אינטגרלים לא חוצי ממברנה (Monotopic).
שמם באנגלית: Integral monotopic proteins. חלבונים שנמצאים באינטראקציות חלשות ביחס לאינטראקציות של חלבונים טראנסממסרנלים לממברנה הביולוגית שאליה הם מחוברים. הקישור לממברנה מתרחש בצורה ישירה דרך שרשראות פפטידיות אמפיפטיות עם שכבת ליפידים אחת בממברנה (monolayer interaction). האתר הפעיל של חלבון שכזה פונה לאזור פריפראלי חיצוני אחד של הממברנה הליפידית הדו שכבתית.
מנגנון פעולה: בדרך כלל קישור הליגנד גורר להשראה מבנית בחלבון שגורמת לשינוי אוריינטציה בממברנה לפי מנגנון פליפ-פלופ. בצידה השני יש שחרור, באופן אקטיבי (שחרור דורש מטבע אנרגיה) או פסיבי (שחרור בגלל מפל ריכוזים), שינוי מבני נוסף ורגנרציה של החלבון לצד השני של הממברנה שוב פעם (יכול להיות מלווה בקישור של מולקולה אחרת).
בדומה לחלבונים אינטגרלים טראנסממבנלים, התפלגות החלבונים הללו תהיה בין הפרקציות הלא מסיסות במים (אופי הידרופובי) בעיקר, אך בנוסף, לבין הפרקציות המסיסות במים (אופי הידרופילי) בתהליכי המיצוי של חלבונים. ההתפלגות תלויה בחוזק האינטראקציות וסוגן עם הממברנה, ותהליכי ההפקה מהווים פקטור.
פונקציונליות.
הרבגוניות הביולוגית הרחבה של חלבונים אילו מהווה הכרח לקיום חיים. השונות בין תתי משפחות התפתחה בגלל הצורך לבצע תפקידים שונים ומגוונים תחת תנאים סביבתיים שונים. התפלגות החלבונים האינטגרלים בממברנה מקנה לה את תכונותיה הפונקציונליות השונות. כמו שציינו לעיל, חלבונים אילו מהווים חלק יחסי גדול מסך החלבונים המקודדים על ידי הגנום התאי, ועל כן לתא יש יכולת לשנות באופן אקטיבי את יחסי החלבונים השונים הקשורים לממברנה בהתאם לדרישות המטבוליזם שלו.
דוגמאות לתתי משפחות של חלבוני ממברנה אינטגרלים: נשאים, תעלות ממברנליות, חלבונים ממברנלים בעלי פעילות אנזימטית, קולטנים.
חלבון ממברנה פריפריאלי
חלבוני ממברנה פריפיריאליים (Peripheral membrane proteins) הם חלבונים שנמצאים באינטראקציות זמניות עם קרום התא (ממברנה) שאליו הם מחוברים. חלבונים אלה קשורים לחלבונים האינטגרלים בממברנה או חודרים לאזורים הפריפראלים של קרום התא. חלבוני קרום פריפריאליים משמשים פעמים רבות לבקרה על קולטנים, תעלות וכיוצא באלה מבנים שיש על הממברנה. חלבוני קרום משמשים לא רק לבקרה אלא גם ליצירת קשר בין אנזימים וממברנות.
האינטראקציות בין חלבונים פריפריאליים לממברנה יכולות להיות ישירות עם הממברנה או דרך אינטראקציות שניוניות עם דרך חלבונים קושרים.
מנגנונים שונים לקישור פריפריאלי.
הקישור של חלבונים לממברנה עלולה לערב שינויים רחבים במבנה השלישוני של החלבון. שינויים אלו יכולים לבוא לידי ביטוי בקיפול מרחבי שונה של החלבון או ארגון מחדש של האזור הממברנלי שבצמוד לאזור הקשירה או שניהם גם יחד.
קישורים אלה חשובים לחלק מן החלבונים על מנת לבצע את התפקיד הביולוגי שלהם. זה כולל עיבוד אנזימטי לליפידים ולמולקולות הידרופוביות, עיגון לממברנה, והיכולת קישור והעברה של מולקולות קטנות לא פולריות בין ממברנות שונות.
חלבונים אלו מעוגנים לממברנה כתוצאה מאינטראקציות הידרופוביות בין הממברנה ושיירים לא פולרים חשופים הפני השטח של החלבון, על ידי קשרים ספציפיים לא קוולנטים עם ליפידים רגולטורים, או דרך חיבור קוולנטי לעוגן ליפידי.
הוכח שהזיקה בקישור לממברנה של חלבוני ממברנה פריפריאליים רבים תלויה בספציפיות של הרכב הליפידים בממברנה שאיתה הם נמצאים האינטראקציה.
קישור על ידי אינטראקציות הידרופוביות, לא ספציפי.
חלבונים פריפריאלים בעלי תכונות אמפיפטיות (amphitropic proteins), נמצאים במגע עם הממברנה הליפידית על ידי מגוון מולקולות מעגנות (hydrophobic anchor structures). לדוגמה מבני אלפא הליקס, שיוצרים מבני לולאות שניוניים, מודיפיקציות לאחר התרגום על שייר כמו אצטילציה או ליפולציה, שרשרת אציל בעלת קשרים ספציפיים לליפידים בקרתיים. אינטראקציות הידרופוביות אלו הוכחו כחשובות אפילו לפפטידים וחלבונים בעלי אופי הידרופילי/קטיוני (מולקולות טעונות חיובי) גדול, רק בנוכחות הקישור הספציפי שלהם לממברנה.
קישור על ידי אינטראקציות קוולנטיות לליפידים, לא ספציפי.
חלבונים בעלי מולקולה קושרת ליפידית יוצרים אינטראקציות קוולנטיות חזקות בצד הפונה לתוך התא, הסביבה הציטופלסמתית, עם השרשראות הפחמניות של חומצות שומן ספציפיות. בפני השטח של התא, בצד המנוגד אינטראקציות הקוולנטיות עם חומצות שומן אחרות (glycosylphosphatidylinositol (GPI) and cholesterol).
חלבונים הקשורים לממברנה על ידי אינטראקציות עם שיירים שעבר התמרה של קבוצת אציל (אצטילציה) יכולים עבור דיסוציאציה (שחרור) הפיכה מהממברנה. תהליך זה מתרחש בתת-יחידה בטא של חלבון G.
קישור על ידי אינטראקציות קוולנטיות, ספציפי לחלבון-ליפיד.
ישנם חלבונים ציטופלסמתים שדורשים קישור לממברנה ספציפית תוך תאית ששם יש סוגי ליפידים ייחודיים. הקישור הזה מכוון על ידי מבנה בחלבון, הדומה לאתר פעיל, שספציפי לקישור של ראש הליפיד. זוהי אינטראקציה ספציפית קלאסית בין חלבון לסובסטרט, שמיוצבת בקשרי מימן, קשרי ואן דר ואלס ואינטראקציות הידרופוביות בין החלבון לליגנד. קומפלקסים שכאלו מיוצבים בנוסף גם על ידי יצירת גשרי מלח בין שיירי אספרטט לשיירי גלוטמאט של החלבון והפוספטים של הליפיד עם יוני סידן. קשרים יונים שכאלו יציבים ומתרחשים כאשר הקישור הראשוני בין החלבון ליון בתמיסה.
קישור על ידי אינטראקציות אלקטרוסטטיות, ספציפי לחלבון ללפיד.
כל חלבון הטעון במטען חיובי ימשך למטען שלילי על גבי הממברנה, אינטראקציות לא ספציפיות. אבל, לא כל החלבונים הפריפריאלים הם טעונים חיובית, ובנוסף רק צד אחד של הממברנה בעל מטען שלילי. זה כולל את הצד הציטופלסמתי (הפנימי) של הממברנה הציטופלסמתית, צד החיצוני של הממברנה המיטוכונדריאלית והממברנה החיצונית בחיידקי גראם שלילי. לכן, אינטראקציות חלשות/אלקטרוסטטיות בעלות תפקיד חשוב בנוגע בהבאת החלבון ליעדו וכן ליצור קשרים ספציפיים של חלבון לליפיד (membrane targeting).
אוריינטציה ייחודית בממברנה.
החדירות והאורינטציה המרחבית של חלבונים פריפריאליים בעלי תכונות אמפיפטיות (amphitropic proteins) נלמדים בטכניקות רבות כמו: קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן, טכניקות ספקטרופוטומטריות מגוונות: פלואורסצנציה, NMR וכדומה. חלבונים אלו אופיינו כבעלי מולקולה מעגנת הידרופובית שחודרת את הממברנה ונקשרות לשרשראות הפחמניות ההידרופוביות של הליפיד. הקישור בדרך כלל, תגובה אקסותרמית ומועדפת מבחינה תרמודינמית. חדירות דומה מתקבלת כאשר לחלבון מבנים שניוניים (אלפא הליקס בעלי תכונות אמפיפטיות).
אופיינו חלבונים נוספים מסיסים ללא שיירים הידרופובים חשופים או מולקולת עוגן הידרופובית כל שהיא. לכן, אין את האפשרות לחדור לממברנה הליפידית והם יישארו ממסיסים בתמיסה. האינטראקציות של חלבונים כאלו עם הממברנה בעיקר אלקטרוסטטיות.
חלבון טראנסממברנלי
חלבון טראנסממברנלי הוא חלבון החוצה את הממברנה הביולוגית לרוחבה. מיוצב על ידי אינטראקציות עם שתי שכבות הממברנה (bilayer interactions).
בסביבה מימית (הידרופילית) חלבונים טראנסממברנלים נוטים להתכנס לצברים (תופעה המכונה "אגרגציה") וכתוצאה הצברים הללו יצרו מישקע בתמיסה. על מנת להפרידו מהממברנה, יש להשתמש בדטרגנט SDS או ממס (סולבנט) לא פולרי, או במקרה של משטח בטא על ידי שימוש בריאגנט דנטורטיבי.
סיווג לפי תכונות.
קיימים שני סוגים בסיסיים של חלבונים טראנסממברנלים:
קיפול חלבונים טרנסממסרנלים כפונקציה של יציבות תרמודינמית.
יציבות של סלילי אלפא טראנסמבברנליים.
חלבונים טראנסממברנלים מטיפוס אלפא הליקס (α-helical protein) הוכחו כמבנים יציבים בתנאי טמפרטורות דנטורטיבים, משום שהם לא נפתחים באופן מלא כשהם בתוך הממברנה. הסיבה ליציבות הגדולה נובעת מפוטנציאל קשרי מימן שמתפתח כתוצאה מהמבנה הספציפי של האלפא הליקס. מאידך, מה שתורם ליציבות הגדולה שלהם, בשלבים פרו פעילים המאוחרים יכול להוות מגבלה; חלבונים אילו רגישים בשלב ההתכנסות למבנה הנטיבי בממברנה ויכולים בקלות להתקפל בצורה שגויה (misfold) בגלל יצירת קשרים לא נכונים.
יציבות של משטחי בטא טראנסמבברנליים.
היציבות של משטחי בטא טראנסממברנלים בדומה ליציבות של חלבונים מסיסים. הקיפול הנטיבי במערכת פיזיולוגית מזורז חלבונים מסיסים בשם שפרונים, שמיצבים את החלבון בסביבה המימית ומונעים ממנו לעבור אגרגציה.
סווג למשפחות על פי פונקצינליות ותכונות מבניות.
רצפטורים טראנסממברנלים.
רצפטורים טראנסממברנלים הם חלבונים אינטגרלים, שמתפקדים ומעוגנים בממברנה הציטופלסמתית. קשירת מולקולת סיגנל בצד אחד של הממברנה, והתחלה תגובה בצידה השני. באופן זה, לרצפטורים טראנסממברנלים תפקיד חיוני ויחודי בתקשורת בין תאית והעברת סיגנלים.