跨膜蛋白

跨膜蛋白（transmembrane protein，TP）又稱穿膜蛋白，是一種貫穿跨越生物膜（細胞膜或胞器膜）兩端一次或多次的蛋白。

許多跨膜蛋白的功能是作為通道或 “裝載碼頭” 來實施拒絕或允許某種特定的物質跨過生物膜的運輸、進入細胞，同時，也使要廢棄的副產品運出細胞。當對某種分子做出相應時，這些 “負責運載” 的跨膜蛋白透過特定的摺疊和彎曲方式，實現該分子的跨過生物膜的運輸。

跨膜蛋白在水中凝聚並沉澱。大多數跨膜蛋白要用去汙劑或非極性溶劑提取，少數貝塔－折筒狀蛋白也可用某些變性劑提取。

Schematic representation of transmembrane proteins:

一種單次跨膜 α- 螺旋（單次跨膜蛋白）

一種多次跨膜 α- 螺旋蛋白

一種多次跨膜 β- 折片蛋白

淺棕色部分代表膜

所有的跨膜蛋白是整合膜蛋白（也叫內嵌膜蛋白），但是不是所有的整合膜蛋白都是跨膜蛋白。

型別

跨膜蛋白有兩種基本型別：

α－螺旋：這種蛋白存在於細菌細胞的內膜或真核細胞的質膜，也有時存在於真核細胞的外膜。這是跨膜蛋白的主要型別。據估計在人體內所有蛋白質的 27% 是 α－螺旋膜蛋白。
β－筒狀蛋白。到目前為止，這類蛋白僅在革蘭氏陰性細菌的外膜、革蘭氏陽性細菌的細胞壁、以及線粒體和染色質的外膜上發現。所有的 β－筒狀跨膜蛋白都有最簡單的上－和－下拓撲學結構，這可以反映出他們共同的進化起源和相似的摺疊機制。另一種分類是根據其 N- 和 C - 末端結構域的位置。I、II、III 型為一次跨膜蛋白，而 IV 型是多次跨膜蛋白。I 型跨膜蛋白用停止－傳輸錨定序列錨定到脂質膜上，並且，其 N - 末端結構域在合成時瞄準於 ER 腔（內質網腔，並且，如果成熟形式是位於質膜上，則 N - 末端結構域則瞄準於細胞外間隙。II 型和 III 型用訊號錨定序列錨定。II 型用其 C - 末端結構域瞄準 ER 腔，而 III 型有其 N - 末端結構域瞄準 ER 腔。IV 型有兩個亞型－IV-A 和 IV-b。IV-A 用其 N - 末端結構域瞄準細胞質，而 IV-B 則用其 N - 末端瞄準腔。劃分成四種型別的意義特別顯示於轉運和內質網束縛的翻譯時。此時，蛋白必須根據型別決定其透過內質網膜的方向。

熱力學穩定性和折疊

2.1 α- 螺旋跨膜蛋白的穩定性

從熱變性研究判定 α- 螺旋跨膜蛋白通常是穩定的，因為在膜內它們不完全解折疊（在非極性介質中的完全展開需要斷裂太多的 α- 螺旋 H - 鍵）。另一方面，這些蛋白很容易 “錯折疊”，因為在膜中的非天然聚集轉化成熔球態，形成非天然的雙硫鍵，或者外周區域和不規則環的解折疊，這些解使區域性穩定性降低。。

恰當地定義 “解折疊態” 也很重要。在去汙劑膠束中的膜蛋白的 “解折疊態” 不同於熱變性實驗中的 “解折疊態”。在去汙劑中的狀態代表了折疊的疏水 α- 螺旋和去汙劑覆蓋的部分解折疊片段。例如，在十二烷基磺酸鈉（SDS）膠束中的 “解折疊” 的細菌視紫紅質有四個折疊的跨膜 α- 螺旋，而其餘的蛋白則位於膠束－水介面並且可取不同的非天然的兩性分子的結構型別。在這樣的去汙劑失活的和天然態之間的自由能差相似於水溶性蛋白的穩定性（< 10 kcal/mol）。

2.2 α- 螺旋跨膜蛋白的折疊

α- 螺旋跨膜蛋白在體外（in vitro）的再折疊在技術上是困難的。有相對較少的成功再折疊實驗的例子，比如像對細菌視紫紅質的實驗。在體內（in vivo）通常所有這樣的蛋白是在大的膜易位子（translocon）中翻譯摺疊的。易位子通道對新生的跨膜 α- 螺旋提供了一種高度異質的環境。相對極性的兩性 α- 螺旋可以接受在易位子中的跨膜定向（儘管它可能是在膜表面或 “在體外” 解摺疊），因為它的極性殘基可以面對中心充水的易位子通道。這樣的機制對於將極性的 α- 螺旋結合到跨膜蛋白的結構中是必需的。如果蛋白保持解摺疊和附著在易位子上的時間太長，它會被專門的 “質量控制” 細胞體系所降解。

2.3 β- 筒狀蛋白的穩定性和折疊

根據化學變性研究，β- 筒狀蛋白的穩定性與水溶性蛋白的穩定性相似。它們 “在體內” 的折疊被水溶性分子伴侶如，蛋白 Skp 所易化。

三維（3D）結構

3.1 光吸收驅動的轉運蛋白

像細菌視紫紅質那樣的蛋白包括視紫紅質（也參見 opsin)
細菌光合反應中心以及光合系統 I 和 II
來自於細菌和葉綠體中的捕光復合物

3.2 氧化還原驅動的轉運蛋白

跨膜細胞色素 b 樣蛋白：輔酶 Q - 細胞色素 c 還原酶（細胞色素 bc1）；細胞色素 b6f 復合物；甲酸脫氫酶、呼吸硝酸還原酶；琥珀酸 - 輔酶 Q 還原酶（延胡索酸還原酶）；和琥珀酸脫氫酶。見電子傳輸鏈。
來自細菌和線粒體的細胞色素 c 氧化酶

3.3 電化學勢驅動的轉運蛋白

質子或鈉易位 F - 型和 V - 型 ATP 酶

3.4 P-P - 鍵水解驅動的轉運蛋白

P - 型鈣 ATP 酶（5 種構象）
鈣 ATP 酶調控子受磷蛋白和肌脂蛋白
ABC 轉運蛋白： BtuCD , multidrug transporter , and molybdate uptake transporter
普通次級途徑（Sec）易位子（前蛋白轉位酶 SecY）

3.5 轉運子（單一轉運子，協同轉運子，反向轉運子）

線粒體運載蛋白
主要的易化因子超家族（Major Facilitator Superfamily，甘油 - 3 - 磷酸轉運子、乳糖透性酶、和多藥轉運子（Multidrug transporter EmrD）
耐藥節結化細胞分化家族（Resistance-nodulation-cell division family，多藥外排轉運子 AcrB, 見多藥耐藥）
二羧酸 / 氨基酸：陽離子協同轉運子（質子穀氨酸協同轉運子）
單價陽離子 / 質子反向轉運子（鈉 / 質子反向轉運子 1 NhaA)
神經遞質鈉協同轉運子
氨轉運子
藥物 / 代謝轉運子（小型多藥抗藥轉運子 EmrE－結構回收錯誤）

3.6 阿拉發 - 螺旋通道包括離子通道

電壓門離子通道如：包括鉀通道 KcsA 和 KvAP, 和內向整流鉀離子通道 Kirbac
大傳導性機械式感應通道，（MscS）
機械式感應通道 | 小傳導性機械式感應通道（MscS）
鎂傳輸子 | CorA 金屬離子傳輸子
神經遞質受體的配位體門離子通道（乙醯膽堿受體）
水通道蛋白
氯通道
外膜輔助蛋白（多糖傳輸子） 來自細菌外膜的 α- 螺旋跨膜蛋白

3.7 帶阿拉發 - 螺旋跨膜錨定的蛋白

T 細胞受體跨膜二聚化區域
細胞色素 c 亞硝酸還原酶復合物
磺基氫化酶
Stannin
血型糖蛋白 A 二聚體
絲狀病毒（絲狀噬菌體）主要包衣蛋白
菌毛蛋白
肺表面活性劑相關的蛋白
單胺氧化酶 A 和 B ,
脂肪酸胺水解酶
細胞色素 CP450 氧化酶
鹽皮質激素 | 皮質類固醇 11β- 脫氫酶
訊號肽肽酶
專用於人類紅細胞膜整合蛋白（stomatin）類似物的膜蛋白酶

3.8 酶類

甲烷單氧化酶
扁菱形蛋白酶
雙硫鍵形成蛋白（DsbA-DsbB 復合物）

3.9 帶阿拉發 - 螺旋跨膜錨定的蛋白

T 細胞受體跨膜二聚化區域
細胞色素 c 亞硝酸還原酶復合物
磺基氫化酶
Stannin
血型糖蛋白 A 二聚體
絲狀病毒（絲狀噬菌體）主要包衣蛋白
菌毛蛋白
肺表面活性劑相關的蛋白
單胺氧化酶 A 和 B ,
脂肪酸胺水解酶
細胞色素 CP450 氧化酶
鹽皮質激素 | 皮質類固醇 11β- 脫氫酶
訊號肽肽酶
專用於人類紅細胞膜整合蛋白（stomatin）類似物的膜蛋白酶

3.10 由單肽鏈組成的 β- 筒狀蛋白

來自於八個貝塔 - 折疊鏈並且剪下次數（shear number）為 10 的貝塔筒狀蛋白（n=8, S=10）

. 它們包括，:
OmpA - 樣跨膜區域（OmpA）,
病毒毒力相關的外膜蛋白家族（OmpX），
外膜蛋白 W 家族（OmpW）,
抗菌肽耐藥性和脂質 A 醯化作用蛋白家族（PagP）
脂質 A 脫醯化酶 PagL，和
透明質家族孔蛋白（NspA）
自主轉運蛋白結構域（n=12,S=14'）
FadL 外膜蛋白轉運家族，包括脂肪酸轉運蛋白 FadL（n=14,S=14）
普通細菌孔蛋白家族也叫三聚體（n=16,S=20）
麥芽糖孔蛋白或糖孔蛋白（n=18,S=22）
核苷特異孔蛋白（n=12,S=16）
外膜磷脂酶 A1（n=12,S=16）
TonB - 依賴性受體和它們的 TonB - 依賴性受體 #塞式結構域。它們是配體門控制外膜通道（n=22,S=24），包括鈷胺轉運蛋白 BtuB、Fe (III) - 綠膿桿菌螯鐵蛋白受體 FptA、三價鐵羥肟酸攝取受體 FhuA、轉運子 FecA、和熒光嗜鐵素 pyoverdine 受體 FpvA。
外膜蛋白 OpcA 家族（n=10,S=12）包括外膜蛋白酶 OmpT 和黏附素 / 侵襲素 OpcA 蛋白
外膜蛋白 G 孔蛋白家族（n=14,S=16）

注釋：n 和 S 分別代表貝塔折疊鏈的數目和剪下次數 of the beta-barrel

3.11 由幾個肽鏈組成的 β- 筒狀蛋白

三聚體自主轉運子（n=12,S=12）
外膜外排蛋白，也叫三聚體外膜因子（n=12,S=18）包括 TolC 和多糖耐藥蛋白
MspA 孔蛋白（八聚物 n=S=16) 和 α- 溶血素（七聚物 n=S=14) 這些蛋白是分泌的。也見短桿菌肽 A 一種形成跨膜 β- 螺旋的二聚體的多肽。該多肽也由革蘭氏陽性菌分泌。