跨膜蛋白

Schematic representation of transmembrane proteins:

1.一種單次跨膜α-螺旋（單次跨膜蛋白）

2.一種多次跨膜α-螺旋蛋白3.一種多次跨膜β-折片蛋白

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  淺棕色部分代表膜]]
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跨膜蛋白（transmembrane protein，TP）又稱穿膜蛋白，是一種貫穿整個細胞膜的整合膜蛋白。許多跨膜蛋白發揮著載體蛋白的作用，允許特定物質跨膜運輸。它們通常會發生顯著的構象改變以使物質穿過膜。它們通常具有高度疏水性，在水中會發生聚集和沉澱。提取它們需要使用清潔劑或非極性溶劑，儘管某些跨膜蛋白（例如β桶狀蛋白）也可以使用變性劑提取。

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。

## 類型

跨膜蛋白有兩種基本類型：

- 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類型。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型用信號錨定序列錨定。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。劃分成四種類型的意義特別顯示於轉運和內質網束縛的翻譯時。此時，蛋白必須根據類型決定其通過內質網膜的方向。

## 熱力學穩定性和折疊

### 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，這些解使局部穩定性降低。

恰當地定義「解折疊態」也很重要。在去污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」。在去污劑中的狀態代表了折疊的疏水α-螺旋和去污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－水界面並且可取不同的非天然的兩性分子的結構類型。在這樣的去污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）。

### 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。

### 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

### 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

### 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

### 電化學勢驅動的轉運蛋白

- 質子或鈉易位F-型和V-型ATP酶

### 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）

### 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/胺基酸：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）

### 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

### 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
- 信號肽肽酶
- 專用於人類紅細胞膜整合蛋白（stomatin）類似物的膜蛋白酶

### 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）

### 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
- 信號肽肽酶
- 專用於人類紅細胞膜整合蛋白（stomatin）類似物的膜蛋白酶

### 由單肽鏈組成的β-筒狀蛋白

- 來自於八個貝塔-折疊鏈並且剪切次數（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切次數 of the beta-barrel

### 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。