膜蛋白是與細胞區(qū)室或細胞器的細胞膜相關或附著的蛋白質。它們代表了最大和最重要的蛋白質類別之一，可以分為外周或整體。

在過去的幾十年里，已知的人類蛋白質編碼基因的數量總是略有變化，但近年來，絕對數量圍繞著20.000個基因（Piovesan，Antonaros和Vitale）旋轉。 這些蛋白質中約有三分之一是分泌蛋白或膜結合蛋白，雖然這是整個蛋白質組的重要組成部分，但其中只有少數在結構上是已知的。由于所有獲批的療法中約有一半靶向膜蛋白，解析這些治療相關膜蛋白的結構非常有利于未來的藥物設計。

膜蛋白質組和分泌組被認為是最大和最重要的蛋白質類別之一。膜蛋白被定義為與細胞膜或細胞內細胞器相關或附著的蛋白質。它們分為外周蛋白和整體蛋白。外周膜蛋白是 時間上 與脂質雙層相關，但不能全部跨越膜。通過外周區(qū)域的穿孔或與整合膜蛋白偶聯來實現對脂質雙層的附著（參見 圖3，B&C).這些完整的蛋白質嵌入，跨越整個脂質雙層，并包含位于膜內的疏水性α-螺旋或β-桶結構。根據它們的細胞功能，它們可以進一步細分為受體或通道等組。

與親水性細胞外和細胞內結構域一起，大多數膜蛋白表現出兩親性特征。兩親性特征還產生了一種特征，通過該特征通常可以識別完整的膜蛋白。這是由于它們的一級結構在其線性序列中含有19-23個疏水氨基酸，需要跨越膜的疏水內部。帶有指向桶外部的疏水殘基的β桶也可以作為膜蛋白的良好指標。

在許多生理和病理過程中，試劑、轉錄因子、蛋白質或離子需要通過膜屏障。如果成功，它們會觸發(fā)信號通路，發(fā)送生長和凝血因子或傳遞無法穿過脂質雙層的蛋白質信號，如細胞因子。因此，膜蛋白位于許多細胞過程的一個非常重要的交叉點。

為此，膜蛋白接管了許多關鍵功能，例如蛋白質和離子通過特殊通道的運輸或許多生物體內的信號轉導。它們還負責細胞間連接或細胞間識別，使細胞之間的快速通信和外來細胞的有效識別，這對免疫系統至關重要。

分類 和 功能

目前，TCDB（轉運體分類數據庫）列出了92個超家族，其中有1600多個轉運蛋白家族。由于數量龐大，我們只想在下面對這些傳輸器類進行一個小的概述：

1. ABC-轉運車
   ATP結合盒轉運蛋白超家族是最大的基因家族之一。在大多數情況下，它們由多個亞基組成，分為疏水跨膜結構域和親水膜相關ATP酶。作為分子泵，它們利用ATP水解的能量在細胞膜上移動各種溶質（Jones和George，2002）。
   
   

2. 離子通道
   造孔蛋白促進離子流過細胞膜。根據類型進行細分，通過分類為門控機制，按離子類型或細胞定位進行細分。第一組中類型是電壓門控離子通道，例如許多Na+， K+, 或 CA2+ 渠道。從生物學上講，它們是神經系統的關鍵組成部分。同樣，它們參與肌肉收縮或T細胞活化也同樣重要。
   
   

3. 膜結合ATP酶
   顧名思義，ATP酶超家族利用ATP來執(zhí)行其功能。它們分為 F、V 和 P 型 ATP 酶。F型和V型ATP酶被歸類為旋轉ATP酶，而P型ATP酶利用ATP水解釋放的自由能驅動其構象變化（Palmgren和Nissen，2011;Pizzagalli， Bensimon， and Superti-Furga， 2020）。一種ATP酶是Na+/K+-交換劑，根據其濃度梯度泵送鈉和鉀，以維持細胞膜電位。
   
   

4. SLC-轉運車
   溶質載體蛋白是轉運蛋白的超家族，通過膜轉移多種溶質。這些包括糖、氨基酸、維生素或金屬等分子（Hediger 等。, 2013).因此，它們是進入或離開細胞的主要調節(jié)劑之一，許多生理和細胞過程都依賴于它們（Pizzagalli、Bensimon 和 Superti-Furga，2020 年）。
   
   

5. 水道
   水通道蛋白或水通道促進水流過膜。因此，它們在維持水平衡方面發(fā)揮著基本作用。

功能

1. 酶活性 - 各種代謝途徑的代謝物和底物的加工

2. 信號轉導 - 化學信使與膜蛋白結合位點相互作用以發(fā)出信號

3. 傳輸（主動/被動） - 在不同的細胞膜上移動分子和其他物質

4. 細胞間識別 - 細胞之間的識別，即與免疫系統相關的細胞

5. 細胞間連接 - 不同的結點，如間隙或緊密結連接相鄰的電池

6. 錨固/附件 - 對細胞骨架網絡、蛋白質位置和某些形狀的維持很重要

組成、結構和 配置

類型 膜傳輸過程

簡單擴散
例如，分子、離子或顆粒從較高濃度的區(qū)域沿其梯度向下移動到較低濃度的區(qū)域。運動一直持續(xù)到達到平衡。帶電粒子可以向一個方向或另一個方向移動這種膜電位。

被動運輸
較大分子（如糖或氨基酸）的簡單擴散的類似物。膜轉運蛋白使在正常條件下無法通過膜的底物沿著濃度梯度向下移動。

• 通道蛋白
  跨越細胞膜的特殊跨膜蛋白。門控機制可由配體、膜電位變化或機械過程（例如細胞骨架變化）觸發(fā)。
  
  

• 載體蛋白
  對于這種類型的被動轉運，分子通過特殊載體的構象變化進行轉移。這種變化是由基板對接到載體觸發(fā)的。運輸方式可以用單個分子（Uniport）進行，兩個分子沿同一方向（Symport）或相反方向（Antiport）移動。
  
  

主動運輸
主動運輸是一種需要外部能量才能執(zhí)行其機制的運輸形式。這使得分子或離子能夠相對于其濃度梯度或電勢梯度傳輸。能量的形式可以是化學性質的（ATP）或電荷。也可以利用濃度梯度作為能量來源。

• 主要主動傳輸
  質子和無機離子通過利用ATP的能量在細胞膜中移動。Na-K泵是這種傳輸形式的一個例子，它傳遞三個帶正電荷的鈉離子和兩個同樣帶正電荷的鉀離子。
  
  

• 二次主動傳輸
  類似于被動載體蛋白同源蛋白和反轉運蛋白，這次其中一個離子隨著其濃度梯度移動，而第二個離子則與其相反移動。這可以在同一方向（Symport）或相反方向（Antiport）上實現。因此，電化學梯度是這里的驅動力。
  
  

• 三級主動運輸
  對于這種類型，三個轉運體需要串聯運行。第一轉運蛋白建立分子的電化學梯度 一個 （主要活動）。第二轉運蛋白利用分子 一個 為分子建立有利的電化學梯度 B （輔助活動）。最后，轉運蛋白三利用分子梯度 B 移動分子 C 反對其濃度梯度（Hamm，Alpern和Preisig，2008）。
  
  

• 群體易位
  這是一種特殊的細菌運輸形式。要運輸的基材在此過程中會發(fā)生化學變化。因此，不會產生濃度梯度。作為一種能量形式，可以使用ATP，但還有其他能量來源，如PEP（磷酸轉移酶系統），也用于葡萄糖運輸過程（見 圖12、組易位）。

相關歷史

挑戰(zhàn) 和 展望 用于醫(yī)藥/工業(yè)

同時，已經應用的實驗方法，如 納米盤系統，環(huán)烷烴改性 兩棲動物或 阿斯蒂 共聚物也將進一步發(fā)展，推動我們的知識邊界向前發(fā)展。

未來，人工智能和此類實驗方法的交織將引入生物和醫(yī)學研究的新時代，塑造數字生物學或生物醫(yī)學計算等領域。新方法將更新我們的藥物發(fā)現過程，極大地加速它們。無論我們追求什么路徑，膜蛋白質組都將在其中發(fā)揮至關重要的作用。