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

在過(guò)去的幾十年里，已知的人類蛋白質(zhì)編碼基因的數(shù)量總是略有變化，但近年來(lái)，絕對(duì)數(shù)量圍繞著20.000個(gè)基因（Piovesan，Antonaros和Vitale）旋轉(zhuǎn)。 這些蛋白質(zhì)中約有三分之一是分泌蛋白或膜結(jié)合蛋白，雖然這是整個(gè)蛋白質(zhì)組的重要組成部分，但其中只有少數(shù)在結(jié)構(gòu)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(guān)膜蛋白的結(jié)構(gòu)非常有利于未來(lái)的藥物設(shè)計(jì)。

膜蛋白質(zhì)組和分泌組被認(rèn)為是最大和最重要的蛋白質(zhì)類別之一。膜蛋白被定義為與細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器相關(guān)或附著的蛋白質(zhì)。它們分為外周蛋白和整體蛋白。外周膜蛋白是 時(shí)間上 與脂質(zhì)雙層相關(guān)，但不能全部跨越膜。通過(guò)外周區(qū)域的穿孔或與整合膜蛋白偶聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脂質(zhì)雙層的附著（參見 圖3，B&C).這些完整的蛋白質(zhì)嵌入，跨越整個(gè)脂質(zhì)雙層，并包含位于膜內(nèi)的疏水性α-螺旋或β-桶結(jié)構(gòu)。根據(jù)它們的細(xì)胞功能，它們可以進(jìn)一步細(xì)分為受體或通道等組。

與親水性細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域一起，大多數(shù)膜蛋白表現(xiàn)出兩親性特征。兩親性特征還產(chǎn)生了一種特征，通過(guò)該特征通?？梢宰R(shí)別完整的膜蛋白。這是由于它們的一級(jí)結(jié)構(gòu)在其線性序列中含有19-23個(gè)疏水氨基酸，需要跨越膜的疏水內(nèi)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(biāo)。

在許多生理和病理過(guò)程中，試劑、轉(zhuǎn)錄因子、蛋白質(zhì)或離子需要通過(guò)膜屏障。如果成功，它們會(huì)觸發(fā)信號(hào)通路，發(fā)送生長(zhǎng)和凝血因子或傳遞無(wú)法穿過(guò)脂質(zhì)雙層的蛋白質(zhì)信號(hào)，如細(xì)胞因子。因此，膜蛋白位于許多細(xì)胞過(guò)程的一個(gè)非常重要的交叉點(diǎn)。

為此，膜蛋白接管了許多關(guān)鍵功能，例如蛋白質(zhì)和離子通過(guò)特殊通道的運(yùn)輸或許多生物體內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。它們還負(fù)責(zé)細(xì)胞間連接或細(xì)胞間識(shí)別，使細(xì)胞之間的快速通信和外來(lái)細(xì)胞的有效識(shí)別，這對(duì)免疫系統(tǒng)至關(guān)重要。

分類 和 功能

目前，TCDB（轉(zhuǎn)運(yùn)體分類數(shù)據(jù)庫(kù)）列出了92個(gè)超家族，其中有1600多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族。由于數(shù)量龐大，我們只想在下面對(duì)這些傳輸器類進(jìn)行一個(gè)小的概述：

1. ABC-轉(zhuǎn)運(yùn)車
   ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族是最大的基因家族之一。在大多數(shù)情況下，它們由多個(gè)亞基組成，分為疏水跨膜結(jié)構(gòu)域和親水膜相關(guān)ATP酶。作為分子泵，它們利用ATP水解的能量在細(xì)胞膜上移動(dòng)各種溶質(zhì)（Jones和George，2002）。
   
   

2. 離子通道
   造孔蛋白促進(jìn)離子流過(guò)細(xì)胞膜。根據(jù)類型進(jìn)行細(xì)分，通過(guò)分類為門控機(jī)制，按離子類型或細(xì)胞定位進(jìn)行細(xì)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(xué)上講，它們是神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。同樣，它們參與肌肉收縮或T細(xì)胞活化也同樣重要。
   
   

3. 膜結(jié)合ATP酶
   顧名思義，ATP酶超家族利用ATP來(lái)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(zhuǎn)ATP酶，而P型ATP酶利用ATP水解釋放的自由能驅(qū)動(dòng)其構(gòu)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(jù)其濃度梯度泵送鈉和鉀，以維持細(xì)胞膜電位。
   
   

4. SLC-轉(zhuǎn)運(yùn)車
   溶質(zhì)載體蛋白是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的超家族，通過(guò)膜轉(zhuǎn)移多種溶質(zhì)。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(jìn)入或離開細(xì)胞的主要調(diào)節(jié)劑之一，許多生理和細(xì)胞過(guò)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(jìn)水流過(guò)膜。因此，它們?cè)诰S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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) - 化學(xué)信使與膜蛋白結(jié)合位點(diǎn)相互作用以發(fā)出信號(hào)

3. 傳輸（主動(dòng)/被動(dòng)） - 在不同的細(xì)胞膜上移動(dòng)分子和其他物質(zhì)

4. 細(xì)胞間識(shí)別 - 細(xì)胞之間的識(shí)別，即與免疫系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)胞

5. 細(xì)胞間連接 - 不同的結(jié)點(diǎn)，如間隙或緊密結(jié)連接相鄰的電池

6. 錨固/附件 - 對(duì)細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)位置和某些形狀的維持很重要

組成、結(jié)構(gòu)和 配置

類型 膜傳輸過(guò)程

簡(jiǎn)單擴(kuò)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(dòng)到較低濃度的區(qū)域。運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到達(dá)到平衡。帶電粒子可以向一個(gè)方向或另一個(gè)方向移動(dòng)這種膜電位。

被動(dòng)運(yùn)輸
較大分子（如糖或氨基酸）的簡(jiǎn)單擴(kuò)散的類似物。膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白使在正常條件下無(wú)法通過(guò)膜的底物沿著濃度梯度向下移動(dòng)。

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

• 載體蛋白
  對(duì)于這種類型的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，分子通過(guò)特殊載體的構(gòu)象變化進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這種變化是由基板對(duì)接到載體觸發(fā)的。運(yùn)輸方式可以用單個(gè)分子（Uniport）進(jìn)行，兩個(gè)分子沿同一方向（Symport）或相反方向（Antiport）移動(dòng)。
  
  

主動(dòng)運(yùn)輸
主動(dòng)運(yùn)輸是一種需要外部能量才能執(zhí)行其機(jī)制的運(yùn)輸形式。這使得分子或離子能夠相對(duì)于其濃度梯度或電勢(shì)梯度傳輸。能量的形式可以是化學(xué)性質(zhì)的（ATP）或電荷。也可以利用濃度梯度作為能量來(lái)源。

• 主要主動(dòng)傳輸
  質(zhì)子和無(wú)機(jī)離子通過(guò)利用ATP的能量在細(xì)胞膜中移動(dòng)。Na-K泵是這種傳輸形式的一個(gè)例子，它傳遞三個(gè)帶正電荷的鈉離子和兩個(gè)同樣帶正電荷的鉀離子。
  
  

• 二次主動(dòng)傳輸
  類似于被動(dòng)載體蛋白同源蛋白和反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這次其中一個(gè)離子隨著其濃度梯度移動(dòng)，而第二個(gè)離子則與其相反移動(dòng)。這可以在同一方向（Symport）或相反方向（Antiport）上實(shí)現(xiàn)。因此，電化學(xué)梯度是這里的驅(qū)動(dòng)力。
  
  

• 三級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸
  對(duì)于這種類型，三個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)體需要串聯(lián)運(yùn)行。第一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白建立分子的電化學(xué)梯度 一個(gè) （主要活動(dòng)）。第二轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白利用分子 一個(gè) 為分子建立有利的電化學(xué)梯度 B （輔助活動(dòng)）。最后，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白三利用分子梯度 B 移動(dòng)分子 C 反對(duì)其濃度梯度（Hamm，Alpern和Preisig，2008）。
  
  

• 群體易位
  這是一種特殊的細(xì)菌運(yùn)輸形式。要運(yùn)輸?shù)幕脑诖诉^(guò)程中會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。因此，不會(huì)產(chǎn)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(lái)源，如PEP（磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)），也用于葡萄糖運(yùn)輸過(guò)程（見 圖12、組易位）。

相關(guān)歷史

挑戰(zhàn) 和 展望 用于醫(yī)藥/工業(yè)

同時(shí)，已經(jīng)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方法，如 納米盤系統(tǒng)，環(huán)烷烴改性 兩棲動(dòng)物或 阿斯蒂 共聚物也將進(jìn)一步發(fā)展，推動(dòng)我們的知識(shí)邊界向前發(fā)展。

未來(lái)，人工智能和此類實(shí)驗(yàn)方法的交織將引入生物和醫(yī)學(xué)研究的新時(shí)代，塑造數(shù)字生物學(xué)或生物醫(yī)學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域。新方法將更新我們的藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程，極大地加速它們。無(wú)論我們追求什么路徑，膜蛋白質(zhì)組都將在其中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。