膜蛋白詳細介紹

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

在過去的幾十年裏，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(ge) 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(ge) 蛋白質組的重要組成部分，但其中隻有少數在結構上是已知的。由於(yu) 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(guan) 膜蛋白的結構非常有利於(yu) 未來的藥物設計。

膜蛋白質組和分泌組被認為(wei) 是最大和最重要的蛋白質類別之一。膜蛋白被定義(yi) 為(wei) 與(yu) 細胞膜或細胞內(nei) 細胞器相關(guan) 或附著的蛋白質。它們(men) 分為(wei) 外周蛋白和整體(ti) 蛋白。外周膜蛋白是 時間上 與(yu) 脂質雙層相關(guan) ，但不能全部跨越膜。通過外周區域的穿孔或與(yu) 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(ge) 脂質雙層，並包含位於(yu) 膜內(nei) 的疏水性α-螺旋或β-桶結構。根據它們(men) 的細胞功能，它們(men) 可以進一步細分為(wei) 受體(ti) 或通道等組。

與(yu) 親(qin) 水性細胞外和細胞內(nei) 結構域一起，大多數膜蛋白表現出兩(liang) 親(qin) 性特征。兩(liang) 親(qin) 性特征還產(chan) 生了一種特征，通過該特征通常可以識別完整的膜蛋白。這是由於(yu) 它們(men) 的一級結構在其線性序列中含有19-23個(ge) 疏水氨基酸，需要跨越膜的疏水內(nei) 部。帶有指向桶外部的疏水殘基的β桶也可以作為(wei) 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(men) 會(hui) 觸發信號通路，發送生長和凝血因子或傳(chuan) 遞無法穿過脂質雙層的蛋白質信號，如細胞因子。因此，膜蛋白位於(yu) 許多細胞過程的一個(ge) 非常重要的交叉點。

為(wei) 此，膜蛋白接管了許多關(guan) 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(ti) 內(nei) 的信號轉導。它們(men) 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，這對免疫係統至關(guan) 重要。

分類 和 功能

目前，TCDB（轉運體(ti) 分類數據庫）列出了92個(ge) 超家族，其中有1600多個(ge) 轉運蛋白家族。由於(yu) 數量龐大，我們(men) 隻想在下麵對這些傳(chuan) 輸器類進行一個(ge) 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(men) 由多個(ge) 亞(ya) 基組成，分為(wei) 疏水跨膜結構域和親(qin) 水膜相關(guan) ATP酶。作為(wei) 分子泵，它們(men) 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(wei) 門控機製，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(cong) 生物學上講，它們(men) 是神經係統的關(guan) 鍵組成部分。同樣，它們(men) 參與(yu) 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(yi) ，ATP酶超家族利用ATP來執行其功能。它們(men) 分為(wei) F、V 和 P 型 ATP 酶。F型和V型ATP酶被歸類為(wei) 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(ti) 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(men) 是進入或離開細胞的主要調節劑之一，許多生理和細胞過程都依賴於(yu) 它們(men) （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(men) 在維持水平衡方麵發揮著基本作用。

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(yu) 膜蛋白結合位點相互作用以發出信號

3. 傳(chuan) 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(yu) 免疫係統相關(guan) 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(cong) 較高濃度的區域沿其梯度向下移動到較低濃度的區域。運動一直持續到達到平衡。帶電粒子可以向一個(ge) 方向或另一個(ge) 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。門控機製可由配體(ti) 、膜電位變化或機械過程（例如細胞骨架變化）觸發。
  
  

• 載體(ti) 蛋白
  對於(yu) 這種類型的被動轉運，分子通過特殊載體(ti) 的構象變化進行轉移。這種變化是由基板對接到載體(ti) 觸發的。運輸方式可以用單個(ge) 分子（Uniport）進行，兩(liang) 個(ge) 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行其機製的運輸形式。這使得分子或離子能夠相對於(yu) 其濃度梯度或電勢梯度傳(chuan) 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(wei) 能量來源。

• 主要主動傳(chuan) 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(chuan) 輸形式的一個(ge) 例子，它傳(chuan) 遞三個(ge) 帶正電荷的鈉離子和兩(liang) 個(ge) 同樣帶正電荷的鉀離子。
  
  

• 二次主動傳(chuan) 輸
  類似於(yu) 被動載體(ti) 蛋白同源蛋白和反轉運蛋白，這次其中一個(ge) 離子隨著其濃度梯度移動，而第二個(ge) 離子則與(yu) 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，電化學梯度是這裏的驅動力。
  
  

• 三級主動運輸
  對於(yu) 這種類型，三個(ge) 轉運體(ti) 需要串聯運行。第一轉運蛋白建立分子的電化學梯度 一個(ge) （主要活動）。第二轉運蛋白利用分子 一個(ge) 為(wei) 分子建立有利的電化學梯度 B （輔助活動）。最後，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(ti) 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(hui) 發生化學變化。因此，不會(hui) 產(chan) 生濃度梯度。作為(wei) 一種能量形式，可以使用ATP，但還有其他能量來源，如PEP（磷酸轉移酶係統），也用於(yu) 葡萄糖運輸過程（見 圖12、組易位）。

相關曆史

挑戰 和 展望 用於醫藥/工業

同時，已經應用的實驗方法，如 納米盤係統，環烷烴改性 兩(liang) 棲動物或 阿斯蒂 共聚物也將進一步發展，推動我們(men) 的知識邊界向前發展。

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