Membrane protein

膜タンパク質は、生体膜の一部を構成するか、一時的に膜と相互作用する主要なタンパク質群です。その局在に基づいて分類されます。内在性膜タンパク質は細胞膜の恒久的な構成要素であり、一方、表在性膜タンパク質は一時的にのみ結合します。これらのタンパク質は医学的に重要であり、全ヒトタンパク質の約3分の1が膜タンパク質であり、全医薬品の半数以上の標的となっています。

膜貫通タンパク質が合成される際、そのRNAには開始移行配列と停止移行配列が含まれています。開始移行配列はシグナル認識粒子をリクルートし、これが膜上の受容体に結合するまで翻訳を一時停止させます。その後、トランスロコンチャネルにより、リボソームが成長中のポリペプチドを膜を通して直接送り込むことができます。開始配列と停止配列はどちらも後に切断されます。真核生物と原核生物には、さらに複雑な埋め込み経路が存在します。

膜タンパク質は多くの必須機能を果たします。受容体タンパク質は細胞の内外間でシグナルを中継します。輸送タンパク質は分子やイオンを膜を越えて移動させます。膜酵素は酸化還元、転移、加水分解などの活性を示します。細胞接着分子は、免疫応答に関与するものなど、細胞同士が認識し相互作用するのを助けます。膜内のタンパク質の位置は、その配列の疎水性領域を分析することで予測できることがよくあります。

内在性膜タンパク質は恒久的に結合しており、界面活性剤、非極性溶媒、または変性剤を使用することでのみ除去できます。これらは二重層との相互作用様式によって分類されます。内在性ポリトピックタンパク質は膜を複数回貫通し、2つの構造タイプに分類されます。すべての生体膜に見られるヘリックスバンドルと、グラム陰性菌、ミトコンドリア、葉緑体の外膜にのみ見られるβバレルです。ビトピックタンパク質は膜を1回だけ貫通し、その膜貫通ヘリックスのアミノ酸組成はポリトピックタンパク質のものとは異なります。内在性モノトピックタンパク質は膜を貫通せずに片側のみに結合します。

表在性膜タンパク質は、疎水性相互作用、静電相互作用、その他の非共有結合的相互作用を介して脂質二重層または内在性タンパク質に一時的に結合します。これらは高pHや高塩濃度などの処理によって遊離させることができます。内在性タンパク質と表在性タンパク質の両方は、翻訳後に脂肪酸、ジアシルグリセロール、プレニル鎖、またはGPIアンカーを付加されて修飾され、二重層に埋め込まれることがあります。

ポリペプチド毒素、多くの抗菌ペプチド（コリシンやヘモリシンなど）、およびアポトーシスに関与する一部のタンパク質は、別のカテゴリーとして扱われることがあります。これらは水溶性ですが、劇的に形状を変え、オリゴマー複合体を形成し、脂質二重層に不可逆的または可逆的に結合することができます。

膜タンパク質はゲノム全体にわたって一般的です。ほとんどのゲノムにおいて、全遺伝子の20～30％が膜タンパク質をコードしていると推定されています。例えば、大腸菌の約4,200のタンパク質のうち約1,000が膜タンパク質であると考えられており、そのうち600が実験的に確認されています。ヒトでは、現在の推定ではゲノムの30％が膜タンパク質をコードしています。

膜タンパク質は、現代の医薬品の半数以上の標的です。これらは心臓病、アルツハイマー病、嚢胞性線維症などのヒトの疾患に関与しています。

膜タンパク質の精製は常に大きな課題でした。2008年までに、わずか150種類の独自の膜タンパク質構造が知られていたにすぎず、2019年までに構造が解明されたヒト膜タンパク質はわずか50種類でした。これは、全タンパク質の約25％が膜タンパク質であるにもかかわらずです。その疎水性表面により、構造的および機能的研究が困難になっています。界面活性剤は膜タンパク質を水溶性にすることができますが、その構造と機能を変化させる可能性があります。別のアプローチは、疎水性アミノ酸を親水性アミノ酸に置き換えて溶解度を向上させるためにタンパク質配列を改変することです。