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，絕對數(shù)量圍繞著20.000個基因（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)非常有利于未來的藥物設(shè)計。
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 時間上 與脂質(zhì)雙層相關(guān)，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(lián)來實現(xiàn)對脂質(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，通過該特征通?？梢宰R別完整的膜蛋白。這是由于它們的一級結(jié)構(gòu)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(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程中，試劑、轉(zhuǎn)錄因子、蛋白質(zhì)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(zhì)雙層的蛋白質(zhì)信號，如細(xì)胞因子。因此，膜蛋白位于許多細(xì)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(guān)鍵功能，例如蛋白質(zhì)和離子通過特殊通道的運輸或許多生物體內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。它們還負(fù)責(zé)細(xì)胞間連接或細(xì)胞間識別，使細(xì)胞之間的快速通信和外來細(xì)胞的有效識別，這對免疫系統(tǒng)至關(guān)重要。
分類 和 功能 目前，tcdb（轉(zhuǎn)運體分類數(shù)據(jù)庫）列出了92個超家族，其中有1600多個轉(zhuǎn)運蛋白家族。由于數(shù)量龐大，我們只想在下面對這些傳輸器類進(jìn)行一個小的概述：
abc-轉(zhuǎn)運車atp結(jié)合盒轉(zhuǎn)運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)胞膜上移動各種溶質(zhì)（jones和george，2002）。
離子通道造孔蛋白促進(jìn)離子流過細(xì)胞膜。根據(jù)類型進(jìn)行細(xì)分，通過分類為門控機(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。
膜結(jié)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(zhuǎn)atp酶，而p型atp酶利用atp水解釋放的自由能驅(qū)動其構(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。
slc-轉(zhuǎn)運車溶質(zhì)載體蛋白是轉(zhuǎn)運蛋白的超家族，通過膜轉(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)胞過程都依賴于它們（pizzagalli、bensimon 和 superti-furga，2020 年）。
水道水通道蛋白或水通道促進(jìn)水流過膜。因此，它們在維持水平衡方面發(fā)揮著基本作用。
功能但是，運輸體類不僅表現(xiàn)出高度的多樣性，而且不同類的功能也不可否認(rèn)地復(fù)雜。但是，六個最重要的主要功能特別值得注意：
酶活性 - 各種代謝途徑的代謝物和底物的加工
信號轉(zhuǎn)導(dǎo) - 化學(xué)信使與膜蛋白結(jié)合位點相互作用以發(fā)出信號
傳輸（主動/被動） - 在不同的細(xì)胞膜上移動分子和其他物質(zhì)
細(xì)胞間識別 - 細(xì)胞之間的識別，即與免疫系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)胞
細(xì)胞間連接 - 不同的結(jié)點，如間隙或緊密結(jié)連接相鄰的電池
錨固/附件 - 對細(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 配置膜蛋白的組成和性情各不相同。因此，不同比例的α-螺旋或β-桶結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致這些蛋白質(zhì)的不同配置。在結(jié)構(gòu)上，膜蛋白通常是兩親性的，具有親水和疏水部分。單主題 整體蛋白附著在膜雙層的一側(cè)。相互作用類型涉及例如平行于膜平面的兩親性α螺旋（參見 圖11）或幾個疏水環(huán)將蛋白質(zhì)整體錨定。
雙位 整體蛋白僅跨越脂質(zhì)雙層一次。典型的雙位結(jié)構(gòu)由跨膜結(jié)構(gòu)域和兩個細(xì)胞結(jié)構(gòu)域（額外和內(nèi)部）組成。
多主題 跨膜蛋白不止一次跨越脂質(zhì)雙層。跨膜結(jié)構(gòu)域中α-螺旋和β-桶元素的不同組成是可能的（參見 圖11 舉兩個例子）。
脂質(zhì)錨定 蛋白質(zhì)共價附著在磷脂雙層中的脂質(zhì)上。相互作用可以通過與膜脂質(zhì)的共價鍵（脂化）或與膜脂質(zhì)的靜電/離子相互作用發(fā)生。
正如尼科爾森在1972年提出的那樣，細(xì)胞膜由一系列成分組成，標(biāo)記為流體馬賽克模型（尼科爾森，1972）。磷脂、膽固醇、膜蛋白和碳水化合物作為主要成分賦予膜流動性。整合蛋白僅松散地附著在周圍環(huán)境中，允許在膜內(nèi)輕微移動。
類型 膜傳輸過程在細(xì)胞膜中，不同種類的通道、載體和泵能夠通過脂質(zhì)雙層運輸物質(zhì)。其中許多是針對特定交互伙伴的高度專業(yè)化的，并且只允許某些傳輸。通常，可以將傳輸過程分為三個更廣泛的類別：擴(kuò)散、被動傳輸和主動傳輸。
簡單擴(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到較低濃度的區(qū)域。運動一直持續(xù)到達(dá)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(kuò)散的類似物。膜轉(zhuǎn)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(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)械過程（例如細(xì)胞骨架變化）觸發(fā)。
載體蛋白對于這種類型的被動轉(zhuǎn)運，分子通過特殊載體的構(gòu)象變化進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這種變化是由基板對接到載體觸發(fā)的。運輸方式可以用單個分子（uniport）進(jìn)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(jī)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(xué)性質(zhì)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(zhì)子和無機(jī)離子通過利用atp的能量在細(xì)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(zhuǎn)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(xiàn)。因此，電化學(xué)梯度是這里的驅(qū)動力。
三級主動運輸對于這種類型，三個轉(zhuǎn)運體需要串聯(lián)運行。第一轉(zhuǎn)運蛋白建立分子的電化學(xué)梯度 一個 （主要活動）。第二轉(zhuǎn)運蛋白利用分子 一個 為分子建立有利的電化學(xué)梯度 b （輔助活動）。最后，轉(zhuǎn)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(xì)菌運輸形式。要運輸?shù)幕脑诖诉^程中會發(fā)生化學(xué)變化。因此，不會產(chǎn)生濃度梯度。作為一種能量形式，可以使用atp，但還有其他能量來源，如pep（磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)），也用于葡萄糖運輸過程（見 圖12、組易位）。
相關(guān)歷史自 1960 年代至 1970 年代現(xiàn)代分子膜生物學(xué)的早期開始以來，已經(jīng)過去了 50 多年。諸如破譯分子細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)或其潛在的一般機(jī)制之類的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的許多重要見解和應(yīng)用領(lǐng)域鋪平了道路。同時，膜結(jié)合蛋白的表征面臨著更大的障礙。因此，直到1978年，即流體鑲嵌模型假設(shè)五年后，才成功表征了完整的膜蛋白。這是從紅細(xì)胞細(xì)胞膜中獲得的人糖蛋白（singer，2004）。自膜蛋白研究的早期以來，已經(jīng)取得了許多里程碑。特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，所獲得的知識已以各種方式用于改善和對抗許多臨床狀況。
挑戰(zhàn) 和 展望 用于醫(yī)藥/工業(yè)細(xì)胞膜是許多底物和藥物的最終守門人。因此，高度特化的膜蛋白在幾分之一秒內(nèi)與大量物質(zhì)相互作用，以確定哪些物質(zhì)允許通過，哪些不允許。目前批準(zhǔn)的所有藥物中約有一半作用于這種蛋白質(zhì)類型作為治療靶點結(jié)構(gòu)，以引起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，觸發(fā)級聯(lián)反應(yīng)或催化反應(yīng)，以對抗各種臨床條件（baker，2010）。盡管如此，由于其具有挑戰(zhàn)性的增溶標(biāo)準(zhǔn)，人們對許多膜蛋白結(jié)構(gòu)及其基本工作原理知之甚少。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)將極大地受益于對這種蛋白質(zhì)類型的更深入理解。然而，最近，隨著deepmind的alphafold2等各種ai系統(tǒng)加入戰(zhàn)斗，這個老問題再次加速。它們能夠直接從其氨基酸序列預(yù)測3d蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且精度不斷提高。
同時，已經(jīng)應(yīng)用的實驗方法，如 納米盤系統(tǒng)，環(huán)烷烴改性 兩棲動物或 阿斯蒂 共聚物也將進(jìn)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(xué)研究的新時代，塑造數(shù)字生物學(xué)或生物醫(yī)學(xué)計算等領(lǐng)域。新方法將更新我們的藥物發(fā)現(xiàn)過程，極大地加速它們。無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。