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膜貫通タンパク質（ IMP ）[ 1 ]は、生体膜に永久的に結合している膜タンパク質の一種です。すべての膜貫通タンパク質はIMPに分類できますが、すべてのIMPが膜貫通タンパク質であるとは限りません。[ 2 ] IMPは、生物のゲノムにコードされているタンパク質の大部分を占めています。[ 3 ]膜を貫通するタンパク質は環状脂質に囲まれており、環状脂質とは膜タンパク質と直接接触している脂質と定義されます。このようなタンパク質は、界面活性剤、非極性溶媒、または場合によっては変性剤を使用することによってのみ膜から分離できます。
細胞膜に一時的にのみ付着するタンパク質は、末梢膜タンパク質として知られています。これらのタンパク質は、膜貫通タンパク質と結合する場合もあれば、様々な方法で脂質二重層に独立して挿入される場合もあります。
約160種類の膜貫通タンパク質の三次元構造が、X線結晶構造解析または核磁気共鳴分光法によって原子分解能で決定されています。これらのタンパク質は、抽出と結晶化に伴う困難さから、研究対象として難易度が高いです。さらに、多くの膜貫通タンパク質の水溶性タンパク質ドメインの構造がタンパク質データバンク（PDB ）に登録されています。これらのドメインでは、抽出と結晶化を容易にするために、膜結合αヘリックスが除去されています。PDBで膜貫通タンパク質を検索（遺伝子オントロジー分類に基づく）
IMPは2つのグループに分けられます。
最も一般的な IMP は、生体膜全体を貫通する膜貫通タンパク質です。一回膜貫通タンパク質は膜を一度だけ通過しますが、多回膜貫通タンパク質は膜に出入りしながら、膜を複数回通過します。一回膜貫通タンパク質は、カルボキシル末端が細胞質側に向いているタイプ Iと、アミノ末端が細胞質側に向いているタイプ II に分類できます。タイプ III タンパク質は、単一のポリペプチド内に複数の膜貫通ドメインを持ち、タイプ IV は、膜を貫通するチャネル内に組み立てられた複数の異なるポリペプチドで構成されています。タイプ V タンパク質は、共有結合した脂質を介して脂質二重層に固定されています。最後に、タイプ VI タンパク質は、膜貫通ドメインと脂質アンカーの両方を持っています。[ 4 ]
膜貫通型モノトピックタンパク質は、細胞膜の片側から恒久的に結合している。 [ 5 ]
以下の膜貫通型モノトピックタンパク質の三次元構造が決定された。
膜貫通タンパク質の単一ドメインの構造も存在する。
膜貫通タンパク質の研究における多くの課題は、リン脂質二重層からのこれらのタンパク質の抽出に起因しています。膜貫通タンパク質はリン脂質二重層の幅全体にわたって存在するため、その抽出には、タンパク質の機能や構造を阻害するような損傷を与えることなく、周囲のリン脂質を破壊することが必要となります。抽出を行うための有効な方法はいくつかあり、「界面活性剤、低イオン塩（塩析）、せん断力、急速な圧力変化」などが挙げられます。[ 6 ]
米国国立衛生研究所（ NIH）傘下の米国国立一般医科学研究所（NIGMS）が資金提供するタンパク質構造イニシアチブ（ PSI）は、その目的の一つとして、膜タンパク質を含む構造生物学で使用するための技術を開発し、タンパク質の三次元構造を決定することを目指している。相同性モデリングは、アミノ酸配列と関連する相同タンパク質の実験的な三次元構造から、「ターゲット」膜貫通タンパク質の原子分解能モデルを構築するために使用できる。この手順は、リガンド-Gタンパク質共役受容体（GPCR）とその複合体に対して広く使用されている。[ 7 ]
IMPには、トランスポーター、リンカー、チャネル、受容体、酵素、構造膜アンカードメイン、エネルギーの蓄積と変換に関与するタンパク質、細胞接着に関与するタンパク質が含まれます。トランスポーターの分類は、トランスポーター分類データベースで確認できます。[ 8 ]
IMP（この場合は細菌の光捕捉色素であるバクテリオロドプシン）とリン脂質二重層によって形成される膜との関係の例として、以下に示す。この場合、膜貫通タンパク質はリン脂質二重層を7回貫通している。二重層の疎水性領域に埋め込まれているタンパク質の部分はαヘリックス構造であり、主に疎水性アミノ酸で構成されている。タンパク質のC末端は細胞質内にあり、N末端領域は細胞外にある。この特定のタンパク質を含む膜は光合成において機能することができる。[ 9 ]
膜貫通タンパク質の例：