膜タンパク質

膜タンパク質は、生体膜の一部であるか、生体膜と相互作用する一般的なタンパク質です。膜タンパク質は、その位置に応じていくつかの広いカテゴリに分類されます。内在性膜タンパク質は細胞膜の恒久的な一部であり、膜を貫通するか (膜貫通)、膜の片側または反対側に結合することができます (内在性モノトピック)。末梢性膜タンパク質は、細胞膜に一時的に結合します。

膜タンパク質は一般的であり、医学的にも重要です。ヒトのタンパク質の約3分の1は膜タンパク質であり、これらは全薬剤の半分以上の標的となっています。^[1] しかし、他のクラスのタンパク質と比較して、膜タンパク質の構造を決定することは、タンパク質の本来の環境から隔離された状態でその正しい（本来の）立体構造を維持できる実験条件を確立することが難しいため、依然として課題となっています。

膜タンパク質は生物の生存に不可欠な様々な機能を果たします。^[2]

• 膜受容体タンパク質は細胞の内部環境と外部環境の間で信号を中継します。
• 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。輸送タンパク質は、トランスポーター分類データベースに従って分類できます。
• 膜酵素には、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素など、多くの活性があります。^[3]
• 細胞接着分子は細胞同士がお互いを認識し、相互作用することを可能にする。例えば、免疫反応に関与するタンパク質は

膜内のタンパク質の局在は、タンパク質配列の疎水性解析、すなわち疎水性 アミノ酸配列 の局在を使用して確実に予測できます。

膜内在性タンパク質は膜に永久的に付着している。このようなタンパク質は、洗剤、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生体膜から分離することができる。^[要出典]二重層との関係に応じて分類できる。

• インテグラルポリトピックタンパク質は、膜を複数回横断する膜貫通タンパク質です。これらのタンパク質は、異なる膜貫通トポロジーを持つ場合があります。^{[4] [5]}これらのタンパク質は、2つの構造アーキテクチャのいずれかを持ちます。
  • あらゆる種類の生体膜に存在するらせん束タンパク質。
  • ベータバレルタンパク質はグラム陰性細菌の外膜とミトコンドリアおよび葉緑体の外膜にのみ存在します。^[6]
• バイトピックタンパク質は膜を1回だけ横切る膜貫通タンパク質です。これらのタンパク質の膜貫通ヘリックスは、ポリトピックタンパク質の膜貫通ヘリックスとはアミノ酸の分布が大きく異なります。^[7]
• 一体型モノトピックタンパク質は、膜の片側のみに結合し、膜全体に広がっていない一体型膜タンパク質です。

周辺膜タンパク質は、疎水性、静電的、およびその他の非共有結合相互作用の組み合わせによって、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。周辺タンパク質は、高pH 溶液や高塩濃度溶液などの極性試薬で処理すると解離します。 ^{[引用が必要]}

内在性タンパク質と末梢性タンパク質は翻訳後修飾を受けることがあり、脂肪酸、ジアシルグリセロール^[8]、プレニル鎖、GPI（グリコシルホスファチジルイノシトール）などが付加され、脂質二重層に固定されることがあります。

ポリペプチド毒素や、コリシンや溶血素などの多くの抗菌ペプチド、およびアポトーシスに関与する特定のタンパク質は、別のカテゴリと見なされることがあります。これらのタンパク質は水溶性ですが、大幅な構造変化を起こし、オリゴマー複合体を形成し、脂質二重層と不可逆的または可逆的に結合することがあります。

膜タンパク質は、可溶性球状タンパク質、繊維状タンパク質、無秩序タンパク質のように一般的です。^{[9]ほとんどの}ゲノム中の全遺伝子 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。^{[10] [11]}たとえば、大腸菌の約4200のタンパク質のうち約1000が膜タンパク質であると考えられており、そのうち600は膜常在であることが実験的に検証されています。^{[12]ヒトでは、現在の考え方では}ゲノム の30%が膜タンパク質をコードしていると示唆されています。^[13]

膜タンパク質は、現代の医薬品の50％以上の標的となっています。^[1] 膜タンパク質が関与しているヒトの疾患としては、心臓病、アルツハイマー病、嚢胞性線維症などがあります。^[13]

膜タンパク質はすべての生物において重要な役割を果たしているが、その精製は歴史的にも、そして現在も、タンパク質科学者にとって大きな課題となっている。2008年には、150種類の膜タンパク質のユニークな構造が利用可能であったが^[14]、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種類であった^[13] 。対照的に、全タンパク質の約25%は膜タンパク質である。^[15]膜 タンパク質は疎水性表面のため、構造、特に機能的特徴の解析が困難である。^{[13] [16]} 界面活性剤を使用して膜タンパク質を水溶性にすることができるが、界面活性剤はタンパク質の構造と機能を変化させることもできる。^[13] 膜タンパク質を水溶性にすることは、タンパク質配列を改変し、特定の疎水性アミノ酸を親水性アミノ酸に置き換え、二次構造を維持しながら全体の電荷を修正することでも達成できる。^[13]

アフィニティークロマトグラフィーは膜タンパク質の精製に最適な方法の一つです。ポリヒスチジンタグは膜タンパク質の精製によく使われるタグであり^[17]、代替のrho1D4タグも効果的に使用されています。^{[18] [19]}

• Johnson JE、Cornell RB (1999)。「両性タンパク質：可逆的な膜相互作用による制御（レビュー）」。分子 膜生物学。16 (3): 217–35。doi : 10.1080/096876899294544。PMID 10503244。
• Alenghat FJ、Golan DE (2013)。 「哺乳類細胞における膜タンパク質のダイナミクスと機能的意味」。Current Topics in Membranes。72 : 89–120。doi :10.1016/ b978-0-12-417027-8.00003-9。ISBN 9780124170278. PMC  4193470 . PMID  24210428.

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• 膜タンパク質構造ダイナミクスコンソーシアム
• 膜タンパク質研究と精製の専門家

• TCDB -トランスポーター分類データベース、膜貫通トランスポータータンパク質の包括的な分類
• 膜タンパク質の配向（OPM）データベース -脂質二重層内に配置された膜タンパク質と膜周辺タンパク質の 3D 構造
• 膜貫通タンパク質のタンパク質データバンク -脂質二重層内に近似的に配置された膜貫通タンパク質の 3D モデル。
• TransportDB - TIGR のトランスポーターのゲノミクス指向データベース
• 膜PDB 2020-08-03にWayback Machineでアーカイブ- 結晶化条件に重点を置いた膜タンパク質と疎水性ペプチドの3D構造のデータベース
• Mpstruc データベース 2013-12-25 にWayback Machineにアーカイブ-タンパク質データバンクから選択された膜貫通タンパク質の厳選リスト
• MemProtMD -粗視化 分子動力学によってシミュレートされた膜タンパク質構造のデータベース
• メンブラノームデータベースは、いくつかのモデル生物のバイトピックタンパク質に関する情報を提供します。