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膜貫通タンパク質は、細胞膜全体を貫通する膜タンパク質の一種です。多くの膜貫通タンパク質は、特定の物質が膜を通過するための通路として機能します。これらのタンパク質は、物質を膜を通して移動させるために、しばしば大きな構造変化を起こします。通常、膜貫通タンパク質は疎水性が高く、水中では凝集して沈殿します。抽出には界面活性剤または非極性溶媒が必要ですが、一部のタンパク質（βバレル型）は変性剤を用いて抽出することも可能です。
膜を貫通するペプチド配列、すなわち膜貫通セグメントは、大部分が疎水性であり、疎水性プロットを使用して視覚化できます。[ 1 ]膜貫通セグメントの数に応じて、膜貫通タンパク質は、シングルパス膜タンパク質またはマルチパス膜タンパク質に分類できます。[ 2 ]他のいくつかの膜貫通タンパク質は、モノトピックと呼ばれ、膜に恒久的に結合していますが、膜を通過しません。[ 3 ]
膜貫通タンパク質には、 αヘリックス型とβバレル型の2つの基本的なタイプがあります。[ 4 ] αヘリックス型タンパク質は、細菌細胞の内膜または真核細胞の形質膜に存在し、細菌の外膜に存在することもあります。[ 5 ]これは膜貫通タンパク質の主要なカテゴリーです。ヒトでは、全タンパク質の27%がαヘリックス型膜タンパク質であると推定されています。[ 6 ] βバレル型タンパク質は、これまでのところ、グラム陰性細菌の外膜、グラム陽性細菌の細胞壁、ミトコンドリアと葉緑体の外膜にのみ存在し、孔形成毒素として分泌されることもあります。すべてのβバレル型膜貫通タンパク質は、最も単純な上下のトポロジーを持ち、これは共通の進化起源と類似した折りたたみ機構を反映している可能性があります。[ 7 ]
タンパク質ドメインに加えて、ペプチドによって形成される珍しい膜貫通要素も存在する。典型的な例は、二量体膜貫通βヘリックスを形成するペプチドであるグラミシジンAである。 [ 8 ]このペプチドは、グラム陽性細菌によって抗生物質として分泌される。膜貫通ポリプロリンIIヘリックスは天然タンパク質では報告されていない。しかしながら、この構造は特別に設計された人工ペプチドで実験的に観察されている。[ 9 ]
この分類は、脂質二重層の異なる側におけるタンパク質のN末端とC末端の位置を指します。タイプI、II、III、IVは、1回膜貫通型タンパク質です。タイプI膜貫通タンパク質は、ストップトランスファーアンカー配列で脂質膜に固定され、合成中（および成熟型が細胞膜上に存在する場合は細胞外空間）にN末端ドメインが標的化されます。タイプIIとIIIはシグナルアンカー配列で固定され、タイプIIはC末端ドメインでER内腔に標的化され、タイプIIIはN末端ドメインでER内腔に標的化されます。タイプIVは、N末端ドメインが細胞質に標的化されるIV-Aと、N末端ドメインが内腔に標的化されるIV-Bに細分されます。[ 10 ] 4つのタイプへの分類がもたらす影響は、特にタンパク質がタイプに応じてER膜を通過する必要がある転座およびER結合翻訳の時に顕著に現れる。
膜タンパク質の構造は、X線結晶構造解析、電子顕微鏡法、またはNMR分光法によって決定できます。[ 12 ]これらのタンパク質の最も一般的な三次構造は、膜貫通ヘリックス束とβバレルです。脂質二重層に付着している膜タンパク質の部分（環状脂質殻を参照）は、主に疎水性アミノ酸で構成されています。[ 13 ]
疎水性表面を持つ膜タンパク質は、比較的柔軟性があり、発現レベルも比較的低い。そのため、十分な量のタンパク質を得て結晶を成長させることが困難である。したがって、膜タンパク質の機能的重要性は大きいにもかかわらず、これらのタンパク質の原子分解能構造を決定することは、球状タンパク質よりも難しい。[ 14 ] 2013年1月現在、全プロテオームの20〜30%を占めるにもかかわらず、決定されたタンパク質構造のうち膜タンパク質は0.1%未満である。[ 15 ]このような困難とこの種のタンパク質の重要性から、疎水性プロット、正の内部ルール、その他の方法に基づくタンパク質構造予測法が開発されてきた。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
膜貫通αヘリックス（αヘリックス）タンパク質は、熱変性研究から判断すると、膜内で完全にほどけることがないため、非常に安定している（完全なほどけには、非極性媒体中でαヘリックスの水素結合を多数切断する必要がある）。一方、これらのタンパク質は、膜内での非天然凝集、溶融球状状態への移行、非天然ジスルフィド結合の形成、または局所的に不安定な周辺領域や不規則ループのほどけにより、容易にミスフォールディングを起こす。[ 19 ]
また、展開状態を適切に定義することも重要です。界面活性剤ミセル中の膜タンパク質の展開状態は、熱変性実験における展開状態とは異なります。この状態は、折り畳まれた疎水性αヘリックスと、界面活性剤で覆われた部分的に展開したセグメントの組み合わせを表しています。例えば、SDSミセル中の「展開した」バクテリオロドプシンは、4つの膜貫通αヘリックスが折り畳まれていますが、タンパク質の残りの部分はミセルと水の界面に位置し、さまざまな種類の非天然の両親媒性構造をとることができます。このような界面活性剤変性状態と天然状態の間の自由エネルギー差は、水溶性タンパク質の安定性（10 kcal/mol未満）と似ています。
αヘリックス膜貫通タンパク質の試験管内での再折り畳みは技術的に困難である。バクテリオロドプシンなど、再折り畳み実験に成功した例は比較的少ない。生体内では、このようなタンパク質はすべて、大きな膜貫通トランスロコン内で翻訳と同時に折り畳まれるのが一般的である。トランスロコンチャネルは、新生膜貫通αヘリックスにとって非常に不均一な環境を提供する。比較的極性のある両親媒性αヘリックスは、トランスロコン内で膜貫通配向をとることができる（試験管内では膜表面に位置するか、折り畳まれていない状態となるが）。これは、その極性残基がトランスロコンの中央にある水で満たされたチャネルに面することができるためである。このようなメカニズムは、極性αヘリックスを膜貫通タンパク質の構造に組み込むために必要である。両親媒性ヘリックスは、タンパク質が完全に合成され折り畳まれるまで、トランスロコンに付着したままである。タンパク質が折り畳まれずにトランスロコンに結合した状態で長時間放置されると、特定の「品質管理」細胞システムによって分解される。
化学的変性研究に基づくと、βバレル（β-バレル）膜貫通タンパク質の安定性は水溶性タンパク質の安定性と類似している。それらのいくつかは、カオトロピック剤や高温でも非常に安定している。生体内での折り畳みは、タンパク質Skpなどの水溶性シャペロンによって促進される。βバレル膜タンパク質は、進化の過程でシートが追加または倍増した可能性があるものの、シートの数は異なっていても、1つの祖先から来ていると考えられている。いくつかの研究では、異なる生物間で配列の保存性が非常に高く、構造を保持し折り畳みを助ける保存アミノ酸も存在すると示されている。[ 20 ]
注：nとSはそれぞれ、βストランドの数とβバレルのせん断数[ 22 ]である。