跨膜蛋白（TMEM）是一种跨越细胞质膜的蛋白家族，允许细胞-细胞和细胞-环境之间的联系。结构决定性质，性质决定功能，一般单次跨膜主要起锚定作用，多次跨膜能形成疏水孔道，发挥运输的功能。这里我们将讨论膜蛋白的结构，并说明它们与脂质双分子层的不同关联方式。
1. 对膜成分而言，脂质分子数多，但膜蛋白质量较大
我们知道，脂质双分子层提供了细胞膜的基本结构，并作为膜两侧分子的渗透屏障，但是大多数膜的功能其实是由膜蛋白完成的。在动物中，蛋白质约占大多数质膜质量的50%，其余是脂质加上糖脂和糖基化蛋白中相对较少的碳水化合物。然而，由于脂质分子比蛋白质小得多，细胞膜通常含有的脂质分子大约是蛋白质分子的50倍。
2. 不同类型的膜蛋白发挥诸多功能
膜蛋白不仅通过脂质双分子层运输特定的营养物质、代谢产物和离子；它们还有许多其他功能：有些将膜固定在两侧的大分子上；有些能作为受体，检测细胞环境中的化学信号，并将其传递到细胞内部；还有一些作为酶发挥功能，催化特定反应。每种类型的细胞膜都含有不同的蛋白质，反映了特定细胞膜的特殊功能。
3. 蛋白质可以通过多种方式与膜的脂双层相关联
直接附着在脂质双分子层上的蛋白质（如图3-A,B,C）只有用洗涤剂破坏双分子层才能被去除，这种蛋白质被称为膜内在蛋白，其余的膜蛋白称为膜外周蛋白（如图3-D），它们可以通过更温和的提取过程从膜中释放出来，这一过程会干扰蛋白质与蛋白质之间的相互作用，但会使脂质双层结构保持完整。
许多膜蛋白穿过脂双层，部分区域位于双层膜的两侧(A)。这些跨膜蛋白具有疏水性和亲水性区域。它们的疏水区域位于双层膜的内部，紧靠着脂质分子的疏水尾部。它们的亲水性区域暴露在膜的两侧的水环境中。
有的膜蛋白几乎完全位于胞质，与脂质双分子层相互作用的是蛋白表面的α螺旋结构(B)。
有些蛋白质完全位于双层膜外（内侧或外层），仅通过一个或多个共价附着的脂类基团与膜相关联(C)。
还有些蛋白质通过与膜蛋白的相互作用，间接地与膜表面相结合(D)。
4. 多肽通常以α螺旋的形式穿过脂双层
对于许多跨膜蛋白，多肽链只穿过膜，这些蛋白质中有许多是细胞外信号的受体。形成a螺旋的氨基酸的疏水侧链与磷脂分子的疏水烃尾相接触，多肽主链的亲水部分在螺旋内部相互形成氢键。一个完全穿过膜的α螺旋结构需要包含20个氨基酸。
膜蛋白x射线结晶学的进展使许多膜蛋白的三维结构得以确定。根据这些主要特征构建模型（片段包含约20-30个氨基酸、具有高度疏水性），通常可以从蛋白质的氨基酸序列预测多肽链的哪些部分延伸到脂双层。
5. 跨膜α螺旋常和其他α螺旋互作或组合形成孔道
有的跨膜蛋白形成水通道，允许水溶性分子穿过膜，这样的孔道不能由具有单一的、均匀疏水的、跨膜螺旋结构的蛋白质形成。形成孔隙的蛋白质更为复杂，通常具有一系列的α螺旋多次穿过双层膜。许多单通道膜蛋白形成同源或异源二聚体，这些二聚体由两个跨膜螺旋之间的非共价、但强而特异的相互作用结合在一起，这些螺旋的疏水氨基酸序列包含指导蛋白质-蛋白质相互作用的信息。
在有些包含多个跨膜结构的蛋白质中，跨膜区域是由包含疏水性和亲水性氨基酸侧链的螺旋形成的。这些氨基酸的排列使得疏水侧链落在螺旋的一侧，而亲水侧链则集中在螺旋的另一侧。在脂双层疏水环境中，这类α螺旋呈环状并排排列，疏水侧链暴露于膜的脂质上，亲水侧链通过脂质双层形成亲水孔的内衬。
6. 一些β折叠片多次跨膜形成大的离子通道
虽然到目前为止，α螺旋是多肽链穿过脂双层的常见的形式，某些多肽链却是以β折叠穿过脂双层。膜蛋白以β折叠片的形式穿过脂质双分子层，被弯曲成圆柱形，形成一个开放式的桶状结构，称为β折叠桶。
β片层的数目变化较大，少的可以有8个，多的可以多达22个。面朝桶内的氨基酸侧链主要是亲水的，而桶外的那些接触脂双层疏水的侧链则完全是疏水的。与α螺旋不同，β折叠桶只能形成宽的通道，因为β折叠片弯曲成桶的紧密程度是有限制的，不如α螺旋灵活。
综上，膜的功能主要体现在膜蛋白的多样性上，膜蛋白的结构决定其功能。不同功能的膜蛋白其结构基础存在差异，因此其与膜骨架的关联方式也有不同。像膜偶联受体、膜偶联酶这些膜蛋白可能通过单次跨膜或者共价修饰，就能锚定在膜上实现其功能。而作用于底物转运的膜蛋白必须提供一个较大的亲水孔道，才能使水溶性的带电离子等底物通过，因此不同的α螺旋之间倾向于互作，或者同一个蛋白具有多个互作的α螺旋，或者通过β折叠形成桶状孔隙发挥功能。根据跨膜蛋白的疏水特性及跨膜区域的结构特点，可以对跨膜蛋白及其跨膜区段进行预测。
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