概要
膜タンパク質は、細胞の膜やオルガネラ膜の脂質二重層に結合している、またはそれに関連するタンパク質分子である。膜タンパク質は脂質二重層内に埋め込まれる場合もあれば、脂質で固定される場合もあり、あるいは膜表面に周辺的に結合することもある。これらは細胞または区画の内部と外界との主要な接点を形成し、輸送、シグナル伝達、エネルギー変換、細胞間接着などの過程で中心的な役割を担う。
構造と分類
膜タンパク質は、膜との結びつき方によって一般に分類される。内在性タンパク質または膜貫通型タンパク質は脂質二重層を1回以上横切り、内部膜では通常αヘリックス状の膜貫通領域を、細菌の外膜ではβバレル折りたたみを示すことが多い。周辺膜タンパク質はタンパク質間またはタンパク質—脂質相互作用を介してより弱く結合し、脂質アンカー型タンパク質は膜脂質に共有結合で固定される。ループや末端が膜に対してどちら向きかというトポロジーは機能に影響し、挿入の過程で決定される。
機能
- 輸送: チャネル、担体、ポンプが、イオンや溶質の膜を越えた選択的移動を仲介する。
- シグナル伝達: 受容体とその関連複合体が細胞外の刺激を検知し、細胞内応答を開始する。
- 触媒: 膜結合酵素が代謝、電子伝達、脂質処理に関与する。
- 構造と接着: タンパク質が膜形状を保ち、複合体の足場となり、細胞—細胞接触を媒介する。
生合成とトポロジー
膜タンパク質はリボソームで合成され、シグナル配列や膜貫通セグメントを認識する保存された移行・挿入機構によって膜へ組み込まれる。適切な折りたたみと会合には脂質との相互作用やシャペロンが必要になることが多く、誤った折りたたみは機能喪失や選択的分解につながる。トポロジーや膜貫通セグメントを予測する方法では、配列特性と比較ゲノム学が利用される。
研究方法
膜タンパク質は疎水性が高いため、精製や研究が難しい。研究者は界面活性剤、両親媒性ポリマー、膜模倣系を用いてタンパク質を可溶化し、さらにクライオ電子顕微鏡、X線結晶構造解析、核磁気共鳴などの構造解析法で三次元構造を決定する。機能研究では、電気生理学、輸送アッセイ、生化学的再構成が用いられる。
分布と臨床的重要性
多くの生物では、およそ5分の1から3分の1の遺伝子が膜関連タンパク質をコードしており、これはプロテオームおよび注釈付き遺伝子のかなりの割合を占める。臨床的には、膜タンパク質は重要な治療標的である。市販薬の半数超は膜関連受容体、チャネル、輸送体に作用しており、これらのタンパク質は細胞外化合物が到達しやすいからである。遺伝性疾患から感染症、がんに至るまで病気との関わりがあるため、膜タンパク質は生物医学研究の主要な対象となっている。
関連資料
整理された情報やデータベースについては、一般的なタンパク質資源、膜生物学に関するレビューやコレクションをまとめた専用の膜関連文献ポータル、オルガネラ研究のためのリポジトリ、比較解析に役立つ遺伝子およびゲノムデータベースの包括的カタログを参照するとよい。