Transmembranproteine sind eine Gruppe derMembranproteine und durchqueren beide Blätter derPhospholipiddoppelschicht einerBiomembran, im Unterschied zu den einfachmembranständigen Proteinen. Zu den Transmembranproteinen gehören funktionell sehr verschiedene Proteine wie zum BeispielTransmembranrezeptoren (deren größte Untergruppe die heptahelikalen Rezeptoren sind)[1],Porine,Ionenkanäle,Transporter,ATP-abhängige Pumpen undZelladhäsionsmoleküle. Sie können in derPlasmamembran oder in der Membran einesOrganells verankert sein und lassen sich nach ihren die Membran durchquerenden Proteinanteilen, derTransmembrandomäne, strukturell klassifizieren. Innerhalb der Biomembran sind Transmembranproteine teilweise lateral beweglich nach demFluid-Mosaik-Modell.
DieAminosäuresequenz, die in einer Phospholipiddoppelschicht liegt, wird als Transmembrandomäne bezeichnet. Um die Phospholipiddoppelschicht zu durchdringen, muss eine Polypeptidkette hydrophobeAminosäure-Seitenketten besitzen und ihre polareRückgratgruppe gegen die relativ unpolarenMembranlipide abschirmen. Dies wird unter anderem durch die Bildung einer Sekundärstruktur erreicht, die zur Bildung vonWasserstoffbrückenbindungen beiträgt. Alle bekannten Transmembran-Segmente bestehen daher entweder ausα-Helices (sehr häufig, teilweise als Bündel) oderβ-Fässern (selten).[2] Mit etwa 27 % des gesamtenProteoms stellen Membranproteine mit α-Helices die größte Untergruppe der Membranproteine.[3] Während bakterielle Transmembranproteine mit β-Fass meist geradzahlige β-Stränge aufweisen, besitzen eukaryotische Transmembranproteine mit β-Fass meistens 7 oder andere ungeradzahlige β-Stränge.[4]
In sehr seltenen Fällen wie beiGramicidin A kommt stattdessen eineβ-Helix vor.[5] Eine transmembrane Polyprolin-II-Helix wurde bislang nur künstlich erzeugt beschrieben.[6]
Bei Transmembranproteinen wird zwischen denSinglepass-Transmembranproteinen unterschieden, die die Membran nur einmal durchqueren, und denMultipass-Transmembranproteinen, die die Membran mehrmals durchqueren. DieSinglepass-Transmembranproteine werden weiter unterschieden in verschiedene Typen nach Art der Verankerung und der Lage ihrer Enden. DerN-Terminus liegt extrazellulär bei Typ-1-Transmembranproteinen, die in der Zellmembran verankert sind. Bei Typ-2-Transmembranproteinen liegt hier dagegen derC-Terminus extrazellulär. Die Einteilung erfolgt nach verschiedenen topologischen Determinanten, wie Orientierung der Transmembrandomäne in der Membran, angrenzende polare Seitenketten von Aminosäuren undGlykosylierungen.[7] DieProteintranslokation durch die Membran nach derProteinbiosynthese amRibosom läuft unter Beteiligung vonSec61,SRP und denSRP-Rezeptor.[7] Die Sortierung zur jeweiligen Membran (Zellmembran,ER-Membran,lysosomale Membran odermitochondriale Membran) erfolgt anhand vonSignalsequenzen.[8] Die Sortierung anhand von Signalsequenzen wird in Typ I-III für lösliche Proteine und Typ IV für Transmembranproteine unterteilt.[9] EinePhosphorylierung kann die Erkennung und somit die Sortierung beeinflussen.[8] EineUbiquitinierung cytosolischer Bereiche führt zu einer Sortierung, die imAbbau amProteasom endet.[8] Teilweise werden Transmembranproteine nach der Translokation durchChaperone gefaltet.[4] Transmembranrezeptoren liegen oftmals gruppiert aneinander gebunden vor (engl.cluster).[10]
Transmembranproteine sind im Transmembranbereich (Transmembrandomäne von etwa acht bis zwölf Aminosäuren) gehäuft aus den wenigerpolaren bzw. hydrophoberen Aminosäuren aufgebaut, deren unpolare Seitenketten mit denLipiden der Membran eineProtein-Lipid-Interaktion eingehen. In Transmembranproteinen sind daher verschiedene Aminosäuren mit vor allem unpolaren Seitenketten gehäuft zu finden, wiePhenylalanin,Glycin,Tryptophan,Methionin,Isoleucin,Threonin,Valin,Serin,Prolin,Cystein undLeucin, während die anderen Aminosäuren im Vergleich zu löslichen Proteinen vermindert auftreten.[11]
Die im Zuge einerProteincharakterisierung zur Ermittlung derProteinfaltung verwendeten Methoden umfassenRöntgen-Kristallstrukturanalyse,Elektronenmikroskopie undNMR-Spektroskopie.[11] Die vollständigeProteinstruktur ist nur bei wenigen Membranproteinen bekannt.[12] Transmembranproteine sind schwerer zu untersuchen als lösliche Proteine, da sie aufgrund der hydrophoben Aminosäuren mitDetergentienisoliert werden müssen und strukturell flexibler sind.[13] Darüber hinaus sind sie oftmals strukturell instabiler[13] und besitzen eine geringerebiologische Halbwertszeit.