Transmembranproteine

Transmembranproteine sind Proteine, die in der Zellmembran verankert sind oder sie durchspannen. Sie tragen eine oder mehrere Transmembrandomänen, die die hydrophobe Lipiddoppelschicht durchqueren. Die Transmembrandomänen bestehen üblicherweise aus alpha-Helices mit rund 20 bis 25 Aminosäuren; in Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten treten auch Beta-Barrel-Strukturen auf.

Die Topologie wird durch Signalsequenzen, Stop-Transfer-Sequenzen und die Positive-inside-Regel bestimmt; die Orientierung von N- und C-Terminus relativ zum Cytosol hängt von der Verteilung der positiven Ladungen ab. Die Integration erfolgt meist co-translational über den Sec-Translokon, bei Organellen über spezialisierte Translokonsysteme; Faltung und korrekte Topologie werden durch Chaperone unterstützt.

Transmembranproteine erfüllen vielfältige Funktionen: Sie ermöglichen den Transport von Ionen und Molekülen (Kanäle, Transporter), sie dienen der Signalweiterleitung (Rezeptoren wie GPCRs, Rezeptor-Tyrosin-Kinasen) und können membranseitige Enzymaktivitäten besitzen oder an der Zelladhäsion beteiligt sein. Viele Proteine treten als Untereinheiten in Multimere-Komplexen auf.

Beispiele umfassen Aquaporine, CFTR, GPCR-Familie, Ionenkanäle, Transporter der SLC-Familie sowie Integrine. Die Strukturen solcher Proteine werden mithilfe von Röntgenkristallografie, Cryo-Elektronenmikroskopie sowie Biochemie aufgedeckt; moderne Ansätze verwenden auch Mutagenese und Topologie-Analysen.

Fehlfunktionen Transmembranproteinen sind mit zahlreichen Erkrankungen verbunden, darunter cystische Fibrose, bestimmte nervale und metabolische Erkrankungen sowie Krebsprozessen.