近日，福州大学化学学院李金宇课题组联合吉林农业科技学院在膜蛋白结构稳定性研究方面取得重要进展。他们从分子动力学角度，系统揭示了膜蛋白在质谱检测的真空环境中仍能保持完整跨膜结构的微观机制，为理解膜蛋白在无脂环境下的构象行为提供了全新理论视角。相关成果发表于Journal of Physical Chemistry Letters。
膜蛋白以疏水跨膜方式嵌入细胞膜中，承担信号传导、物质运输等重要功能，约占人类蛋白质总数的25-30%，也是超过60%已上市药物的作用靶点。然而，由于其高度疏水、难以结晶的特性，膜蛋白的结构解析一直是生物学中的难题。近年来，天然质谱技术的兴起，使得科学家能够将膜蛋白完好地转入气相进行研究，但其在真空中的结构到底如何维持，始终成谜。
研究团队选取了四种具有不同拓扑结构的典型膜蛋白，通过分子动力学模拟与蒙特卡洛方法相结合的多步计算框架，系统模拟了这些蛋白从膜环境转入气相后的结构变化。结果显示，尽管膜外部分会发生一定程度的构象调整，所有蛋白的跨膜区域在真空中均基本保持原有的二级结构，氢键网络也未见明显破坏。这表明，跨膜区域具有独特的环境适应机制。
进一步分析发现，跨膜区域具有明显的“内亲水、外疏水”排列特征：疏水残基大多朝向外部，而亲水残基则包埋在内部，形成一个稳定的亲水核心。研究人员提出，这种排列方式在膜环境中就已预先形成。当蛋白进入真空时，外部的疏水残基进一步紧密堆积，如同一层“疏水屏蔽壳”，保护内部氢键与二级结构不受破坏，从而使跨膜区域在气相中依然稳固。
该研究首次从原子层面阐释了跨膜区域在气相中保持稳定的疏水屏蔽机制，不仅深化了对膜蛋白在质谱环境下行为的理解，也为今后开展气相中膜蛋白结构与动态研究奠定了重要的理论基础。
福州大学化学学院李金宇教授和高萍老师为本文通讯作者，博士生张勇奇为第一作者。研究获国家自然科学基金支持（22173020）。
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Hydrophobic Shielding Preserves Transmembrane Secondary Structure in the Gas Phase
Yongqi Zhang, Lanbi Zhang, Juhong Wu, Han Zhang, Lin Liu, Ping Gao*, Jinyu Li*
J. Phys. Chem. Lett. 2025, 16, 12875-12881. DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c03514
导师介绍
李金宇
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