结构生物化学/膜蛋白/拓扑结构
众所周知，膜蛋白必须以特定的拓扑结构插入脂双层中，即在脂双层中处于特定的方向，才能正常发挥功能。然而，来自希蒙·舒尔迪纳（Shimon Schuldiner）实验的最新证据通过研究 EmrE 对这一传统观点提出了挑战。EmrE 是一种来自大肠杆菌的小型同二聚体多药转运蛋白，它将带正电荷的芳香族药物转运出去，同时吸收两个质子。[1]
需要注意的是，二聚体膜蛋白可以存在于平行或反平行方向。在 EmrE 的特定情况下，平行方向可以被视为 N 端和 C 端位于同一侧；反平行方向可以被视为 N 端位于一侧，C 端位于另一侧。[1]
虽然众所周知，诸如受体之类的蛋白质必须以一种特定方式定向，但 EmrE 可能并非如此。过去对 EmrE 的实验表明，即使 EmrE 可以以平行拓扑结构存在，只有反平行拓扑结构才能诱导正常功能。然而，这些实验中的每一个都可能存在某些条件，值得提出反驳意见。
在一个实验中，科学家们创建了一个 EmrE 反平行拓扑结构的 3D 人工模型。然后，他们使用了一个天然 EmrE 的真实反平行 3D 模型，并将两者进行比较，得出结论认为两者相似，从而证明了 EmrE 符合反平行拓扑结构。[1] 虽然证据令人信服，但结构的分辨率非常低，因此相似性更容易“识别”。此外，用于反平行模型的晶体来自存在于抑制蛋白功能的去污剂中的蛋白质。这意味着，3D 模型的创建方式是基于晶体形成所需的最低能量，而不是 EmrE 在自然界中存在的真实方式。
在另一个实验中，EmrE 与不会影响 EmrE 功能的绿色荧光蛋白融合。然而，在对蛋白质中正电荷进行操纵后，产生了平行突变体 EmrE 蛋白。这些突变被证明对绿色荧光蛋白具有抗性，这导致了这样一种结论：这是由于拓扑结构发生了改变。为了进一步支持这一结论，突变体 EmrE 蛋白与天然 EmrE 共表达，并在一代内恢复了正常功能。[1] 该实验的一个问题是，研究人员假设平行突变体是无活性的。事实上，舒尔迪纳[1]进行的进一步实验表明，平行突变体 EmrE 蛋白具有持续的生长能力。此外，突变体平行蛋白质的失活可以用受损的二聚化来解释——如果蛋白质由于突变而无法正确形成，那么它的功能将不会正常。这个想法独立于拓扑结构。
进行了两个实验来证明 EmrE 即使以平行拓扑结构也能正常发挥功能的能力。在一个实验中，在蛋白质的末端产生了独特的半胱氨酸。交联剂（或能与其他类似分子形成共价键的分子）在 9 到 11 埃的距离内形成。[1] 之前的研究已经确定，在反平行拓扑结构中，半胱氨酸残基必须至少相隔 35 到 40 埃。为了巩固这一证据，对其他环中交联的蛋白质进行了重复实验，结果相似，表明它们是功能完备的 EmrE 蛋白。
在另一个实验中，[1] 一个原体的 C 端通过一个非常短的亲水连接体人工融合到另一个原体的 N 端，确保两个原体的末端位于膜的同一侧（因此是平行的）。这些人工合成的蛋白质也被证明具有完全的功能。
另一项研究表明，像 EmrE 这样的平行同二聚体和像枯草芽孢杆菌的 EbrAB 这样的反平行异二聚体，无论它们的拓扑结构如何，都执行相同的功能。事实上，观察到 EbrB 能够形成平行同二聚体并以相同的方式发挥作用。这对 EmrE 具有非常重要的意义。因为 EbrAB 和 EmrE 是密切相关的蛋白质，EmrE 也可能具有类似的“混杂性”，即它可以在平行和反平行拓扑结构中都发挥功能。
已经证明，EmrE 存在于平行拓扑结构中，并且可以正常发挥功能。此外，它可以存在于反平行拓扑结构中，并且功能一样好。一个可能的机制[1]是，活性位点在两种拓扑结构中都是保守的。这个活性位点被 H+ 或底物占据，具体取决于改变 pKa 的两个谷氨酸残基。这反过来证明了拓扑结构是由驱动力方向决定的，主要是 H+ 或底物。
虽然应该注意的是，这些证据来自一种蛋白质，但这些发现的意义是显而易见的。应该注意的是，EmrE 是一种小型膜蛋白，能够进化成更复杂的膜蛋白。如果一种蛋白质可以以不同的形式存在，这些形式由其功能决定，那么结构决定功能的传统观念可能会受到挑战。相反，功能可能决定结构。