穿膜肽的种类繁多，其分类依据有物理化学特性、来源、摄入机制、生物医学应用等，目前尚没有统一的定论。根据其物理化学特性，穿膜肽可以分为三种类型：阳离子型、两亲型和疏水型，其中以阳离子型和两亲型穿膜肽为主，约占85%，而疏水型穿膜肽仅占15%。
1、阳离子型穿膜肽
阳离子型穿膜肽由富含精氨酸、赖氨酸和组氨酸的短肽组成，如TAT，Penetratin，Polyarginine，P22N，DPV3和DPV6等。其中，精氨酸含有胍基，能和细胞膜上带负电荷的磷酸基团以氢键连接，在生理PH值条件下介导穿膜肽入膜。寡聚精氨酸(从3 R到12 R)的研究表明，精氨酸的数量低为8时才具有穿膜能力，且随着精氨酸数量的增加，穿膜能力也逐渐增加。而赖氨酸虽然和精氨酸一样带有阳离子，但其不含胍基，因此当其单独存在时，其穿膜效率就不太高 。Futaki等(2001)发现阳离子型细胞穿膜肽至少含有8个带正电荷的氨基酸时才能达到好的穿膜效果。尽管带正电荷的氨基酸残基对于穿膜肽穿膜至关重要，但其他氨基酸也同样重要，例如当W14突变成F后，Penetratin的穿膜性就消失了。
有一类特殊的阳离子型穿膜肽为核定位信号序列(nuclear localization sequences，NLSs)，是由一段富含精氨酸、赖氨酸和脯氨酸的短肽组成，能够通过核孔复合体而转运到细胞核内。NLSs可以进一步分为单分型和双分型，分别由一簇和两簇碱性氨基酸组成，例如来至猿猴病毒40(SV40)的PKKKRKV为单分型NLS，而核质蛋白为双分型NLS，其发挥穿膜能力的短序列为KRPAATKKAGQAKKKL。由于大多数NLSs的电荷数小于8，所以NLSs并不是有效的细胞穿膜肽，但当其与疏水性肽序列共价连接形成两亲型穿膜肽时可以有效穿膜。
2、两亲型穿膜肽
两亲型穿膜肽由亲水结构域和疏水结构域构成，分为初级两亲型、次级α-螺旋两亲型、β-折叠两亲型和脯氨酸富集两亲型共四种 。
初级两亲型穿膜肽分为两类，一类由疏水性肽序列和NLSs共价连接而成，如MPG (GLAFLGFLGAAGSTMGAWSQPKKKRKV)和Pep-1 (KETWWETWWTEWSQPKKRKV)，二者均以SV40的核定位信号PKKKRKV为基础，其中MPG的疏水结构域来至于HIV糖蛋白41的融合序列(GALFLGFLGAAGSTMG A)，而Pep-1的疏水结构域来至于对膜有高亲和性的色氨酸富集簇(KETWWET WWTEW)，但二者的疏水结构域均通过WSQP与核定位信号PKKKRKV连接。另一类初级两亲型穿膜肽则从天然蛋白质中分离获得，如pVEC，ARF(1-22)和BPrPr(1-28)。
次级α-螺旋两亲型穿膜肽则是通过α-螺旋与膜结合，其亲水性氨基酸残基和疏水性氨基酸残基分别位于螺旋结构的不同表面，如MAP (KLALKLALK ALKAALKLA)。对于β-折叠两亲型穿膜肽，其形成β-折叠片的能力对其穿膜能力是至关重要的，如在VT5 (DPKGDPKGVTVTVTVTVTGKGDPKPD)的穿膜能力研究过程中，运用D-型氨基酸突变产生的类似物不能形成β-折叠片，其穿膜能力则变得非常差。在脯氨酸富集的两亲型穿膜肽中，当脯氨酸在多肽结构中非常富集时，其在纯水中极易形成聚脯氨酸II (PPII)。PPII为左旋螺旋，每圈含3.0个氨基酸残基，与标准的右旋α-螺旋结构每圈3.6个氨基酸残基完全相反。脯氨酸富集的两亲型穿膜肽有牛抗菌肽7(Bac7)、合成多肽(PPR)n(其中n可为3、4、5和6)等。
3、疏水型穿膜肽
疏水型穿膜肽只含有非极性氨基酸残基，净电荷量低于氨基酸序列总电荷量的20%，或者含有穿膜至关重要的疏水性基序或化学基团。尽管这类细胞穿膜肽常常被忽视，但它们确实存在，如来源于卡波西式肉瘤的成纤维细胞生长因子(K-FGF)和成纤维细胞生长因子12(F-GF12)。
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