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タンパク質代謝とは、タンパク質とアミノ酸の合成（同化作用）と、異化作用によるタンパク質の分解を担うさまざまな生化学的プロセスを指します。
タンパク質合成のステップには、転写、翻訳、翻訳後修飾が含まれます。転写中、RNAポリメラーゼは細胞内のDNAのコード領域を転写し、RNA、具体的にはメッセンジャーRNA（mRNA）の配列を生成します。このmRNA配列には、特定のアミノ酸をコードする3ヌクレオチド長のセグメントであるコドンが含まれています。リボソームはコドンをそれぞれのアミノ酸に翻訳します。[1]ヒトでは、非必須アミノ酸はクエン酸回路などの主要な代謝経路の中間体から合成されます。[2] 必須アミノ酸は摂取する必要があり、他の生物によって作られます。アミノ酸はペプチド結合によって結合してポリペプチド鎖を形成します。このポリペプチド鎖はその後、翻訳後修飾を受け、他のポリペプチド鎖と結合して完全に機能するタンパク質を形成することがあります。
食事中のタンパク質は、まず消化管に存在するさまざまな酵素と塩酸によって個々のアミノ酸に分解されます。これらのアミノ酸は血流に吸収され、肝臓に運ばれ、その後体の他の部位に運ばれます。吸収されたアミノ酸は通常、機能性タンパク質の生成に使用されますが、エネルギーの生成にも使用されます。[3]また、グルコースに変換されることもあります。[4]このグルコースはその後、トリグリセリドに変換され、脂肪細胞に蓄えられます。[5]
タンパク質はペプチダーゼと呼ばれる酵素によって分解されるか、変性によって分解される。タンパク質は、そのタンパク質が作られるのに適さない環境条件下では変性する可能性がある。[6]
タンパク質合成
タンパク質同化は、アミノ酸からタンパク質が形成されるプロセスです。これは、アミノ酸合成、転写、翻訳、翻訳後修飾、タンパク質フォールディングの5つのプロセスに依存しています。タンパク質はアミノ酸から作られています。人間では、一部のアミノ酸は既存の中間体を使用して合成できます。これらのアミノ酸は非必須アミノ酸として知られています。必須アミノ酸には、人体に存在しない中間体が必要です。これらの中間体は、主に他の生物を食べることによって摂取する必要があります。[6]
アミノ酸合成
ポリペプチド合成
転写
転写では、RNAポリメラーゼがDNA鎖を読み取り、さらに翻訳できるmRNA鎖を生成します。転写を開始するには、転写されるDNAセグメントにアクセスできる必要があります（つまり、密集していてはなりません）。DNAセグメントにアクセスできるようになると、RNAポリメラーゼはRNAヌクレオチドをテンプレートDNA鎖にペアリングすることにより、コーディングDNA鎖の転写を開始できます。転写の初期段階では、RNAポリメラーゼはDNAテンプレート鎖上のプロモーター領域を検索します。RNAポリメラーゼがこの領域に結合すると、3'から5'の方向にテンプレートDNA鎖を「読み取り」始めます。 [8] RNAポリメラーゼは、テンプレートDNA鎖に相補的なRNA塩基を付加します（チミンの代わりにウラシルが使用されます）。新しいヌクレオチド塩基は互いに共有結合します。[9]新しい塩基は最終的にDNA塩基から解離しますが、互いに結合したまま新しいmRNA鎖を形成します。このmRNA鎖は5'から3'方向に合成されます。[10] RNAがターミネーター配列に到達すると、DNAテンプレート鎖から解離し、mRNA配列も終了させます。
転写は細胞内で転写因子を介して制御されます。転写因子は、プロモーター領域やオペレーター領域などのDNA鎖の調節配列に結合するタンパク質です。これらの領域に結合したタンパク質は、RNAポリメラーゼがDNA鎖を直接読み取るのを直接停止したり許可したり、または他のタンパク質にRNAポリメラーゼの読み取りを停止または許可するように信号を送ることができます。[11]
翻訳
翻訳中、リボソームはmRNA (メッセンジャー RNA) の配列をアミノ酸配列に変換します。mRNA の 3 塩基対長の各セグメントは、 1 つのアミノ酸または停止信号に対応するコドンです。 [12]アミノ酸には、対応するコドンが複数あります。リボソームは、アミノ酸を mRNA コドンに直接結合しません。tRNA (トランスファー RNA) も利用する必要があります。トランスファー RNA はアミノ酸に結合することができ、mRNA コドンに水素結合できるアンチコドンを含みます。[13]アミノ酸を tRNA に結合するプロセスは、tRNA チャージングとして知られています。ここで、酵素アミノアシル tRNA シンテターゼは2 つの反応を触媒します。最初の反応では、AMP 分子 (ATP から切断) をアミノ酸に結合します。2 番目の反応では、アミノアシル AMP を切断して、アミノ酸を tRNA 分子に結合するためのエネルギーを生成します。[14]
リボソームには、大きいサブユニットと小さいサブユニットの 2 つがあります。これらのサブユニットは mRNA 鎖を取り囲んでいます。大きい方のサブユニットには、A (アミノアシル)、P (ペプチジル)、E (出口) の 3 つの結合部位があります。翻訳開始 (原核生物と真核生物で異なります) 後、リボソームは繰り返しサイクルに続く伸長期に入ります。最初に、正しいアミノ酸を持つ tRNA が A 部位に入ります。リボソームは、P 部位の tRNA から A 部位の tRNA の新しいアミノ酸にペプチドを転送します。P 部位の tRNA は E 部位に移動され、そこで排出されます。これは、リボソームが終止コドンに到達するか、停止信号を受信するまで継続的に発生します。[13] P 部位の tRNA に結合したアミノ酸と A 部位の tRNA に結合したアミノ酸の間にペプチド結合が形成されます。ペプチド結合の形成にはエネルギーの入力が必要です。反応する2つの分子は、1つのアミノ酸のαアミノ基と他のアミノ酸のαカルボキシル基です。この結合形成の副産物として水が放出されます（アミノ基はプロトンを、カルボキシル基はヒドロキシルを供与します）。[2]
翻訳はmiRNA （マイクロRNA）によってダウンレギュレーションされることがあります。これらのRNA鎖は、相補的なmRNA鎖を切断し、翻訳を停止します。[15]翻訳はヘルパータンパク質によっても制御されます。たとえば、真核生物開始因子2（eIF-2）と呼ばれるタンパク質は、リボソームの小さなサブユニットに結合して翻訳を開始します。elF-2がリン酸化されると、リボソームに結合できなくなり、翻訳が停止します。[16]
翻訳後修飾
ペプチド鎖が合成されたら、さらに修飾する必要があります。翻訳後修飾は、タンパク質の折り畳みの前または後に発生する可能性があります。翻訳後にペプチド鎖を修飾する一般的な生物学的方法には、メチル化、リン酸化、およびジスルフィド結合形成があります。メチル化はアルギニンまたはリジンでよく行われ、窒素にメチル基が追加されます（水素が置き換えられます）。これらのアミノ酸のR 基は、窒素との結合が 4 を超えない限り、複数回メチル化できます。メチル化により、これらのアミノ酸の水素結合を形成する能力が低下するため、メチル化されたアルギニンとリジンは、標準的な対応物とは異なる特性を持ちます。リン酸化は、セリン、スレオニン、およびチロシンでよく行われ、 R 基の末端のアルコール基の水素がリン酸基に置き換えられます。これにより、R 基に負電荷が追加され、標準的な対応物と比較してアミノ酸の挙動が変わります。ジスルフィド結合の形成は、鎖内の2つのシステインアミノ酸の間にジスルフィド結合（共有結合）を形成し、折り畳まれた構造に安定性を加えることである。[17]
タンパク質の折り畳み
細胞内のポリペプチド鎖は直線状である必要はなく、分岐したり、折り畳まれたりすることもあります。ポリペプチド鎖は、その鎖が入っている溶液に応じて特定の方法で折り畳まれます。すべてのアミノ酸に異なる特性を持つ R 基が含まれていることが、タンパク質が折り畳まれる主な理由です。
- 細胞質のような親水性環境では、疎水性アミノ酸はタンパク質の中心部に集中し、親水性アミノ酸は外側にあります。これは、水分子が疎水性アミノ酸よりも親水性アミノ酸の周りをはるかに自由に移動できるため、エントロピー的に有利です。
- 疎水性環境では、親水性アミノ酸はタンパク質の中心部に集中し、疎水性アミノ酸は外側に位置する。親水性アミノ酸間の新しい相互作用は疎水性-親水性相互作用よりも強いため、これはエンタルピー的に有利である。[18]
ポリペプチド鎖が完全に折り畳まれると、それはタンパク質と呼ばれます。多くの場合、多くのサブユニットが結合して完全に機能するタンパク質を形成しますが、1つのポリペプチド鎖のみを含む生理学的タンパク質も存在します。タンパク質には、血液中の酸素を運ぶ役割を果たすタンパク質であるヘモグロビンのヘム基など、他の分子が組み込まれることもあります。 [19]
タンパク質分解
タンパク質異化は、タンパク質がアミノ酸に分解されるプロセスです。これはタンパク質分解とも呼ばれ、さらにアミノ酸の分解が続くことがあります。
酵素によるタンパク質分解
プロテアーゼ
プロテアーゼ（ペプチダーゼとしても知られる）は、もともと酵素反応を阻害するだけと考えられていましたが、実際には切断を通じてタンパク質の異化を助け、以前には存在しなかった新しいタンパク質を作り出します。プロテアーゼは代謝経路の調節も助けます。これを行う方法の 1 つは、実行する必要のない経路（血中グルコース濃度が高い場合の糖新生など）で酵素を切断することです。これにより、可能な限り多くのエネルギーを節約し、無駄なサイクルを回避するのに役立ちます。無駄なサイクルは、異化経路と同化経路の両方が同時に同じ反応に対して有効であり、同じ速度である場合に発生します。生成される中間体が消費されるため、体は正味の利益を得ません。無駄なサイクルを通じてエネルギーが失われます。プロテアーゼは、経路の 1 つの速度を変更することによってこのサイクルの発生を防ぎ、または主要な酵素を切断して経路の 1 つを停止することができます。プロテアーゼは基質に結合する際に非特異的であり、エネルギー効率の高い方法でより簡単に切断できるため、細胞内や他のタンパク質の多様性を大幅に高めることができます。[20]
多くのプロテアーゼは非特異的であるため、細胞内で高度に制御されています。制御がなければ、プロテアーゼは生理学的プロセスに不可欠な多くのタンパク質を破壊します。体がプロテアーゼを制御する方法の 1 つは、プロテアーゼ阻害剤を使用することです。プロテアーゼ阻害剤は、他のタンパク質、小さなペプチド、または分子である可能性があります。プロテアーゼ阻害剤には、可逆性と不可逆性の 2 種類があります。可逆性プロテアーゼ阻害剤は、プロテアーゼと非共有結合性相互作用を形成し、その機能を制限します。これらは、競合阻害剤、非競合阻害剤、および非競合阻害剤です。競合阻害剤は、ペプチドと競合してプロテアーゼの活性部位に結合します。非競合阻害剤は、ペプチドが結合している間にプロテアーゼに結合しますが、プロテアーゼがペプチド結合を切断できないようにします。非競合阻害剤は、その両方を行うことができます。不可逆性プロテアーゼ阻害剤は、プロテアーゼの活性部位を共有結合的に変更して、ペプチドを切断できないようにします。 [21]
エキソペプチダーゼ
エキソペプチダーゼは、主に水の添加によってアミノ酸側鎖の末端を切断できる酵素である。[6]エキソペプチダーゼ酵素は小腸に存在している。これらの酵素には2つのクラスがある。アミノペプチダーゼは刷子縁酵素であり、カルボキシペプチダーゼは膵臓由来である。アミノペプチダーゼは、タンパク質のアミノ末端からアミノ酸を除去する酵素である。これらはすべての生命体に存在し、安定性を維持するために多くの細胞タスクを実行するため、生存に不可欠である。この形態のペプチダーゼは亜鉛金属酵素であり、遷移状態類似体によって阻害される。この類似体は実際の遷移状態に似ているため、酵素を実際の遷移状態の代わりに結合させ、基質の結合を防ぎ、反応速度を低下させることができる。[22]カルボキシペプチダーゼはタンパク質のカルボキシル末端を切断する。これらはタンパク質を異化することもできるが、転写後修飾に使われることが多い。[23]
エンドペプチダーゼ
エンドペプチダーゼは、ペプチド鎖の内部ペプチド結合に水を加え、その結合を切断する酵素である。 [6]膵臓由来の一般的なエンドペプチダーゼには、ペプシン、トリプシン、キモトリプシンの3つがある。キモトリプシンは、芳香族残基を切断する加水分解反応を行う。関与する主なアミノ酸は、セリン、ヒスチジン、アスパラギン酸である。これらはすべてペプチド結合の切断に役割を果たす。これらの3つのアミノ酸は触媒トライアドとして知られており、適切に機能するためにはこれら3つすべてが存在する必要があることを意味する。[6]トリプシンは長い正に帯電した残基を切断し、活性部位に負に帯電した結合ポケットを有する。どちらもチモーゲンとして生成されるため、最初は不活性な状態で見つかり、加水分解反応による切断後に活性化される。[2]ペプチド骨格と触媒三元構造間の水素結合などの非共有結合相互作用は反応速度の向上に役立ち、これらのペプチダーゼが多くのペプチドを効率的に切断することを可能にします。 [6]
環境変化によるタンパク質分解
pH
細胞タンパク質は、アミノ酸のプロトン化状態の変化を防ぐために、比較的一定の pH に保たれています。[24] pH が低下すると、ポリペプチド鎖内の一部のアミノ酸は、R 基のpkaが新しい pH よりも高い場合、プロトン化される可能性があります。プロトン化により、これらの R 基の電荷が変化する可能性があります。pH が上昇すると、鎖内の一部のアミノ酸は脱プロトン化される可能性があります(R 基の pka が新しい pH よりも低い場合)。これにより、R 基の電荷も変化します。多くのアミノ酸は静電引力に基づいて他のアミノ酸と相互作用するため、電荷が変化するとこれらの相互作用が切断される可能性があります。これらの相互作用が失われると、タンパク質の構造が変わりますが、最も重要なのは、タンパク質の機能が変更されることです。これは、有益にも有害にもなり得ます。pH が大幅に変化すると、アミノ酸が行う多くの相互作用が中断され、タンパク質が変性(展開) する可能性もあります。 [24]
温度
環境温度が上昇すると、分子の動きが速くなります。水素結合と疎水性相互作用は、タンパク質を安定させる重要な力です。温度が上昇し、これらの相互作用を含む分子の動きが速すぎると、相互作用が損なわれたり、破壊されたりします。高温では、これらの相互作用は形成されず、機能的なタンパク質は変性します。[25]ただし、これは、使用するタンパク質の種類と適用される熱量の2つの要素に依存します。適用される熱量によって、タンパク質のこの変化が永続的なものか、元の形に戻ることができるかが決まります。[26]
参考文献
- ^ 「転写、翻訳、複製」www.atdbio.com . 2019年2月12日閲覧。
- ^ abc ベルグ JM、ティモツコ JL、ストリヤ L (2002)。生化学 (第 5 版)。 WHフリーマン。ISBN 978-0-7167-3051-4. OCLC 48055706.
- ^ 「タンパク質代謝」。Encyclopedia.com 。 2020年10月7日。
- ^ Nuttall FQ、 Gannon MC（2013年5月）。「食事性タンパク質と血糖濃度」。 糖尿病。62（5）：1371–2。doi ：10.2337/db12-1829。PMC 3636610。PMID 23613553。
- ^ Foufelle, F.; Ferré, P. (2013). 「白色脂肪細胞における脂肪酸とトリグリセリドの貯蔵と合成のメカニズム」。Bastard, JP.; Fève, B. (編)。脂肪組織の生理学と病理学。Springer。pp. 101–121。doi :10.1007 / 978-2-8178-0343-2_8。ISBN 978-2-8178-0343-2。
- ^ abcdef Voet D, Pratt CW, Voet JG (2013) [2012].生化学の基礎：分子レベルでの生命（第4版）. Wiley. pp. 712–765. ISBN 978-0-470-54784-7. OCLC 782934336.
- ^ 「アミノ酸合成」。homepages.rpi.edu 。 2019年2月20日閲覧。
- ^ Brown TA (2002).ゲノム（第2版）. オックスフォード: Bios. ISBN 978-1-85996-228-2. OCLC 50331286.
- ^ 「生物学者のための化学：核酸」www.rsc.org . 2019年2月20日閲覧。
- ^ Griffiths AJ (2000).遺伝子解析入門（第7版）. WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5. OCLC 42049331.
- ^ Alberts B、Johnson A、Lewis J、Raff M、Roberts K、Walter P.細胞の分子生物学（第4版）。ISBN 978-0-8153-3218-3. OCLC 48122761.
- ^ 「国立ヒトゲノム研究所（NHGRI）」。国立ヒトゲノム研究所（NHGRI）。2019年2月20日閲覧。
- ^ ab Cooper GM (2000). 細胞：分子アプローチ（第2版）。ASM Press。ISBN 978-0-87893-119-4. OCLC 43708665.
- ^ 「MolGenT - tRNA Charging」. halo.umbc.edu . 2019年3月22日閲覧。
- ^ 「miRNA（マイクロRNA）入門」Sigma-Aldrich . 2019年3月22日閲覧。
- ^ Kimball SR (1999年1月). 「真核生物開始因子eIF2」.国際生化学・細胞生物学誌. 31 (1): 25–9. doi :10.1016/S1357-2725(98)00128-9. PMID 10216940.
- ^ Green KD、 Garneau- Tsodikova S (2010)。「タンパク質の翻訳後修飾」。包括的天然物 II。化学、分子科学、化学工学の参照モジュール。第 5 巻。エルゼビア。pp. 433–468。doi :10.1016/ b978-008045382-8.00662-6。ISBN 978-0-08-045382-8。
- ^ Lodish HF (2000). 分子細胞生物学（第4版）. WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3136-8. OCLC 41266312.
- ^ 「ヘム」。PubChem。26945 。 2019年2月20日閲覧。
- ^ López-Otín C, Bond JS (2008 年 11 月). 「プロテアーゼ: 生命と疾患における多機能酵素」. The Journal of Biological Chemistry . 283 (45): 30433–7. doi : 10.1074/jbc.R800035200 . PMC 2576539. PMID 18650443 .
- ^ ゲレッティ AM (2006)。臨床現場における抗レトロウイルス耐性。メディスクリプト。ISBN 978-0-9551669-0-7. OCLC 77517389.
- ^ Taylor A (1993年2月). 「アミノペプチダーゼ：構造と機能」. FASEBジャーナル. 7 (2): 290–8. doi : 10.1096/fasebj.7.2.8440407 . PMID 8440407. S2CID 23354720.
- ^ 「カルボキシペプチダーゼ」www.chemistry.wustl.edu . 2019年3月23日閲覧。
- ^ ab Nelson DL, Cox MM, Lehninger AL (2013). Lehninger 生化学の原理(第 6 版). ニューヨーク: WH Freeman and Company. OCLC 824794893.
- ^ 「変性タンパク質」chemistry.elmhurst.edu . 2019年2月20日閲覧。
- ^ Djikaev, YS; Ruckenstein, Eli (2008). 「タンパク質フォールディングの核形成メカニズムと天然タンパク質のバリアレス熱変性に対する温度の影響」.物理化学化学物理学. 10 (41): 6281–300. Bibcode :2008PCCP...10.6281D. doi :10.1039/b807399f. ISSN 1463-9076. PMID 18936853.