結合部位

生化学および分子生物学において、結合部位とは、タンパク質などの高分子上の、他の分子に特異的に結合する領域である。^[1] 高分子の結合パートナーは、しばしばリガンドと呼ばれる。^{[2]リガンドには、他のタンパク質（}タンパク質間相互作用をもたらす）、^[3]酵素基質、^[4]セカンドメッセンジャー、ホルモン、またはアロステリックモジュレーターが含まれることがある。^[5] 結合イベントは、タンパク質の機能を変える構造変化を伴うことが多いが、常にそうであるとは限らない。^[6] タンパク質結合部位への結合は、ほとんどの場合可逆的（一時的かつ非共有結合的）であるが、共有結合的に可逆的^[7]または不可逆的であることもある。^{[8] [9]}

リガンドがタンパク質の結合部位に結合すると、タンパク質の構造変化が引き起こされ、細胞機能が変化することが多い。そのため、タンパク質の結合部位はシグナル伝達経路の重要な部分である。^[10]リガンドの種類には、神経伝達物質、毒素、神経ペプチド、ステロイドホルモンなどがある。^[11]結合部位は、酵素触媒、分子経路シグナル伝達、恒常性調節、生理機能など​​、さまざまな状況で機能変化を引き起こす。結合部位の電荷、立体形状、形状により、非常に特異的なリガンドが選択的に結合し、タンパク質が関与する特定の細胞間相互作用カスケードが活性化される。^{[12] [13] [14]}

酵素は、基質や生成物よりも遷移状態に強く結合することで触媒作用を発揮します。触媒結合部位では、いくつかの異なる相互作用が基質に作用する可能性があります。これらには、電気触媒、酸および塩基触媒、共有結合触媒、金属イオン触媒などがあります。 ^[11]これらの相互作用は、高エネルギー分子を安定化するための好ましい相互作用を提供することで、化学反応の活性化エネルギーを低下させます。酵素結合により、反応に関係のない物質をより近づけ、排除することができます。この特定の結合により、副反応も抑制されます。^{[15] [11]}

これらの作用を行うことができる酵素の種類には、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、リアーゼ、異性化酵素、リガーゼなどがある。^[16]

例えば、トランスフェラーゼヘキソキナーゼはグルコースのリン酸化を触媒してグルコース-6-リン酸を生成します。ヘキソキナーゼの活性部位残基は活性部位のグルコース分子の安定化を可能にし、好ましい相互作用の代替経路の開始を促し、活性化エネルギーを低下させます。^[17]

阻害剤の結合によるタンパク質阻害は、経路調節、恒常性調節、生理機能の阻害を引き起こす可能性があります。

競合阻害剤は、活性部位の遊離酵素に結合するために基質と競合し、結合時に酵素基質複合体の生成を阻害します。たとえば、一酸化炭素中毒は、ヘモグロビン中の酸素と競合する一酸化炭素の結合によって引き起こされます。

一方、非競合的阻害剤は活性部位で基質と同時に結合する。酵素基質（ES）複合体に結合すると、酵素基質阻害剤（ESI）複合体が形成される。競合的阻害剤と同様に、生成物形成速度も低下する。^[4]

最後に、混合阻害剤は遊離酵素と酵素基質複合体の両方に結合することができます。しかし、競合阻害剤や非競合阻害剤とは対照的に、混合阻害剤はアロステリック部位に結合します。アロステリック結合は、タンパク質の基質に対する親和性を高める可能性のある構造変化を引き起こします。この現象は正の変調と呼ばれます。逆に、タンパク質の基質に対する親和性を低下させるアロステリック結合は負の変調です。^[18]

活性部位では、基質が酵素に結合して化学反応を引き起こします。^{[19] [20]}基質、遷移状態、および生成物は、競合阻害剤と同様に活性部位に結合することができます。^{[19]たとえば、タンパク質機能の観点から見ると、筋細胞内のトロポニンへのカルシウムの結合は、トロポニンの構造変化を引き起こします。これにより、トロポミオシンは、ミオシンヘッドが結合して}架橋を形成するアクチン-ミオシン結合部位を露出させ、筋収縮を引き起こします。^[21]

血液の文脈では、競合的結合の例としては、ヘムの活性部位をめぐって酸素と競合する一酸化炭素が挙げられます。一酸化炭素の高い親和性は、低酸素濃度下では酸素に打ち勝つ可能性があります。このような状況では、一酸化炭素の結合により構造変化が誘発され、ヘムが酸素に結合しにくくなり、一酸化炭素中毒を引き起こします。^[4]

調節部位では、リガンドの結合によりタンパク質機能が増幅または阻害される可能性がある。^{[4] [22]}多量体酵素のアロステリック部位へのリガンドの結合は、多くの場合、正の協同性を誘導する。つまり、1つの基質の結合が好ましい構造変化を誘導し、酵素が2番目の基質に結合する可能性を高める。^{[23]調節部位リガンドには、}ホモトロピックリガンドとヘテロトロピックリガンドが含まれる可能性があり、それぞれ単一または複数のタイプの分子が酵素活性に影響を与える。^[24]

高度に調節されている酵素は、代謝経路に不可欠な場合が多い。例えば、解糖系でフルクトースをリン酸化するホスホフルクトキナーゼ（PFK）は、ATPによって大きく調節されている。解糖系におけるその調節は、経路の開始および速度制限段階であるため、必須である。PFKはまた、異化経路でATPを形成するために指定されるグルコースの量も制御する。したがって、ATPが十分なレベルにある場合、PFKはATPによってアロステリックに阻害される。この調節により、他の経路に必要なグルコースの蓄えが効率的に節約される。クエン酸回路の中間体であるクエン酸も、PFKのアロステリック調節因子として働く。^{[24] [25]}

結合部位は、その構造的特徴によっても特徴づけられる。単鎖部位（「モノデスミック」リガンドの場合、μόνος: 単一、δεσμός: 結合）は単一のタンパク質鎖によって形成されるが、多鎖部位（「ポリデスミック」リガンドの場合、πολοί: 多数）^[26]はタンパク質複合体によく見られ、通常はタンパク質界面またはその近くで、複数のタンパク質鎖に結合するリガンドによって形成される。最近の研究では、結合部位の構造がタンパク質複合体の生物学（機能の進化、アロステリー）に大きな影響を与えることが示されている。^{[27] [28]}

潜在的結合部位は、一時的にアポ型に形成されるか、またはリガンド結合によって誘導される結合部位である。潜在的結合部位を考慮すると、潜在的に「薬物化可能な」ヒトプロテオームのサイズが、疾患関連タンパク質の約 40% から約 78% に増加する。^[29]結合部位は、 「CryptoSite」データセットに適用されたサポートベクターマシン、^[29]「CryptoSite」データセットの拡張、^[30]マルコフ状態モデルと生物物理学的実験による長期スケールの分子動力学シミュレーション、 ^{[31]および相対}アクセス可能表面積に基づく潜在的部位インデックスによって調査されてきた。^[32]

結合曲線は、リガンドのタンパク質への結合挙動を表します。曲線は、シグモイド型または双曲線型の形状で特徴付けられ、それぞれタンパク質が協力的または非協力的な結合挙動を示すかどうかを反映します。^[33]通常、x軸はリガンドの濃度を表し、y軸は利用可能なすべての結合部位に結合したリガンドの飽和率を表します。^[4]曲線の形状を決定するときは通常、ミカエリスメンテン式が使用されます。ミカエリスメンテン式は定常状態に基づいて導出され、溶液中で起こる酵素反応を説明します。ただし、酵素が基質に結合している間に反応が起こる場合、速度論は異なります。^[34]

結合曲線を用いたモデリングは、血液中のヘモグロビンおよびミオグロビンへの酸素の結合親和性を評価する際に有用である。4つのヘム基を持つヘモグロビンは、協調的結合を示す。これは、ヘモグロビン上のヘム基への酸素の結合が、好ましい構造変化を誘発し、次のヘム基に対する酸素の結合親和性を高めることを意味する。このような状況では、ヘモグロビンの結合曲線は、酸素に対する結合親和性の増加により、シグモイド曲線となる。ミオグロビンはヘム基を1つしか持たないため、結合曲線上で双曲線となる非協調的結合を示す。^[35]

異なる生物と人間の間の生化学的差異は、医薬品開発に役立ちます。例えば、ペニシリンは細菌の酵素DD-トランスペプチダーゼを阻害することで細菌を殺し、細菌細胞壁の発達を破壊して細胞死を誘導します。したがって、結合部位の研究は、癌のメカニズム、^[36]、薬物製剤、^[37]、生理学的調節など、多くの研究分野に関連しています。^[38]タンパク質の機能をミュートする阻害剤の製剤は、薬物療法の一般的な形態です。^[39]

がんの分野では、天然リガンドに似た外観を持つように編集されたリガンドが腫瘍の成長を阻害するために使用されます。たとえば、化学療法薬であるメトトレキサートは、ジヒドロ葉酸還元酵素の活性部位で競合阻害剤として機能します。 ^{[40]この相互作用は}テトラヒドロ葉酸の合成を阻害し、DNA、RNA、タンパク質の生成を遮断します。^[40]この機能を阻害すると、腫瘍の成長が抑制され、重度の乾癬や成人の関節リウマチが改善されます。^[39]

心血管疾患では、高血圧患者の治療にベータ遮断薬などの薬剤が使用される。ベータ遮断薬（β遮断薬）は、心臓や血管のβ1受容体とβ2受容体へのアドレナリンとノルアドレナリンというホルモンの結合を阻害する降圧剤である。これらの受容体は通常、交感神経の「闘争・逃走」反応を媒介し、血管の収縮を引き起こす。^[41]

競合阻害剤も市販されているものが多い。ボツリヌス毒素は、商業的にはボトックスとして知られており、アセチルコリン依存性神経に結合することで筋肉の弛緩性麻痺を引き起こす神経毒である。この相互作用により筋肉の収縮が抑制され、平滑筋のような外観になる。^[42]

タンパク質上の結合部位の位置を予測するための計算ツールが数多く開発されている。^{[22] [43] [44]}これらは、配列ベースと構造ベースに大別できる。^[44] 配列ベースの方法は、結合部位などのタンパク質の機能的に保存された部分の配列が保存されているという仮定に基づいている。構造ベースの方法は、タンパク質の 3D 構造を必要とする。これらの方法は、テンプレートベースの方法とポケットベースの方法にさらに分けられる。^[44] テンプレートベースの方法は、標的タンパク質と既知の結合部位を持つタンパク質との間の 3D 類似性を検索する。ポケットベースの方法は、疎水性や水素結合能力などの特徴を持ち、高い親和性でリガンドと結合できる標的タンパク質内の凹面または埋め込まれたポケットを検索する。^[44]ここではポケットという用語が使用されているが、同様の方法を使用して、ポケットではなく、通常はより平面的なタンパク質間相互作用で使用される結合部位を予測することができる。^[45]

• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)の結合部位
• 酵素の活性部位の描画