疎水性スケール

疎水性スケールは、アミノ酸残基の相対的な疎水性または親水性を定義する値です。値が正であるほど、タンパク質のその領域にあるアミノ酸の疎水性が高くなります。これらのスケールは、膜タンパク質の膜貫通αヘリックスを予測するためによく使用されます。タンパク質のアミノ酸を連続的に測定すると、値の変化は、特定のタンパク質領域が脂質二重層内の疎水性領域に引き寄せられていることを示します。

化合物またはアミノ酸の疎水性または親水性の特性は、そのハイドロパシー特性、^[1]ハイドロパシー性、またはハイドロパシーと呼ばれます。

疎水効果は、水が非極性分子を排除する傾向を表します。この効果は、液体の水の分子間の非常に動的な水素結合の破壊から生じます。メタノールの OH 基などの極性化学基は、疎水効果を引き起こしません。ただし、ヘキサンなどの純粋な炭化水素分子は、水に水素結合を受け入れたり提供したりすることはできません。ヘキサンを水に導入すると、水分子間の水素結合ネットワークが破壊されます。水素結合は、ヘキサン分子の周囲に水の「ケージ」を構築することによって部分的に再構築されます。これは、低温で形成されるクラスレート水和物の場合と同様です。「ケージ」（または溶媒和シェル）内の水分子の移動性は大幅に制限されます。これにより、水分子の並進エントロピーと回転エントロピーが大幅に失われ、システムの自由エネルギーの観点からプロセスが不利になります。 ^{[2] [3] [4] [5]}熱力学の観点から、疎水効果は溶質を取り囲む水の自由エネルギー変化です。^[6]周囲の溶媒の正の自由エネルギー変化は疎水性を示し、負の自由エネルギー変化は親水性を意味します。このように、疎水性効果は局所化できるだけでなく、エンタルピーとエントロピーの寄与に分解することもできます。

数多くの異なる疎水性スケールが開発されている。^{[3] [1] [7] [8] [9]} Expasy Protscaleのウェブサイトには合計22の疎水性スケールが掲載されている。^[10]

表に示されている 4 つのスケールには明らかな違いがあります。^[11] 2 番目と 4 番目のスケールはどちらも、他の 2 つのスケールとは異なり、システインを最も疎水性の残基として位置付けています。この違いは、疎水性を測定するために使用された方法が異なるためです。Janin と Rose らのスケールを取得するために使用された方法は、既知の 3-D 構造を持つタンパク質を調べ、残基がタンパク質の表面ではなく内部に存在する傾向として疎水性特性を定義することでした。^{[12] [13]}システインは球状構造の内部で発生するジスルフィド結合を形成するため、システインは最も疎水性であるとランク付けされています。1 番目と 3 番目のスケールは、アミノ酸側鎖の生理化学的特性から派生しています。これらのスケールは、主にアミノ酸構造の検査から生じます。^{[14] [1]} Biswas らは、スケールを取得するために使用された方法に基づいて、スケールを 5 つの異なるカテゴリに分類しました。^[3]

アミノ酸の疎水性を測定する最も一般的な方法は、2つの混ざらない液相に分配する方法です。タンパク質内部を模倣するために、異なる有機溶媒が最も広く使用されています。しかし、有機溶媒は水とわずかに混ざり、両方の相の特性が変化するため、純粋な疎水性スケールを得ることが困難です。^[3] NozakiとTanfordは、9つのアミノ酸の最初の主要な疎水性スケールを提案しました。^[15]エタノールとジオキサンを有機溶媒として使用し、各アミノ酸の移動の自由エネルギーを計算しました。非液体相も、ミセル相や気相などの分配法で使用できます。ミセル相を使用して2つのスケールが開発されています。^{[16] [17]} Fendlerらは、ドデシル硫酸ナトリウム（SDS）ミセルを使用して14の放射性標識アミノ酸の分配を測定しました。また、気相を使用してアミノ酸側鎖の水に対する親和性を測定した。^[14]気相は最も単純な非極性相である。なぜなら、それは溶質と相互作用しないからである。^[18]水和ポテンシャルと、それがタンパク質表面のアミノ酸の出現と相関関係にあることは、ウォルフェンデンによって研究された。水性相とポリマー相は、新しい分割スケールの開発に使用された。^[19]分割法には多くの欠点がある。第一に、タンパク質内部を模倣することは難しい。^{[20] [21]}さらに、自己溶媒和の役割により、遊離アミノ酸の使用が非常に困難になる。さらに、有機溶媒への移行で失われた水素結合は再形成されず、タンパク質内部に残ることが多い。^[22]

疎水性スケールは、伸長したポリペプチド鎖^[22]またはαヘリックス内のアミノ酸残基の溶媒アクセス可能な表面積を計算し、その表面積に、対応する種類の原子の経験的溶媒和パラメータを掛けることによっても得ることができる。 ^[3] 進化による自己組織化により臨界点付近で凝縮されたネットワークとしてのタンパク質に基づく、溶媒アクセス可能な表面積の差分疎水性スケールは、漸近的べき乗法則（自己相似性）挙動に基づいて構築された。^{[23] [24]}このスケールは、タンパク質データバンクの 5526 の高解像度構造のバイオインフォマティクス調査に基づいている。この差分スケールには、2 つの比較的利点がある。(1) 従来の力場計算ではアクセスできないほど小さい水-タンパク質相互作用の変化を扱うのに特に有用である。(2) 相同構造の場合、in vitro または in vivo のいずれかで対応する構造変化を決定することなく、アミノ酸配列の変異のみによる特性の変化との相関関係を生成できる。

逆相液体クロマトグラフィー（RPLC）は、溶質の疎水性を測定するための最も重要なクロマトグラフィー法です。^{[3] [25]}非極性固定相は生体膜を模倣しています。ペプチドの使用には、RPLCの末端電荷によって分配が拡張されないため多くの利点があります。また、短い配列のペプチドを使用することで二次構造の形成を回避できます。アミノ酸の誘導体化は、C18結合相への分配を容易にするために必要です。別のスケールは1971年に開発され、親水性ゲル上のペプチド保持を使用しました。^[26]この特定のスケールでは、1-ブタノールとピリジンが移動相として使用され、グリシンが参照値として使用されました。Pliskaと彼の同僚^[27]は薄層クロマトグラフィーを使用して、遊離アミノ酸の移動度値をそれらの疎水性と関連付けました。約10年前、別の親水性スケールが公開されました。このスケールは、順相液体クロマトグラフィーを使用し、アミド-80カラム上の121個のペプチドの保持を示しました。^[28] クロマトグラフィー法で測定される疎水性の絶対値と相対順位は、シリカの表面積と細孔径、水性緩衝液の選択とpH、温度、固定相鎖の結合密度など、多くのパラメータによって影響を受ける可能性がある。^[3]

この方法は DNA 組み換え技術を使用し、タンパク質の安定性を実際に測定します。宇谷氏と彼の同僚は、詳細な部位特異的変異誘発研究で、トリプトファン合成酵素の Trp49 で 19 個のアミノ酸を置換し、展開の自由エネルギーを測定しました。彼らは、安定性の増加が、特定のサイズ制限まで疎水性の増加に正比例することを発見しました。部位特異的変異誘発法の主な欠点は、20 個の天然アミノ酸すべてがタンパク質内の単一の残基を置換できるわけではないことです。さらに、これらの方法はコストの問題があり、タンパク質の安定性の測定にしか役立ちません。^{[3] [29]}

物理的特性法によって開発された疎水性スケールは、さまざまな物理的特性の測定に基づいています。例としては、部分モル熱容量、転移温度、表面張力などがあります。物理的方法は使いやすく、溶質に関して柔軟性があります。最も一般的な疎水性スケールは、NaCl 溶液中の天然に存在する 20 種類のアミノ酸の表面張力値を測定することによって開発されました。^[30]表面張力測定の主な欠点は、壊れた水素結合と中和された荷電基が溶液の空気界面に残ることです。^{[3] [1]}別の物理的特性法では、溶媒和自由エネルギーを測定します。^[31]溶媒和自由エネルギーは、溶媒への原子のアクセシビリティと原子溶媒和パラメータの積として推定されます。結果は、折り畳み時に溶媒和自由エネルギーが平均 1 Kcal/残基低下することを示しています。^[3]

パリサーとパリーは約100のスケールを調べ、タンパク質表面のBストランドの位置を特定するために使用できることを発見しました。^[32]疎水性スケールは、遺伝暗号の保存を予測するためにも使用されました。^[33]トリンキエは、遺伝暗号の保存された特徴をよりよく反映する塩基の新しい順序を観察しました。^[3]彼らは、ウラシル-グアニン-シストシン-アデニン（UGCA）という新しい塩基の順序が、一般的に見られるUCAGの順序と比較して、遺伝暗号の保存された特徴をよりよく反映していると信じました。^[3]

Wimley-White の全残基疎水性スケールは、2 つの理由で重要です。まず、ペプチド結合と側鎖の寄与を含み、絶対値を提供します。次に、ポリペプチドの移動自由エネルギーの直接的な実験的決定値に基づいています。

2 つの全残基疎水性スケールが測定されています。

• 1 つは、未折り畳み鎖を水から二重層界面に転送するためのものです (Wimley–White 界面疎水性スケールと呼ばれます)。
• 1 つは、折り畳まれていない鎖をオクタノールに転移するためのもので、二重層の炭化水素コアに関係します。

Stephen H. Whiteのウェブサイト^[34]には、水からPOPC界面およびn-オクタノールへの移動の自由エネルギーΔG(kcal/mol)を示す全残基疎水性スケールの例が掲載されています。^[34]これら2つのスケールは、全残基ハイドロパシープロットを作成するために一緒に使用されます。^[34] ΔG _woct − ΔG _wifを使用して構築されたハイドロパシープロットは、既知のTMヘリックスに対応する絶対スケール上に好ましいピークを示しています。したがって、全残基ハイドロパシープロットは、膜貫通セグメントが表面ではなく膜貫通位置を好む理由を示しています。^{[35] [36] [37] [38]}

既存の疎水性スケールのほとんどは、遊離型または短いペプチドの一部としてのアミノ酸の特性から導出されます。Bandyopadhyay-Mehler 疎水性スケールは、タンパク質構造のコンテキストにおけるアミノ酸の分割に基づいています。タンパク質構造は、さまざまなアミノ酸の配置によって生成されるさまざまな誘電媒体の複雑なモザイクです。したがって、タンパク質構造のさまざまな部分は、異なる誘電値を持つ溶媒として動作する可能性が高いです。簡単にするために、各タンパク質構造は、タンパク質内部とタンパク質外部の 2 つの溶媒の混和しない混合物と見なされました。個々のアミノ酸の周囲のローカル環境 (「マイクロ環境」と呼ばれる) は、タンパク質内部とタンパク質外部の両方について計算されました。比率は、個々のアミノ酸の相対的な疎水性スケールを示します。計算は、高解像度のタンパク質結晶構造でトレーニングされました。このマイクロ環境の定量的記述子は、ファーマコフォアに広く使用されているオクタノール-水分配係数(Rekker のフラグメント定数として知られる) から導出されました。このスケールは、分割と自由エネルギー計算に基づく既存の方法とよく相関しています。このスケールの利点は、実際のタンパク質構造のコンテキストであるため、より現実的であることです。^[9]

工学分野では、平らな表面（キッチンのカウンタートップや調理鍋など）の疎水性（または脱濡れ性）は、水滴の接触角によって測定できます。ネブラスカ大学リンカーン校の研究チームは最近、アミノ酸鎖の分子疎水性スケールを水ナノ液滴の接触角に関連付けることができる計算手法を考案しました。^[39]研究チームは、ベータシートタンパク質の天然構造を持つ統一されたアミノ酸側鎖で構成された平面ネットワークを構築しました。分子動力学シミュレーションを使用して、研究チームは平面ネットワーク上の水ナノ液滴の接触角（caHydrophobicity）を測定することができます。

一方、以前の研究では、バルク中の溶質に対する硬球溶質の過剰化学ポテンシャルの最小値は、接触角の余弦値に線形依存性を示すことが示されている。 ^[40]バルク中の溶質に対する純粋に反発的なメタンサイズのウィークス・チャンドラー・アンダーセン溶質の計算された過剰化学ポテンシャルに基づいて、接触角の余弦値の外挿値が計算され(cc疎水性)、これは完全な濡れ挙動を示すアミノ酸側鎖の疎水性を定量化するために使用できる。

• 疎水性の不一致

• ProtScale (ハイドロパシー プロットを計算するための Web ベースのツール)
• NetSurfP - 二次構造と表面アクセシビリティ予測ツール
• 全残基疎水性スケール
• 膜タンパク質探査機