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。値が正の値であるほど、タンパク質のその領域に存在するアミノ酸は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性質は、その疎水性特性、^{[ 1 ]}疎水性、または疎水性です。

疎水性効果は、水が非極性分子を排除する傾向を表します。この効果は、液体の水分子間の非常に動的な水素結合の破壊に起因します。メタノールのOH基のような極性化学基は疎水性効果を引き起こしません。しかし、例えばヘキサンのような純粋な炭化水素分子は、水と水素結合を受容したり供与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、低温で形成されるクラスレートハイドレートと同様に、ヘキサン分子の周りに水の「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。「ケージ」（または溶媒和殻）内の水分子の移動は強く制限されます。これにより、水分子の並進および回転エントロピーが大幅に減少し、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、疎水性効果は溶質を取り囲む水の自由エネルギー変化です。^{[ 6 ]}周囲の溶媒の自由エネルギー変化が正であれば疎水性を示し、負であれば親水性を示す。このようにして、疎水性効果は局所化されるだけでなく、エンタルピー的寄与とエントロピー的寄与に分解することもできる。

さまざまな疎水性スケールが開発されています。^{[ 3 ] [ 1 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Expasy ProtscaleのWeb サイトには、合計 22 の疎水性スケールが掲載されています。^{[ 10 ]}

表に示されている 4 つのスケールには明確な違いがあります。^{[ 11 ]} 2 番目と 4 番目のスケールでは、他の 2 つのスケールとは異なり、システインが最も疎水性の高い残基として位置付けられています。この違いは、疎水性を測定するために使用された方法の違いによるものです。Janin および 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 3D 構造を持つタンパク質を調べ、疎水性特性を、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しなければならない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の高いものとしてランク付けされています。1 番目と 3 番目のスケールは、アミノ酸側鎖の物理化学的特性から導き出されます。これらのスケールは主にアミノ酸構造の検査から得られます。^{[ 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、混ざり合わない 2 つの液相間の分配です。さまざまな有機溶媒が、タンパク質の内部を模倣するために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和し、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は困難です。^{[ 3 ]}野崎とタンフォードは、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が有機溶媒として使用され、各アミノ酸の移動の自由エネルギーが計算されました。ミセル相や気相などの非液相も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 ]}フェンドラーらは、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への親和性も測定しました。^{[ 14 ]}気相は溶質との相互作用がないため、最も単純な非極性相である。^{[ 18 ]}水和ポテンシャルとタンパク質表面へのアミノ酸の出現との相関関係は、Wolfenden によって研究された。水相とポリマー相は、新しい分配スケールの開発に使用された。^{[ 19 ]}分配法には多くの欠点がある。まず、タンパク質の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は非常に困難である。さらに、有機溶媒への移動で失われた水素結合は、タンパク質の内部で再形成されないことが多い。^{[ 22 ]}

^{疎水性スケールは、拡張ポリペプチド鎖[ 22 ]}またはαヘリックス内のアミノ酸残基の溶媒接触可能表面積を計算し、対応する原子タイプの経験的溶媒和パラメータを表面積に掛けることによっても得られます。 ^{[ 3 ]} 進化による自己組織化により、臨界点付近でコンパクト化されたネットワークとしてのタンパク質に基づく微分溶媒接触可能表面積疎水性スケールは、漸近べき乗則（自己相似）挙動に基づいて構築されました。^{[ 23 ] [ 24 ]}このスケールは、タンパク質データバンクからの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ます。この微分スケールには、2つの比較上の利点があります。(1) 従来の力場計算ではアクセスできないほど小さい水とタンパク質の相互作用の変化を扱うのに特に有用であり、(2) 相同構造の場合、in vitro またはin vivoでの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による特性の変化との相関関係を得ることができます。

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 では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。1971 年に別のスケールが開発され、親水性ゲルでのペプチド保持が使用されました。^{[ 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の疎水性に関連付けました。約 10 年前に、別の親水性スケールが発表されました。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 カラムでの 121 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によって決定される疎水性の絶対値と相対順位は、多くのパラメータによって影響を受ける可能性があります。これらのパラメータには、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が含まれます。^{[ 3 ]}

この方法は、DNA組換え技術を使用し、タンパク質の安定性を実際に測定します。宇谷氏らは詳細な部位特異的変異誘発研究において、トリプトファン合成酵素のTrp49に19種類のアミノ酸を置換し、アンフォールディングの自由エネルギーを測定しました。彼らは、ある一定のサイズ限界までは、安定性の増加が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種類の天然アミノ酸すべてがタンパク質の単一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を測定するのにのみ有用です。^{[ 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、切断された水素結合と中和された荷電基が溶液と空気の界面に残ることです。^{[ 3 ] [ 1 ]}別の物理的特性法には、溶媒和自由エネルギーの測定が含まれます。^{[ 31 ]}溶媒和自由エネルギーは、原子の溶媒へのアクセス可能性と原子溶媒和パラメーターの積として推定されます。結果は、折り畳みによって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、タンパク質の表面上の 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、遺伝暗号の保存特性をよりよく反映する新しい塩基の順序を観察しました。^{[ 3 ]}彼らは、新しい塩基の順序はウラシル-グアニン-シトシン-アデニン (UGCA) であり、一般的に見られる順序 UCAG と比較して、遺伝暗号の保存特性をよりよく反映していると考えました。^{[ 3 ]}

ウィムリー・ホワイトの全残基疎水性尺度は、2つの点で重要である。第一に、ペプチド結合と側鎖の両方の寄与を考慮し、絶対値を提供する。第二に、ポリペプチドの移動自由エネルギーについて、実験的に直接決定された値に基づいている。

ウィムリー・ホワイト尺度の共同開発者であるウィリアム・C・ウィムリー（左）とスティーブン・H・ホワイト（右）

2つの全残基疎水性尺度が測定された。

• 1つは、折り畳まれていない鎖が水から二重層界面へ移動する際の指標（ウィムリー・ホワイト界面疎水性スケールと呼ばれる）である。
• 一つは、折り畳まれていない鎖をオクタノールへ移動させるためのもので、これは二重層の炭化水素コアに関係する。

Stephen H. White の Web サイト^{[ 34 ]}には、水から POPC 界面および n-オクタノールへの自由エネルギー移動 ΔG(kcal/mol) を示す全残基疎水性スケールの例が提供されています。^{[ 34 ]}これらの 2 つのスケールは、全残基疎水性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疎水性プロットは、既知の TM ヘリックスに対応する絶対スケールで好ましいピークを示します。したがって、全残基疎水性プロットは、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、遊離状態のアミノ酸、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ています。Bandyopadhyay-Mehler疎水性スケールは、タンパク質構造におけるアミノ酸の分配に基づいています。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、異なる誘電率を持つ溶媒として振る舞う可能性が高いです。簡略化のため、各タンパク質構造は、タンパク質内部とタンパク質外部という2つの溶媒の混ざり合わない混合物として考えられました。個々のアミノ酸の周囲の局所環境（「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。この比率は、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、薬理活性部位に広く使用されているオクタノール-水分配係数（Rekkerの断片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文脈にあるため、より現実的であることです。^{[ 9 ]}

工学分野では、平らな表面（例えば、キッチンのカウンターや調理鍋）の疎水性（または濡れにくい性質）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、アミノ酸鎖の分子疎水性スケールと水ナノ液滴の接触角を関連付けることができる計算手法を考案しました。^{[ 39 ]}同チームは、β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る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することで、同チームは平面ネットワーク上の水ナノ液滴の接触角（ca疎水性）を測定することができました。

一方、これまでの研究では、バルク中のハードスフィア溶質の過剰化学ポテンシャルの最小値は、接触角のコサイン値に線形依存することが示されている。 ^{[ 40 ]}バルク中のメタンサイズのWeeks–Chandler–Andersen溶質の計算された過剰化学ポテンシャルに基づいて、接触角のコサイン値の外挿値（cc疎水性）が計算され、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。

• 疎水性ミスマッチ

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