タンパク質構造

タンパク質の構造は、アミノ酸鎖分子内の原子の三次元配置です。タンパク質はポリマー 、具体的にはポリペプチドであり、ポリマーのモノマーであるアミノ酸 の配列から形成されます。単一のアミノ酸モノマーは、ポリマーの繰り返し単位を示す残基と呼ばれることもあります。タンパク質は、アミノ酸が縮合反応を起こすことによって形成されます。縮合反応では、アミノ酸は反応ごとに水分子を1つ失い、ペプチド結合で互いに結合します。慣例により、30アミノ酸未満の鎖は、タンパク質ではなくペプチドとして識別されることがよくあります。 ^[1]タンパク質は、生物学的機能を発揮できるように、水素結合、イオン相互作用、ファンデルワールス力、疎水性パッキングなどのいくつかの非共有結合相互作用によって引き起こされる1つ以上の特定の空間的立体配座に折り畳まれます。タンパク質の機能を分子レベルで理解するには、多くの場合、その三次元構造を決定する必要があります。これは、 X線結晶構造解析、NMR分光法、クライオ電子顕微鏡法（cryo-EM）、二重偏光干渉法などの技術を使用してタンパク質の構造を決定する構造生物学という科学分野のトピックです。

タンパク質構造の大きさは、数十から数千のアミノ酸に及びます。^[2]物理的な大きさによって、タンパク質は1～100 nmのナノ粒子に分類されます。タンパク質サブユニットからは非常に大きなタンパク質複合体を形成できます。たとえば、何千ものアクチン分子が集まってマイクロフィラメントを形成します。

タンパク質は通常、生物学的機能を果たす際に可逆的な 構造変化を起こします。同じタンパク質の異なる構造は異なる構造と呼ばれ、それらの間の遷移は構造変化と呼ばれます。

タンパク質構造には 4 つの異なるレベルがあります。

タンパク質の一次構造は、ポリペプチド鎖中のアミノ酸の配列を指す。一次構造は、タンパク質生合成の過程で作られるペプチド結合によって保持される。ポリペプチド鎖の両端は、各末端の遊離基の性質に基づいて、カルボキシル末端（C末端）とアミノ末端（N末端）と呼ばれる。残基のカウントは常に、アミノ基がペプチド結合に関与していない末端であるN末端（NH ₂基）から始まる。タンパク質の一次構造は、タンパク質に対応する遺伝子によって決定される。DNA内の特定のヌクレオチド配列はmRNAに転写され、翻訳と呼ばれるプロセスでリボソームによって読み取られる。インスリンのアミノ酸配列はフレデリック・サンガーによって発見され、タンパク質には定義的なアミノ酸配列があることが確立された。^{[3] [4]}タンパク質の配列はそのタンパク質に固有であり、タンパク質の構造と機能を定義する。タンパク質の配列は、エドマン分解法やタンデム質量分析法などの方法で決定できます。ただし、多くの場合、遺伝コードを使用して遺伝子の配列から直接読み取られます。タンパク質について議論するときは、「アミノ酸残基」という用語を使用することを強くお勧めします。これは、ペプチド結合が形成されると水分子が失われ、タンパク質がアミノ酸残基で構成されるためです。リン酸化やグリコシル化などの翻訳後修飾も通常は一次構造の一部と見なされ、遺伝子から読み取ることはできません。たとえば、インスリンは2つの鎖で51個のアミノ酸で構成されています。1つの鎖には31個のアミノ酸があり、もう1つの鎖には20個のアミノ酸があります。

二次構造とは、実際のポリペプチド骨格鎖上の非常に規則的な局所的サブ構造を指す。2 つの主な二次構造、α ヘリックスおよびβ ストランドまたはβ シートは、1951 年にライナス ポーリングによって提案された。^[5]これらの二次構造は、主鎖ペプチド グループ間の水素結合のパターンによって定義される。それらは規則的な形状を持ち、ラマチャンドラン プロット上の二面角 ψ および φ の特定の値に制限される。α ヘリックスおよび β シートは両方とも、ペプチド骨格内のすべての水素結合供与体および受容体を飽和させる方法を表す。タンパク質の一部は整列しているが、規則的な構造を形成しない。これらは、固定された 3 次元構造を欠く折り畳まれていないポリペプチド鎖であるランダム コイルと混同してはならない。いくつかの連続した二次構造は、「スーパー二次単位」を形成する場合がある。^[6]

三次構造とは、単一のタンパク質分子（単一のポリペプチド鎖）によって作られる3次元構造を指します。1つまたは複数のドメインが含まれます。αヘリックスおよびβプリーツシートは、コンパクトな球状構造に折り畳まれています。折り畳みは、非特異的 疎水性相互作用、つまり水による疎水性残基の埋め込みによって行われますが、構造が安定するのは、タンパク質ドメインの各部分が、塩橋、水素結合、および側鎖とジスルフィド結合の密集などの特異的三次相互作用によって所定の位置に固定されている場合のみです。細胞質（細胞内液）は一般に還元環境 であるため、ジスルフィド結合は細胞質タンパク質では非常にまれです。

四次構造は、単一の機能単位（多量体）として機能する2つ以上の個別のポリペプチド鎖（サブユニット）の集合体からなる3次元構造である。結果として生じる多量体は、三次構造の場合と同じ非共有相互作用およびジスルフィド結合によって安定化される。多くの四次構造の構成が可能である。^[7] 2つ以上のポリペプチド（すなわち複数のサブユニット）の複合体は、多量体と呼ばれる。具体的には、2つのサブユニットを含む場合は二量体、 3つのサブユニットを含む場合は三量体、4つのサブユニットを含む場合は四量体、 5つのサブユニットを含む場合は五量体などと呼ばれる。サブユニットは、二量体の2倍軸など、対称操作によって互いに関連していることが多い。同一のサブユニットから構成される多量体は「ホモ」という接頭辞で表され、異なるサブユニットから構成される多量体は「ヘテロ」という接頭辞で表されます。たとえば、ヘモグロビンの 2 つのアルファ鎖と 2 つのベータ鎖のようなヘテロ四量体です。

特定のポリペプチド鎖の複数のコピーの集合体は、ホモマー、マルチマー、またはオリゴマーとして説明できます。2021年にBertoliniらは^[8]、ホモマー形成は、近くのリボソームによってmRNAから翻訳される新生ポリペプチド鎖間の相互作用によって引き起こされる可能性があるという証拠を提示しました。何百ものタンパク質がヒト細胞内でホモマーに組み立てられていることが確認されています。^{[8]組み立てのプロセスは、多くの場合、ポリペプチド鎖のN末端領域の相互作用によって開始されます。遺伝子}内補完の証拠 に基づいて、さまざまな生物で多数の遺伝子産物がホモマー（マルチマー）を形成するという証拠は、1965年にレビューされました。^[9]

タンパク質は、複数の構造単位から構成されるとよく​​言われます。これらの単位には、ドメイン、モチーフ、フォールドが含まれます。真核生物系では約 100,000 種類の異なるタンパク質が発現していますが、ドメイン、構造モチーフ、フォールドの数はそれよりはるかに少ないです。

構造ドメインは、タンパク質の全体構造の要素であり、自己安定化し、多くの場合、タンパク質鎖の残りの部分とは独立して折り畳まれます。多くのドメインは、1 つの遺伝子または 1 つの遺伝子ファミリーのタンパク質産物に固有のものではなく、さまざまなタンパク質に存在します。ドメインは、属するタンパク質の生物学的機能で重要な役割を果たしているため、多くの場合、名前が付けられ、区別されます。たとえば、「カルモジュリンのカルシウム結合ドメイン」などです。ドメインは独立して安定しているため、遺伝子工学によって1 つのタンパク質と別のタンパク質の間でドメインを「交換」して、キメラタンパク質を作成できます。タンパク質チロシンホスファターゼドメインとC2 ドメインペアなど、異なるタンパク質に発生するいくつかのドメインの保守的な組み合わせは、「スーパードメイン」と呼ばれ、単一のユニットとして進化する可能性があります。^[10]

構造モチーフと配列モチーフは、多数の異なるタンパク質で発見されたタンパク質の3次元構造またはアミノ酸配列の短いセグメントを指します。

三次タンパク質構造では、同じポリペプチド鎖上に複数の二次要素が存在する場合があります。超二次構造とは、β-α-β ユニットやヘリックス-ターン-ヘリックスモチーフなどの二次構造要素の特定の組み合わせを指します。これらの一部は構造モチーフとも呼ばれます。

タンパク質フォールドとは、ヘリックス束、βバレル、ロスマンフォールド、またはタンパク質構造分類データベースで提供されているさまざまな「フォールド」などの一般的なタンパク質構造を指します。^[11]関連する概念はタンパク質トポロジーです。

タンパク質は静的な物体ではなく、むしろ立体構造状態の集合体です。これらの状態間の遷移は典型的にはナノスケールで起こり、アロステリックシグナル伝達^[12]や酵素触媒^[13] などの機能的に関連する現象と結び付けられています。タンパク質のダイナミクス と立体構造の変化により、タンパク質は細胞内でナノスケールの生物学的機械として機能することができ、多くの場合、多タンパク質複合体 の形で存在します。^[14]例としては、筋収縮を担うミオシン、細胞内の貨物を微小管に沿って核から遠ざけるキネシン、細胞内の貨物を核に向かって移動させ、運動性繊毛と鞭毛の軸索拍動を生み出すダイニンなどのモータータンパク質が挙げられます。 「実際、[運動繊毛]は、分子複合体内のおそらく600以上のタンパク質で構成されたナノマシンであり、その多くはナノマシンとして独立して機能する...柔軟なリンカーは、それらによって接続された可動性タンパク質ドメインが結合パートナーをリクルートし、タンパク質ドメインダイナミクスを介して長距離アロステリーを誘発することを可能にする。」^[15]

タンパク質は、他のタンパク質との相互作用や酵素活性の影響を受けて構造変化を起こす比較的安定した三次構造であると考えられることが多い。しかし、タンパク質の安定性はさまざまであり、安定性の低い変異体の中には本質的に無秩序なタンパク質もある。これらのタンパク質は、安定した三次構造を欠いた比較的「無秩序な」状態で存在し、機能する。その結果、単一の固定された三次構造で記述することは困難である。本質的に無秩序なタンパク質のコンフォメーション状態をより正確かつ「動的」に表現する方法として、コンフォメーションアンサンブルが考案された。^{[17] [16]}

タンパク質アンサンブルファイルは、柔軟な構造を持つと考えられるタンパク質の表現です。これらのファイルを作成するには、理論的に可能なさまざまなタンパク質の立体構造のうち、実際に存在するものを特定する必要があります。1 つの方法は、タンパク質データに計算アルゴリズムを適用して、アンサンブルファイルの最も可能性の高い立体構造のセットを特定することです。タンパク質アンサンブル データベースのデータの準備には複数の方法があり、プール アプローチと分子動力学 (MD) アプローチの 2 つの一般的な方法論に分類されます (図に図解)。プール ベースのアプローチでは、タンパク質のアミノ酸配列を使用して、ランダム立体構造の大規模なプールを作成します。次に、このプールに対してさらに計算処理が行われ、構造に基づいて各立体構造の理論パラメータのセットが作成されます。このプールから、平均理論パラメータがこのタンパク質の既知の実験データとほぼ一致する立体構造サブセットが選択されます。もう 1 つの分子動力学アプローチでは、一度に複数のランダム立体構造を取り、それらすべてを実験データに当てはめます。ここで、実験データは立体構造に課される制限 (原子間の既知の距離など) として機能します。実験データによって設定された制限内にとどまるコンフォメーションのみが受け入れられます。このアプローチでは、多くの場合、大量の実験データをコンフォメーションに適用しますが、これは非常に計算量の多い作業です。^[16]

Sic1 / Cdc4、^[18]、 p15 PAF、^[19]、 MKK7、^[20]、 β-シヌクレイン^[21]、P27 ^[22]など、非常に動的で部分的に折り畳まれていないタンパク質のコンフォメーションアンサンブルが生成された。

翻訳されると、ポリペプチドは主にランダムコイルとしてリボソームから出て、本来の状態に折り畳まれる。^{[23] [24]}タンパク質鎖の最終的な構造は、一般的にアミノ酸配列によって決定されると考えられている（アンフィンセンの教義）。^[25]

タンパク質の熱力学的安定性は、タンパク質が折り畳まれた状態と折り畳まれていない状態の間の自由エネルギーの差を表します。この自由エネルギーの差は温度に非常に敏感であるため、温度の変化によってタンパク質が折り畳まれなくなったり変性したりすることがあります。タンパク質が変性すると、機能が失われ、本来の状態が失われることがあります。可溶性球状タンパク質の安定化の自由エネルギーは、通常 50 kJ/mol を超えません。^[要出典]二次構造の安定化のために生じる多数の水素結合と、疎水性相互作用による内核の安定化を考慮すると、安定化の自由エネルギーは大きな数値の間の小さな差として現れます。^[26]

タンパク質データバンクに登録されているタンパク質構造の約90%は、X線結晶構造解析によって決定されています。^{[27]この方法により、}結晶化したタンパク質内の電子の3次元（3D）密度分布を測定し、特定の解像度で決定するすべての原子の3D座標を推測することができます。既知のタンパク質構造の約7%は、核磁気共鳴（NMR）技術によって得られています。 ^[28]より大きなタンパク質複合体の場合は、クライオ電子顕微鏡でタンパク質構造を決定できます。解像度は通常、X線結晶構造解析（NMR）よりも低くなりますが、最大解像度は着実に向上しています。この技術は、ウイルスコートタンパク質やアミロイド繊維 などの非常に大きなタンパク質複合体に対して特に有用です。

一般的な二次構造の構成は、円二色性によって決定できます。振動分光法は、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質の立体配座を特徴付けるためにも使用できます。^[29] 2次元赤外分光法は、他の方法では研究できない柔軟なペプチドやタンパク質の構造を調べるための貴重な方法になっています。^{[30] [31]}タンパク質構造のより定性的な画像は、多くの場合、タンパク質分解によって得られます。これは、より結晶化しやすいタンパク質サンプルをスクリーニングするのにも役立ちます。高速並列タンパク質分解（FASTpp）を含むこのアプローチの新しい実装では、精製を必要とせずに構造化された画分とその安定性を調べることができます。^{[32]タンパク質の構造が実験的に決定されたら、その構造の}分子動力学シミュレーションを使用して、さらに詳細な研究を計算で行うことができます。^[33]

タンパク質構造データベースは、実験的に決定されたさまざまなタンパク質構造に基づいてモデル化されたデータベースです。ほとんどのタンパク質構造データベースの目的は、タンパク質構造を整理して注釈を付け、生物学コミュニティが実験データに便利な方法でアクセスできるようにすることです。タンパク質構造データベースに含まれるデータには、多くの場合、3D 座標に加えて、X 線結晶構造解析で決定された構造の単位格子寸法や角度などの実験情報が含まれています。ほとんどの場合 (この場合はタンパク質またはタンパク質の特定の構造決定)、配列情報も含まれており、一部のデータベースでは配列ベースのクエリを実行する手段も提供されていますが、構造データベースの主な属性は構造情報です。一方、配列データベースは配列情報に重点を置いており、大部分のエントリには構造情報が含まれていません。タンパク質構造データベースは、構造ベースの薬物設計などの計算生物学の多くの取り組みにとって、使用される計算方法の開発と、タンパク質の機能に関する洞察を提供するために一部の方法で使用される大規模な実験データセットの提供の両方において重要です。^[34]

タンパク質構造は、構造の類似性、位相的クラス、または共通の進化的起源に基づいてグループ化できます。タンパク質構造分類データベース^[35]とCATHデータベース^[36]は、タンパク質の 2 つの異なる構造分類を提供します。構造の類似性が大きい場合、2 つのタンパク質は共通の祖先から分岐した可能性があり^{[37] 、タンパク質間の共有構造は}相同性の証拠と見なされます 。構造の類似性を使用して、タンパク質をタンパク質スーパーファミリーにグループ化できます。^[38]共有構造が重要であるが共有されている部分が小さい場合、共有されているフラグメントは、水平遺伝子移動などのより劇的な進化イベントの結果である可能性があり、これらのフラグメントを共有するタンパク質をタンパク質スーパーファミリーに結合することは正当化されなくなります。^[37]タンパク質のトポロジーを使用してタンパク質を分類することもできます。結び目理論と回路トポロジーは、それぞれ鎖の交差と鎖内の接触に基づいてタンパク質フォールドを分類するために開発された 2 つのトポロジーフレームワークです。

タンパク質配列の生成は、タンパク質構造の決定よりもはるかに簡単です。しかし、タンパク質の構造は、その配列よりもタンパク質の機能について多くの洞察を与えます。そのため、配列からタンパク質構造を計算的に予測する方法が数多く開発されてきました。^[39] アブイニシオ予測法では、タンパク質の配列のみを使用します。スレッディング法とホモロジーモデリング法では、タンパク質ファミリーと呼ばれる進化的に関連するタンパク質の実験的構造から、構造が未知のタンパク質の3Dモデルを構築できます。

• 生体分子構造
• 遺伝子構造
• 核酸の構造
• PCRPi-DB
• リボン図タンパク質の3D模式図

• タンパク質構造決定の 50 年年表 - HTML バージョン - 国立総合医学研究所 2018 年 10 月 29 日にNIHのWayback Machineにアーカイブされました

• ウィキメディア・コモンズのタンパク質構造に関連するメディア

• タンパク質構造 drugdesign.org