シーケンシャルモデル

シーケンシャルモデル（KNFモデルとも呼ばれる）は、タンパク質サブユニットの協同性を説明する理論である。^{[1]この理論では、タンパク質の立体配座は}リガンドの結合ごとに変化し、その結果、隣接する結合部位におけるリガンドに対する親和性が順次変化すると仮定している。これは、協同的結合の1つの説明となる。

酵素のアロステリック制御に関するこのモデルは、多量体タンパク質のサブユニットが 2 つの立体構造状態を持つことを示唆している。 ^{[1]リガンドの結合により、多量体タンパク質の他のサブユニットの立体構造が変化する。サブユニットは独立して立体構造の変化を起こすが (} MWC モデルとは対照的)、1 つのサブユニットの切り替えにより、後続のサブユニットが同じ立体構造変化を起こすために必要なエネルギーが減少するため、他のサブユニットが変化しやすくなる。さらに詳しく説明すると、1 つのサブユニットにリガンドが結合するとタンパク質の形状が変化するため、他のサブユニットが高親和性状態に立体構造を切り替えるのが熱力学的に有利になる。リガンド結合により、負の協同性、つまり次の結合部位でのリガンドに対する親和性が低下する可能性もあり、この特徴により、KNF モデルは正の協同性のみを示唆する MWC モデルとは異なる。^{[2] [3]}このモデルは、最初にこのモデルを提案したKoshland 、 Némethy 、 Filmerにちなんで KNF と名付けられている。 ^[1]

多量体タンパク質のリガンドに対する親和性は、リガンドに結合すると変化します。このプロセスは協同性として知られています。この現象は、クリスチャン・ボーアによるヘモグロビンの分析によって初めて発見されました。ヘモグロビンの分子状酸素に対する結合親和性は、酸素がそのサブユニットに結合すると増加します。^[1]協奏モデル（またはMWCモデル、対称モデル）は、この現象を理解するための理論的根拠を提供します。このモデルは、多量体タンパク質がT状態とR状態の2つの異なる状態で存在することを提案しています。リガンドが結合すると、 2つの状態間の平衡はR状態に向かってシフトしますが、これはリガンド結合によるタンパク質の立体配座の変化の結果であると考えられています。このモデルは、ヘモグロビンのS字型結合曲線を説明するのに役立ちます。^[4]

KNFモデル（または誘導適合モデル、シーケンシャルモデル）は、異なる結合状態の可能性に対処するために生まれました。^[5] Koshland、Némethy、Filmerによって1966年に開発されたKNFモデルは、リガンド結合によってタンパク質の近位サブユニットの構造、ひいては親和性が変化し、特定のリガンドに対してさまざまな親和性を持ついくつかの異なる構造が生じるというシーケンシャルプロセスとして協同性を説明しています。このモデルは、MWCモデルが個々の結合部位の構造変化を考慮せず、代わりに単一のタンパク質全体の構造変化を提案するという点で協同性を単純化しすぎていることを示唆しています。^[4]

KNFモデルは、酵素への基質結合の誘導適合モデルの構造理論に従っています。^[5]酵素のコンフォメーションのわずかな変化は、リガンドの遷移状態への結合親和性を向上させ、反応を触媒します。これは、リガンドが別のサブユニットに結合するとリガンド結合部位のコンフォメーションが変化するという協同性をモデル化するKNFモデルに従っています。

KNFモデルには2つの重要な仮定がある。^[6]

1. タンパク質は、リガンドに結合していないときは、リガンドに対する親和性が低いか高いかのいずれかの単一の状態で存在します。
2. 結合部位のライゲーションにより、タンパク質のその領域に構造変化が生じます。タンパク質のこの領域の変化は、同じタンパク質の近くの結合部位の構造に影響を与え、リガンドに対する親和性を変化させる可能性があります。負の協同性では、親和性は高い状態から低い状態へ変化し、正の協同性では、親和性は低い状態から高い状態へ変化します。

KNFモデルは、2002年にKoshlandとHamadiによって造られたi3協同性を示す酵素を特徴づける^。 [ ^2]この用語は、著者らが提案する他の説明や協同性の種類を提供していないため、シーケンシャルモデルの構造的性質を説明するためにのみ使用されている。^[7] これらの3つの特性は次のとおりです。

1. 多量体タンパク質のサブユニットの性質は、互いに同一であるということである。
2. リガンド結合はタンパク質の構造変化を引き起こす
3. 構造変化はタンパク質内の分子内再配置である

多量体で協調的に作用するタンパク質のi ³性質は、モデル検証を使用して、シーケンシャルモデルの構造的および物理的基礎を標準化するのに役立ちます。

MWCモデルとKNFモデルの主な違いは、構造変化の規模にあります。^[6]どちらも、タンパク質の特定のリガンドに対する親和性はリガンドの結合によって変化すると示唆していますが、MWCモデルでは、これはタンパク質全体を巻き込んだ四次構造変化によって起こり、T状態からR状態に移行すると示唆しています。一方、KNFモデルでは、これらの構造変化はタンパク質内の三次構造レベルで起こり、隣接するサブユニットが連続的なリガンド結合によって構造を変えると示唆しています。^[8]

MWC モデルとは異なり、KNF モデルは「負の協同性」の可能性を提供します。^{[2] [6]}この用語は、1 つ以上のリガンドがサブユニットに結合した後に、タンパク質の他の結合部位のリガンドに対する親和性が低下することを表します。MWC モデルでは、正の協同性のみが許可され、T 状態から R 状態への単一の構造スイッチによって、リガンドが結合していない結合部位での親和性が高まります。したがって、T 状態へのリガンドの結合は、T 状態、つまり低親和性状態のタンパク質の量を増やすことはできません。

負の協同性は、チロシルtRNA合成酵素やグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼなど、生物学的に重要な分子の多くで観察されています。^{[3] [6]}実際、2002年にKoshlandとHamadaniによって行われた体系的な文献レビュー（i3協同性という造語を作ったのと同じ文献レビュー）^では、負に協同するタンパク質は、科学的に研究された協同性を示すタンパク質の50％弱を占め、正に協同するタンパク質は残りの50％強を占めていることが示されています。^[2]

ヘモグロビンは、4つの酸素分子を輸送する四量体タンパク質であり、生物学的に非常に関連性の高いタンパク質であり、アロステリーにおいて議論の対象となっている。ヘモグロビンはシグモイド結合曲線を示し、協同性を示している。ほとんどの科学的証拠は協調的な協同性を示しているが、^{[9] [10]}特定のヘムサブユニットの酸素に対する親和性に関する研究により、特定の生理学的条件下では、サブユニットが順次アロステリーの特性を示す可能性があることが明らかになっている。^[11] 核磁気共鳴（NMR）研究によると、リン酸の存在下では、脱酸素化された成人ヒトヘモグロビンのαヘムサブユニットは、βサブユニットと比較して、分子状酸素に対する親和性が高くなることがわかっている。結果は、αサブユニットが四級低親和性T状態で酸素に対してより高い親和性を持つという修正協調モデル、またはリン酸結合によって部分的にオリゴマー化された状態が形成され、T状態やR状態とは異なるβサブユニットの低親和性形態が安定化されるという逐次モデルのいずれかを示唆している。^[11]したがって、生理学的条件に応じて、MWCモデルとKNFモデルの組み合わせがヘモグロビンの結合特性を最も包括的に説明すると思われる。^[9]