タンパク質の階層構造：三次・四次構造；タンパク質フォールディング

🧠 タンパク質構造protein structure タンパク質構造（protein structure）protein structure（タンパク質構造） は「一次→二次→三次 tertiary 三次（tertiary） tertiary（三次） →四次」の4階層で読み、二次以降は主として弱い非共有結合で決まる、と捉える。 共有結合として重要なのは一次のペプチド結合とジスルフィド結合 disulfide bondジスルフィド結合（disulfide bond） disulfide bond（ジスルフィド結合）。φ–ψ角の集まりが二次構造 secondary structure 二次構造（secondary structure） secondary structure（二次構造） （αヘリックス・βシート）を、疎水性コアcore 疎水性コア（core）core（疎水性コア） が三次構造 tertiary structure 三次構造（tertiary structure） tertiary structure（三次構造） を、サブユニット会合が四次構造 quaternary structure 四次構造（quaternary structure） quaternary structure（四次構造） を作る。折りたたみ（フォールディング）は熱力学的に安定な状態へ向かう過程。

二次構造

Ramachandranプロットで似たφ–ψ角をとる3〜30残基の連なりが、規則的な二次構造 secondary structure 二次構造（secondary structure） secondary structure（二次構造） を作る。最も一般的なのはαヘリックスとβシート。

αヘリックス（右巻き）

• 両親媒性ヘリックスamphipathic helix両親媒性ヘリックス（amphipathic helix）amphipathic helix（両親媒性ヘリックス）: 約4残基ごとに同じ面に側鎖が並び、一方の面が疎水性（タンパク質内部や膜と相互作用）。
• プロリンproline プロリン（proline）proline（プロリン） の効果: ヘリックス内部のプロリン proline プロリン（proline） proline（プロリン） は主鎖N-Hを欠くため、しばしば折れやキンク kink キンク（kink） kink（キンク） を導く。
• 頻度の低いヘリックス: 3₁₀ヘリックス（i→i+3）は少数みられ、πヘリックス（i→i+5）はさらにまれ。

βシート・βターン

• βシート: 隣接するβストランド beta strand βストランド（beta strand） beta strand（βストランド） （ジグザグに伸びた鎖）が水素結合で連結。平行または逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）。矢印（N→C）で表す。側鎖はシート面の上下へ交互 alternating 交互（alternating） alternating（交互） に突出。
• βターンbeta turnβターン（beta turn）beta turn（βターン）: 隣接ストランドをつなぐ短い（4残基）180°の折り返し。1番目と4番目が水素結合。

超二次構造

二次構造secondary structure 二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造） 要素が緊密に組み合わさったモチーフ：β-ヘアピン beta hairpinβ-ヘアピン（beta hairpin） beta hairpin（β-ヘアピン）、β-ミアンダーbeta meanderβ-ミアンダー（beta meander）beta meander（β-ミアンダー）、β-バレルbeta barrelβ-バレル（beta barrel）beta barrel（β-バレル）、ヘリックスバンドルhelix bundleヘリックスバンドル（helix bundle）helix bundle（ヘリックスバンドル）、β-α-β、ヘリックス・ターン・ヘリックスhelix-turn-helix (HTH)ヘリックス・ターン・ヘリックス（helix-turn-helix (HTH)）helix-turn-helix (HTH)（ヘリックス・ターン・ヘリックス）。

三次構造

三次構造tertiary structure 三次構造（tertiary structure）tertiary structure（三次構造） は、1本のポリペプチド全体の3D立体配座 conformation 立体配座（conformation） conformation（立体配座） （αヘリックス＋βシート＋ループ＋ターン）。

• 可溶性タンパク質: 緊密で、親水性hydrophilic 親水性（hydrophilic）hydrophilic（親水性） 表面が水和殻 hydration shell 水和殻（hydration shell） hydration shell（水和殻） に覆われ、疎水性残基hydrophobic residue 疎水性残基（hydrophobic residue）hydrophobic residue（疎水性残基） は「コア」に埋まる。
• 表面の極性が溶解度を決める: 高塩（表面脱水）や等電点 isoelectric point, pI 等電点（isoelectric point, pI） isoelectric point, pI（等電点） pH（表面電荷↓）で溶解度が下がる。
• 膜タンパク質membrane proteins膜タンパク質（membrane proteins）membrane proteins（膜タンパク質）: 疎水性の表面が脂質膜に浸かる（水に不溶）。
• ドメイン: 独立に折りたたみ特定機能をもつ連続領域。似たドメインが多くのタンパク質に共通する（進化的な「ドメインシャッフリングdomain shufflingドメインシャッフリング（domain shuffling）domain shuffling（ドメインシャッフリング）」）。

三次構造を安定化する弱い相互作用

⭐ 疎水性コアcore 疎水性コア（core）core（疎水性コア） 形成は折りたたみの重要な要因。 水中では非極性 Nonpolar 非極性（Nonpolar） Nonpolar（非極性） 側鎖がコアに集まり、極性・荷電charged 荷電（charged）charged（荷電） 側鎖が表面に出る。ただし安定性は疎水性効果 hydrophobic effect 疎水性効果（hydrophobic effect） hydrophobic effect（疎水性効果） だけでなく、極性相互作用や分子内相互作用との釣り合いで決まる。

フォールディング

Anfinsenの実験

天然タンパク質を尿素（カオトロープchaotrope / chaotropic agentカオトロープ（chaotrope / chaotropic agent）chaotrope / chaotropic agent（カオトロープ）。水素結合と疎水性相互作用 hydrophobic interaction 疎水性相互作用（hydrophobic interaction） hydrophobic interaction（疎水性相互作用） を弱める）とβ-メルカプトエタノール（S-S結合を還元する）で変性させ、ゆっくり両者を除くと自発的に再折りたたみする。→ 天然三次構造 tertiary structure 三次構造（tertiary structure） tertiary structure（三次構造） は熱力学的に最も安定（ΔGが最小）。

段階的な折りたたみ

flowchart TD
  U["変性状態<br>ほどけたポリペプチド鎖"] -->|"速い・自発的<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='secondary structure'>二次構造</span>の形成と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydrophobic collapse'>疎水性崩壊</span>"| MG["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='molten globule'>モルテングロビュール</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='secondary structure'>二次構造</span>はほぼ完成・側鎖の詰まりは緩い"]
  MG -->|"遅い段階<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='disulfide bond'>ジスルフィド結合</span>の組み換え：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein disulfide isomerase (PDI)'>プロテインジスルフィドイソメラーゼ</span><br>X-Pro結合の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='isomerization'>異性化</span>：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prolyl'>プロリル</span>イソメラーゼ"| N["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='native state'>天然状態</span><br>ΔG最小"]
  U -->|"露出した疎水面どうしが会合（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span>）<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='chaperone'>シャペロン</span>が疎水面を覆って防ぐ"| AG["凝集体"]

モルテングロビュールmolten globule モルテングロビュール（molten globule）molten globule（モルテングロビュール） は、二次構造secondary structure 二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造） と大まかな折りたたみはできているが側鎖の詰まり方がまだ定まらない中間体である。

• 試験管内in vitro 試験管内（in vitro）in vitro（試験管内） でも自発的に起こるが、速さはタンパク質によってマイクロ秒〜時間と大きく異なる。ジスルフィド結合disulfide bond ジスルフィド結合（disulfide bond）disulfide bond（ジスルフィド結合） の形成やX-Pro結合のシス-トランス異性化 isomerization 異性化（isomerization） isomerization（異性化） を伴うものは遅い（Anfinsenのリボヌクレアーゼの再生は時間単位）。
• 細胞内では補助タンパク質が凝集を防ぎ、遅い化学段階を加速して折りたたみを助ける：
  • シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）: 疎水面の遮蔽 shield 遮蔽（shield） shield（遮蔽） や隔離によって凝集を防ぎ、折りたたみを補助する。³
  • プロテインジスルフィドイソメラーゼprotein disulfide isomerase (PDI)プロテインジスルフィドイソメラーゼ（protein disulfide isomerase (PDI)）protein disulfide isomerase (PDI)（プロテインジスルフィドイソメラーゼ）: 不適切なS-S結合を組み替える。
  • プロリルprolyl プロリル（prolyl）prolyl（プロリル） イソメラーゼ（ペプチジルプロリル prolylプロリル（prolyl） prolyl（プロリル） シス-トランス イソメラーゼ）: X-Pro結合のシス-トランス異性化 isomerization 異性化（isomerization） isomerization（異性化） を触媒し、折りたたみの遅い段階を短縮しうる。

変性と沈殿

• 変性: 天然三次構造 tertiary structure 三次構造（tertiary structure） tertiary structure（三次構造） の喪失。
• 沈殿precipitation沈殿（precipitation）precipitation（沈殿）: 溶解度の喪失。
• 変性は疎水性コア core 疎水性コア（core） core（疎水性コア） を表面に露出させ凝集→沈殿 precipitation 沈殿（precipitation） precipitation（沈殿） を招くので両者はしばしば同時に起こるが、変性なしの沈殿 precipitation沈殿（precipitation） precipitation（沈殿）も沈殿precipitation 沈殿（precipitation）precipitation（沈殿） なしの変性もあり、それぞれ可逆/不可逆がありうる。

四次構造への橋渡し

複数のポリペプチド（サブユニット）が会合すると四次構造 quaternary structure 四次構造（quaternary structure） quaternary structure（四次構造） になる。サブユニット間も疎水性相互作用 hydrophobic interaction疎水性相互作用（hydrophobic interaction） hydrophobic interaction（疎水性相互作用）・水素結合・塩橋salt bridge塩橋（salt bridge）salt bridge（塩橋）・S-S結合で連結される（詳細と翻訳後修飾 post-translational modification翻訳後修飾（post-translational modification） post-translational modification（翻訳後修飾）・コラーゲンは四次構造quaternary structure 四次構造（quaternary structure）quaternary structure（四次構造） と翻訳後修飾 post-translational modification翻訳後修飾（post-translational modification） post-translational modification（翻訳後修飾）、協同性Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill）Cooperativity, Hill（協同性） はヘモグロビンとミオグロビン myoglobin, Mbミオグロビン（myoglobin, Mb） myoglobin, Mb（ミオグロビン））。

まとめ

• 二次構造secondary structure 二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造） ：αヘリックス（3.6残基/回転、i→i+4水素結合、双極子dipole双極子（dipole）dipole（双極子）、Proでキンク kinkキンク（kink） kink（キンク））とβシート（平行/逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）、βターンbeta turnβターン（beta turn）beta turn（βターン））。
• 超二次構造Super-secondary motifs 超二次構造（Super-secondary motifs）Super-secondary motifs（超二次構造） ：β-ヘアピン beta hairpinβ-ヘアピン（beta hairpin） beta hairpin（β-ヘアピン）、β-バレルbeta barrelβ-バレル（beta barrel）beta barrel（β-バレル）、ヘリックスバンドルhelix bundleヘリックスバンドル（helix bundle）helix bundle（ヘリックスバンドル）、ヘリックス・ターン・ヘリックスhelix-turn-helix (HTH) ヘリックス・ターン・ヘリックス（helix-turn-helix (HTH)）helix-turn-helix (HTH)（ヘリックス・ターン・ヘリックス） など。
• 三次構造tertiary structure 三次構造（tertiary structure）tertiary structure（三次構造） は疎水性コア core 疎水性コア（core） core（疎水性コア） が主な駆動力 driving force駆動力（driving force） driving force（駆動力）。表面極性が溶解度を決め、S-S結合が代表的な共有結合的安定化。
• 折りたたみは熱力学的（ΔG最小）で、モルテングロビュールmolten globule モルテングロビュール（molten globule）molten globule（モルテングロビュール） を経る段階過程。細胞内はシャペロン chaperoneシャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン）・プロテインジスルフィドイソメラーゼprotein disulfide isomerase (PDI)プロテインジスルフィドイソメラーゼ（protein disulfide isomerase (PDI)）protein disulfide isomerase (PDI)（プロテインジスルフィドイソメラーゼ）・プロリルprolyl プロリル（prolyl）prolyl（プロリル） イソメラーゼが補助。
• 変性≠沈殿 precipitation沈殿（precipitation） precipitation（沈殿）。塩析salting out 塩析（salting out）salting out（塩析） やpIは変性なしに沈殿 precipitation沈殿（precipitation） precipitation（沈殿）、尿素は可逆的変性など、因子ごとに可逆性が異なる。