タンパク質構造の変化に起因する病態の解釈

🧠 タンパク質の病気は「機能喪失」と「毒性獲得」を基本として読む。 タンパク質の構造異常 structural aberration 構造異常（structural aberration） structural aberration（構造異常） は多くの疾患の根本原因になる。実際には誤局在 mislocalization誤局在（mislocalization） mislocalization（誤局在）・分解亢進・輸送障害を介する病態や、両機序を併せ持つ疾患もある。嚢胞性線維症の一部変異では、CFTRのミスフォールディング misfolding ミスフォールディング（misfolding） misfolding（ミスフォールディング） から分解と細胞表面への到達低下が生じる。¹

フォールディングの原理

タンパク質は動的な過程で天然構造 native structure 天然構造（native structure） native structure（天然構造） をとる。原理的には、多くの球状タンパク質 globular protein 球状タンパク質（globular protein） globular protein（球状タンパク質） で一次構造 primary structure 一次構造（primary structure） primary structure（一次構造） が正しい折りたたみの主要な情報をコードする。

• Anfinsenの実験: リボヌクレアーゼAは、4つのジスルフィド結合 disulfide bond ジスルフィド結合（disulfide bond） disulfide bond（ジスルフィド結合） をβ-メルカプトエタノールで還元し、高濃度尿素high-concentration urea 高濃度尿素（high-concentration urea）high-concentration urea（高濃度尿素） で変性させても、これらを除くと自発的に再酸化・再折りたたみして活性を回復する（1972年ノーベル化学賞）。
• 順序が大事: 尿素を除く前にβ-メルカプトエタノールを除くと、非天然のジスルフィド結合 disulfide bond ジスルフィド結合（disulfide bond） disulfide bond（ジスルフィド結合） がランダムに形成され、活性回復はわずか。微量のβ-メルカプトエタノール存在下で尿素を除くと、誤った中間体から救出され正しく折りたためる。

💡 折りたたみは熱力学的（最小エネルギー）だが、経路は段階的。 ランダム探索では時間がかかりすぎるため、速い初期反応（ヘリックス形成・疎水性崩壊hydrophobic collapse疎水性崩壊（hydrophobic collapse）hydrophobic collapse（疎水性崩壊））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） ができ、遅い逐次反応で天然三次構造 tertiary structure 三次構造（tertiary structure） tertiary structure（三次構造） に至る。

構造異常の2大病態

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein structure'>タンパク質構造</span>の異常"]
  A --> B["機能喪失"]
  B --> C["例：嚢胞性線維症<br>CFTRの<span class='jp-term jp-term-diagram' title='misfolding'>ミスフォールディング</span> → 分解・膜到達低下"]
  A --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytotoxicity'>細胞毒性</span>をもつ凝集"]
  D --> E["露出した疎水面どうしの会合が主な引き金"]
  E --> F["感染性：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='p53abn'>異常型</span><span class='jp-term jp-term-diagram' title='prion, PrP'>プリオン</span> PrPˢᶜ<br>内因性：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alpha-synuclein'>α-シヌクレイン</span>・ヘモグロビンS"]

可逆的沈殿

タンパク質は変性を伴わずに可逆的に沈殿 precipitation 沈殿（precipitation） precipitation（沈殿） させることもできる。溶解度が下がるだけで三次構造 tertiary structure 三次構造（tertiary structure） tertiary structure（三次構造） は保たれ、適切な緩衝液で再溶解 resolubilization 再溶解（resolubilization） resolubilization（再溶解） できる。水和殻hydration shell 水和殻（hydration shell）hydration shell（水和殻） を乱す方法による。

💡 等電点isoelectric point, pI 等電点（isoelectric point, pI）isoelectric point, pI（等電点） （pI）で溶けにくい。 pIでは正味電荷がゼロで分子間の静電反発がなくなるため、凝集・沈殿precipitation 沈殿（precipitation）precipitation（沈殿） しやすい。精製purification 精製（purification）purification（精製） に使えるが、部分的〜完全な機能喪失を招きうるので注意が必要。

プリオン

プリオンprion, PrPプリオン（prion, PrP）prion, PrP（プリオン）は、自己鋳型的self-templating自己鋳型的（self-templating）self-templating（自己鋳型的）な代替構造をとるタンパク質。正常型（PrPᶜ、αヘリックスに富む）が異常型 p53abn 異常型（p53abn） p53abn（異常型） （PrPˢᶜ、βシートに富みプロテアーゼに抵抗性）に接触すると、異常な立体構造 conformational 立体構造（conformational） conformational（立体構造） が正常型を次々と異常型 p53abn 異常型（p53abn） p53abn（異常型） へ変換し、凝集して神経変性 neurodegeneration 神経変性（neurodegeneration） neurodegeneration（神経変性） を起こす。ヒトのプリオン病 prion disease プリオン病（prion disease） prion disease（プリオン病） は孤発性 sporadic 孤発性（sporadic） sporadic（孤発性） が最も多く、遺伝性（プリオンprion, PrP プリオン（prion, PrP）prion, PrP（プリオン） タンパク質遺伝子の変異）と獲得性（感染）もある。

⚠️ プリオンprion, PrP プリオン（prion, PrP）prion, PrP（プリオン） は「配列が同じでも構造が病気を決める」例。 アミノ酸配列amino-acid sequence アミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列） は正常型と同じなのに、代替の立体構造 conformational 立体構造（conformational） conformational（立体構造） が自己増殖し感染性をもつ。立体構造conformational 立体構造（conformational）conformational（立体構造） の均衡が健康と病気を分ける典型。

タンパク質のグリコシル化・グリケーション

疾患の原因ではないが臨床的に重要な修飾として、ヘモグロビンのグリケーションglycationグリケーション（glycation）glycation（グリケーション）がある。

• グリケーションglycation グリケーション（glycation）glycation（グリケーション） （糖化glycation糖化（glycation）glycation（糖化））: 糖が非酵素的non-enzymatic 非酵素的（non-enzymatic）non-enzymatic（非酵素的） にタンパク質のアミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） へ付加する反応。⇔ グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）は糖転移酵素 glycosyltransferase 糖転移酵素（glycosyltransferase） glycosyltransferase（糖転移酵素） による酵素的な糖鎖付加 glycosylation 糖鎖付加（glycosylation） glycosylation（糖鎖付加） で、部位と構造が決まっている。
• 赤血球では、ヘモグロビンの一部が糖化 glycation 糖化（glycation） glycation（糖化） される。β鎖beta chain β鎖（beta chain）beta chain（β鎖） N末端のバリン valine バリン（valine） valine（バリン） のアミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） が糖化 glycation 糖化（glycation） glycation（糖化） されたものが HbA1c である（リジン側鎖など他の部位の糖化 glycation 糖化（glycation） glycation（糖化） はHbA1cHbA1c（glycated haemoglobin A1c）に数えない）。生成の速さは血糖濃度が高いほど大きい。
• HbA1cは数か月単位の血糖状態を反映する中期指標として糖尿病管理に使われる。単純な3か月平均ではなく、赤血球寿命red blood cell lifespan 赤血球寿命（red blood cell lifespan）red blood cell lifespan（赤血球寿命） など非血糖因子の影響も受ける。² 測定法と解釈の詳細は血糖測定とHbA1cで扱う。

flowchart TD
  GLC["グルコース<br>開鎖型の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aldehyde group'>アルデヒド基</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br>可逆・数時間の単位"| SB["シッフ塩基（アルジミン）<br>不安定な中間体"]
  HB["ヘモグロビン<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='beta chain'>β鎖</span>N末端<span class='jp-term jp-term-diagram' title='valine'>バリン</span>の −NH₂"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br>可逆・数時間の単位"| SB
  SB -->|"アマドリ転位（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span>）<br>ほぼ不可逆"| KA["ケトアミン（アマドリ化合物）<br>= <span class='jp-term jp-term-diagram' title='glycated haemoglobin A1c'>HbA1c</span>"]
  KA -->|"酸化・脱水・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='fragmentation'>断片化</span>・架橋（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span>）<br>長寿命タンパク質で数週〜数年かけて進む"| AGE["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='advanced glycation end products (AGEs)'>終末糖化産物</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='advanced glycation end products'>AGEs</span>"]

💡 なぜHbA1cは「ならした」血糖を映すのか。 最初のシッフ塩基形成は可逆で、一時的な高血糖で増えてもすぐ戻る。アマドリ転位を経たケトアミンはほぼ戻らないので、赤血球が壊れるまで蓄積する。したがってHbA1cは、その時点の血糖ではなく、赤血球の寿命（約120日）の間に積み上がった糖化 glycation 糖化（glycation） glycation（糖化） の量を表す。赤血球が早く入れ替わる状態では低く、遅い状態では高く出る向きにずれる。

⚠️ 高血糖では終末糖化産物 advanced glycation end products (AGEs) 終末糖化産物（advanced glycation end products (AGEs)） advanced glycation end products (AGEs)（終末糖化産物） （AGEsAGEs, advanced glycation end products）が蓄積して合併症に関与する。 持続的高血糖sustained hyperglycemia 持続的高血糖（sustained hyperglycemia）sustained hyperglycemia（持続的高血糖） では、Hb以外の多くのタンパク質・脂質も糖化 glycation 糖化（glycation） glycation（糖化） され、コラーゲンのような長寿命タンパク質ではアマドリ化合物がさらに変化して終末糖化産物advanced glycation end products (AGEs)終末糖化産物（advanced glycation end products (AGEs)）advanced glycation end products (AGEs)（終末糖化産物）を生じる。AGEsは基底膜（腎糸球体renal glomerulus腎糸球体（renal glomerulus）renal glomerulus（腎糸球体）・毛細血管）を傷つけ、コラーゲンの架橋を増やして血管壁を肥厚させLDLLDL（low-density lipoprotein）を捕捉（→動脈硬化）、受容体RAGERAGE（receptor for advanced glycation end products）を介して炎症を活性化し内皮機能障害 endothelial dysfunction 内皮機能障害（endothelial dysfunction） endothelial dysfunction（内皮機能障害） を起こす。糖尿病の血管合併症 vascular complication 血管合併症（vascular complication） vascular complication（血管合併症） の重要な機序の一つと考えられている。

まとめ

• タンパク質病は「機能喪失（例：嚢胞性線維症）」か「毒性凝集」の2パターンが基本。凝集は露出した疎水面どうしの会合が主な引き金。
• Anfinsen：配列が折りたたみ情報をコード。フォールディングは熱力学的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。
• 可逆的沈殿reversible precipitation 可逆的沈殿（reversible precipitation）reversible precipitation（可逆的沈殿） （塩析salting out塩析（salting out）salting out（塩析）・低温の有機溶媒・pI）は変性を伴わず溶解度を下げる。pIで最も沈殿 precipitation 沈殿（precipitation） precipitation（沈殿） しやすい。有機溶媒は室温では変性させうる。
• プリオンprion, PrP プリオン（prion, PrP）prion, PrP（プリオン） は配列が同じでも代替構造（βシートに富む）が自己増殖し感染性をもつ。ヒトでは孤発性 sporadic 孤発性（sporadic） sporadic（孤発性） が最多。
• HbA1cはβ鎖 beta chain β鎖（beta chain） beta chain（β鎖） N末端バリン valine バリン（valine） valine（バリン） の糖化 glycation 糖化（glycation） glycation（糖化） 産物（シッフ塩基 → アマドリ転位でケトアミン）。数か月単位の血糖状態を反映する中期指標だが、赤血球寿命red blood cell lifespan 赤血球寿命（red blood cell lifespan）red blood cell lifespan（赤血球寿命） などにも左右される。高血糖のAGEsは糖尿病合併症 diabetic complication 糖尿病合併症（diabetic complication） diabetic complication（糖尿病合併症） に関与する。