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、二次以降はほとんど弱い非共有結合で決まる、と捉える。 共有結合は一次（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）だけ。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（folding）は熱力学的に最小エネルギー状態を探す過程。

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）の破壊効果: N末端以外のプロリンprolineプロリン（proline）proline（プロリン）はα-イミノ基が水素結合できず、ヘリックスに折れ/キンクkinkキンク（kink）kink（キンク）を作る。
• 頻度の低いヘリックス: 3₁₀ヘリックス（i→i+3）、πヘリックス（i→i+5）。

βシート・βターン

• βシート: 隣接するβストランドbeta strandβストランド（beta strand）beta strand（βストランド）（β-strand、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）が折りたたみを駆動する。 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。表面の極性が溶解度を、コアの疎水性が安定性を決める。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）だけが共有結合的な安定化。

フォールディング

Anfinsenの実験

天然タンパク質を尿素（urea、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）、水素結合を壊す）とβ-メルカプトエタノール（β-ME、S-S結合を還元）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
  A["変性状態 unfolded"]
  A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='secondary structure'>二次構造</span>形成・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydrophobic collapse'>疎水性崩壊</span><br>hydrophobic collapse"]
  B --> C["モルテングロビュール molten globule"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='native state'>天然状態</span>（ΔG最小）"]

• 試験管内では自発的だが遅い（〜時間）。
• 細胞内では補助タンパク質が高速化（〜ミリ秒）：
  • シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）: 疎水面を遮蔽shield遮蔽（shield）shield（遮蔽）し凝集を防ぐ。
  • 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。
  • プロリンcis-transイソメラーゼproline cis-trans isomerase (PPIase)プロリンcis-transイソメラーゼ（proline cis-trans isomerase (PPIase)）proline cis-trans isomerase (PPIase)（プロリンcis-transイソメラーゼ）: 天然のX-Pro結合の約6%はcis。

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01-04-quaternary-structure-and-posttranslational-modifications-structure-of、協同性Cooperativity, Hill協同性（Cooperativity, Hill）Cooperativity, Hill（協同性）は01-05-structure-function-relationships-of-hemoglobin-and-myoglobin-l-i）。

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）、HTH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）が駆動。表面極性が溶解度を決め、S-Sだけが共有結合的安定化。
• 折りたたみは熱力学的（ΔG最小）で、molten globule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）・PDI・prolyl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。