Biochemistry · 1/4
四次構造と翻訳後修飾；コラーゲンの構造；タンパク質-核酸相互作用の構造基盤
Quaternary structure and posttranslational modifications; structure of collagen; structural basis of protein–nucleic acid interactions — L I
🧠 タンパク質は「複数の鎖を組む（四次構造quaternary structure四次構造（quaternary structure）quaternary structure（四次構造））」「合成後に作り込む（翻訳後修飾post-translational modification翻訳後修飾（post-translational modification）post-translational modification（翻訳後修飾） PTM）」で完成する、と読む。 複数サブユニットmultiple subunits複数サブユニット（multiple subunits）multiple subunits（複数サブユニット）の会合が四次構造quaternary structure四次構造（quaternary structure）quaternary structure（四次構造）。合成後の切断・化学基付加・架橋がPTM。コラーゲンはPTMが機能を決める典型、DNA結合タンパク質は構造モチーフが配列認識を決める典型として扱う。
多量体タンパク質
| 用語 | 英語 | 内容 |
|---|---|---|
| 単量体monomer単量体（monomer）monomer（単量体） | monomeric | 1本のポリペプチド |
| 多量体oligomer / multimer多量体（oligomer / multimer）oligomer / multimer（多量体） | oligomeric | 複数（n）の鎖。二量体・三量体・四量体tetramer四量体（tetramer）tetramer（四量体）… |
| サブユニット | subunit | 多量体oligomer / multimer多量体（oligomer / multimer）oligomer / multimer（多量体）を構成する各鎖 |
| ホモ多量体homo-oligomerホモ多量体（homo-oligomer）homo-oligomer（ホモ多量体） | homo-oligomer | すべて同一（例：homotetramer α₄） |
| ヘテロ多量体hetero-oligomerヘテロ多量体（hetero-oligomer）hetero-oligomer（ヘテロ多量体） | hetero-oligomer | 2種以上（例：heteropentamer α₂βγδ） |
四次構造quaternary structure四次構造（quaternary structure）quaternary structure（四次構造）は、多量体oligomer / multimer多量体（oligomer / multimer）oligomer / multimer（多量体）におけるサブユニットの数・組成・3次元配置。サブユニット間は疎水性相互作用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。複数サブユニットmultiple subunits複数サブユニット（multiple subunits）multiple subunits（複数サブユニット）が1つの仕事を協同するか、別々の仕事を分担する。
💡 ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）は「分業」の好例。 ミトコンドリアF₁-F₀ ATP 合成酵素（22–27サブユニット：α₃β₃γδε ab₂c₁₀₋₁₅）は、H⁺チャネル・回転子rotor回転子（rotor）rotor（回転子）・軸・固定子stator固定子（stator）stator（固定子）に分かれ、プロトン駆動力proton motive forceプロトン駆動力（proton motive force）proton motive force（プロトン駆動力）を回転運動→ATP合成に変換する（Lecture 11）。チャネル/輸送体では n個のサブユニットが1つの孔を作る。
翻訳後修飾
ポリペプチド合成後の共有結合的な修飾。
| PTM | 英語 | 内容 |
|---|---|---|
| リン酸化 | phosphorylation | キナーゼがSer/Thr/TyrにP付加、ホスファターゼが除去。構造変化conformational change構造変化（conformational change）conformational change（構造変化）→機能調節 |
| N-グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化） | N-glycosylation | Asnに糖鎖glycan (sugar chain)糖鎖（glycan (sugar chain)）glycan (sugar chain)（糖鎖）（糖タンパク質glycoprotein糖タンパク質（glycoprotein）glycoprotein（糖タンパク質）） |
| O-グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化） | O-glycosylation | Ser/Thrに糖鎖glycan (sugar chain)糖鎖（glycan (sugar chain)）glycan (sugar chain)（糖鎖）。分泌・膜タンパク質membrane proteins膜タンパク質（membrane proteins）membrane proteins（膜タンパク質）に多い |
| ミリストイル化myristoylationミリストイル化（myristoylation）myristoylation（ミリストイル化） | myristoylation | N末端Glyにミリスチン酸myristic acidミリスチン酸（myristic acid）myristic acid（ミリスチン酸）（C14）→膜アンカー |
| パルミトイル化palmitoylationパルミトイル化（palmitoylation）palmitoylation（パルミトイル化） | palmitoylation | Cysにパルミチン酸palmitic acidパルミチン酸（palmitic acid）palmitic acid（パルミチン酸）（C16）→膜アンカー |
| タンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解） | proteolytic cleavage | 前駆体をプロテアーゼが切断して成熟 |
| リジン酸化・架橋 | lysine oxidation & cross-linking | lysyl オキシダーゼ（Cu²⁺依存）でLys→アリシンallysineアリシン（allysine）allysine（アリシン）、Schiff塩基・アルドール縮合condensation縮合（condensation）condensation（縮合）で共有架橋 |
| ヒドロキシル化hydroxylationヒドロキシル化（hydroxylation）hydroxylation（ヒドロキシル化）・γ-カルボキシル化γ-carboxylationγ-カルボキシル化（γ-carboxylation）γ-carboxylation（γ-カルボキシル化） | hydroxylation, γ-carboxylation | Pro/Lys水酸化、Glu→Gla（Lecture 1） |
💡 前駆体の切断＝「安全装置」。 消化酵素digestive enzyme消化酵素（digestive enzyme）digestive enzyme（消化酵素）や凝固因子は不活性な前駆体として作られ、切断で活性化される。切り出される余分な断片は、区画への標的化や有害活性の抑制の役割をもつ。
コラーゲン
コラーゲンは線維状の細胞外タンパク質。コラーゲン線維collagen fibersコラーゲン線維（collagen fibers）collagen fibers（コラーゲン線維）はトロポコラーゲンtropocollagenトロポコラーゲン（tropocollagen）tropocollagen（トロポコラーゲン）から作られる。
構造
- 反復配列repetitive sequence反復配列（repetitive sequence）repetitive sequence（反復配列）: (Gly-X-Y)ₙ（n≈300、Yは多くPro または Hyp）。
- 三重らせん: 単一のコラーゲン鎖が左巻きらせん（αヘリックスではない）を作り、3本が右巻きの三重らせん（triple helix）に束ねられる（水素結合）。中心の狭い界面にはGlyの小さな側鎖しか入らないため、3残基ごとのGlyが必須。
- トロポコラーゲンtropocollagenトロポコラーゲン（tropocollagen）tropocollagen（トロポコラーゲン）は前駆体プロコラーゲンprocollagenプロコラーゲン（procollagen）procollagen（プロコラーゲン）三量体から、N/C末端の切断で作られる。
成熟
| 段階 | 修飾 |
|---|---|
| 三量体化前（細胞内） | Pro・Lysのヒドロキシル化hydroxylationヒドロキシル化（hydroxylation）hydroxylation（ヒドロキシル化）、Hyp/HylへのO-グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）、Lys酸化＋架橋 |
| 三量体化後（細胞外） | タンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）による切断 → 線維形成fibrogenesis線維形成（fibrogenesis）fibrogenesis（線維形成） |
⚠️ コラーゲン障害の3疾患を原因酵素で覚える。 ①ビタミンC欠乏＝壊血病scurvy壊血病（scurvy）scurvy（壊血病）：Pro/Lysヒドロキシラーゼhydroxylaseヒドロキシラーゼ（hydroxylase）hydroxylase（ヒドロキシラーゼ）が働かない。②銅copper銅（copper）copper（銅）（Cu²⁺）欠乏＝Menkes症候群Menkes syndromeMenkes症候群（Menkes syndrome）Menkes syndrome（Menkes症候群）：リジルオキシダーゼlysyl oxidaseリジルオキシダーゼ（lysyl oxidase）lysyl oxidase（リジルオキシダーゼ）が働かない。③コラーゲンまたは処理酵素の遺伝子異常＝Ehlers-Danlos症候群Ehlers-Danlos syndromeEhlers-Danlos症候群（Ehlers-Danlos syndrome）Ehlers-Danlos syndrome（Ehlers-Danlos症候群）。
タンパク質-核酸相互作用
DNA結合タンパク質（転写因子）は遺伝子発現を調節する。特定の5–10 bp配列を非常に高い親和性（Kd〜pM）で認識し、DNA結合ドメイン＋エフェクター/調節ドメインをもつ。
| モチーフ | 英語 | 認識の仕組み |
|---|---|---|
| ジンクフィンガーzinc fingerジンクフィンガー（zinc finger）zinc finger（ジンクフィンガー） | zinc finger | Zn²⁺を2 His＋2 Cysが配位coordinate配位（coordinate）coordinate（配位）。「指」のαヘリックスが主溝major groove主溝（major groove）major groove（主溝）に結合。複数の指をもちうる |
| 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） | helix-turn-helix (HTH) | 2単量体monomer単量体（monomer）monomer（単量体）が対称ホモ二量体homodimerホモ二量体（homodimer）homodimer（ホモ二量体）を作り、2つのHTHがパリンドロームpalindromeパリンドローム（palindrome）palindrome（パリンドローム）配列の隣接する2つの主溝major groove主溝（major groove）major groove（主溝）に結合 |
| ロイシンジッパーleucine zipperロイシンジッパー（leucine zipper）leucine zipper（ロイシンジッパー） | leucine zipper | 7残基ごとにLeu。疎水面で二量体化dimerization二量体化（dimerization）dimerization（二量体化）し、主溝major groove主溝（major groove）major groove（主溝）に結合 |
⭐ 協同的結合cooperativity協同的結合（cooperativity）cooperativity（協同的結合）が超高親和性high affinity高親和性（high affinity）high affinity（高親和性）を生む。 結合自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）は加算的（ΔG_binding = −RT ln Kd）。2部位への協同結合で親和性が飛躍的に上がる：ΔG=35.5 kJ/mol（Kd=1 µM）が2倍で 71 kJ/mol（Kd=1 pM）に。2部位で最大100万倍の親和性増加になりうる。HTH/ロイシンジッパーleucine zipperロイシンジッパー（leucine zipper）leucine zipper（ロイシンジッパー）は2部位、ジンクフィンガーzinc fingerジンクフィンガー（zinc finger）zinc finger（ジンクフィンガー）はしばしば5–9部位に結合する。
まとめ
- 四次構造quaternary structure四次構造（quaternary structure）quaternary structure（四次構造）はサブユニット（ホモ/ヘテロ多量体hetero-oligomerヘテロ多量体（hetero-oligomer）hetero-oligomer（ヘテロ多量体））の数・組成・配置。ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）は分業の好例。
- PTMはリン酸化・N/O-グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）・ミリストイル化myristoylationミリストイル化（myristoylation）myristoylation（ミリストイル化）(C14)/パルミトイル化palmitoylationパルミトイル化（palmitoylation）palmitoylation（パルミトイル化）(C16)・タンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）・リジン酸化架橋など。
- 前駆体切断は誤作動を防ぐ安全装置。
- コラーゲンは(Gly-X-Y)反復の三重らせん。障害：scurvy(ビタミンC)・Menkes(Cu/リジルオキシダーゼlysyl oxidaseリジルオキシダーゼ（lysyl oxidase）lysyl oxidase（リジルオキシダーゼ）)・Ehlers-Danlos(遺伝子)。
- DNA結合はジンクフィンガーzinc fingerジンクフィンガー（zinc finger）zinc finger（ジンクフィンガー）・HTH・ロイシンジッパーleucine zipperロイシンジッパー（leucine zipper）leucine zipper（ロイシンジッパー）が主溝major groove主溝（major groove）major groove（主溝）を読む。協同的結合cooperativity協同的結合（cooperativity）cooperativity（協同的結合）で最大100万倍の親和性。