Biochemistry · 1/7

タンパク質構造の変化に起因する病態の解釈

Interpretation of pathological conditions stemming from alterations in protein structure — S I

🧠 タンパク質の病気は「機能を失う（loss of function）」か「異常に固まる（aggregation）」の2パターンで読む。 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。タンパク質そのもの／機能の喪失（例：嚢胞性線維症 CF）か、細胞毒性cytotoxicity細胞毒性（cytotoxicity）cytotoxicity（細胞毒性）のある凝集か。凝集は、露出した疎水性パッチhydrophobic patch疎水性パッチ（hydrophobic patch）hydrophobic patch（疎水性パッチ）が原因になる。

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情報をすべてコードする。

Anfinsenの実験: リボヌクレアーゼA（ribonuclease 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、水素結合を高濃度尿素high-concentration urea高濃度尿素（high-concentration urea）high-concentration urea（高濃度尿素）で切って完全に変性させても、化学物質chemical substance化学物質（chemical substance）chemical substance（化学物質）を透析で除くと大部分（>90%）が天然の活性型へ自発的に再折りたたみ（refold）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 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["機能の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='loss of function'>喪失</span>"]
  B --> C["例：嚢胞性線維症 CF<br>CFTRの欠陥"]
  A --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aggregation'>細胞毒性凝集</span>"]
  D --> E["露出<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydrophobic patch'>疎水性パッチ</span>が原因"]
  E --> F["感染性（PrPˢᶜ）／内因性（α-synuclein, HbS）"]

機構	英語	例
機能喪失	loss of function	嚢胞性線維症（CFTRの異常）
凝集（内因性タンパク質）	aggregation (endogenous)	α-シヌクレインsynucleinシヌクレイン（synuclein）synuclein（シヌクレイン）（Parkinson病）、ヘモグロビンS（鎌状赤血球症）
凝集（感染性）	aggregation (infectious)	プリオンprion, PrPプリオン（prion, PrP）prion, PrP（プリオン）（PrPˢᶜ）

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。

方法	英語	原理
塩析salting out塩析（salting out）salting out（塩析）	salting-out（硫酸アンモニウム等）	高塩濃度で水和殻hydration shell水和殻（hydration shell）hydration shell（水和殻）を奪う
有機溶媒	organic solvents（アセトン、フェノールphenolフェノール（phenol）phenol（フェノール））	溶解度低下
pIへのpH調整	adjusting pH to pI	表面電荷が最小になり凝集

💡 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）が異常型p53abn異常型（p53abn）p53abn（異常型）（PrPˢᶜ）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。

⚠️ 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、代替コンフォメーションconformationコンフォメーション（conformation）conformation（コンフォメーション）が自己増殖し感染性をもつ。alternative conformation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。

glycation（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。⇔ glycosylation（グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）） は酵素的付加。
赤血球で一部のHbがグリケーションglycationグリケーション（glycation）glycation（グリケーション）され、主にN末端で HbA1c ができる。生成量は血糖濃度に比例。
赤血球の寿命は約120日なので、HbA1cは過去約3か月の平均血糖の指標として糖尿病管理に使われる。

⚠️ 高血糖ではAGEsが蓄積して合併症を起こす。 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・脂質もグリケーションglycationグリケーション（glycation）glycation（グリケーション）され、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・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LDLを捕捉（→動脈硬化）、受容体RAGE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。糖尿病の心血管合併症cardiovascular complication心血管合併症（cardiovascular complication）cardiovascular complication（心血管合併症）の中心的役割を担う。

まとめ

タンパク質病は「機能喪失（例：CF）」か「毒性凝集」の2パターン。凝集は露出疎水性パッチhydrophobic patch疎水性パッチ（hydrophobic patch）hydrophobic patch（疎水性パッチ）が原因。
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 molten globule 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）・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。
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が自己増殖し感染性をもつ。
HbA1cは過去3か月の平均血糖の指標。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）の原因になる。