Biophysics · 23.06

タンパク質構造を安定化する相互作用

Protein-stabilising interactions

🧠 タンパク質フォールディングprotein foldingタンパク質フォールディング（protein folding）protein folding（タンパク質フォールディング）の主な駆動力driving force駆動力（driving force）driving force（駆動力）は疎水性効果hydrophobic effect疎水性効果（hydrophobic effect）hydrophobic effect（疎水性効果）であり、完成構造の細部を水素結合、静電相互作用electrostatic interaction静電相互作用（electrostatic interaction）electrostatic interaction（静電相互作用）、ファンデルワールス力van der Waals forceファンデルワールス力（van der Waals force）van der Waals force（ファンデルワールス力）、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）が整える。水を含めて考えることが重要である。

水素結合・静電相互作用electrostatic interaction静電相互作用（electrostatic interaction）electrostatic interaction（静電相互作用）・疎水性効果hydrophobic effect疎水性効果（hydrophobic effect）hydrophobic effect（疎水性効果）はタンパク質の各構造階層structural hierarchy構造階層（structural hierarchy）structural hierarchy（構造階層）を安定化し、その競合から天然構造native structure天然構造（native structure）native structure（天然構造）が選ばれる。疎水性効果hydrophobic effect疎水性効果（hydrophobic effect）hydrophobic effect（疎水性効果）を理解するには、水素結合網hydrogen-bond network水素結合網（hydrogen-bond network）hydrogen-bond network（水素結合網）を作る水も系の一部として数える必要がある。

相互作用の比較

相互作用	特徴	主な役割
疎水性効果hydrophobic effect疎水性効果（hydrophobic effect）hydrophobic effect（疎水性効果）	非極性Nonpolar非極性（Nonpolar）Nonpolar（非極性）基を水から埋め込む	フォールディングの主要駆動力driving force駆動力（driving force）driving force（駆動力）
水素結合	方向性が強い	二次構造secondary structure二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造）、特異性
静電相互作用electrostatic interaction静電相互作用（electrostatic interaction）electrostatic interaction（静電相互作用）／塩橋salt bridge塩橋（salt bridge）salt bridge（塩橋）	電荷間に働き、pHとイオン強度に依存	表面・活性部位active site活性部位（active site）active site（活性部位）の安定化
ファンデルワールスvan der Waalsファンデルワールス（van der Waals）van der Waals（ファンデルワールス）	短距離、多数で有効	密な充填
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）	Cys間の共有結合	特に細胞外タンパク質の固定

疎水基hydrophobic group疎水基（hydrophobic group）hydrophobic group（疎水基）の周囲では水分子の配向が拘束される。非極性Nonpolar非極性（Nonpolar）Nonpolar（非極性）基がタンパク質内部へ集まると拘束水bound water拘束水（bound water）bound water（拘束水）がバルク水bulk waterバルク水（bulk water）bulk water（バルク水）へ戻り、水のエントロピーが増える。

flowchart TD
  A["展開した鎖で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydrophobic group'>疎水基</span>が水に露出"] --> B["周囲の水が秩序化"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydrophobic group'>疎水基</span>が内部へ集合"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bound water'>拘束水</span>を放出"]
  D --> E["水のエントロピーが上昇"]
  E --> F["折りたたまれた状態を安定化"]

⭐ 単一の弱い結合だけでなく、多数の相互作用と溶媒効果の総和field potential総和（field potential）field potential（総和）が天然構造native structure天然構造（native structure）native structure（天然構造）を安定化する。この総和field potential総和（field potential）field potential（総和）が自由エネルギー地形free-energy landscape自由エネルギー地形（free-energy landscape）free-energy landscape（自由エネルギー地形）の傾きを作る。

まとめ

疎水性効果hydrophobic effect疎水性効果（hydrophobic effect）hydrophobic effect（疎水性効果）がフォールディングの主要な駆動力driving force駆動力（driving force）driving force（駆動力）である。
水素結合、塩橋salt bridge塩橋（salt bridge）salt bridge（塩橋）、ファンデルワールス相互作用van der Waals interactionファンデルワールス相互作用（van der Waals interaction）van der Waals interaction（ファンデルワールス相互作用）が構造を精密化する。
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）は共有結合性の強い固定を与える。