タンパク質フォールディングのエネルギー地形

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タンパク質フォールディングのエネルギー地形

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2021/07/10 14:02 UTC 版)

「フォールディング」の記事における「タンパク質フォールディングのエネルギー地形」の解説

フォールディング中のタンパク質の配位空間（英語版）は、エネルギー地形 (energy landscape) として可視化できる。Joseph BryngelsonとPeter Wolynes（英語版）によると、タンパク質は最小フラストレーション原理に従っており、自然に進化したタンパク質はフォールディング時のエネルギー地形を最適化し、自然はタンパク質の折りたたみ状態が十分に安定するようにアミノ酸配列を選択していることを意味している。さらに、折りたたまれた状態の獲得は、十分に高速なプロセスにならなければならない。自然がタンパク質のフラストレーションのレベルを減らしたとしても、タンパク質のエネルギー地形における局所的な最小値が存在することからもわかるように、ある程度のフラストレーションは今のところ残っている。 これらの進化的に選択された配列の結果として、タンパク質は、天然状態に向かうグローバルな「ファンネル(漏斗)状のエネルギー地形」(José Onuchic（英語版）の造語) を持っていると一般的に考えられている。この「フォールディング・ファンネル（英語版）」地形により、タンパク質は、単一のメカニズムに限定されるのではなく、多数の経路や中間体のいずれかを介して天然状態にフォールディングできる。この理論は、モデルタンパク質の計算シミュレーション(格子タンパク質（英語版）)と実験的研究の両方で支持されており、タンパク質構造の予測とタンパク質構造設計のための方法を改善するために使用されてきた。平準化自由エネルギー地形によるタンパク質フォールディングの説明も、熱力学第2法則と合致している。物理的には、エネルギー地形を、地理的な地形のように、単に最大値、鞍点、最小値、ファンネルを持った可視化可能なポテンシャル曲面や全エネルギー曲面の観点から考えることは、あるいはいくらか誤解を招く可能性がある。妥当な記述は、実際には、多様体が様々なより複雑な位相形態をとる可能性のある高次元の位相空間である。 折りたたまれていないポリペプチド鎖は、ファンネルの一番上に位置し、折りたたまれていないバリエーションの数が最も多く、エネルギー状態は高も高くなる。このようなエネルギー地形は、初期の可能性が多数あることを示しているが、可能なのは単一の天然状態のみである。しかし、それは可能な多くのフォールディング経路を明らかにしていない。同じ正確なタンパク質の異なる分子は、同じ天然構造に到達する限り、わずかに異なるフォールディング経路をたどり、異なる低エネルギー中間体を探すことができる場合がある。異なる経路は、各経路の熱力学的な有利性に応じて、異なる利用頻度を持つ可能性がある。これは、ある経路が他の経路よりも熱力学的に有利であることが分かった場合、本来の構造を追求するために、より頻繁に使用される可能性が高いことを意味する。タンパク質が折りたたみ始め、さまざまなコンホメーションをとると、常に以前よりも熱力学的に有利な構造を求め、エネルギーファンネルを通過し続けることになる。二次構造の形成は、タンパク質内の安定性の向上を強く示しており、ポリペプチド骨格によって想定される二次構造の一つの組み合わせだけが最低のエネルギーを持ち、ゆえにタンパク質は天然状態で存在することになる。ポリペプチドが折りたたみを開始すると形成される最初の構造の中には、αヘリックスおよびβターンがあり、αヘリックスはわずか100ナノ秒で形成され、βターンは1マイクロ秒で形成される。 エネルギー・ファンネル地形には、特定のタンパク質の遷移状態が見られる鞍点が存在する。エネルギー・ファンネル図の遷移状態とは、タンパク質が最終的に本来の構造をとることを想定した場合、そのタンパク質のすべての分子がとらなければならないコンホメーションである。どのタンパク質も、最初に遷移状態を通過しなければ、本来の構造をとることはできない。遷移状態は、単なる別の中間段階ではなく、天然状態の変化形または未熟な形と呼ぶことができる。遷移状態のフォールディングは律速であることが示されており、それが本来のフォールディングよりも高いエネルギー状態で存在しているとしても、本来の構造と極めて類似する。遷移状態の中には、タンパク質が折りたたむことができる核(足場)となる構造が存在しており、核の上に構造が段階的に完成してゆく「凝縮核形成」と呼ばれるプロセスによって形成される。