タンパク質のフォールディングと安定性

非構造化ポリペプチド鎖がどのようにして固有の天然フォールドに到達するのか、そしてそのフォールドがわずかながらも確実に安定しているのはなぜかという物理的な問題。

Definition

タンパク質フォールディングとは、ポリペプチド鎖がその機能的な三次元構造をとるプロセスであり、安定性とは、その天然状態と非フォールドアンサンブルとの間の自由エネルギー差を指します。

Scope

このトピックでは、フォールディングを熱力学的および速度論的な問題として扱います。すなわち、天然状態を安定させる自由エネルギーバランス、フォールド状態と非フォールド状態間の協同的な二状態様転移、そして天文学的な数の可能なコンフォメーションにもかかわらず、鎖がどのようにして迅速に天然構造を見つけるかについてです。安定性測定とエネルギーランドスケープの概念を扱いますが、シャペロン補助フォールディングと凝集性疾患については関連分野に譲ります。

Core questions

• どのような自由エネルギー寄与がフォールドしたタンパク質を安定させるのか、そしてなぜ正味の安定性は通常小さいのか？
• 鎖はどのようにしてすべてのコンフォメーションを探索することなく天然構造を見つけるのか（レヴィンタールのパラドックス）？
• なぜフォールディングはしばしば協同的で、ほぼ二状態転移として振る舞うのか？
• コンフォメーション安定性は実験的にどのように測定されるのか？

Key theories

熱力学的仮説

天然構造は、アミノ酸配列によって決定されるグローバルな自由エネルギー最小状態であり、変性リボヌクレアーゼのアンフィンセンによる可逆的リフォールディングによって示されました。

フォールディングファネルランドスケープ

フォールディングは、漏斗状の自由エネルギーランドスケープを下る偏った降下であり、多くの部分的にフォールドした経路が盲目的なランダム探索ではなく、天然の最小値に向かって下り坂を導くため、レヴィンタールのパラドックスを解決します。

Mechanisms

天然の安定性は、水素結合、ファンデルワールス充填、塩橋、非極性残基の疎水性埋没といった弱い相互作用の総和によって生じますが、フォールディング時に失われる大きなコンフォメーションエントロピーによって相殺され、正味の安定化はわずか数十キロジュール/モルにとどまります。フォールディングは、漏斗状のランドスケープに沿って二次構造の漸進的な形成と疎水性崩壊によって進行するため、鎖は生物学的な時間スケールで天然の盆地に到達します。変性剤、温度、またはpHはバランスを変化させ、結果として生じるアンフォールディング転移は安定性を定量化するために使用されます。

Clinical relevance

フォールディング効率と安定性は、一部の配列が凝集したりミスフォールドしたりする理由の中心であり、これはタンパク質コンフォメーション障害に関連するテーマです。根底にある物理学を理解することは、臨床的ガイダンスというよりも、その生物学の教育的背景となります。

History

1960年代のアンフィンセンによるリフォールディング実験は熱力学的仮説を確立しました。その後、レヴィンタールは、広大なコンフォメーション空間にもかかわらず、フォールディングがどのようにして迅速に起こりうるかというパラドックスを提起し、これは1990年代に発展したエネルギーランドスケープとフォールディングファネルの概念によって解決されました。

Key figures

• Christian Anfinsen
• Cyrus Levinthal
• Ken Dill
• Peter Wolynes

Seminal works

• anfinsen1973
• dillchan1997

Frequently asked questions

レヴィンタールのパラドックスとは何ですか？

タンパク質は、すべての可能なコンフォメーションをランダムにサンプリングすることによってフォールドすることはできないという観察です。なぜなら、それは天文学的に長い時間がかかるはずなのに、実際のタンパク質はマイクロ秒から秒単位でフォールドするため、フォールディングは偏った下り坂の経路をたどることを示唆しています。

フォールドしたタンパク質は非常に安定していますか？

通常はわずかに安定しているだけです。天然状態を非フォールドアンサンブルに対して安定させる正味の自由エネルギーは通常控えめであり、これによりタンパク質は可逆的にフォールドし、機能するのに十分な柔軟性を保つことができます。