膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつ

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膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの模も式しき図ず。1) 単一たんいつの膜まく貫通かんつう型がたαあるふぁヘリックス (バイトピック膜まくタンパク質たんぱくしつ)。2) ポリトピック膜まく貫通かんつう型がたαあるふぁヘリックスタンパク質たんぱくしつ。3) ポリトピック膜まく貫通かんつうβべーたシートタンパク質たんぱくしつ。膜まくは薄うす黄色おうしょくで表現ひょうげんされている。

膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつ (英語えいご: transmembrane protein; TP) は、細胞さいぼう膜まく全体ぜんたいに広ひろがる膜まく内在ないざい性せいタンパク質たんぱくしつ（英語えいご版ばん）の一種いっしゅである。多おおくの膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつは、膜まくを通過つうかする特定とくていの物質ぶっしつの輸送ゆそうを可能かのうにするゲートウェイとして機能きのうする。これらのタンパク質たんぱくしつは、膜まくを通とおして物質ぶっしつを移動いどうさせるために、しばしば大おおきな構造こうぞう変化へんかを起おこす。これらは通常つうじょう、疎水そすい性せいが非常ひじょうに高たかく、水中すいちゅうで凝集ぎょうしゅうおよび沈殿ちんでんする。抽出ちゅうしゅつには界面かいめん活性かっせい剤ざいや非ひ極性きょくせい溶媒ようばいを必要ひつようとするが、一部いちぶ (βべーたバレル) は変性へんせい剤ざいを用もちいて抽出ちゅうしゅつすることもできる。

膜まくまたは膜まく貫通かんつう型がたセグメントにまたがるペプチド配列はいれつ、すなわち膜まく貫通かんつう型がたセグメントは、大だい部分ぶぶんが疎水そすい性せいであり、疎水そすい性せいプロット（英語えいご版ばん）を用もちいて可視かし化かすることができる[1]。膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつは、膜まく貫通かんつう型がたセグメントの数かずに応おうじて、シングルスパン (バイトピック（英語えいご版ばん）または一いち回かい膜まく貫通かんつう型がた) またはマルチスパン (ポリトピックまたは複ふく数すう回かい膜まく貫通かんつう型がた) に分類ぶんるいできる。他たのいくつかの膜まく内在ないざい性せいタンパク質たんぱくしつはモノトピック（英語えいご版ばん）と呼よばれ、それらも永続えいぞく的てきに膜まくに付着ふちゃくしているが、膜まくを通過つうか(貫通かんつう)しないことを意味いみする[2]。

分類ぶんるい[編集へんしゅう]

構造こうぞうによる分類ぶんるい[編集へんしゅう]

膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつには2つの基本きほん的てきなタイプ[3]、αあるふぁへリックス型かたとβべーたバレル型かたがある。αあるふぁヘリックス型がたタンパク質たんぱくしつは、細菌さいきん細胞さいぼうの内うち膜まくや真ま核かく生物せいぶつの原げん形質けいしつ膜まくに存在そんざいし、時ときには外そと膜まくにも存在そんざいする[4]。これは膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの主要しゅようなカテゴリーである。ヒトでは、全ぜんタンパク質たんぱくしつの27％がαあるふぁへリックス膜まくタンパク質たんぱくしつであると推定すいていされている[5]。βべーたバレル型がたタンパク質たんぱくしつは、これまでのところグラム陰性いんせい菌きんの外そと膜まく、グラム陽性ようせい菌きんの細胞さいぼう壁かべ、ミトコンドリアや葉は緑みどり体たいの外そと膜まくにしか存在そんざいしないか、あるいは膜まく孔あな形成けいせい毒素どくそとして分泌ぶんぴつされることがある。すべてのβべーたバレル膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつは、最もっとも単純たんじゅんな上下じょうげのトポロジーを持もっており、これは共通きょうつうの進化しんかの起源きげんと同様どうようのフォールディング(折おり畳たたみ)メカニズムを反映はんえいしていると考かんがえられる。

タンパク質たんぱくしつドメインに加くわえて、ペプチドによって形成けいせいされた珍めずらしい膜まく貫通かんつう要素ようそも存在そんざいする。代表だいひょう的てきな例れいは、二に量りょう体たいの膜まく貫通かんつう型がたβべーたヘリックスを形成けいせいするペプチドであるグラミシジンA (Gramicidin A)である[6]。このペプチドは、抗生こうせい物質ぶっしつとしてグラム陽性ようせい菌きんによって分泌ぶんぴつされる。膜まく貫通かんつう型がたポリプロリンIIヘリックスは、天然てんねんタンパク質たんぱくしつでは報告ほうこくされていない。しかし、この構造こうぞうは、特別とくべつに設計せっけいされた人工じんこうペプチドで実験じっけん的てきに観察かんさつされている[7]。  

トポロジーによる分類ぶんるい[編集へんしゅう]

この分類ぶんるいは、脂質ししつ二に重層じゅうそうの異ことなる側がわにあるタンパク質たんぱくしつのN末端まったんとC末端まったんの位置いち (英語えいご版ばん) を指さす。タイプI、II、III、およびIVはシングルパス分子ぶんし (英語えいご版ばん) である。タイプI膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつは、ストップ・トランスファー・アンカー配列はいれつ[訳語やくご疑問ぎもん点てん]で脂質ししつ膜まくに固定こていされており、そのN末端まったんドメインは、合成ごうせい時じに小しょう胞体(ER)内うち腔 (成熟せいじゅく型がたが細胞さいぼう膜まく上うえにある場合ばあいは細胞さいぼう外がい空間くうかん) を標的ひょうてきとする。タイプIIおよびIIIはシグナルアンカー配列はいれつ[訳語やくご疑問ぎもん点てん]で固定こていされており、タイプIIはそのC末端まったんドメインで小しょう胞体内ない腔に標的ひょうてき化かされ、タイプIIIはそのN末端まったんドメインで小しょう胞体内ない腔に標的ひょうてき化かされる。タイプIVは、そのN末端まったんドメインが細胞さいぼう質しつに標的ひょうてき化かされるIV-Aと、N末端まったんドメインがER内ない腔に標的ひょうてき化かされるIV-Bに細分さいぶん化かされている[8]。4つのタイプでの区分くぶんの意味合いみあいは、タンパク質たんぱくしつがタイプに依存いぞんする方向ほうこうにER膜まくを通過つうかしなければならない転てん座ざおよびER結合けつごう翻訳ほんやく時じに特とくに顕著けんちょとなる。

グループIとグループIIの膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつは、最終さいしゅう的てきにはトポロジーが逆ぎゃくになる。グループIのタンパク質たんぱくしつは、N末端まったんが遠とお位くらい側がわにあり、C末端まったんが細胞さいぼう質しつ側がわにある。グループIIのタンパク質たんぱくしつは、C末端まったんが遠とお位くらい側がわにあり、N末端まったんが細胞さいぼう質しつ側がわにある。ただし、最終さいしゅう的てきなトポロジーだけが膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつのタイプを定義ていぎする唯一ゆいいつの基準きじゅんではなく、むしろ、トポロジー決定けってい因子いんしの位置いちとアセンブリ(組くみ立たて)機構きこうを考慮こうりょして分類ぶんるいされる[9]。

3次元じげん構造こうぞう[編集へんしゅう]

既知きちの膜まくタンパク質たんぱくしつの3次元じげん構造こうぞうの数かずの増加ぞうか

膜まくタンパク質たんぱくしつの構造こうぞうは、Ｘ線えっくすせん結晶けっしょう構造こうぞう解析かいせき、電子でんし顕微鏡けんびきょう法ほう、またはNMR分光ぶんこう法ほうによって決定けっていすることができる[10]。これらのタンパク質たんぱくしつの最もっとも一般いっぱん的てきな三さん次じ構造こうぞうは、膜まく貫通かんつう型がたヘリックスバンドルとβべーたバレルである。膜まくタンパク質たんぱくしつのうち、脂質ししつ二に重層じゅうそう (環状かんじょう脂質ししつシェル（英語えいご版ばん）を参照さんしょう) に付着ふちゃくしている部分ぶぶんは、大だい部分ぶぶんが疎水そすい性せいアミノ酸あみのさんで構成こうせいされている[11]。

疎水そすい性せい表面ひょうめんを持もつ膜まくタンパク質たんぱくしつは、比較的ひかくてき柔軟じゅうなん性せいがあり、比較的ひかくてき低ていレベルで発現はつげんする。このため、十分じゅうぶんなタンパク質たんぱくしつを入手にゅうしゅし、結晶けっしょうを成長せいちょうさせることが困難こんなんになる。したがって、膜まくタンパク質たんぱくしつは機能きのう的てきに重要じゅうようであるにもかかわらず、その原子げんし分解能ぶんかいのう構造こうぞうを決定けっていすることは球状きゅうじょうタンパク質たんぱくしつよりも困難こんなんである[12]。2013年ねん1月がつ現在げんざい、プロテオーム全体ぜんたいの20～30％を占しめるにもかかわらず、タンパク質たんぱくしつ構造こうぞうが決定けっていされた膜まくタンパク質たんぱくしつは0.1％未満みまんである[13]。このような困難こんなんさと膜まくタンパク質たんぱくしつの重要じゅうよう性せいから、疎水そすい性せいプロット（英語えいご版ばん）に基もとづく構造こうぞう予測よそく法ほうや、ポジティブ・インサイド・ルールなどの手法しゅほうが開発かいはつされてきた[14][15][16]。

熱ねつ力学りきがく的てき安定あんてい性せいとフォールディング[編集へんしゅう]

αあるふぁヘリックス膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの安定あんてい性せい[編集へんしゅう]

膜まく貫通かんつう型がたαあるふぁヘリックスタンパク質たんぱくしつは、膜まく内ないで完全かんぜんにアンフォールディング(unfolding; 折おり畳たたみの展開てんかい)しないため、熱ねつ変性へんせいの研究けんきゅうから判断はんだんすると非常ひじょうに安定あんていしている (完全かんぜんにアンフォールディングするには、非ひ極性きょくせい媒体ばいたい中ちゅうであまりにも多おおくのαあるふぁヘリックス水素すいそ結合けつごうを切断せつだんする必要ひつようがある)。一方いっぽう、これらのタンパク質たんぱくしつは、膜まく内ないでの非ひ天然てんねんの凝集ぎょうしゅう、モルテン・グロビュール（英語えいご版ばん）状態じょうたいへの移行いこう、非ひ天然てんねんジスルフィド結合けつごうの形成けいせい、または局所きょくしょ的てきに不安定ふあんていな周辺しゅうへん領域りょういきや非ひ規則きそく的てきなループのアンフォールディングのために、容易よういにミスフォールディング(misfold; 誤あやまった折おり畳たたみ)する[要よう出典しゅってん]。

また、アンフォールド状態じょうたいを適切てきせつに定義ていぎすることも重要じゅうようである。界面かいめん活性かっせい剤ざいミセル内うちの膜まくタンパク質たんぱくしつのアンフォールド状態じょうたいは、熱ねつ変性へんせい実験じっけんの状態じょうたいとは異ことなる[要よう出典しゅってん]。この状態じょうたいは、折おり畳たたまれた疎水そすい性せいαあるふぁヘリックスと、界面かいめん活性かっせい剤ざいで覆おおわれた部分ぶぶん的てきに折おり畳たたまれていないセグメントの組くみ合あわせを表あらわしている。例たとえば、ラウリル硫酸りゅうさんナトリウム(SDS)ミセル中ちゅうの「アンフォールド」のバクテリオロドプシンは、4つの膜まく貫通かんつう型がたαあるふぁヘリックスが折おり畳たたまれているが、タンパク質たんぱくしつの残のこりの部分ぶぶんはミセルと水みずの界面かいめんに位置いちしており、さまざまなタイプの非ひ天然てんねん両親りょうしん媒なかだち性せい構造こうぞうを採とることができる。このような界面かいめん活性かっせい剤ざい変性へんせい状態じょうたいと天然てんねん状態じょうたいの間あいだの自由じゆうエネルギーの差さは、水溶すいよう性せいタンパク質たんぱくしつの安定あんてい性せい (< 10 kcal/mol)と同おなじようなものである[要よう出典しゅってん]。

αあるふぁヘリックス膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつのフォールディング[編集へんしゅう]

αあるふぁヘリックス膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの生体せいたい内ない(in vitro)でのリフォールディング(再さい折おり畳たたみ)は技術ぎじゅつ的てきに困難こんなんである。バクテリオロドプシンのようにリフォールディング実験じっけんに成功せいこうした例れいは比較的ひかくてき少すくない。生体せいたい内ないでは、そのようなタンパク質たんぱくしつはすべて、通常つうじょう、大おおきな膜まく貫通かんつう型がたトランスロコン内うちで翻訳ほんやく的てきに折おり畳たたまれている。トランスロコンチャネルは、発生はっせい期きの膜まく貫通かんつう型がたαあるふぁヘリックスに非常ひじょうに不ふ均一きんいつな環境かんきょうを提供ていきょうする。比較的ひかくてき極性きょくせいの高たかい両親りょうしん媒なかだち性せいαあるふぁヘリックスは、その極性きょくせい残ざん基もとがトランスロコンの中央ちゅうおうの水みずで満みたされたチャネルに面めんすることができるため、トランスロコン内ないで膜まく貫通かんつう配向はいこうを採とることができる (ただし、膜まく表面ひょうめんにあるか、生体せいたい内ないではアンフォールドされていない)。このような機構きこうは、極性きょくせいαあるふぁヘリックスを膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの構造こうぞうに組くみ込こむために必要ひつようである。両親りょうしん媒なかだち性せいヘリックスは、タンパク質たんぱくしつが完全かんぜんに合成ごうせいされて折おり畳たたまれるまでトランスロコンに付着ふちゃくしたままである。タンパク質たんぱくしつが折おり畳たたまれずにトランスロコンに付着ふちゃくしたままの状態じょうたいが長ながく続つづくと、タンパク質たんぱくしつは特定とくていの「品質ひんしつ管理かんり」細胞さいぼう系けいによって分解ぶんかいされる[要よう出典しゅってん]。

βべーたバレル膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの安定あんてい性せいとフォールディング[編集へんしゅう]

βべーたバレル膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの安定あんてい性せいは、化学かがく的てき変性へんせい研究けんきゅうに基もとづく水溶すいよう性せいタンパク質たんぱくしつの安定あんてい性せいと類似るいじしている。βべーたバレル膜まく貫通かんつう型がたタンパク質たんぱくしつの中なかには、カオトロピック試薬しやく下かや高温こうおん下かでも非常ひじょうに安定あんていなものがある。それらの生体せいたい内ない(in vivo)でのフォールディングは、タンパク質たんぱくしつSkpなどの水溶すいよう性せいシャペロンによって促進そくしんされる。また、βべーたバレル膜まくタンパク質たんぱくしつは、進化しんかの過程かていでシートの数かずが増ふえたり、2倍ばいになったりしても、同おなじ祖先そせんに由来ゆらいすると考かんがえられている。いくつかの研究けんきゅうでは、異ことなる生物せいぶつ間あいだでの巨大きょだいな配列はいれつ保存ほぞんと、構造こうぞうを保持ほじしフォールディングを助たすけるアミノ酸あみのさんも保存ほぞんされていることが示しめされている[17]。

3次元じげん構造こうぞう[編集へんしゅう]

光ひかり吸収きゅうしゅう駆動くどう型がたトランスポーター[編集へんしゅう]

酸化さんか還元かんげん駆動くどう型がたトランスポーター[編集へんしゅう]

電気でんき化学かがく的てき 電でん駆動くどう型がたトランスポーター[編集へんしゅう]

  • プロトン輸送ゆそうまたはナトリウム輸送ゆそう F型がたおよびV型がたATPアーゼ

P-P結合けつごう加水かすい分解ぶんかい駆動くどう型がたトランスポーター[編集へんしゅう]

ポーター (単たん輸送ゆそう体たい、共きょう輸送ゆそう体たい、対向たいこう輸送ゆそう体たい)[編集へんしゅう]

  • ミトコンドリアキャリアタンパク質たんぱくしつ
  • 主要しゅようファシリテーター・スーパーファミリー (グリセロール-3-リン酸さんトランスポーター、ラクトースパーミアーゼ、多た剤ざい輸送ゆそう体たいEmrD)
  • 抵抗ていこう性せい結節けっせつ-細胞さいぼう分裂ぶんれつ (英語えいご版ばん)  (多た剤ざい排出はいしゅつトランスポーターAcrB、多た剤ざい耐たい性せいを参照さんしょう)
  • ジカルボキシレート/アミノ酸あみのさん: カチオン共ども輸送ゆそう体たい (プロトングルタミン酸ぐるたみんさん共ども輸送ゆそう体たい)
  • 一価いっかカチオン/プロトン対向たいこう輸送ゆそう体たい (ナトリウム/プロトン対向たいこう輸送ゆそう体たい1 NhaA)
  • 神経しんけい伝達でんたつ物質ぶっしつナトリウム共ども輸送ゆそう体たい
  • アンモニア輸送ゆそう体たい
  • 薬物やくぶつ/代謝たいしゃ物ぶつ輸送ゆそう体たい (小型こがた多た剤ざい耐たい性せいトランスポーターEmrE - 構造こうぞうが誤あやまって格納かくのうされている)

イオンチャネルを含ふくむαあるふぁ-ヘリカルチャネル[編集へんしゅう]

酵素こうそ[編集へんしゅう]

αあるふぁヘリックス膜まく貫通かんつう型がたアンカーを持もつタンパク質たんぱくしつ[編集へんしゅう]

単一たんいつのポリペプチド鎖くさりからなるβべーたバレル[編集へんしゅう]

注ちゅう: nとSは、それぞれβべーたストランド数すうとβべーたバレルの「せん断だん数すう」[19]である。

複数ふくすうのポリペプチド鎖くさりからなるβべーたバレル[編集へんしゅう]

参照さんしょう項目こうもく[編集へんしゅう]

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

  1. ^ Manor, Joshua; Feldblum, Esther S.; Arkin, Isaiah T. (2012). “Environment Polarity in Proteins Mapped Noninvasively by FTIR Spectroscopy”. The Journal of Physical Chemistry Letters 3 (7): 939–944. doi:10.1021/jz300150v. PMC 3341589. PMID 22563521. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3341589/. 
  2. ^ Steven R. Goodman (2008). Medical cell biology. Academic Press. pp. 37–. ISBN 978-0-12-370458-0. https://books.google.com/books?id=WO6EVUgWw7AC&pg=PA37 2010年ねん11月24日にち閲覧えつらん。 
  3. ^ Jin Xiong (2006). Essential bioinformatics. Cambridge University Press. pp. 208–. ISBN 978-0-521-84098-9. https://books.google.com/books?id=AFsu7_goA8kC&pg=PA208 2010年ねん11月13日にち閲覧えつらん。 
  4. ^ alpha-helical proteins in outer membranes include Stannin and certain lipoproteins, and others
  5. ^ “Mapping the human membrane proteome: a majority of the human membrane proteins can be classified according to function and evolutionary origin”. BMC Biol. 7: 50. (2009). doi:10.1186/1741-7007-7-50. PMC 2739160. PMID 19678920. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2739160/. 
  6. ^ Nicholson, L. K.; Cross, T. A. (1989). “Gramicidin cation channel: an experimental determination of the right-handed helix sense and verification of .beta.-type hydrogen bonding” (英語えいご). Biochemistry 28 (24): 9379–9385. doi:10.1021/bi00450a019. PMID 2482072. 
  7. ^ Kubyshkin, Vladimir; Grage, Stephan L.; Ulrich, Anne S.; Budisa, Nediljko (2019). “Bilayer thickness determines the alignment of model polyproline helices in lipid membranes” (英語えいご). Physical Chemistry Chemical Physics 21 (40): 22396–22408. Bibcode: 2019PCCP...2122396K. doi:10.1039/c9cp02996f. PMID 31577299. 
  8. ^ Harvey Lodish etc.; Molecular Cell Biology, Sixth edition, p.546
  9. ^ Goder, Veit; Spiess, Martin (31 August 2001). “Topogenesis of membrane proteins: determinants and dynamics”. FEBS Letters 504 (3): 87–93. doi:10.1016/S0014-5793(01)02712-0. PMID 11532438. 
  10. ^ Cross, Timothy A.; Sharma, Mukesh; Yi, Myunggi; Zhou, Huan-Xiang (2011). “Influence of Solubilizing Environments on Membrane Protein Structures”. Trends in Biochemical Sciences 36 (2): 117–125. doi:10.1016/j.tibs.2010.07.005. PMC 3161620. PMID 20724162. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3161620/. 
  11. ^ White, Stephen. "General Principle of Membrane Protein Folding and Stability". Stephen White Laboratory Homepage. 10 Nov. 2009. web.[要よう検証けんしょう – ノート]
  12. ^ Carpenter, Elisabeth P; Beis, Konstantinos; Cameron, Alexander D; Iwata, So (October 2008). “Overcoming the challenges of membrane protein crystallography”. Current Opinion in Structural Biology 18 (5): 581–586. doi:10.1016/j.sbi.2008.07.001. PMC 2580798. PMID 18674618. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2580798/. 
  13. ^ Membrane Proteins of known 3D Structure
  14. ^ Elofsson, Arne; Heijne, Gunnar von (7 June 2007). “Membrane Protein Structure: Prediction versus Reality”. Annual Review of Biochemistry 76 (1): 125–140. doi:10.1146/annurev.biochem.76.052705.163539. PMID 17579561. 
  15. ^ Chen, Chien Peter; Rost, Burkhard (2002). “State-of-the-art in membrane protein prediction”. Applied Bioinformatics 1 (1): 21–35. PMID 15130854. 
  16. ^ Hopf, Thomas A.; Colwell, Lucy J.; Sheridan, Robert; Rost, Burkhard; Sander, Chris; Marks, Debora S. (June 2012). “Three-Dimensional Structures of Membrane Proteins from Genomic Sequencing”. Cell 149 (7): 1607–1621. doi:10.1016/j.cell.2012.04.012. PMC 3641781. PMID 22579045. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3641781/. 
  17. ^ Michalik, Marcin; Orwick-Rydmark, Marcella; Habeck, Michael; Alva, Vikram; Arnold, Thomas; Linke, Dirk; Permyakov, Eugene A. (3 August 2017). “An evolutionarily conserved glycine-tyrosine motif forms a folding core in outer membrane proteins”. PLOS ONE 12 (8): e0182016. Bibcode: 2017PLoSO..1282016M. doi:10.1371/journal.pone.0182016. PMC 5542473. PMID 28771529. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5542473/. 
  18. ^ “Structural adaptations in a membrane enzyme that terminates endocannabinoid signaling”. Science 298 (5599): 1793–6. (November 2002). Bibcode: 2002Sci...298.1793B. doi:10.1126/science.1076535. PMID 12459591. https://semanticscholar.org/paper/36231e3dac990f2a6e004c93eeafb1fc9cebdd0e. 
  19. ^ “Principles determining the structure of beta-sheet barrels in proteins. I. A theoretical analysis”. J. Mol. Biol. 236 (5): 1369–81. (March 1994). doi:10.1016/0022-2836(94)90064-7. PMID 8126726. 
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