細胞と多様性の生物学

細胞と多様性の 生物学第５回　タンパク質の多様な働き和田　勝東京医科歯科大学教養部

酵素タンパク質 前回は、酵素タンパク質として、リゾチームとセリンプロテアーゼを取り上げた。三次構造（立体構造）を取ることで、基質結合部位と活性部位が構成され、酵素としての働きが生まれることを学んだ。

酵素タンパク質 したがって、立体構造の保持が妨げられると、酵素として機能できなくなる。これが、酵素の活性に最適温度、最適ｐHが存在する理由である。リゾチームとセリンプロテアーゼは、酵素が単独で働く例であるが、、

Triose phosphate dehydrogenase Phosphoglucoisomerase Phosphofructokinase Phosphoglyceromutase Phosphoglycerokinase Hexokinase Pyrvate kinase Aldolase Enolase 解糖系の酵素グルコースグリセルアルデヒド3-リン酸ピルビン酸

TCA回路 ピルビン酸丸をつけた過程も、脱水素酵素（dehydrogenase）が触媒する。オキザル酢酸リンゴ酸クエン酸イソクエン酸フマル酸 αケトグルタル酸コハク酸スクシニルCoA

酵素と補酵素 脱水素酵素では、NADがプロトンの移動に重要な役割を果たす。脱水素酵素は、タンパク質部分とNADからなる、複合酵素である。複合酵素＝アポ酵素＋補酵素

乳酸デヒドロゲナーゼ 1 11 21 31 41 1 ATLKDKLIGH LATSQEPRSY NKITVVGVGAVGMACAISIL MKDLADEVAL 50 51 VDVMEDKLKG EMMDLQHGSL FLHTAKIVSG KDYSVSAGSK LVVITAGARQ 100 101 QEGESRLNLV QRNVNIFKFI IPDIVKHSPD CIILVVSNPV DVLTYVAWKL 150 151 SGLPMHRIIG SGCNLDSARF RYLMGERLGV HSSSCHGWVIGEHGDSSVPV 200 201 WSGMNVAGVS LKELHPELGT DKDKENWKKL HKDVVDSAYE VIKLKGYTSW 250 251 AIGLSVADLA ETIMKNLCRV HPVSTMVKDF YGIKNDVFLS LPCVLDNHGI 300 301 SNIVKMKLKP DEEQQLQKSA TTLWDIQKDL KF 水色のアミノ酸でNADを保持し、193番目のHisがプロトンアクセプターとして働く（from dogfish muscle）。

乳酸デヒドロゲナーゼ

乳酸デヒドロゲナーゼ モノマーが上下に組み合わさった二量体。実際は四量体で存在している。

種類役割例構造タンパク質支持コラーゲンやエラスティンのように組織の形を保つ。ケラチンのように毛髪や爪をつくる貯蔵タンパク質アミノ酸の貯蔵卵白のオボアルブミンやミルクタンパク質のカゼイン運搬タンパク質物質の運搬ヘモグロビンは酸素を運搬ホルモンタンパク質ホルモンとして生体の調節インシュリンのようにホルモンとしてはたらく受容体タンパク質信号分子を受取るホルモンなどの信号分子と結合して信号を細胞に伝える収縮タンパク質細胞運動アクチンとミオシンは筋収縮を担うタンパク質防御タンパク質病気から生体を防御抗体は細菌やウイルスに対抗する酵素タンパク質化学反応を選択的に促進消化酵素は食物を分解。細胞内のあらゆる化学反応を触媒するタンパク質のはたらき

酵素タンパク質 細胞内のあらゆる代謝反応を触媒する。すなわち、細胞内で作られるあらゆる物質は酵素の働きでつくられる。たとえば、ステロイドホルモンのひとつであるテストステロン（男性ホルモン）は、コレステロールからつくられる。

ステロイドホルモン生合成 17βの位置に水素を導入、すなわち還元

17β-hydroxysteroid dehydrogenase 1 11 21 31 41 1 MKFLLDILLL LPLLIVCSLE SFVKLFIPKR RKSVTGEIVLITGAGHGIGR 50 51 LTAYEFAKLKSKLVLWDINK HGLEETAAKC KGLGAKVHTF VVDCSNREDI 100 101 YSSAKKVKAE IGDVSILVNN AGVVYTSDLF ATQDPQIEKT FEVNVLAHFW 150 151 TTKAFLPAMT KNNHGHIVTV ASAAGHVSVP FLLAYCSSKF AAVGFHKTLT 200 201 DELAALQITG VKTTCLCPNF VNTGFIKNPS TSLGPTLEPE EVVNRLMHGI 250 251 LTEQKMIFIP SSIAFLTTLE RILPERFLAV LKRKISVKFD AVIGYKMKAQ 300 黄色いアミノ酸はシグナル、水色のアミノ酸でNADを保持し、185番目のTyrがプロトンアクセプターとして働く（ヒト）。

17β-steroid dehydrogenase

運搬タンパク質 酸素を運搬するヘモグロビンは、良く研究されている。ヘモグロビンは、αグロビンとβグロビンそれぞれ2本ずつからなる四量体で、αβグロビンはヘムを含む。ヘムは、向かい合うHisで支えられている。

αグロビンの構造 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 Val Leu Ser Pro Ala Asp Lys Thr Asn Val Lys Ala Ala Trp Gly 15 16 Lys Val Gly Ala His Ala Gly Glu Tyr Gly Ala Glu Ala Leu Glu 30 31 Arg Met Phe Leu Ser Phe Pro Thr Thr Lys Thr Tyr Phe Pro His 45 46 Phe Asp Leu Ser His Gly Ser Ala Gln Val Lys Gly His Gly Lys 60 61 Lys Val Ala Asp Ala Leu Thr Asn Ala Val Ala His Val Asp Asp 75 76 Met Pro Asn Ala Leu Ser Ala Leu Ser Asp Leu His Ala His Lys 90 91 Leu Arg Val Asp Pro Val Asn Phe Lys Leu Leu Ser His Cys Leu 105 106 Leu Val Thr Leu Ala Ala His Leu Pro Ala Glu Phe Thr Pro Ala 120 121 Val His Ala Ser Leu Asp Lys Phe Leu Ala Ser Val Ser Thr Val 135 136 Leu Thr Ser Lys Tyr Arg

βグロビンの構造 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Trp 15 16 Gly Lys Val Asn Val Asp Glu Val Gly Gly Glu Ala Leu Gly Arg 30 31 Leu Leu Val Val Tyr Pro Trp Thr Gln Arg Phe Phe Glu Ser Phe 45 46 Gly Asp Leu Ser Thr Pro Asp Ala Val Met Gly Asn Pro Lys Val 60 61 Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly Leu 75 76 Ala His Leu Asp Asn Leu Lys Gly Thr Phe Ala Thr Leu Ser Glu 90 91 Leu His Cys Asp Lys Leu His Val Asp Pro Glu Asn Phe Arg Leu 105 106 Leu Gly Asn Val Leu Val Cys Val Leu Ala His His Phe Gly Lys 120 121 Glu Phe Thr Pro Pro Val Gln Ala Ala Tyr Gln Lys Val Val Ala 135 136 Gly Val Ala Asn Ala Leu Ala His Lys Tyr His

βグロビンの二次構造 βグロビンの58から74番目のアミノ酸はαヘリックスを形成 Pro Lys Val Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly

βグロビンの三次構造

ヘモグロビン ヘモグロビンはαグロビン２個とβグロビン２個のテトラマー（α2β2）

ホルモン・インシュリン 膵臓に存在するランゲルハンス島(膵島)のβ細胞から分泌されるペプチドホルモン（ヒト）。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1Met Ala Leu Trp Met Arg Leu Leu Pro Leu Leu Ala Leu Leu Ala15 16Leu Trp Gly Pro Asp Pro Ala Ala AlaPhe Val Asn Gln His Leu30 31Cys Gly Ser His Leu Val Glu Ala Leu Tyr Leu Val Cys Gly Glu45 46Arg Gly Phe Phe Tyr Thr Pro Lys Thr Arg Arg Glu Ala Glu Asp 60 61 Leu Gln Val Gly Gln Val Glu Leu Gly Gly Gly Pro Gly Ala Gly 75 76 Ser Leu Gln Pro Leu Ala Leu Glu Gly Ser Leu Gln Lys Arg Gly90 91Ile Val Glu Gln Cys Cys Thr Ser Ile Cys Ser Leu Tyr Gln Leu105 106Glu Asn Tyr Cys Asn

ホルモン・インシュリン シグナルペプチドを含めてアミノ酸200のペプチドとして合成され、シグナルペプチドが切り離され、b鎖、ｃペプチド、a鎖からなる前駆体となる。前駆体（プロホルモン）からcペプチドが切り離され、a鎖とb鎖からなるインシュリンとなる。

SS結合 ホルモン・インシュリンｃペプチド a鎖 b鎖

ホルモン・インシュリン

インシュリン受容体 1 11 21 31 41 51 1 MGTGGRRGAA AAPLLVAVAALLLGAAGHLY PGEVCPGMDI RNNLTRLHEL ENCSVIEGHL 60 61 QILLMFKTRP EDFRDLSFPK LIMITDYLLL FRVYGLESLK DLFPNLTVIR GSRLFFNYAL 120 121 VIFEMVHLKE LGLYNLMNIT RGSVRIEKNN ELCYLATIDW SRILDSVEDN YIVLNKDDNE 180 181 ECGDICPGTA KGKTNCPATV INGQFVERCW THSHCQKVCP TICKSHGCTA EGLCCHSECL 240 241 GNCSQPDDPT KCVACRNFYL DGRCVETCPP PYYHFQDWRC VNFSFCQDLH HKCKNSRRQG 300 301 CHQYVIHNNK CIPECPSGYT MNSSNLLCTP CLGPCPKVCH LLEGEKTIDS VTSAQELRGC 360 361 TVINGSLIIN IRGGNNLAAE LEANLGLIEE ISGYLKIRRS YALVSLSFFR KLRLIRGETL 420 421 EIGNYSFYAL DNQNLRQLWD WSKHNLTTTQ GKLFFHYNPK LCLSEIHKME EVSGTKGRQE 480 481 RNDIALKTNG DKASCENELL KFSYIRTSFD KILLRWEPYW PPDFRDLLGF MLFYKEAPYQ 540 541 NVTEFDGQDA CGSNSWTVVD IDPPLRSNDP KSQNHPGWLM RGLKPWTQYA IFVKTLVTFS 600 601 DERRTYGAKS DIIYVQTDAT NPSVPLDPIS VSNSSSQIIL KWKPPSDPNG NITHYLVFWE 660 661 RQAEDSELFE LDYCLKGLKL PSRTWSPPFE SEDSQKHNQS EYEDSAGECC SCPKTDSQIL 720 721 KELEESSFRK TFEDYLHNVV FVPRKTSSGTGAEDPRPSRK RRSLGDVGNVTVAVPTVAAF 780 781 PNTSSTSVPT SPEEHRPFEK VVNKESLVIS GLRHFTGYRI ELQACNQDTP EERCSVAAYV 840 841 SARTMPEAKA DDIVGPVTHE IFENNVVHLM WQEPKEPNGL IVLYEVSYRR YGDEELHLCV 900 901 SRKHFALERG CRLRGLSPGN YSVRIRATSL AGNGSWTEPT YFYVTDYLDV PSNIAKIIIG 960 961 PLIFVFLFSV VIGSIYLFLR KRQPDGPLGP LYASSNPEYL SASDVFPCSV YVPDEWEVSR 1020 1021 EKITLLRELG QGSFGMVYEG NARDIIKGEA ETRVAVKTVN ESASLRERIE FLNEASVMKG 1080 1081 FTCHHVVRLL GVVSKGQPTL VVMELMAHGD LKSYLRSLRP EAENNPGRPP PTLQEMIQMA 1140 1141 AEIADGMAYL NAKKFVHRDL AARNCMVAHD FTVKIGDFGM TRDIYETDYY RKGGKGLLPV 1200 1201 RWMAPESLKD GVFTTSSDMW SFGVVLWEIT SLAEQPYQGL SNEQVLKFVM DGGYLDQPDN 1260 1261 CPERVTDLMR MCWQFNPKMR PTFLEIVNLL KDDLHPSFPE VSFFHSEENK APESEELEME 1320 1321 FEDMENVPLD RSSHCQREEA GGRDGGSSLG FKRSYEEHIP YTHMNGGKKN GRILTLPRSN 1380 1381 PS

インシュリン受容体 インシュリンが結合細胞内へ情報が伝わる

細胞骨格 細胞が形を保っていられるのは、細胞骨格（cytoskelton）のおかげである。また、細胞内部での動きや、細胞の運動も細胞骨格によっておこる。細胞骨格と言っても、硬い構造ではなく、タンパク質のモノマーの重合体である。

細胞骨格 細胞骨格には、3種類ある。１．微小繊維（アクチンフィラメント） microfilament, actin filament ２．微小管 microtubule ３．中間径フィラメント intermediate filament

微小繊維　微小管中間径繊維

微絨毛 収縮束指状仮足収縮環 microvilli filopodia contractile bundle contractile ring アクチンフィラメント細胞に見られるアクチンフィラメントの束

移動する細胞 好中球（白血球の1種）が、黄色ブドウ球菌を追いかけているところ先端に細胞小器官の顆粒の無い部分が見えるこの部分に、葉状仮足、指状仮足

ATP ATP G - actin G - actin PDB 2BTF PDB 2BTF Actin monomer with bound ATP G-アクチン

重合 F-アクチン G-アクチン（42kDa） F-アクチン

アクチンフィラメント 各モノマーは周囲の4つとしっかり結合している F-アクチンが2本撚り合わさった形

モノマーの重合と解離 しかし重合と解離もおこる。ATPと結合したアクチンモノマーは重合（＋端）。 ATP→ADP＋Piがおこり、端に来ると解離（ー端）。

アクチン結合タンパク質 アクチンと結合するタンパク質が多数あり、アクチンの性質を規定する。 ●単量体の重合を防ぐタンパク質 ●重合核形成タンパク質 ●フィラメント間に架橋するタンパク質 ●フィラメントを切断するタンパク質 ●モータータンパク質

アクチン結合タンパク質 重合核形成とモータータンパク質架橋と切断

移動する細胞 アクチンとアクチン結合タンパク質の相互作用によって、細胞が移動できる。 1）先端から突起（糸状仮足、葉状　仮足）を出す 2）突起が接着 3）接着点を足掛かりにして、本体を　引っ張る

移動する細胞

卵割における収縮環 くびれの赤い部分がアクチンフィラメント束

重合の人為的阻害 サイトカラシンは、F-アクチンの＋端に結合し、重合を阻害。そのため、ー端での解離が進み、アクチンフィラメントが消失し、アクチンによる細胞運動が阻害される。食細胞運動の停止、細胞分裂の停止など。

微小管 細胞に見られる微小管

微小管 GTPを結合したヘテロダイマーは重合、GDPでは解離微小管は中空の管単位はαとβチューブリンのヘテロダイマー＋端とー端ができる

微小管の重合と解離 コルヒチンは、チューブリンと結合して、重合を阻害。

細胞と多様性の 生物学