Αシート

αシート

αシートは、タンパク質が折り畳まれてできる高次構造のうち、二次構造と呼ばれるカテゴリーに属する理論上の構造体です。これは1951年に生化学者のライナス・ポーリングとロバート・コリーによって提唱されました。彼らは、タンパク質の基本的な骨格であるポリペプチド鎖が取り得る安定な構造を探求する中で、αヘリックスやβシートと並んでこのαシートの存在を予測しました。

特徴

αシートの最も特徴的な点は、その水素結合パターンが、よく知られているβシートと類似しているにも関わらず、ペプチド結合を構成するカルボニル基（C=O）とアミノ基（N-H）の向きがβシートとは異なっていることです。具体的には、カルボニル基はシートの特定の方向（順方向）に、アミノ基はその逆方向を向くように配置されます。この独特の配向により、αシートは全体として電荷を帯びることになります。カルボニル基が並ぶ側は負に、アミノ基が並ぶ側は正に帯電すると考えられています。また、立体的な制約から、全ての種類のアミノ酸がこの構造を取り得るわけではないことも、αシートの特徴として挙げられます。

存在と実験的証拠

αシート構造は、天然に存在するタンパク質の構造中で、広く見られることは極めて稀です。αシートが初めて理論的に提唱された際、ポーリングとコリーは、羊毛などの主成分であるβケラチン繊維のX線回折データが、この構造でうまく説明できると考えました。しかし、後の研究でαシートは構造として不安定であることが分かり、βケラチンの構造は実際にはβシートであることが明らかになりました。

現在では、X線結晶構造解析や核磁気共鳴（NMR）分光法といった実験手法により、天然タンパク質の一部分にαシート様の局所的な構造が存在することが確認されています。ただし、βシートのように大きく広がったαシート構造が天然タンパク質中に見つかった例は、現在のところありません。このようなαシートに類似した水素結合パターンは、シナプトタグミン、リゾチーム、カリウムイオンチャネルといった特定の天然タンパク質の一部に見出されており、特にイオン伝達経路における重要な役割（極性）を担っていることが示唆されています。

天然タンパク質には稀である一方、計算機を用いた分子動力学シミュレーションでは、タンパク質がアミロイドへと構造変化する過程の中間体として現れる可能性が示唆されています。また、人工的に設計された特定のペプチド構造中での存在も報告されています。特に、天然タンパク質では通常見られないD体アミノ酸を含む短い人工ペプチドの結晶構造中で、αシート構造が発見されています。例えば、Boc–AlaL–a-IleD–IleL–OMeというキャップ付きペプチドで最初に見出され、他にもキャップ付きジフェニルグリシンを含むジペプチドやトリペプチドでもαシート構造が推定されています。

アミロイド生成での役割

αシートは、アルツハイマー病やハンチントン病を含む、タンパク質の異常な凝集が原因となる様々な疾患（アミロイドーシスやポリグルタミン病など）において、病的な構造変化の途中で中間体として現れる可能性が広く議論されています。これらの疾患に関わるタンパク質（アミロイドβやハンチントン病の原因タンパク質など）は、本来の規則性のない構造（ランダムコイル）やらせん構造（αヘリックス）から、シート状の構造（βシート）へと変化し、不溶性の凝集体であるアミロイド線維を形成します。水素結合の特定の角度に関する詳細な解析から、この構造変化の過程でαシート構造を経由する可能性が示唆されています。

原子間力顕微鏡を用いた観察研究では、アミロイドが形成される初期段階として、タンパク質が直径20ナノメートル以下の小さな球状凝集体（コロイド球）を作り、これが繋がり合って直線状の構造を経て最終的にアミロイド線維となる様子が捉えられています。このような直線状の構造形成は、コロイド球内部に強力な電気双極子が生じることで、通常は反発し合う分子間のクーロン力を克服し、互いを引き付け合う力が働くことが原動力になっていると考えられています。この電気双極子の存在は、電荷分離を持つαシート構造がコロイド球内に存在することを示唆するものです。

天然のタンパク質の中で、αシート様の構造を持つ比較的珍しい例として、リゾチームが挙げられます。ニワトリおよびヒトのリゾチームに見られる局所的なαシート構造は、このタンパク質が原因でアミロイドーシスを引き起こす変異部位の近くに存在しています。実際に、アミロイドーシス変異を持つリゾチームを用いた分子動力学シミュレーションでも、変異部位の近傍がαシート構造を形成しやすい傾向が示されています。リゾチームは試験管内などの実験環境下で比較的容易にアミロイド線維を形成することが知られており、天然のαシートが存在する領域と、アミロイドーシスを引き起こす変異領域の双方が、アミロイド線維形成の起点（核）となり得ることが示されています。

さらに、αシート構造からβシート構造へ直接的に構造が変化するメカニズムも理論的に提唱されており、トランスサイレチンという別のタンパク質を用いたシミュレーション研究によって、そのような変化が起こり得ることが確認されています。このように、αシートは天然タンパク質中では広範囲に見られない構造ですが、タンパク質の機能や病的な構造変化を理解する上で、その重要性が認識されつつあります。

もう一度検索