アロステリック効果

アロステリック効果

アロステリック効果とは、タンパク質の機能が外部の化合物、いわゆる制御物質によって調整される現象を指します。主に酵素の反応に関して使われますが、最近ではG[[タンパク質共役受容体]]（GPCR）などの受容体タンパク質の活性調節にも関連性が見出されています。この効果に関与する化学物質はアロステリックモジュレーターと呼ばれ、タンパク質の機能に変化をもたらします。

この用語はギリシャ語に由来しており、「別の」を意味する「allos」と「形」を意味する「stereos」から成り立っています。これは、アロステリック効果が、基質と非常に異なる構造を持つエフェクターによって媒介されることから理解されます。しかし、ヘモグロビンの酸素分子のように、同一の分子がエフェクターと基質の両方の役割を果たすケースも存在します。そのため、アロステリック効果は、オリゴマー構造を持つタンパク質にモデル化されることが一般的です。

アロステリック制御

アロステリック効果によって、酵素や受容体などのタンパク質の機能が調整されることをアロステリック制御と呼びます。酵素においては、アロステリック部位と呼ばれる活性中心ではない部分にエフェクターが結合することで、酵素の構造が変わり、触媒活性や反応の平衡が変化します。活性を高めるエフェクターはアロステリック・アクティベーター、逆に抑制するエフェクターはアロステリック・インヒビターと呼ばれます。

受容体に関する場合、内因性アゴニストの作用を強化するリガンドはポジティブアロステリックモジュレーター（PAM）、反対に抑制するリガンドはネガティブアロステリックモジュレーター（NAM）と呼ばれます。また、内因性アゴニストの活性に影響を与えないリガンドはサイレントアロステリックモジュレーター（SAM）またはニュートラルアロステリックリガンド（NAL）と称されます。

アロステリック効果の例

血液中のヘモグロビンは、酸素と結合するヘムを四つ持っています。酸素との結合には各ヘムに一定の平衡定数がありますが、一つのヘムが酸素と結合すると、その構造が変わり、他のヘムとの酸素結合が促進されます。このおかげで、酸素濃度が高い場所ではヘモグロビンはより効率的に酸素を取り込むことができます。

一方、ミオグロビンはヘモグロビンとは異なり、酸素との結合に協同効果がないため、酸素濃度に対して直線的に反応するのみです。これにより、ヘモグロビンは酸素の豊富な肺から吸収し、豊富でない組織に酸素を放出することが可能です。

アロステリック制御のモデル

アロステリック効果は、ジャック・モノーたちが提唱した協奏モデルと、ダニエル・コシュランドらによる逐次モデルで説明されます。協奏モデルは、サブユニットが同じ構造を保つと仮定し、一部が変化すると全体が影響を受けるとしています。一方、逐次モデルでは、サブユニットが別々の構造を持ち、基質との結合によって一つずつ変化することが想定されています。

アロステリック効果の種類

アロステリック促進とは、リガンドが結合することで基質親和性が高まる現象を表します。ヘモグロビンの酸素がその良い例です。一方、アロステリック抑制は、リガンドが結合することで親和性が低下する現象です。例えば、2,3-ビスホスホグリセリン酸がヘモグロビンに結合すると、全てのサブユニットの酸素親和性が低下します。

このように、アロステリック効果はタンパク質の機能における非常に重要な調節メカニズムであり、複雑な生理的プロセスに深くかかわっています。

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