グロビンフォールド

定義と特徴

グロビンフォールド（Globin fold）は、タンパク質の基本的な三次元構造パターン（フォールド）の一つです。このフォールドは、主にアルファ（α）ヘリックスと呼ばれるらせん状の構造要素のみで構成されることから、タンパク質の三次構造分類においては「All-α型」に分類されます。その名称は、この構造を持つ代表的なタンパク質であるヘモグロビンやミオグロビンに由来しています。

構造

グロビンフォールドの典型的な構造は、通常八つのαヘリックスが集まって形成されます。これらのヘリックスは特定の立体的な配置を取り、コンパクトな球状に近い形状を作り出します。タンパク質によっては、この基本構造に加えて末端部分にさらにヘリックスが付加されることもあります。

歴史的重要性

グロビンフォールドは、分子生物学史において極めて重要な意味を持ちます。グロビンフォールドを持つタンパク質の一つであるミオグロビンが、1958年にジョン・ケンドリューによって初めてX線結晶構造解析により詳細な原子レベルでの三次元構造が解明されたタンパク質だからです。この画期的な成果により、グロビンフォールド自体も、初めて構造が明らかにされたタンパク質フォールドとなりました。これは、その後のタンパク質科学の研究に大きな影響を与えました。

分布

グロビンフォールドは、ヒトを含む哺乳類で酸素運搬を担うヘモグロビンや、筋肉組織で酸素を貯蔵・供給するミオグロビンといった酸素結合性タンパク質ファミリーに広く見られます。これらのタンパク質は、酸素分子と可逆的に結合するための補欠分子族であるヘム基を、グロビンフォールドによって形成される特定のポケット内に保持しています。動物界以外にも、藻類やシアノバクテリアに見られる光合成色素複合体の成分であるフィコシアニンの一部など、生物界の多様なタンパク質にもグロビンフォールドが見出されています。このことは、このフォールドが進化的に古くから存在し、広く保存されてきた構造であることを示唆しています。

ヘリックスパッキング

グロビンフォールドの構造的な特徴の一つは、それを構成するαヘリックスが互いにパッキングされる様式にあります。多くのタンパク質構造では、一次構造上で近いアミノ酸が特定の折り畳みパターン（例えばβターンやヘアピンループ）を形成して、コンパクトな局所構造を作ります。しかし、グロビンフォールドを構成する八つのヘリックスは、このような明確な局所構造モチーフをほとんど持たずに空間的に配置されています。

注目すべきは、ヘリックス同士のパッキング角度です。グロビンフォールド内のヘリックスは、ヘリックスバンドルなど他のヘリックス集合体と比較して、互いにかなり急な角度で詰め込まれています。その平均角度は約50度と報告されています。この密なパッキングは、ヘリックス表面近くに存在するアミノ酸側鎖間の立体的な相互作用（立体障害）と、タンパク質内部に隠れようとする疎水性アミノ酸の傾向（疎水効果）によって安定化されています。したがって、ヘリックスの正確な配置や角度は、そのヘリックスを構成するアミノ酸配列の詳細に依存しており、配列によって微妙に変化します。

進化的な保存性と配列多様性

グロビンフォールドは、進化の過程でその全体的な構造が非常によく保存されてきました。これは、その基本的な構造が生物学的な機能にとって有利であったことを示しています。しかし、構造の保存性とは対照的に、同じグロビンフォールドを持つ異なるタンパク質間や種間でアミノ酸配列を比較すると、その類似性（相同性）は比較的低い傾向があります。多くの場合、配列相同性は16%程度に過ぎません。

この低い配列相同性は、特定のグロビンフォールド構造を形成するために必要なアミノ酸配列の条件が、それほど厳格ではないことを示唆しています。つまり、異なるアミノ酸配列でも、適切に折り畳まれれば最終的に同じグロビンフォールド構造を取りうるということです。ただし、完全にランダムな配列が許容されるわけではありません。特にフォールドの内部に形成される疎水性コアは、タンパク質の折り畳みと安定性にとって重要であり、この疎水性が維持されるようなアミノ酸組成が選ばれる傾向があります。

グロビンフォールドを持つタンパク質の配列における特定の変異が、ヒトの健康に深刻な影響を与える例として、鎌状赤血球症が挙げられます。この疾患は、ヘモグロビンを構成するβグロビン鎖の6番目のアミノ酸が、本来のグルタミン酸（極性のある負電荷アミノ酸）からバリン（非極性の疎水性アミノ酸）へと一点変異したことによって引き起こされます。このわずかな配列変化が、ヘモグロビン分子の性質を変え、赤血球の形状異常や酸素運搬能力の低下をもたらします。これは、たとえ一つのアミノ酸置換であっても、タンパク質のフォールドの安定性や機能に大きな影響を与えうることを示す典型的な例です。

まとめ

グロビンフォールドは、酸素結合タンパク質を中心に多くの生体機能に不可欠な構造であり、αヘリックスのみからなるAll-α型フォールドの代表例です。歴史的に初めて構造が解明されたフォールドであり、その特徴的なヘリックスパッキング様式や、進化における構造保存性と配列多様性のバランスは、タンパク質の構造生物学や分子進化を理解する上で重要な研究対象となっています。

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