コンフォメーション変化

コンフォメーション変化とは

生化学の分野におけるコンフォメーション変化（立体配座変化）とは、タンパク質や核酸などの高分子が、その形状を変化させる現象のことです。これらの高分子は柔軟性を持っており、環境の変化に応じて様々な形を取り得ます。それぞれの形をコンフォメーション（立体配座）と呼び、あるコンフォメーションから別のコンフォメーションへの移行をコンフォメーション変化と呼びます。

コンフォメーション変化を引き起こす要因

コンフォメーション変化は、以下のような様々な要因によって引き起こされます。

温度
pH
電圧
光（発色団による）
イオン濃度
リン酸化
リガンドの結合

これらの要因によって、高分子はナノメートル単位の微小な変化から、より大きな変化まで、様々なスケールでの形状変化を起こします。また、変化にかかる時間もナノ秒から秒単位まで幅広く、この変化が細胞内での様々な機能に深く関わっています。

コンフォメーション変化の観測手法

コンフォメーション変化を研究するために、以下のような様々な生物物理学的な技術が用いられています。

結晶学: X線回折などを利用して、分子の立体構造を解析します。
NMR（核磁気共鳴法）: 分子の原子核の磁気的性質を利用して、構造や動きを解析します。
EPR（電子常磁性共鳴法）: スピンラベルを付加した分子の電子スピンの共鳴を観測することで、分子の動きを解析します。
CD（円偏光二色性）: 分子の光学活性を測定し、構造変化を解析します。
水素交換: 分子の水素が重水素に置換される速度を測定し、構造の柔軟性を解析します。
FRET（蛍光共鳴エネルギー移動）: 二つの蛍光色素間のエネルギー移動を測定し、分子間の距離や動きを解析します。
二重偏光干渉法: 生体分子のコンフォメーション変化を高解像度かつリアルタイムで測定できる技術です。

また、近年では、SHG（第二次高調波発生）と呼ばれる特殊な非線形光学技術も用いられるようになってきています。この方法では、タンパク質内の特定の部位に第二次高調波活性を持つプローブを配置し、タンパク質のコンフォメーション変化に伴うプローブの配向変化を検出します。さらに、電気泳動バイオサーフェスという手法も用いられています。これは、タンパク質を付着させたDNA分子を電場中で移動させ、その速度からコンフォメーション変化を解析する方法です。

コンフォメーション変化が重要な事例

コンフォメーション変化は、以下のような生命現象において重要な役割を果たしています。

ABC輸送体: 細胞膜を介した物質輸送を担うタンパク質で、コンフォメーション変化によって物質の輸送を行います。
触媒作用: 酵素が反応を触媒する際に、コンフォメーション変化によって活性部位を形成します。
細胞内運動とモータータンパク質: モータータンパク質は、コンフォメーション変化によって細胞内を移動したり、細胞骨格を動かしたりします。
タンパク質複合体の形成: 複数のタンパク質が結合して複合体を形成する際に、コンフォメーション変化が関わります。
タンパク質のフォールディング: タンパク質が正しい立体構造を形成する過程で、コンフォメーション変化が起こります。
イオンチャネル: 細胞膜に存在するイオンチャネルは、コンフォメーション変化によってイオンの透過を制御します。
機械受容器およびメカノトランスダクション: 細胞が機械的な刺激を感知する際に、コンフォメーション変化が関与しています。
アロステリック制御: 酵素やタンパク質の活性が、別の分子の結合によって変化する際に、コンフォメーション変化が起こります。
細胞膜を介した代謝物質の輸送: 細胞膜を介した物質の輸送に、コンフォメーション変化が関与しています。

参照項目

タンパク質構造多様性データベース
タンパク質動力学
高分子運動データベース (molmovdb)

外部リンク

Frauenfelder, H. New looks at protein motions Nature 338, 623 - 624 (20 April 1989).
Sensing with electro-switchable biosurfaces

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