シトクロムc

シトクロムc (Cytochrome c)

シトクロムc（cytochrome c, 略称cyt c）は、細胞内の小器官であるミトコンドリアの内膜に比較的緩やかに結合している、ヘムを含むタンパク質の一種です。このタンパク質は、シトクロムcファミリーと呼ばれる一群に属しています。多くのシトクロムが膜に強く結合しているのに対し、シトクロムcは水に溶けやすい性質（可溶性）を持つという特徴があります。

機能

電子伝達系における役割

細胞がエネルギー（ATP）を生産する過程で行われる電子伝達系において、シトクロムcは極めて重要な役割を担っています。電子伝達系は複数のタンパク質複合体から構成されており、シトクロムcは複合体III（シトクロムbc1複合体）と複合体IV（シトクロムcオキシダーゼ）の間で電子を運ぶ働きをします。具体的には、複合体IIIから電子を一つ受け取り、それを次の複合体IVへと引き渡すことで、電子の流れを円滑に進めます。電子を受け取った状態を還元型（フェロシトクロムc）、電子を与えた状態を酸化型（フェリシトクロムc）と呼ぶこともあります。

アポトーシスにおける役割

シトクロムcは、細胞が計画的に自らの死を迎える「アポトーシス」（プログラム細胞死）の過程においても中心的な役割を果たします。細胞がアポトーシスを誘導するような刺激を受けた際に、ミトコンドリアから細胞質へとシトクロムcが放出されることが知られています。この放出は、細胞内のカルシウムイオン濃度の上昇が引き金となり、ミトコンドリア膜にある透過性遷移孔（Permeability Transition Pore, PTP）が開くことで促進されます。少量放出されたシトクロムcは、小胞体膜上のIP3受容体と相互作用し、小胞体からのカルシウム放出を引き起こします。このカルシウム放出は、さらにシトクロムcの大量放出を促すという正のフィードバック機構を形成し、細胞質内のカルシウム濃度が細胞にとって毒性を示すレベルまで上昇します。

細胞質に大量に放出されたシトクロムcは、次にカスパーゼ9と呼ばれるタンパク質分解酵素（プロテアーゼ）を活性化させます。活性化されたカスパーゼ9は、さらにカスパーゼ3やカスパーゼ7といった他のカスパーゼ酵素を次々と活性化させる連鎖反応（カスパーゼカスケード）を引き起こします。このカスパーゼカスケードの進行が、最終的に細胞の形態変化やDNA断片化などを引き起こし、アポトーシスを完了させます。

その他の触媒能

シトクロムcは、電子伝達系の役割の他に、いくつかの化学反応を触媒する能力も持っています。例えば、ヒドロキシル化や芳香族酸化といった反応を促進したり、ペルオキシダーゼ（過酸化物を利用して他の物質を酸化する酵素）として機能したりすることが分かっています。これらの触媒活性により、様々な電子伝達体分子を酸化する能力を持ちます。

種間保存性

シトクロムcは、進化の過程でそのアミノ酸配列が非常に良く保存されているタンパク質の一つです。植物、動物、菌類、単細胞生物など、多様な生物種に広く存在し、その基本的な構造と機能は共通しています。分子量は約12,000ダルトンと小さく、多くの多細胞生物では104個程度のアミノ酸からなるポリペプチド鎖で構成されています（ヒトでは105アミノ酸）。

この高い保存性のため、シトクロムcのアミノ酸配列を比較することで、異なる生物種間の進化的な関係を調べる分子系統学において有用なツールとして用いられています。例えば、ニワトリとシチメンチョウのシトクロムcのアミノ酸配列は全く同じですが、アヒルとは1アミノ酸の違いが見られます。同様に、ヒトとチンパンジーのシトクロムc配列は完全に一致しますが、アカゲザルとは1アミノ酸が異なります。これらの比較は、生物の進化経路を理解する上で貴重な情報となります。

分類

シトクロムcは、その構造や機能特性に基づいていくつかのクラスに分類されます。1991年には、R・P・アンブラーによって以下の4つの主要なクラスが提唱されました。

1. クラスI: ミトコンドリアや特定の真正細菌に見られるタイプで、可溶性かつ低スピン状態のヘムを持ちます。ヘムへの結合やリガンドの配置に特徴があります。
2. クラスII: 高スピン状態のヘムを持つシトクロムcです。
3. クラスIII: 通常よりも低い酸化還元電位を示す一群のシトクロムcです。ヘムc基の特性が多様であることが特徴です。
4. クラスIV: ヘムc以外の補欠分子族も持つ複合体タンパク質を含むクラスとして設けられました。

応用と相互作用

シトクロムcは、特定の医療技術への関与も示唆されています。例えば、低レベルレーザー治療（LLLT）において、照射される特定の波長の光がシトクロムcの活性を高めることで、細胞の代謝活性化や組織再生を促進する可能性が研究されています。

また、細胞内では他のタンパク質との相互作用を通じてその機能を発揮しており、これまでにCOX4I2などの分子との相互作用が報告されています。

アミノ酸配列

以下に、ヒトにおけるシトクロムcの代表的なアミノ酸配列（105アミノ酸残基）を示します。

MGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIW GEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE

シトクロムcは、生命維持に不可欠なエネルギー代謝と、不要になった細胞を排除するアポトーシスという、相反する重要な生命現象に関わる多機能なタンパク質として、現在も研究が進められています。

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