プロトマー

プロトマー（Protomer）

プロトマーという用語は、特に構造生物学の分野で用いられ、オリゴマータンパク質を構成する機能的あるいは構造的な単位を指します。具体的には、複数の異なる種類のタンパク質鎖が非共有結合によって結合した最小の構造単位であり、このプロトマーが二つ以上集まることによって、より大きなヘテロオリゴマー複合体が形成されます。

語源と概念の導入

この用語は、ロシアの生物学者であるSergey N. Chetverinによって提案されました。彼は特に、細胞膜を介したイオン輸送において重要な役割を果たすNa/K-ATPase酵素の構造記述における混乱を解消しようとしました。Na/K-ATPaseは、主要な触媒活性を持ちATPを加水分解する大きなαサブユニットと、その機能を調節するとされる小さな糖タンパク質であるβサブユニットを基本構成要素とします。加えて、プロテオリピドであるγサブユニットも関連することが知られています。

当時、これらのサブユニットが実際にいくつ組み合わさって機能単位として働くのか、その正確な化学量論が明確ではありませんでした。さらに、「二量体」といった場合に、それが1つのαサブユニットと1つのβサブユニットが結合したペア（αβ）を指すのか、あるいはそのαβペアがさらに二つ結合した集合体（(αβ)2）を指すのかが曖昧でした。こうした記述上の混乱を避け、構造と機能の単位を明確に区別するため、Chetverinは最小の反復単位であるαβペアを「プロトマー」と定義し、その二量体である(αβ)2を「ジプロトマー」と呼ぶことを提唱したのです。

構造的特徴

オリゴマータンパク質複合体におけるプロトマーは、しばしば規則的な配列を取ります。通常、これらは周期的な対称性をもって配置され、全体として回転対称性などの閉じた点群対称性を形成することが多いです。この規則的な配置が、複合体全体の安定性や機能発現に寄与しています。

具体例

様々なタンパク質複合体においてプロトマーの概念が適用されます。

ヘモグロビン: 酸素運搬を担うヘモグロビンは、2つのαサブユニットと2つのβサブユニットからなるヘテロ四量体です。構造的にはαサブユニットとβサブユニットが密接に相互作用してαβ複合体を形成しており、機能的にもこのαβペアが協力して酸素結合能を発揮します。そのため、単にサブユニットが4つ集まった四量体と見なすよりも、2つのαβプロトマーがさらに二量体を形成した構造、すなわち「ジプロトマー（(αβ)2）」と表現する方が、その構造的および機能的な単位をより適切に捉えていると考えられています。
アスパラギン酸カルバモイルトランスフェラーゼ: この酵素は、6つの触媒サブユニット（α）と6つの調節サブユニット（β）から構成されるα6β6の構造を持ちます。ここでは、1つのαサブユニットと1つのβサブユニットが結合したαβペアがプロトマー単位と見なされます。合計6つのαβプロトマーが、全体の複合体においてD3対称性をもって配置されています。
* ウイルスカプシド: 多くのウイルスの外殻を形成するカプシドは、繰り返し構造単位から構築されていますが、これらの単位もしばしばプロトマーと呼ばれます。複数の種類のタンパク質が組み合わさって構造単位を形成し、それが多数集合してカプシド全体を構築します。

化学分野での用法

構造生物学とは別に、化学の領域においても「プロトマー」という言葉が用いられることがありますが、ここでは全く異なる意味合いを持ちます。化学におけるプロトマーは、プロトンの位置が分子内で異なる配置を取ることによって生じる互変異性体、特にプロトン互変異性体（prototropic tautomers）を指すことがあります。

例えば、多くのアミノ酸に含まれる官能基は、溶液のpHに応じてプロトンを受け入れたり放出したりすることで、プロトン化状態が変化します。アミノ酸の一種であるチロシンは、そのフェノール性ヒドロキシ基やカルボキシ基からプロトンが解離し、それぞれフェノキシドアニオンやカルボン酸アニオンを形成することが可能です。これらのプロトンが異なる位置に移動した、あるいは異なる位置から脱離した状態をプロトマーと称することがあります。同様に、4-アミノ安息香酸のような分子も、アミノ基にプロトンが付加したり、カルボキシル基からプロトンが解離したりすることで、複数のプロトン化状態を取り得ますが、これらの構造異性体も広義にはプロトマーと呼ばれることがあります。ただし、この用法は構造生物学におけるそれとは区別して理解する必要があります。

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