ミオシン

ミオシン (Myosin)

ミオシンは、細胞の骨組みを構成するタンパク質であるアクチンフィラメント上を移動する、重要なモータータンパク質のファミリーです。これらのタンパク質は、アデノシン三リン酸（ATP）を加水分解する酵素活性（ATPase活性）を持っており、この過程で得られるエネルギーを機械的な仕事に変換します。これにより、アクチンフィラメントの一端（通常は＋端側）に向かって移動することが可能となります。ただし、ミオシンファミリーの中には、例外的にアクチンフィラメントのもう一端（−端側）に向かって移動するミオシンVIのようなタイプも存在します。

ミオシンが細胞内の構造物や自身に固定されている場合、ミオシン自身が動くのではなく、その力によってアクチンフィラメントが引っ張られて動きます。この原理が最もよく知られているのが、骨格筋の収縮です。筋収縮では、筋原繊維内でミオシンとアクチンが相互に滑り込むように動くことで、筋細胞全体が短縮します。

構造と多様性

ミオシンファミリーは多様な構造を持ちますが、典型的な例としてミオシンIIは、2本の「重鎖」と、それぞれの重鎖に結合する2本ずつの「軽鎖」、合計6本のポリペプチド鎖から構成される複合体です。ミオシンは当初、骨格筋から単離されましたが、後に単量体として機能するミオシンIが発見されるなど、筋肉以外の組織にも広く存在することが明らかになりました。ファミリー間の番号付けは、必ずしも発見順ではなく、構造的な特徴（例えば、ミオシンIIが2つの重鎖を持つことに対し、ミオシンIが1つであること）に基づいて番号が付けられた経緯があります。ミオシンファミリーは、ミオシンIIのように二量体を形成するものと、ミオシンIのように単量体で機能するものに大別されます。また、各重鎖に結合する軽鎖の数もファミリーによって異なり、ミオシンIIでは各2個ですが、ミオシンVでは各6個が結合します。

運動のメカニズム：ATP加水分解サイクル

ミオシンがアクチンフィラメント上を移動する、あるいはアクチンフィラメントを動かす力は、ATPの化学エネルギーを力学エネルギーに変換するサイクルによって生み出されます。このサイクルは、一般的に以下の段階を経て進行すると考えられています。

1. ATP結合: ミオシンがATP分子と結合します。この結合により、ミオシンはアクチンフィラメントから解離します。
2. ATP加水分解: 結合したATPがADP（アデノシン二リン酸）とPi（無機リン酸）に加水分解されます。この過程でミオシンの構造が変化（通常は「コック」状態と呼ばれる準備段階）し、再びアクチンに結合する準備が整います。
3. アクチンへの再結合とPi放出: ミオシンがアクチンフィラメント上の新たな場所に弱く結合します。その後、無機リン酸（Pi）がミオシンから遊離します。このPi放出が引き金となり、ミオシンとアクチンの結合がより強固になり、大きな構造変化（多くの場合、力発生に繋がるストローク運動）が誘起されます。
4. ADP放出: ADPがミオシンから解離します。これによりミオシンはヌクレオチドが結合していない状態となり、強いアクトミオシン結合を維持します。次のATP分子が結合することで、サイクルが再び開始され、ミオシンはアクチンから再び解離します。

このサイクルの特定の段階（例えば、Pi放出とADP放出）で力が生じると考えられています。このATP加水分解サイクルは、ミオシンファミリー全体に共通する基本的な機構ですが、ファミリーによって律速段階などが異なります。

筋収縮の制御

筋収縮におけるミオシン（主にミオシンII）の活動は、細胞内のカルシウムイオン濃度によって厳密に制御されています。安静時、アクチンフィラメント上にはトロポミオシンと呼ばれるタンパク質が結合しており、これがアクチン上のミオシンの結合部位を物理的に覆い隠しています。そのため、ミオシンはアクチンと強く結合して力を発生させることができません。筋細胞が興奮するなどして細胞内のカルシウムイオン濃度が上昇すると、トロポニンと呼ばれる複合体（トロポニンC, I, Tからなる）のトロポニンCサブユニットにカルシウムイオンが結合します。この結合がトロポニン複合体とトロポミオシンの構造変化を引き起こし、アクチン上のミオシン結合部位が露出します。これにより、ミオシンがアクチンと結合してATPサイクルを進め、筋収縮が起こるのです。筋肉以外の細胞におけるミオシン（ミオシンVなど）の活性も、軽鎖のリン酸化などを介してカルシウムイオン濃度に依存的に制御される場合があります。

分類：運動様式による違い

ミオシンは、その運動の性質によって大きく二つに分類されます。一つは「ノンプロセッシブ型ミオシン」、もう一つは「プロセッシブ型ミオシン」です。

• - ノンプロセッシブ型ミオシン: ATPサイクルの一回のストロークの後、アクチンフィラメントから完全に解離してしまうミオシンです。単独ではアクチン上を連続的に移動することはできません。最も代表的なのがミオシンII（筋肉型および非筋肉型）です。筋収縮において、ミオシンIIは多数の分子が集まってミオシンフィラメントを形成し、これがアクチンフィラメントと相互作用します。個々のミオシンII分子は一回の力発生ごとにアクチンから解離しますが、多数の分子が同時に作用することで、ミオシンフィラメント全体としてはアクチンフィラメントから離れず、滑るように動き続けることが可能になります。ノンプロセッシブ型ミオシンは、筋収縮や、多数の分子が協調して大きな力を生み出す細胞の運動に関与することが多いです。
• - プロセッシブ型ミオシン: 一回のATPサイクルでアクチンから完全に解離することなく、アクチンフィラメント上を連続的に歩くように移動できるミオシンです。ミオシンVa, Vb, VI, VIIa, IXなどが知られています。特に二量体を形成するプロセッシブ型ミオシン（ミオシンVなど）は、二つのモータードメインが交互にアクチンに結合・解離を繰り返しながら、あたかも人間が歩くような「ハンドオーバーハンド」と呼ばれる様式で連続移動すると考えられています。この連続運動には、ミオシン分子内で働く張力がATPサイクルの進行を協調的に制御するメカニズムが重要です。プロセッシブ型ミオシンは、細胞内での小胞輸送やオルガネラの移動など、比較的少数の分子が長距離を移動する必要のある機能によく関与しています。

生体内での多様な機能

ミオシンは筋収縮以外にも、細胞内で多岐にわたる機能に関与しています。細胞の移動や形態変化における細胞骨格の再編成、細胞分裂の際に細胞質を二分する収縮環の形成、細胞内で作られた小胞やオルガネラを目的地まで運ぶ輸送体としての役割などがよく知られています。さらに、ミオシンファミリーの中には、細胞膜上の特定の受容体と相互作用するもの（ミオシンV）、細胞の突起形成（フィロポディア）に関わるもの（ミオシンX）、あるいは核内でアクチンと共に転写調節に関与する可能性が示唆されているもの（ミオシンI）など、力発生だけでなく、様々な生体分子を細胞骨格や細胞膜構造に結びつけるアダプターのような役割を果たすタイプも存在します。

ミオシンの研究は、生命の基本的な運動機能の解明だけでなく、様々な疾患（例えば、筋疾患や神経変性疾患、聴覚障害など）のメカニズム理解や治療法開発にも繋がっています。人類の進化における顎の筋肉と脳の発達との関連を示唆するミオシンに関する学説なども提唱されており（ただし論争あり）、ミオシンは生命科学の様々な側面から注目される重要なタンパク質です。

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