TIMバレル

定義と名称の由来

TIMバレルは、タンパク質が折りたたまれた際に形成される、特徴的な三次構造（フォールド）の一つです。その名称は、この構造が最初に発見された酵素であるトリオースリン酸イソメラーゼ（Triosephosphate isomerase）の頭文字に由来します。この構造は、8本のαヘリックスと8枚の平行βシートが交互に配置されて構成されており、タンパク質のフォールドとしてはαヘリックスとβシートの両方を含むα/β型に分類されます。現在では、トリオースリン酸イソメラーゼ以外にも非常に多くのタンパク質、特に様々な種類の酵素において、このTIMバレル構造が見出されています。これは、TIMバレルが進化の過程で高度に保存され、多様な機能を持つ酵素の基盤となっていることを示しています。

特徴的な構造

TIMバレルの構造は、全体として円筒形、あるいはドーナツのような形状を呈します。具体的には、中心部に8枚の平行なβシートが配置され、その外側を8本のαヘリックスが螺旋状に取り囲む形で構成されています。これらのβシートとαヘリックスは、それぞれ短いアミノ酸配列（ループ）によって連結されています。コンピューターグラフィックスなどで描かれる単純なリボン図では、この構造の中心部分が空洞のように見えることがありますが、これはアミノ酸の側鎖が省略されているためです。実際には、この中心の空間は、大きな疎水性側鎖を持つアミノ酸残基、特にバリン、ロイシン、イソロイシンといった分岐鎖アミノ酸によって密に充填されています。これらの疎水性アミノ酸は、βシートの約40パーセントを占めると考えられており、構造全体の安定化、特にβシートとαヘリックス間の密なパッキングを主に疎水効果によって実現しています。このように、TIMバレルは一見単純な繰り返し構造のように見えますが、その内部はアミノ酸の側鎖による巧妙な配置と相互作用によって安定化された、極めて緻密な構造体です。

ループ領域の機能的役割

TIMバレル構造を構成する約200のアミノ酸残基のうち、おおよそ160残基は多くのTIMバレル構造で共通して見られる骨格部分を形成しています。残りの約40残基は、隣接するβシートとαヘリックスを連結するループ領域に位置しています。これらのループ領域は、共通の骨格部分とは対照的に、アミノ酸配列や長さに多様性が見られます。この多様なループ領域、特にβシートのC末端側から続くループは、多くのTIMバレル構造を持つ酵素において、基質が結合する活性部位を形成しています。ループ領域の配列や長さが異なることで、同じTIMバレル骨格を持ちながらも、様々な基質特異性や触媒機能を持つ酵素が生まれると考えられています。また、これらのループ領域は比較的長くなる場合があり、時にはTIMバレル構造とは別の小さなタンパク質ドメインを包含していることもあります。このように、TIMバレル構造におけるループ領域の存在と多様性は、このフォールドが多種多様な酵素機能を実現する上で重要な役割を果たしています。

まとめ

TIMバレルは、8枚の平行βシートが中心に、その外側を8本のαヘリックスが取り囲むという独特の円筒形構造を持つ、タンパク質の基本的なフォールドです。その中心部は疎水性アミノ酸で密に詰まっており、全体の安定化に寄与しています。特に、ヘリックスとシートをつなぐループ領域は、多様なアミノ酸配列を持ち、多くの酵素において活性部位を形成するなど、機能的な多様性をもたらす重要な役割を担っています。トリオースリン酸イソメラーゼにちなんで名付けられましたが、現在では、アミノ酸代謝、糖代謝、核酸代謝など、幅広い生化学的反応に関わる非常に多くの酵素に見られる普遍的な構造モチーフとして、その重要性が認識されています。このTIMバレル構造の研究は、タンパク質の構造と機能の関係を理解する上で、基礎的かつ重要なテーマであり続けています。

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