Walkerモチーフ
ウォーカーモチーフは、タンパク質が共通して持つ、よく似た立体構造を形成する特定のアミノ酸配列パターンです。特にヌクレオチド、とりわけアデノシン三リン酸（ATP）やグアノシン三リン酸（GTP）への結合能力を持つ多くのタンパク質に存在します。これらのモチーフは、1982年に研究者ジョン・E・ウォーカーらがATP結合タンパク質群を比較解析する中で、その存在が初めて明らかになりました。ウォーカーモチーフは主に「ウォーカーA」と「ウォーカーB」という二つの要素から構成されます。
ウォーカーAモチーフは、ウォーカーループやPループ、あるいはリン酸結合ループとしても知られており、その名の通り、ヌクレオチドのリン酸基との結合に重要な役割を担っています。このモチーフに見られる典型的なアミノ酸配列パターンは、G-x(4)-GK-[TS]と表されます（ここで、Gはグリシン、Kはリジン、Tはスレオニン、Sはセリンを表し、xは任意のアミノ酸を示します）。
多くのATPまたはGTPを利用するタンパク質に存在し、ヌクレオチドのβ-リン酸基への結合を仲介します。特に、配列中の保存されたリジン残基と、それに続く主鎖のNH基は、ヌクレオチドとの効率的な結合に不可欠な役割を果たします。構造的には、グリシン残基が多く含まれる柔軟なループ構造を形成し、一般的にβストランドから連続してαヘリックスへと移行する領域に位置します。多くの場合、このモチーフは、平行なβストランドが両側からαヘリックスに挟まれるという特徴的なα/βフォールドドメインの一部として見出されます。
[ヌクレオチド]]のリン酸部分には、マグネシウムやカルシウム、[[マンガン]といった二価の金属イオンが結合し、その安定化や機能発現を助けていますが、ウォーカーAモチーフもこれらの金属イオンの配位に関与することがあります。
ウォーカーAモチーフがリン酸基への結合に関わるもう一つの特徴的な構造は、コンパウンドLRLRネストと呼ばれる構造モチーフです。これは特定の4つのアミノ酸残基（xxGKなど）で構成され、これらの残基の主鎖原子は、そのNH基を内側に向ける配置を取り、ヌクレオチドのリン酸基が収まるのに適した凹型の結合部位を形成します。実際に、SGAGKTという短い合成ペプチドが単独で無機リン酸を強く結合することが実験的に示されており、リン酸結合能の主要な要素は、ヘリックスの末端構造そのものよりも、このネスト構造にあることが示唆されています。
ウォーカーAモチーフはATPやGTPを結合するタンパク質で最もよく知られていますが、ATP依存的なリン酸化反応に関わるものだけでなく、リン酸化された他の分子を基質として結合するタンパク質にも見られます。例えば、ATP合成酵素のサブユニット、筋肉運動に関わるミオシン、細胞内シグナル伝達に関わるトランスデューシンやGタンパク質、DNAやRNAの機能に関わるヘリカーゼやRecA、細胞周期制御などのキナーゼ、タンパク質分解に関わるAAAタンパク質、そしてプロテインチロシンホスファターゼやピリドキサールリン酸を利用するシステインシンターゼといった様々な酵素群に共通して存在します。
興味深い例外として、リン酸化チロシン残基から無機リン酸を加水分解するプロテインチロシンホスファターゼは、Pループに類似した立体構造を形成するモチーフを持ちますが、ヌクレオチド結合タンパク質で保存されているリジン残基の代わりにアルギニン残基が存在します。このモチーフの典型的な配列パターンは、C-x(5)-R-[ST]です。
Aループは、ウォーカーAモチーフを持つ一部のタンパク質において、通常ウォーカーAモチーフの上流約25アミノ酸の位置に存在する、保存された芳香族アミノ酸群からなる領域です。このループは、ATPのアデニン環と特異的に相互作用し、ATPの結合に不可欠な役割を担うと考えられています。
ウォーカーBモチーフは、Pループ型タンパク質の大部分において、ウォーカーAモチーフから比較的離れた下流領域に位置しています。このモチーフのコンセンサス配列は当初[RK]-x(3)-G-x(3)-LhhhDと報告されていましたが、その後の研究でhhhhDE（hは疎水性アミノ酸、Dはアスパラギン酸、Eはグルタミン酸を表す）というパターンがより一般的であると認識されるようになりました。
特にアスパラギン酸（D）とグルタミン酸（E）の残基は、多くのATP加水分解酵素の中心的な機能に関与しており、例えばDNAやRNAの二本鎖をほどくヘリカーゼファミリーに特徴的なDEAD/DEAHモチーフの一部も形成しています。ウォーカーBモチーフ中のアスパラギン酸残基は、ヌクレオチドに配位するマグネシウムイオンを結合するのに重要な役割を果たし、一方のグルタミン酸残基は、ATP分子の高エネルギーリン酸結合を加水分解するために必須の触媒機能を担います。
ウォーカーBモチーフのアミノ酸配列は、ウォーカーAモチーフに比べて多様性に富みますが、共通する不変の特徴は、一連の大きな疎水性アミノ酸残基の後に、負の電荷を持つアミノ酸残基（アスパラギン酸やグルタミン酸）が続くパターンが見られることです。この疎水性領域と続く負電荷残基の配置が、ヌクレオチドの結合や加水分解反応におけるウォーカーBの機能にとって重要であると考えられています。
ウォーカーAモチーフとウォーカーBモチーフは、多くのATP/GTP依存性タンパク質において協調して機能することで、ヌクレオチドの効率的な結合とそれに続く加水分解、そしてそれに伴うエネルギー変換や構造変化といった生物学的プロセスを可能にしています。
ウォーカーAモチーフ
ウォーカーAモチーフは、ウォーカーループやPループ、あるいはリン酸結合ループとしても知られており、その名の通り、ヌクレオチドのリン酸基との結合に重要な役割を担っています。このモチーフに見られる典型的なアミノ酸配列パターンは、G-x(4)-GK-[TS]と表されます（ここで、Gはグリシン、Kはリジン、Tはスレオニン、Sはセリンを表し、xは任意のアミノ酸を示します）。
多くのATPまたはGTPを利用するタンパク質に存在し、ヌクレオチドのβ-リン酸基への結合を仲介します。特に、配列中の保存されたリジン残基と、それに続く主鎖のNH基は、ヌクレオチドとの効率的な結合に不可欠な役割を果たします。構造的には、グリシン残基が多く含まれる柔軟なループ構造を形成し、一般的にβストランドから連続してαヘリックスへと移行する領域に位置します。多くの場合、このモチーフは、平行なβストランドが両側からαヘリックスに挟まれるという特徴的なα/βフォールドドメインの一部として見出されます。
[ヌクレオチド]]のリン酸部分には、マグネシウムやカルシウム、[[マンガン]といった二価の金属イオンが結合し、その安定化や機能発現を助けていますが、ウォーカーAモチーフもこれらの金属イオンの配位に関与することがあります。
ウォーカーAモチーフがリン酸基への結合に関わるもう一つの特徴的な構造は、コンパウンドLRLRネストと呼ばれる構造モチーフです。これは特定の4つのアミノ酸残基（xxGKなど）で構成され、これらの残基の主鎖原子は、そのNH基を内側に向ける配置を取り、ヌクレオチドのリン酸基が収まるのに適した凹型の結合部位を形成します。実際に、SGAGKTという短い合成ペプチドが単独で無機リン酸を強く結合することが実験的に示されており、リン酸結合能の主要な要素は、ヘリックスの末端構造そのものよりも、このネスト構造にあることが示唆されています。
ウォーカーAモチーフはATPやGTPを結合するタンパク質で最もよく知られていますが、ATP依存的なリン酸化反応に関わるものだけでなく、リン酸化された他の分子を基質として結合するタンパク質にも見られます。例えば、ATP合成酵素のサブユニット、筋肉運動に関わるミオシン、細胞内シグナル伝達に関わるトランスデューシンやGタンパク質、DNAやRNAの機能に関わるヘリカーゼやRecA、細胞周期制御などのキナーゼ、タンパク質分解に関わるAAAタンパク質、そしてプロテインチロシンホスファターゼやピリドキサールリン酸を利用するシステインシンターゼといった様々な酵素群に共通して存在します。
興味深い例外として、リン酸化チロシン残基から無機リン酸を加水分解するプロテインチロシンホスファターゼは、Pループに類似した立体構造を形成するモチーフを持ちますが、ヌクレオチド結合タンパク質で保存されているリジン残基の代わりにアルギニン残基が存在します。このモチーフの典型的な配列パターンは、C-x(5)-R-[ST]です。
Aループ
Aループは、ウォーカーAモチーフを持つ一部のタンパク質において、通常ウォーカーAモチーフの上流約25アミノ酸の位置に存在する、保存された芳香族アミノ酸群からなる領域です。このループは、ATPのアデニン環と特異的に相互作用し、ATPの結合に不可欠な役割を担うと考えられています。
ウォーカーBモチーフ
ウォーカーBモチーフは、Pループ型タンパク質の大部分において、ウォーカーAモチーフから比較的離れた下流領域に位置しています。このモチーフのコンセンサス配列は当初[RK]-x(3)-G-x(3)-LhhhDと報告されていましたが、その後の研究でhhhhDE（hは疎水性アミノ酸、Dはアスパラギン酸、Eはグルタミン酸を表す）というパターンがより一般的であると認識されるようになりました。
特にアスパラギン酸（D）とグルタミン酸（E）の残基は、多くのATP加水分解酵素の中心的な機能に関与しており、例えばDNAやRNAの二本鎖をほどくヘリカーゼファミリーに特徴的なDEAD/DEAHモチーフの一部も形成しています。ウォーカーBモチーフ中のアスパラギン酸残基は、ヌクレオチドに配位するマグネシウムイオンを結合するのに重要な役割を果たし、一方のグルタミン酸残基は、ATP分子の高エネルギーリン酸結合を加水分解するために必須の触媒機能を担います。
ウォーカーBモチーフのアミノ酸配列は、ウォーカーAモチーフに比べて多様性に富みますが、共通する不変の特徴は、一連の大きな疎水性アミノ酸残基の後に、負の電荷を持つアミノ酸残基（アスパラギン酸やグルタミン酸）が続くパターンが見られることです。この疎水性領域と続く負電荷残基の配置が、ヌクレオチドの結合や加水分解反応におけるウォーカーBの機能にとって重要であると考えられています。
ウォーカーAモチーフとウォーカーBモチーフは、多くのATP/GTP依存性タンパク質において協調して機能することで、ヌクレオチドの効率的な結合とそれに続く加水分解、そしてそれに伴うエネルギー変換や構造変化といった生物学的プロセスを可能にしています。
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