姿をかえるタンパク質平野

篤 *・白木 賢太郎「卵は加熱すると茹で卵になる．これが熱変性だ」高

中でのタンパク質のギリギリの安定性は，真空中での大校生が研究室の見学に来ると，このように説明することきな安定性が水和によって失われた結果なのである．そがある．タンパク質変性は生活のいたるところに見いだの証拠として，タンパク質の化学構造の多くの領域がされる身近な物理現象なのである．興味深い点は，さま（芳香族側鎖でさえ）水和によって安定化される事実がざまな条件のもとで，タンパク質の姿が大きく変化するある 1)．極性基は主として水との水素結合やイオン結合ところにある．茹で卵は熱変性させた凝集体であるし，によって安定化され，芳香族側鎖は主として水とのファ

ピータンは卵を pH 変性（ここではアルカリ変性）させンデルワールス相互作用によって安定化される．変性状た凝集体であるし，メレンゲは卵白を表面変性（もしく態は天然状態に比べて溶媒に露出する表面積が広いためは界面変性）させたものである．本稿では，このようにに，水和によってより大きく安定化される．その結果，さまざまに姿をかえるタンパク質の変性の原理を熱力学

変性状態と天然状態の安定性の差は縮まり，タンパク質的安定性という視点から紹介したい．取り上げるタンパにはギリギリの安定性が残るのである（図 1）．言い換え

ク質変性は熱変性，圧力変性，溶質添加による変性，れば，水溶液中でのタンパク質の安定性は疎水性相互作

pH 変性，界面での変性である．最後にタンパク質の凝用によって獲得されたものではなく，分子内の水素結合集にも触れたい．

やファンデルワールス相互作用に支えられていると考えギリギリの安定性るべきである．このようなギリギリの安定性が以下で見るようにさまざまな条件下でのタンパク質の変性をもたタンパク質の変性の原理を理解するためには，まずタらすわけである．それでは，各種のタンパク質変性の仕ンパク質分子そのものの安定性を理解する必要がある．

組みについてタンパク質の安定性という視点から見てい熱力学の分野では安定性という言葉は状態間の自由エネ

こう．

ルギーの差を意味する．つまり，タンパク質の安定性とは立体構造を有した天然状態と立体構造を失った変性状態の間の自由エネルギーの差である．したがって，熱力学的には，タンパク質の変性とはすなわち変性状態の自由エネルギーが天然状態の自由エネルギーを下回ることを意味する．仮に，天然状態の自由エネルギーが増加したとしても，変性状態の自由エネルギーも同じだけ増加すれば，結果的にタンパク質は変性しない．このようにタンパク質変性の原理を理解するためには状態間の自由エネルギーの差（'G）を正しく理解する必要がある．
タンパク質は分子内の非共有結合によって固有の立体構造を形成する．タンパク質はこれらの非共有結合によって，わずか数 kcal/mol 〜数十 kcal/mol というギリギリの安定性（marginal stability）を有している点が興味深い．
タンパク質の安定性は，水中で疎水性相互作用をすることで獲得しているといわれることがある．では，水が存在しない真空中ではタンパク質は不安定なのであろうか？

図 1．真空中と水中でのタンパク質の熱力学的安定性．'Gc と'Gw はそれぞれ真空中（灰色）と水中（黒色）でのタンパク質の安定性を示している．'GhN と 'GhD はそれぞれ天然状態と変性状態の水和による自由エネルギー変化を示している．水中のタンパク質の安定性（'Gw）は真空中の安定性（'Gc）に比べて著しく小さい．

実は，タンパク質は真空中の方が安定である．水* 著者紹介 筑波大学大学院数理物質科学研究科（（独）日本学術振興会特別研究員） E-mail: bk200412349@s.bk.tsukuba.ac.jp

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ここで，'H，'S，'Cp，T はそれぞれ状態間のエンタ

熱変性

ルピー差，エントロピー差，定圧熱容量差，絶対温度をタンパク質は高温にさらされると変性する．これが熱あらわす．TX は非極性基の水和の寄与が無視できる温変性である．好熱菌に由来するタンパク質などの特殊な度（110 〜 140qC）である．右辺の第 1 項は分子内相互タンパク質を除くと，多くのタンパク質は 100qC 以下で作用のエンタルピー，第 2 項は構造のエントロピー，そ変性する．タンパク質の安定性の指標である天然状態として第 3 項は非極性基の水和エネルギーを示しており，変性状態の自由エネルギー差（'G）は，定圧条件下でこれらのバランスがタンパク質の安定性を支配してい次のように記述される 2)．

る．第 2 項が温度に対して線形であることから，高温条⎡⎛ T ⎞⎤⎜⎜'G(T) = 'Hm – 'Cp (Tm – T) – T⎜'Sm + 'Cp ln⎜⎣⎝ Tm ⎠⎦⎛⎡⎛ T ⎞⎤T ⎞⎜– 'Cp⎜(Tm – T) + T ln⎜⎜⎜= 'Hm⎜1 –Tm ⎠⎝⎣⎝ Tm ⎠⎦

件下でのタンパク質の変性はタンパク質の構造のエントロピーの増加に起因すると考えられる．
さて，タンパク質は高温で変性するが，低温でも変性することが知られている（図 2）．いわゆる低温変性であ（1）る．低温変性はタンパク質の非極性基の水和に起因する

ここで，'Hm と 'Sm はそれぞれ変性温度（Tm）におて負に大きくなる．つまり，低温では非極性基が水和にける変性のエンタルピー変化とエントロピー変化であよって安定化されるのである．このように，安定化因子る．'Cp は状態間の定圧熱容量差であり，T は絶対温度と不安定化因子の寄与のバランスによって，タンパク質である．ただし簡単のため，'Cp は温度に依存せずに一は高温でも低温でも変性する．以上がタンパク質の熱変定であると考えた．'Cp は常に正なので，'G には極大性の原理である．と考えられる．確かに式（ 2）の第 3 項は温度の低下に従っ値が存在する（図 2）．仮に同じ変性温度をもつ 2 種類の蛇足であるが，タンパク質は真空中では 100qC 以上でタンパク質を考えた場合，'H が大きなタンパク質は 'Gも容易には変性しないし，低温変性はあり得ない．なぜが高くなり（つまり安定化され），'Cp が大きなタンパクなら，先に述べたようにタンパク質のギリギリの安定性．
質は 'G が低くなる（つまり不安定化される）．真空中は水和によってもたらされるからである（図 1）'Gは次のようにも記述される 2)．

では水和しえないために，タンパク質の天然構造は広い⎛T ⎞⎜'G(T) = 'H(Tx) – 'Cp (Tx – T) – T ⎜'S(Tx) + 'Cp lnTx ⎠⎝(T – Tx)2§ 'H(Tx) – T'S(Tx) – 'Cp
2T

温度領域で安定である．
圧力変性
タンパク質は静水圧が加わることでも変性する．しか（2）

し，人類が現れるまで，タンパク質は圧力変性を経験したことがなかっただろう．タンパク質を変性させるためには，マリアナ海溝の海底の 1100 気圧よりも高い数千気圧もの静水圧を加えなければならないからである．現在
ではタンパク質の圧力変性が実験的に確かめられている．
等温条件下でのタンパク質の安定性（'G）は圧力の関数として次のように記述される 3)．
⎛⎞ ' ⎛p – p0⎞ 2'G(p) = 'G0 + 'V0⎝p – p0⎠ –⎠2 ⎝（3）

ここで，'V，'，p はそれぞれ状態間の部分モル体積差 , 等温圧縮率差，圧力である．変数の添え字の 0 は常温・常圧を意味する．
第 3 項の等温圧縮率差を含む項は，数千気圧の圧力領
図 2．'G の温度依存性．'H の増加によって曲線は a から b へ移る．一方，'Cp の増加によって曲線は a から c へ移る．'G は高温（Tm 以上）だけでなく低温でも負になる．

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域では，第 2 項の部分モル体積差の項に比べて十分に小さいために無視できる．したがって，圧力によるタンパク質の変性のおもな原因は天然状態と変性状態の間の部

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分モル体積の差（'V 0）にある．多くの球状タンパク質

ンパク質は D- ヘリックスに富んだ変性構造を作る．誘の天然状態は立体構造の内部に空隙を持ち，変性状態は電率の低いアルコールは，容易に推測されるように，疎天然状態よりも大きな水和体積を持つ．これらの 2 つの水性アミノ酸の側鎖を安定化させる．一方で，アルコー寄与によって，通常，変性状態は天然状態よりも小さい

ル溶液中では主鎖は不安定化する 4)．したがって，アル部分モル体積を有する．つまり，天然状態と変性状態のコール溶液中では，いわゆるランダムコイル状の変性状間の負の部分モル体積差が，加圧による変性状態の安定態が天然状態よりも不安定になる．こうして，溶媒への化に関与するのである．こうして，圧力変性の原理は体主鎖の露出が少ない D- ヘリックス構造が，アルコール積や圧縮率という「サイズ」に関する物理量で説明され溶液中でのタンパク質の安定な変性状態になる．

た．圧力変性は大がかりな装置が必要であるために実験pH 変性が困難であるが，原理は熱変性よりむしろイメージしやすいのが興味深い．

タンパク質の溶液に塩酸や水酸化ナトリウムなどの酸や塩基を滴下するとタンパク質は変性する．これが pH溶質添加による変性変性である．pH 変性のおもな原因として，タンパク質温度や圧力を変えなくても，溶質を添加することでタの荷電アミノ酸側鎖の解離定数が天然状態と変性状態とンパク質の安定性は変化する．なかでもグアニジン塩やで大きく異なることが挙げられる．変性状態のタンパク

尿素はタンパク質を変性させる性質を持っており，「変質の解離基の解離定数は，遊離アミノ酸のそれと同程度性剤」と呼ばれる．一般に，溶質を添加した溶液中のタであるが，一方で，天然状態の内部に存在する解離基のンパク質の安定性（'G）は，タンパク質の構成要素で解離定数は他の解離基とイオン結合を形成するために異あるペプチド結合の主鎖とアミノ酸側鎖の安定性を用い常な値を示すことが知られている．天然状態と変性状態て，次のように関係付けられる 4)．の解離定数の差が結果としてタンパク質の天然状態と変'G(c) = 'G0 +ここで，'G ~ n ' g (c)iit r,i性状態の自由エネルギーの差（'G）の pH 依存性を生み（4）0 は水中でのタンパク質の安定性を示してだすのである．'G の pH 依存性は次の式で与えられる 4)．
'G(pH) = 'G – RT0
iいる．i はタンパク質の主鎖および各アミノ酸側鎖の種(1 + 10pH–pK )ln (1 + 10pH–pK )Da,i（ 5）Na,i類を意味している．~i は天然状態と変性状態の間の i の

ここで，'G0 は解離基が十分にプロトン化された低い溶媒露出度の差であり，通常は正の値をとる．ni はタン
溶質濃度 c の溶液への i の自由エネルギーの変化量（移pH でのタンパク質の安定性を示している．R と T はそ
DN
れぞれ気体定数と絶対温度である．pKa,i と pKa,i はそれぞれ変性状態と天然状態のタンパク質の解離基 i の解離相エネルギー）である．グアニジン塩や尿素などの変性定数である．タンパク質工学では，天然状態の安定化の剤は，主鎖と疎水性アミノ酸側鎖に対する安定化効果ために解離定数の異なる解離基を導入した変異型を作製（'gtr < 0）を有している．つまり，変性剤は天然状態とすることが多い．

パク質に存在する i の残基数であり，'gtr,i (c) は水中から変性状態の両者の自由エネルギーを低下させる．いずれ界面での変性も安定化させるのである．
結局のところ，変性剤によるタンパク質の変性は，天気液界面や固液界面でもタンパク質は変性する．タン

然状態と変性状態の溶媒露出度の違いに起因する．これ

パク質は疎水性と親水性のアミノ酸残基を有しており，とは対照的に，硫酸アンモニウムなどのいわゆるタンパ一種の界面活性剤と見なすことができるだろう．溶液中

ク質結晶化剤の多くは，疎水性基に対する不安定化効果のタンパク質が気体や固体の表面に吸着すると，親水性（'gtr > 0）を有しており，タンパク質の安定化に寄与する．

残基が表面に多く存在する天然状態のタンパク質は水素

このように中性塩は種類によってタンパク質を不安定化結合やイオン結合を形成することができず，自由エネルさせるものから安定化させるものまであり，その一部のギーが増大する．したがって，疎水性領域の界面への露塩はホフマイスター塩として知られている 5)．

出がタンパク質の安定化につながる．つまり，界面でのアルコールもタンパク質を変性させる働きがある．しタンパク質の変性は，疎水部を露出させた変性状態の自かしアルコールがもつタンパク質の変性効果は他の溶液由エネルギーが天然状態の自由エネルギーを下回ること添加剤と比べて特殊である．アルコール溶液中では，タに起因する．

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タンパク質は容器などの曲率が小さい固液界面だけで晶質沈殿体である．結晶や非晶質沈殿体は，いわば天然なくナノ粒子の表面にも吸着して変性する．ナノ粒子の状態を保持した一種の凝集状態である．ただし，天然状表面へのタンパク質の吸着は毒性と関わると考えられて態の会合反応は一般に可逆的であることが多い．ちなみいる 6)．筆者らも最近，カーボンナノチューブなどのナに，圧力はタンパク質の会合を抑制する場合もあれば，ノ粒子の表面へのタンパク質の吸着や，吸着にともなう促進する場合もある 9,10)．

変性に注目している 7)．このように界面でのタンパク質おわりにの変性は界面の性質に強く依存する．ナノ粒子を用いた材料研究やドラッグ・デリバリー技術の発展にともない，タンパク質を構成する 20 種類の天然アミノ酸は，親界面での変性に関する研究はますます重要になっていく

疎水性や電荷などさまざまな性質を持つ．このようなアだろう．

ミノ酸残基の物性が，本稿で述べてきたタンパク質の多変性の先にあるもの―凝集以上でタンパク質のさまざまな変性を見てきた．タン
パク質の変性は，変性状態の自由エネルギーが天然状態様な構造変化を生み出す．この構造の多様性こそがタンパク質の特徴である．自然の中に見いだされるすべての分子の中でタンパク質ほど表情豊かで楽しませてくれるものはないだろう．の自由エネルギーよりも低くなることに起因するが，変本稿では，熱変性，圧力変性，添加剤による変性，性状態の自由エネルギーがタンパク質の構造空間の中でpH 変性，界面での変性の原理を熱力学に立脚して述べいつも最小値になるわけではない．極小値は必ずしも最た．その他に，化学反応によるタンパク質の変性もある小値ではないのである．変性状態よりも低い自由エネルが，興味のある方は下記の総説を参照されたい 11)．こうギーをもつ可能性を有しているのがタンパク質の凝集状して，タンパク質の変性や凝集の原理を正しく理解すれ態である．

ば，日々実験室で扱っている不安定なタンパク質の取り凝集状態とは変性状態の複数のタンパク質分子が不可扱い方も改善できるかもしれない．たとえそうでなくて逆に会合した状態をいう．このタンパク質の凝集状態にも，メレンゲを作るときには，キレイなボウルを忘れずついて最後に簡単に触れたい．タンパク質はさまざまなに済むだろう．

条件下で変性して凝集する．高温にさらされるとタンパク質は熱凝集するし，特殊な条件下ではアミロイド線維と呼ばれる一次元状の凝集体を形成する．また，界面に吸着して変性したタンパク質は会合して単分子膜や二分子膜だけでなく多層膜を形成することもある 8)．このよ
うに，タンパク質の凝集状態は変性状態から続く過程に存在する安定状態のひとつだといえる．このようにギリギリの安定性を持つタンパク質は変性しやすく同時に凝集しやすいのである．抗体などの不安定なタンパク質を扱う分野では，今でもタンパク質の凝集の抑制が難しい課題として残されている．
タンパク質凝集は変性状態が天然状態よりも安定な条件下で観察される会合反応であるが，天然状態が変性状態よりも安定な条件下ではどうだろうか．実際，このような条件下で形成される構造は，タンパク質の結晶や非2011年 第7号

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