シクロール仮説

シクロール仮説は、折り畳まれた球状タンパク質の初の構造モデルである。1930年代末にドロシー・リンチによって構築された本仮説は3つの仮定に基づいている。まずはじめに、本仮説は、2つのペプチド結合がシクロール反応によって架橋されうることを仮定する。これらの架橋はペプチド基間の「非共有結合性」水素結合の共有結合版である。これらの反応はエルゴペプチド類やその他の化合物において観察される。次に、ある条件下において、アミノ酸が自然に可能な最大の数のシクロール架橋を作り、シクロール分子およびシクロール生地が生じることを仮定する。これらのシクロール分子およびシクロール生地はこれまで観察されたことはない。最後に、本仮説は、球状タンパク質が自由端を持たないシクロール生地から形成されるプラトン立体および半正多面体に対応する三次構造を持つことを仮定する。こういった「閉シクロール」分子についても観察されたことはない。

その後のデータは、球状タンパク質の構造に対するこの最初の模型が修正される必要があることを実証したものの、シクロール反応それ自身や主として疎水性相互作用がタンパク質の折り畳みの原因であるという仮説といった、シクロール模型ののいくつかの要素は立証されている。シクロール仮説は多くの科学者を刺激し、タンパク質の構造および化学についての疑問の研究が行われ、DNA二重らせんやタンパク質の二次構造について仮説が立てられたより正確な模型の先駆者であった。シクロール模型の提唱と検証もまた、科学的方法の一部として機能する経験的反証可能性の優れた例証を与える。

1. 歴史的文脈
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1930年代中頃までには、テオドール・スヴェドベリによって研究された超遠心分析によって、タンパク質はきちんと定められた化学構造を持ち、小分子の凝集体ではないことが示されていた。同じ研究は、タンパク質の分子量が整数によって結び付けられるいくつかのきちんと定められたクラスに分類されることを示しているように見えた。しかしながら、正確な分子量とタンパク質中のアミノ酸の数を決定するのは困難であった。スヴェドベリは、溶液条件の変化によってタンパク質の小さなサブユニットへの解体が起こることも示していた。

タンパク質の化学構造は当時まだ論争中であった。最も受け入られていた仮説は、タンパク質が直線状のポリペプチド、すなわちペプチド結合によってつながれたアミノ酸の分岐のないポリマーであるというものであった。しかしながら、典型的なタンパク質は著しく長く、数名の著名な科学者らはこういった長く、直線状の高分子が溶液中で安定であるかどうかについて確信がなかった。そのうえ、ある酵素がタンパク質を切断するがペプチドを切断しないのに対して、別の酵素はペプチドを切断するが折り畳まれたタンパク質を切断しないことを観察されたため、タンパク質のポリペプチド性に関して疑いが生じた。試験管内でタンパク質を合成する試みは失敗に終わった。これは主にアミノ酸のキラリティが原因である。そのため、エミール・アブデルハルデンのジケトピペラジン仮説といったタンパク質の別の化学的模型が検討された。しかしながら、どの代替模型も、なぜタンパク質の加水分解とタンパク質分解によってアミノ酸とペプチドのみが得られるかを説明できなかった。カイ・ウルリク・リンデルストロム＝ラングによって明白とされたように、これらのタンパク質分解のデータは、変性されたタンパク質がポリペプチドであることを示していたが、折り畳まれたタンパク質の構造に関するデータは得られていなかった。そのため、変性は折り畳まれたタンパク質をポリペプチドへと変換する化学的変化を含むこともあり得た。

タンパク質の変性の過程はハリエット・チックとチャールズ・ジェームズ・マーティン  によって1910年に発見されていたが、その性質はまだ謎に包まれていた。モーティマー・ルイス・アンソンとアルフレッド・ミルスキーは、変性が「可逆的な、2段階過程」であることを示していた。1929年、呉憲は、変性がタンパク質のアンフォールディング、つまりアミノ酸側鎖が溶媒に曝されることになる純粋に立体配座的な変化に対応する、という正しい仮説を立てた。呉の仮説はミルスキーとライナス・ポーリングによっても独立に提唱された。にもかかわらず、タンパク質科学者らは、変性がタンパク質構造における「化学的」変化に対応する可能性を排除できず、この仮説はことによると1950年代まで検討されていた。

X線結晶構造解析は1911年に分野として始まったばかりで、単純な塩の結晶からコレステロールといった複雑な分子の結晶へと比較的急速に進展していた。しかしながら、最小のタンパク質でさえ1000を超える原子を含むため、タンパク質構造の決定はより複雑であった。1934年、ドロシー・クローフット・ホジキンは小タンパク質であるインスリンの構造に関する結晶データを取っていたが、インスリンやその他のタンパク質の構造は1960年代末まで解かれなかった。しかしながら、羊毛や髪といった多くの天然繊維状タンパク質に関する先駆的なX線繊維回折データがウィリアム・アストベリーによって1930年代初頭に収集されていた。アストベリーはαヘリックスやβシートといった二次構造要素の初歩的模型を提唱した。

タンパク質構造は1930年代まであまり理解されていなかったため、その構造を安定化するために必要な物理的相互作用も同様に未知であった。アストベリーは、繊維状タンパク質の構造がβシート中の水素結合によって安定化される、との仮説を立てた。球状タンパク質も水素結合によって安定化されるという着想は1932年にドロシー・ジョーダン・ロイドによって提唱され、ミルスキーとポーリングによって後に擁護された。1933年に行われたアストベリーによるOxford Junior Scientific Societyへの講演において、物理学者のフレデリック・チャールズ・フランクは、繊維状タンパク質のα-ケラチンが別の機構、すなわち、上述したシクロール反応によるペプチド結合の「共有結合性」架橋によって安定化されているかもしれない、と提案した。シクロール架橋は2つのペプチド基を互いに近付ける。この時NおよびC原子は1.5オングストローム離れているが、典型的な水素結合では3オングストローム程度離れている。この着想はジョン・デスモンド・バナールの興味を引き付けた。バナールは数学者のドロシー・リンチに、この着想がタンパク質の構造を理解するのに役立つかもしれない、と提案した。

2. 基本理論
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リンチはバナールの提案を本格的なタンパク質構造の模型へと発展させた。基本的なシクロール模型はリンチの最初の論文で説明されている。リンチは、ポリペプチドが環化して閉じた環を形成するかもしれないこと、これらの環がシクロール反応によって内部架橋を形成するかもしれないという可能性を記している。ペプチド結合のシクロール形がアミド形よりも安定であると仮定して、リンチは、特定の環状ペプチドが自然に最大数のシクロール結合を形成するだろう、と結論付けた。もし分子中の化学結合がおおよそ1.5オングストロームの同じ長さを取るならば、こういったシクロール分子は六方対称性を有する。

これらの環は無限に拡大して、シクロール生地を形成できる。こういった生地は、長距離の準結晶性秩序を示す。タンパク質は何百もの残基を密に詰め込まなければならないため、リンチはこれがタンパク質においてありえそうだと考えた。こうういった分子および生地のもう1つの興味深い特徴は、それらのアミノ酸側鎖が1つの面からだけ軸方向に上向きになっており、反対側の面には側鎖がないことである。これは、タンパク質の配列に依存しない性質を説明するものではないかと、リンチは推測した。

最初の論文において、リンチは、シクロール模型が単なる「作業仮説」に過ぎず、タンパク質のモデルとして有効である可能性があるが、それを確認する必要がある、と明白に述べている。この論文とその続報におけるリンチも目標はよく定義された検証可能な模型を提案すること、その仮定の結果を検討すること、実験的に検証可能な予測を行うこと、であった。これらの目標においては、リンチは成功した。しかしながら、数年のうちに、実験とさらなるモデリングが、シクロール仮説が球状タンパク質の模型として擁護できないことを示した。

3. エネルギーの安定化
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2つの連続した編集者への書簡において、リンチとフランクは、ペプチド基のシクロール形が実際にアミド形よりも安定かどうかという問題に取り組んだ。比較的単純な計算は、シクロール形がアミド形よりも著しく「不安定」であることを示した。したがって、シクロール模型は、埋め合わせのエネルギー源が同定できない限り、捨てられなければならない。当初、フランクは、シクロール形が周囲の溶媒とのより良い相互作用によって安定化されるかもしれない、と提案した。後に、リンチとアーヴィング・ラングミュアは、非極性側鎖の疎水性会合がシクロール反応のエネルギー的コストを乗り越えるための安定化エネルギーを与える、という仮説を立てた。

シクロール結合の不安定性は、本模型の「優位性」として見られた。なぜなら、変性の特性について自然な説明を与えるためである。シクロール結合のより安定なアミド結合への復帰によって構造が広がり、それらの結合がプロテアーゼによる攻撃を受けるようになり、実験と一致する。初期の研究は、圧力によって変性されたタンパク質が、高温によって変性された同じタンパク質としばしば異なる状態にあることを示した。これは、変性のシクロール模型を支持しているかもしれないと解釈された。

疎水性安定化のラングミュア・リンチ仮説はシクロール模型と共に失脚したが、これは主にタンパク質が水素結合によって安定化されるという仮説を好んだライナス・ポーリングの影響によるものであった。疎水性相互作用がタンパク質折り畳みの主な原動力であると認られるまでには、さらに20年を要した。

4. 立体的相補性
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シクロールに関する3つ目の論文において、リンチは、ステロイド類といった多くの「生理学的に活性な」物質が炭素原子の縮合した六角形の環から構成されており、したがって、アミノ酸側鎖を持たないシクロール分子の面と立体的に相補的かもしれない、と記した。リンチは、立体相補性が、小分子が炭素に結合するかどうかを決定する主要な因子の1つである、と提唱した。

リンチは、タンパク質が全ての生体分子の合成に必要である、と推測した。細胞がタンパク質を消化するのは極度の飢餓状態であることから、リンチは、タンパク質がなければ生命は存在できない、とさらに推測した。

5. ハイブリッド型模型
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その始まりから、シクロール反応は水素結合の共有結合性アナログと見なされた。したがって、両方の種類の結合を持つハイブリッド型模型を考えるのは自然であった。これは、シクロール模型に関するリンチの4つ目の論文の主題であった。この論文は、球状タンパク質が水素結合によって安定化されると最初に提唱したドロシー・ジョーダン・ロイドとの共著であった。1937年に書かれた続報は、モーリス・ハギンズやライナス・ポーリングといったタンパク質中の水素結合に関する他の研究者らを参照している。

リンチはウィリアム・アストベリーとも論文を書き、>CαHαとアミドカルボニル基 >C=Oのケト-エノール異性化の可能性を記している。この異性化によって架橋した>Cα-C<が生成し、ここでも再び酸素原子がヒドロキシ基へ変換されている。こういった反応では5員環も生じうるが、古典的シクロール仮説は6員環を生成する。このケト-エノール架橋仮説はこれ以上発展しなかった。

6. 空間を包み込む生地
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シクロールに関する5つ目の論文において、リンチは、2つの平面シクロール生地を、化学結合の角度を保ったまま平面間の角度をつけてつなぐことができる条件を明らかにした。リンチは数学的に単純化して、平面ではない6員環の原子を、化学結合の中点からなる平面の「中点六角形」で表現できることを突き止めた。この「中点六角形」の表現により、平面間の二面角が四面体結合角δ = arccos ≈ 109.47°と等しければ、シクロール生地の平面が正しく結合できることが容易に理解できた。

この基準に合致する幅広い種類の閉多面体を構築することができ、そのうち最も単純なのが切頂四面体や切頂八面体、八面体である。これらはプラトン立体または半正多面体である。最初の一連の「閉シクロール」を考えると、リンチはそのアミノ酸の数が72//n//2として二次関数的成長することを示した。したがって、//C1//シクロールは72残基、//C2//シクロールは288残基を有する。この予測は、マックス・ベルクマンとカール・ニーマンが行ったアミノ酸分析により予備的な実験的支持を得た。このアミノ酸分析は、タンパク質は288個のアミノ酸残基の整数倍で構成されていることを示唆していた。より一般的には、球状タンパク質のシクロール模型は、タンパク質の分子量が整数で結ばれたいくつかのクラスに分類されることを示唆していたテオドール・スヴェドベリの初期の超遠心分析の結果を説明した。

シクロール模型は、折り畳まれたタンパク質に当時備わっているとされた一般的な特性と一致していた。 遠心分離の研究では、折り畳まれたタンパク質は水よりもかなり密度が高く、したがって密に詰め込まれていることがわかっていた。リンチは、密な詰め込みは規則的な詰め込みを意味すると考えた。 タンパク質は大きいにもかかわらず、容易に対称性を有する結晶になるものがあり、これは会合時に対称面が調和するという考えに合致する。(3）