分子生物学Ⅱ 1. 2. 3. 4. 細胞膜 6/ 3, 8 小分子の膜輸送 6/ 8, 10 蛋白質の輸送 6/15, 17 蛋白質の小胞輸送 6/22, 24 細胞膜 cell membrane 役割 l 障壁（細胞膜は細胞の境界を規定する） l 情報の受容 l 物質の取り込みと排出 l 細胞の運動 l 細胞内小器官の形成 細胞膜の主成分 細胞膜（厚さ 5nm）の構成成分 ● 脂質： 構造 脂質二重膜（lipid bilayer） ● タンパク質： 機能 情報・物質のやりとり 流動モザイクモデル シンガー・ニコルソン,1972 主要な脂質 ● リン脂質（グリセロリン脂質、スフィンゴ脂質） グリセロリン脂質 脂肪酸、グリセロール、リン酸、コリン・セリン・エタノールアミン スフィンゴ脂質 脂肪酸、スフィインゴシン、コリン ● 糖脂質 スフィンゴミエリンから合成される。 糖は細胞膜の外側。ガングリオシドなど ● ステロール コレステロール：流動性や透過性を低下。リン脂質を固定 リン脂質（最も主要な脂質） 特徴： ● 両親媒性分子 親水性、極性： コリン・セリン・エタノールアミン、リン酸、グリセロール 疎水性、非極性：脂肪酸 かならずシス リン脂質 グリセロリン脂質 エタノールアミン セリン スフィンゴ脂質 コリン コリン 疎水相互作用 水から疎水性分子が排除される力 方向性を持たない 二重膜へ（ミセルを回避）→小胞形成へ 脂肪酸の不飽和度（不飽和脂肪酸、飽和脂肪酸） 二重結合はかならずシス型 脂肪分子の形状 飽和度は脂質二重膜の厚さに影響する 脂肪酸が短い 不飽和が多い 流動性高い 相転移：液体⇄二次元結晶（ゲル） 側方拡散 速い フリップフロップ ほとんど起こらない 人工細胞 リポソーム liposome 黒膜 脂質膜の透過性を解析 コレステロール： リン脂質を固定 流動性や透過性を低下 ラフト（筏） コレストロールとスフィンゴ脂質に富む 厚い、蛋白質が多い、 物質輸送、情報伝達 ホスファチジルコリン：スフィンゴミエリン ホスファチジルコリン：スフィンゴミエリン：コレステロール 脂肪滴 細胞質 脂質の分布の違い 糖脂質は外側 ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン（負電荷）は内側 ホスファチジルコリン、スフィンゴミエリンは外側 内側（細胞質）へ フリッパーゼ 外側へ（スクランブラーゼ）→マクロファージ ホスファチジルイノシトール（マイナーだが重要な脂質） ホスファチジルイノシトール 膜の目印 情報伝達に関与 phosphatidylinositol kinase イノシトールリン酸 Phospholipase 悪玉コレステロール LDL: Low-Density Lipoprotein cholesterol 善玉コレステロール HDL: High-Density Lipoprotein cholesterol 1 9 H H H ジヒドロキシアセトン リブロース フルクトース 糖脂質 環の形成 異性体 水溶液中では，糖分子のアルデヒド基やケトン基は，同じ分子 単糖には，原子の空間配置だけがたがいに異なる異性体がいくつも存 内のヒドロキシ基と反応しやすい。この反応により，分子が閉 在する。たとえば，グルコース，ガラクトース，マンノースは同じ化 じて環が形成される。 学式 （C6H12O6） をもつが， 1 個か 2 個の炭素原子につく基の配置が違う。 スフィンゴミエリンから合成 ゴルジ体で糖鎖付加 O H 2 C HO C 3 H H 4 5 C C OH H OH CH2OH H H H O 1C OH C OH C OH 3 4 CH2OH 5 H OH 4 HO OH 1 グルコース H H CH2OH O H OH H H OH H HO 2 3 OH H CH2OH O 5 4 C 2 O 5 H OH 6 H 6 C 1 H CH2OH H H OH H 1 3 2 H OH OH リボース 各炭素原子につけた番号に注意。 H CH2OH O HO OH H H OH H H H OH ガラクトース OH グルコース CH2OH O OH H OH OH H HO H H H マンノース このようなわずかな違いでは，糖の化学的性質はあまり変わらない。 しかし，酵素やほかのタンパク質はこの差を見分けるので，生命活動 にとっては重要な意味がある。 細胞は糖鎖という服を着ている インフルエンザ（H7N9）の電子顕微鏡写真 （提供元: 国立感染症研究所） インフルエンザウイルスの構造と感染 Ｈ：ヘマグルチニン Ｎ：ノイラミニダーゼ インフルエンザの侵入と脱出 インフルエンザウイルスのＨＡは細胞表面の糖鎖の構造を識別する H5N1（致死率100％） 河岡 義裕（CREST) コンピューターで作った抗ウイルス薬 ターゲット：ノイラミニダーゼ タミフル 感染後の投薬 リレンザ コンピューターで作った薬 ノイラミニダーゼの立体構造からタミフ ルを設計 キーワード • • • • • • • • 脂質二重膜 両親媒性 リン脂質 – ホスファチジルエタノールアミン – ホスファチジルセリン – ホスファチジルコリン – スフィンゴミエリン 不飽和脂肪酸（シス型） コレステロール 糖脂質 リポソーム flip-flop 膜タンパク質 機能 ● ● ● ● 運搬体（トランスポーター、チャネル） 受容体（リセプター) 酵素 連結体 存在形態 膜貫通型 脂質結合型 蛋白質結合型 グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）アンカー 脂質結合型膜蛋白質 膜蛋白質の構造 膜貫通タンパク質 （transmembrane protein） 膜貫通ドメイン αへリックス ２０〜３０アミノ酸 疎水性 βシート（βバレル） αへリックス:真核生物と細菌の細胞膜 βシート（βバレル）：細菌、オルガネラの外膜 アミノ酸配列から膜蛋白質を予想できるか？３０％は膜蛋白質 アミノ酸配列から膜蛋白質を予想できるか？ ハイドロパシー 創薬ターゲットＧＰＣＲ これまでに開発された医薬品のうち、45％は受容体に作用する薬剤であり、そのほとんどが Gタンパク質共役型受容体（GPCR）であることがわかっています。したがって、GPCRは最 も医薬品に結びつきやすい標的と考えられ、創薬にはその研究を行うのが近道です。 3 6 アクアポリン βシート：βバレル（樽）のものが多い 膜蛋白質の特性 細胞質ドメイン：還元的 SH 細胞外ドメイン：酸化的 S-S結合 糖鎖付加 膜蛋白質を研究する ● 精製：界面活性剤、可溶化、リポソームで再構成 ● 膜蛋白質複合体の解析 ● 機能・構造解析 X線結晶解析、ＮＭＲ ● 膜蛋白質の流動性を調べる 細胞融合 FRAP FLIP 界面活性剤(Detergent) 臨界ミセル濃度） （critical micelle concentration 実験例 Na+-Kポンプを可溶化 （界面活性剤） ↓ 精製 ↓ リポソームへ挿入 ↓ 機能解析 バクテリオロドプシン 光エネルギー→レチナール→プロトン輸送 バクテリオロドプシン 光エネルギー→レチナール→プロトン輸送 4 7 光合成細菌の光合成活性中心 細胞融合で膜蛋白質の側方拡散の速度を解析する Fluorescence Recovery after Photobleaching 膜蛋白質 GFP Fluorescence Loss in Photobleaching 問題点：1分子の動きではない→single-particle tracking 連結体 eg カドヘリン 蛋白質の側方拡散の制御 １．自己集合 ２．巨大分子との結合 細胞外 細胞質 ３．隣接細胞との結合 キーワード • • • • • • 膜蛋白質 ハイドロパイシー 界面活性剤 膜貫通ドメイン ＧＰＩアンカー FRAP,FLIP
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