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構造から機能への秘密：タンパク質はどのようにしてさまざまなユニークな触媒能力に進化しますか？
生物では、タンパク質は生命の基本的な構成要素だけでなく、さまざまな生化学反応の触媒でもあります。科学技術の進歩により、研究者は徐々にタンパク質の進化プロセスをより深く理解し、そのユニークな触媒能力の謎を明らかにしました。タンパク質の構造に関連するこれらの能力の原因は何ですか？
タンパク質スーパーファミリーは、共通の祖先に基づいて推測される最大のタンパク質クラスターです。この概念は、シーケンスの類似性だけでなく、構造とメカニズムの類似性にも基づいています。
タンパク質スーパーファミリーを識別する方法
タンパク質スーパーファミリーの識別は通常、さまざまな方法を使用して行われます。最も一般的な方法は、シーケンスの類似性によって相同性を推測することです。シーケンスの類似性は相関を推測する良い指標と見なされますが、これが唯一の方法ではありません。
シーケンスの類似性
シーケンスの類似性は、最も古く、最も一般的に使用される方法の1つです。アミノ酸配列は一般にDNA配列よりも保守的であるため、保存された配列領域は多くの場合、特に触媒および結合部位で機能に関連しています。
シーケンスの類似性は相同性に関する手がかりを提供できますが、検出可能なシーケンスの類似性は、長期的な進化よりもタンパク質間で表示されなくなる場合があります。
構造的類似性
シーケンスと比較して、タンパク質構造は進化中により保守的です。たとえアミノ酸配列が大幅に変化したとしても、タンパク質の二次構造要素と三次構造領域は依然として保持される可能性があります。構造アラインメントプログラムを通じて、科学者は、たとえその配列が有意な違いを示したとしても、同様の折り目のタンパク質を見つけることができます。
メカニズムの類似性
同じスーパーファミリーでは、酵素の触媒メカニズムが一般的に保持されます。基質特異性は大きく異なる場合がありますが、触媒残基間の構造と配列の順序はしばしば類似性を示します。
たとえば、PAファミリーの触媒トリプレット残留物は発展して発生するように進化していますが、それらの触媒メカニズムは類似しています。
進化の重要性
タンパク質スーパーファミリーに関する研究は、共通の祖先を特定する能力の限界を表しています。スーパーファミリーの多くのメンバーは、すべての生物の王国に登場し、彼らの共通の祖先がすべての人生の最後の共通の祖先（ルカ）に存在することを示しています。
分岐と構造的保守主義
ほとんどのタンパク質には複数のドメインがあり、研究によると、真核生物タンパク質の約66〜80％、原核生物タンパク質の40〜60％が複数のドメインを持っています。これらのドメイン間の組み合わせは、しばしば保守的なN末端からC末端の構造的な種類に従います。これは、進化中に自然に発生するドメインの組み合わせが比較的限られていることを意味しますが、これらの組み合わせは複数の機能を実行できることを意味します。
たとえば、アルファ/βヒドロラーゼスーパーファミリーのメンバーはアルファ/βシートを持ち、さまざまな異なる触媒反応を行う触媒トリプレットの残留順序に関連しています。
タンパク質スーパーファミリーの例
異なるスーパーファミリーでは、ソファーのような構造の免疫グロブリンスーパーファミリーなど、多くの人目を引く例があります。たとえば、RASスーパーファミリーのメンバーは共通の触媒Gドメインを共有しており、同様の生物学的機能があることを示しています。
データベースとリソース
タンパク質スーパーファミリーの研究をサポートするために、科学コミュニティはPFAM、Prositeなどの複数のデータベースを確立し、研究者がタンパク質の構造と機能をよりよく理解するのに役立ちます。さらに、DALIなどの構造アライメントアルゴリズムも、タンパク質構造の相同性を検索するために使用されます。
最終的に、タンパク質の多様性とそれらの触媒能力の進化は、さまざまな環境課題に直面して生物のニーズを満たしています。それで、タンパク質のスーパーファミリーの理解が将来深くなるにつれて、新しい触媒メカニズムと機能を発見しますか？
