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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問109-116【生物】論点：タンパク質 / アミノ酸の1次配列および2次構造 / αヘリックス・βシート・GPIアンカー

matsunoya

第109回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問116

一般問題（薬学理論問題）【生物】

問109-116
Q. プリオン病では、プリオンタンパク質(PrP)の感染性を有した異常型が蓄積する。プリオンタンパク質の特徴として、正常型であるPrP^cと異常型であるPrP^Scが相互作用(会合)すると、正常型が異常型へと変換されることが知られている。図1はNMRにより解析されたPrP^cの立体構造、図2はPrP^Scの仮想の立体構造をそれぞれ安定な二次構造をわかりやすくリボン図で描いている。なお、図中には示されていないが、PrP^cのC末端にはGPIアンカーが付加されている。図3は、PrPの遺伝子配列から予想される翻訳産物をアミノ酸の一文字表記で示している。アミノ酸配列のうち、プロリン残基は黒点(●)で、グリシン残基は2 重下線[G]で示している。以下の記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第109回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【生物】　問116

選択肢｜

1. 図2に示すPrP^Scは、図1に示すPrP^cに比べてβシート構造が多い。
2. βシート構造の安定性は、並行するペプチド鎖間で形成されるジスルフィド(S-S)結合によっている。
3. 図3に示すPrPに点在するプロリンは、その環状構造により二次構造の形成とその規則性に影響を与えている。
4. 図3に示すPrPに多く存在するグリシンは、特定の二次構造からループ構造への変化を妨げる要因となっている。
5. PrP^cにおいてGPIアンカーが結合するアミノ酸残基は、図3で1番目のメチオニンである。

こんにちは！薬学生の皆さん。
Mats & BLNtです。

matsunoya_note から、薬剤師国家試験の論点解説をお届けします。
苦手意識がある人も、この機会に、薬学理論問題【生物】を一緒に完全攻略しよう！
今回は、第109回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問116、論点：タンパク質 / アミノ酸の1次配列および2次構造 / αヘリックス・βシート・GPIアンカーを徹底解説します。

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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問109-116【生物】論点：タンパク質 / アミノ酸の1次配列および2次構造 / αヘリックス・βシート・GPIアンカー

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設問へのアプローチ｜

第109回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【生物】　問116

第109回薬剤師国家試験の問116（問109-116）では、タンパク質 / アミノ酸の1次配列および2次構造 / αヘリックス・βシート・GPIアンカーに関する知識を問われました。

結論から言うと、2ページにわたる問題で広大な面積を占有していいる画像の中で、問題を解くための図表からの理解を要求している部分は、上記で赤枠で囲んだ部分だけです。
残りの画像は、見なくていいです。特に図3は、必要ないです。

目くらましの術、とでもいいましょうか。。😵‍💫

まず、選択肢を読んでから、問題文と画像で必要な情報を得る順番にするとよいです。

下記の第109薬剤師国家試験　問116のうち、赤枠で囲んだ図3関連の文字数は、問題を解くために不要です。

第109回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【生物】　問116

2分30秒以内に解く規格の問題において、薬剤師国家試験における薬剤師にふさわしい能力の検出力を落とす意図での不要な文字の挿入は、悪質極まりないです。
いかにも必要な情報を述べているよう装い、もったいぶった仕草👽で不要な文言を挿入している。紙一重で非科学的かつ似非科学的な行為であることを承知の上で実行するところが、性悪です。
GxPは、性悪説に基づいて制定された。そもそも性悪👻は存在する前提です。
一連のこれらの瑕疵のある傾向をもった問題は、出題基準からの逸脱ととらえて差し戻す仕組みが必要です。

基本的な知識を復習しておきましょう。

■■Grok 2 mini (beta)

アミノ酸配列のN末端とC末端について

アミノ酸配列がメチオニンで始まり、N末端からC末端へと進む理由は、生命の基本的な生化学的プロセスと深く関わっています。

1. mRNAによる遺伝情報の翻訳

  • 開始コドン: 遺伝情報はDNAから転写されてmRNA（メッセンジャーRNA）となります。このmRNAには、蛋白質合成の開始点を示す開始コドン（AUG）が含まれています。AUGはメチオニンをコードします。

    • Ref. Crick, F. H. (1966). "Codon–anticodon pairing: the wobble hypothesis." Journal of Molecular Biology.

2. リボソームの役割

  • 翻訳開始: リボソームはmRNAに結合し、開始コドン（AUG）を認識します。この時点で、最初のtRNA（トランスポートRNA）がメチオニンを運び込みます。これが蛋白質合成の開始です。

    • Ref. Nirenberg, M. W., & Matthaei, J. H. (1961). "The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides." Proceedings of the National Academy of Sciences.

3. N末端とC末端の形成

  • ペプチド結合: 最初のメチオニン（N末端）は、次のtRNAが運ぶアミノ酸とペプチド結合を形成します。この過程が繰り返されることで、ポリペプチド鎖が伸長します。新しいアミノ酸は常にC末端に追加されるため、最初のメチオニンはN末端に位置することになります。

    • Ref. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). "Biochemistry." 5th edition, Freeman.

4. 化学的な安定性と機能性

  • N末端の役割: N末端は蛋白質の安定性や機能に影響を与えることがあり、特にメチオニンはその役割を果たすのに適しています。逆に、C末端側は酵素による切断や修飾が容易であるため、アミノ酸配列の終端として適しています。

    • Ref. Varshavsky, A. (1996). "The N-end rule: functions, mysteries, uses." Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ref.

  • Crick, F. H. (1966). "Codon–anticodon pairing: the wobble hypothesis." Journal of Molecular Biology, 19(2), 548-555.

  • Nirenberg, M. W., & Matthaei, J. H. (1961). "The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 47(10), 1588-1602.

  • Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). "Biochemistry." 5th edition, Freeman.

  • Varshavsky, A. (1996). "The N-end rule: functions, mysteries, uses." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 93(23), 12142-12149.

このように、メチオニンのN末端からの蛋白質合成は、遺伝情報の翻訳、リボソームの働き、そして化学的な特性によるものです。

論点を整理します。

今回、GPT4oにお願いして、論点をまとめてもらいました。
完全攻略を目指せ！

■■GPT4o

総合的な論点

この問題の総合的な論点は、タンパク質の二次構造が異常型の形成にどのように関与しているかに焦点を当てています。
具体的には、αヘリックス構造とβシート構造という二次構造が、正常型と異常型のプリオンタンパク質でどのように異なるか、またそれがどのように病理に関わるかを理解する必要があります。

第109回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【生物】　問116

科学的な観点から、PrP^c から PrP^Sc への変換は、タンパク質の折り畳み異常によるものであり、通常はαヘリックスを主とする構造が、βシートを多く含む異常型構造に変わることが知られています。
この構造変化が、プリオン病の発症と異常型タンパク質の蓄積に関係しています。
また、この異常型構造は非常に安定しており、他の正常型タンパク質に影響を与えてさらなる異常型の形成を促進します。

この問題の主題は、PrP^cとPrP^Scの二次構造の違いや、その変換メカニズム、そしてそれに関わるアミノ酸の役割について理解することです。

重要な点:

  • PrP^cの主な構造要素（αヘリックスの割合）

  • PrP^Scの主な構造要素（βシートの増加）

  • 特定のアミノ酸（プロリン、グリシン）の構造形成に対する影響

各選択肢の論点および解法へのアプローチ方法

選択肢1: 図2に示すPrP^Scは、図1に示すPrP^cに比べてβシート構造が多い。

  • 論点:
    この選択肢では、PrP^ScがPrP^cと比較してどのように構造的に異なるかについて問われています。PrP^Scは、βシートが多いことで異常型となり、病原性を持つことが知られています。図1と図2の構造の違いを見て、βシートが増加しているかどうかがポイントです。

  • アプローチ:
    図1のPrP^cの構造には、主にαヘリックスが多く含まれていることが予想されますが、図2のPrP^Scにはβシートが多く含まれているか確認します。この情報は、プリオン病における異常型の構造変化に基づく推測が必要です。

第109回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【生物】　問116

選択肢2: βシート構造の安定性は、並行するペプチド鎖間で形成されるジスルフィド(S-S)結合によっている。

  • 論点:
    この選択肢では、βシート構造の安定化メカニズムに焦点を当てています。ジスルフィド結合はタンパク質の立体構造の安定性に関与することがありますが、特にβシートの場合にこの結合がどの程度重要かを考える必要があります。

  • アプローチ:
    βシート構造の安定性は、通常水素結合によるものが大きいとされています。したがって、ジスルフィド結合がβシートの安定に大きく寄与するかどうかを科学的根拠に基づいて判断します。

選択肢3: 図3に示すPrPに点在するプロリンは、その環状構造により二次構造の形成とその規則性に影響を与えている。

  • 論点:
    プロリンは、その特殊な環状構造により、タンパク質の二次構造、特にヘリックスやシートの形成に大きく影響を与えることが知られています。この選択肢では、その影響について問われています。

  • アプローチ:
    プロリンの性質（構造の可動性の制限）と、それがタンパク質の二次構造に与える影響について検討します。図3で示されたプロリンの位置や数を参照し、どのように構造に関与するかを評価します。

選択肢4: 図3に示すPrPに多く存在するグリシンは、特定の二次構造からループ構造への変化を妨げる要因となっている。

  • 論点:
    グリシンは小さく柔軟なアミノ酸で、タンパク質の二次構造における可動性や柔軟性に大きく関与します。この選択肢では、グリシンが二次構造の変化にどのように関与しているかが問われています。

  • アプローチ:
    グリシンはループ構造やターンを形成しやすいアミノ酸です。図3のグリシンの位置とその役割を見て、二次構造にどのような影響を与えるかを考慮します。

選択肢5: PrP^cにおいてGPIアンカーが結合するアミノ酸残基は、図3で1番目のメチオニンである。

  • 論点:
    GPIアンカーがどのアミノ酸残基に結合しているかを問う選択肢です。PrP^cにはGPIアンカーが付加されることが知られていますが、その結合部位がどこであるかが論点となります。

  • アプローチ:
    この選択肢では、C末端かN末端かを見極め、1番目のメチオニンに結合するかどうかを検討します。

楽勝です！　

はじめましょう。

薬剤師国家試験の薬学理論問題【生物】からタンパク質 / アミノ酸の1次配列および2次構造 / αヘリックス・βシート・GPIアンカーを論点とした問題です。

なお、以下の解説は、著者（Yukiho Takizawa, PhD）がプロンプトを作成して、その対話に応答する形でGPT4o & Copilot 、Gemini 1.5 Pro、またはGrok 2 (beta) が出力した文章であって、著者がすべての出力を校閲しています。

生成AIの製造元がはっきりと宣言しているように、生成AIは、その自然言語能力および取得している情報の現在の限界やプラットフォーム上のインターフェースのレイト制限などに起因して、間違った文章を作成してしまう場合があります。
疑問点に関しては、必要に応じて、ご自身でご確認をするようにしてください。

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Here we go.

第109回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問116

一般問題（薬学理論問題）【生物】

問109-116
Q. プリオン病では、プリオンタンパク質(PrP)の感染性を有した異常型が蓄積する。プリオンタンパク質の特徴として、正常型であるPrP^cと異常型であるPrP^Scが相互作用(会合)すると、正常型が異常型へと変換されることが知られている。図1はNMRにより解析されたPrP^cの立体構造、図2はPrP^Scの仮想の立体構造をそれぞれ安定な二次構造をわかりやすくリボン図で描いている。なお、図中には示されていないが、PrP^cのC末端にはGPIアンカーが付加されている。図3は、PrPの遺伝子配列から予想される翻訳産物をアミノ酸の一文字表記で示している。アミノ酸配列のうち、プロリン残基は黒点(●)で、グリシン残基は2 重下線[G]で示している。以下の記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第109回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【生物】　問116

選択肢｜

1. 図2に示すPrP^Scは、図1に示すPrP^cに比べてβシート構造が多い。
2. βシート構造の安定性は、並行するペプチド鎖間で形成されるジスルフィド(S-S)結合によっている。
3. 図3に示すPrPに点在するプロリンは、その環状構造により二次構造の形成とその規則性に影響を与えている。
4. 図3に示すPrPに多く存在するグリシンは、特定の二次構造からループ構造への変化を妨げる要因となっている。
5. PrP^cにおいてGPIアンカーが結合するアミノ酸残基は、図3で1番目のメチオニンである。

■■GPT4o

生物｜問 109-116

■論点｜タンパク質 / アミノ酸の1次配列および2次構造 / αヘリックス・βシート・GPIアンカー

この問題の論点は、プリオン病における正常型プリオンタンパク質（PrP^c）と異常型プリオンタンパク質（PrP^Sc）の二次構造の違い、および特定のアミノ酸残基（プロリンやグリシン）がタンパク質の構造や機能に与える影響を特定することです。

■解説1｜

図2に示すPrP^Scは、図1に示すPrP^cに比べてβシート構造が多い。（選択肢1）[正しい]

プリオン病の特徴として、正常なPrP^cは主にαヘリックス構造を持つのに対し、異常型のPrP^Scはβシートが優勢な構造を持っています。この変化が、異常型プリオンが他のPrP^cを異常型へと変換する過程に関与しています。図2においてβシートの存在が多く見られるのは、この構造変化が異常型に特徴的であるためです。

図3に示すPrPに点在するプロリンは、その環状構造により二次構造の形成とその規則性に影響を与えている。（選択肢3）[正しい]

プロリンはその特殊な環状構造により、タンパク質の二次構造において折りたたみや巻き込みを妨げる特徴があります。特に、プロリンはαヘリックスの形成を妨げ、ループやターンの形成を促進するため、二次構造の規則性に大きな影響を与えます。

■解説2｜

PrP^Scの構造変化と病原性:
異常型プリオンタンパク質（PrP^Sc）は、主にβシート構造が優勢であり、これが他の正常型PrP^cを異常型に変換させるプロセスの基盤となります。この構造変化は安定化しやすく、異常タンパク質の蓄積を引き起こします。図1と図2の構造図からも、αヘリックスからβシートへのシフトが確認できます。

プロリンの影響:
プロリンは、その環状構造によりタンパク質の柔軟性や二次構造に大きく影響します。プロリンが含まれる部分では、通常のαヘリックスやβシートが形成されにくく、ループやターンといった不規則な二次構造が現れることが多いです。このため、PrPの構造形成においても重要な役割を果たしています。

■結論｜

選択肢1および選択肢3は、正しい記述です。
PrP^Scにおけるβシート構造の優勢性と、プロリンの環状構造が二次構造の形成に与える影響が根拠となります。

■補足｜

βシート構造の安定性は、並行するペプチド鎖間で形成されるジスルフィド(S-S)結合によっている。（選択肢2）[誤り]

βシートの安定性は主に水素結合によって保持されており、ジスルフィド結合は主にタンパク質の三次構造や四次構造において安定化に関与します。
二次構造であるβシート自体の安定化は、ジスルフィド結合ではなく、隣接するアミノ酸鎖間の水素結合によるものです。

図3に示すPrPに多く存在するグリシンは、特定の二次構造からループ構造への変化を妨げる要因となっている。（選択肢4）[誤り]

グリシンはその小さなサイズと柔軟性のため、逆にタンパク質の構造において可動性を増す役割を持ちます。
グリシンはしばしばループやターン構造の形成に寄与し、二次構造からループへの変換を促進する要因となります。

PrP^cにおいてGPIアンカーが結合するアミノ酸残基は、図3で1番目のメチオニンである。（選択肢5）[誤り]

GPIアンカーは通常タンパク質のC末端に結合します。
図3で示された1番目のメチオニンはタンパク質のN末端であり、GPIアンカーが結合する位置ではありません。PrP^cのC末端にある特定の部位にGPIアンカーが結合します。

■Lecture
論点解説　概説: タンパク質の二次構造およびそれ以上の高次構造におけるアミノ酸の役割

■■GPT4o

1. 二次構造の概要

タンパク質の二次構造は、主に αヘリックス と βシート から構成されています。これらは、アミノ酸鎖が水素結合を介して特定のパターンで折りたたまれることで形成され、これがタンパク質の安定性や機能に寄与します。

  • αヘリックス は、アミノ酸残基が約3.6残基ごとに一回転する螺旋構造であり、主鎖のカルボニル基とアミノ基間の水素結合によって安定化されます。

  • βシート は、アミノ酸鎖がジグザグに並び、隣接する鎖同士が水素結合を形成することで安定化されます。並行型または逆平行型の配置が見られます。

2. アミノ酸の特性が二次構造に与える影響

各アミノ酸残基の特性が、二次構造の形成と安定性に大きく影響します。以下にいくつかの重要なアミノ酸とその役割を示します。

  1. プロリン:

    • 二次構造の阻害要因: プロリンは、環状構造を持ち、ペプチド鎖の回転自由度が制限されるため、αヘリックスやβシートの形成を妨げます。主にタンパク質のループやターン構造に存在し、構造の折り返しや方向転換を促します。

  2. グリシン:

    • 柔軟性と構造の転換: グリシンは最も小さいアミノ酸であり、構造に柔軟性を与えます。そのため、ループやターンなどの構造に頻繁に見られます。大きな立体障害を持たないため、狭い空間に適合しやすく、折り返し構造を形成する際に役立ちます。

  3. システイン:

    • ジスルフィド結合による三次構造の安定化: システインの側鎖は、他のシステイン残基と酸化反応を介して ジスルフィド結合 を形成し、三次構造や四次構造の安定化に寄与します。この結合は、酸化還元環境に依存し、細胞外タンパク質において特に重要です。

  4. アルギニン、リシン、アスパラギン酸、グルタミン酸:

    • 静電相互作用: これらのアミノ酸は、正や負の電荷を持つため、タンパク質内での 静電相互作用 や イオン結合 を形成し、二次構造や三次構造の安定化に寄与します。これにより、特定の立体配置や高次構造の形成を助けます。

3. 三次構造と四次構造へのアミノ酸の影響

タンパク質の 三次構造（ポリペプチド鎖の三次元的な折りたたみ）は、主に側鎖の相互作用によって形成されます。四次構造 は、複数のポリペプチド鎖が相互作用して機能的な複合体を形成する状態を指します。これらの高次構造において、各アミノ酸は以下のように重要な役割を果たします。

  1. 疎水性アミノ酸（アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニンなど）:

    • 疎水性相互作用: 疎水性のアミノ酸は、タンパク質内部に集まり、疎水性コアを形成します。この相互作用は、三次構造の安定化に重要な役割を果たし、タンパク質が水中で機能的な形を保つためのドライビングフォースとなります。

  2. 極性アミノ酸（セリン、スレオニン、チロシンなど）:

    • 水素結合: 極性アミノ酸は、水分子や他の極性基との 水素結合 を形成し、三次構造や四次構造の安定化に寄与します。これにより、タンパク質の立体構造や機能における柔軟性と安定性を提供します。

  3. システイン:

    • 再度システインが登場するのは、ジスルフィド結合がタンパク質内外の安定化に極めて重要であるためです。システイン同士の結合は、折りたたみの正確性や高次構造の維持に貢献します。

  4. 芳香族アミノ酸（トリプトファン、チロシン、フェニルアラニン）:

    • π-π相互作用: 芳香族アミノ酸間の側鎖は、電子雲の重なりによる π-π相互作用 を形成し、構造安定性を高めます。また、芳香族残基は、タンパク質内の疎水性領域に配置され、タンパク質のコンフォメーションの安定化に寄与します。

4. 科学的根拠とメカニズム

タンパク質の二次構造は水素結合、三次構造や四次構造は疎水性相互作用、イオン結合、ジスルフィド結合、水素結合などの多様な化学的相互作用によって維持されます。各アミノ酸の特性がこれらの相互作用にどのように寄与するかを理解することで、タンパク質の機能や構造に関する洞察を得ることができます。

Ref.

  1. Branden, C., & Tooze, J. (1999). Introduction to Protein Structure (2nd ed.). Garland Publishing.

  2. Creighton, T. E. (1993). Proteins: Structures and Molecular Properties (2nd ed.). W. H. Freeman.

  3. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). Biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.

  4. Petsko, G. A., & Ringe, D. (2004). Protein Structure and Function. New Science Press.

論点解説　概説: タンパク質の構造におけるGPIアンカーの役割とそのメカニズム

1. GPIアンカーとは

グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）アンカーは、タンパク質を細胞膜に固定するための重要な分子機構です。GPIアンカーは、タンパク質のC末端に結合し、タンパク質を細胞膜の外側に固定する役割を果たします。これにより、GPIアンカー型タンパク質は細胞膜に強く結合し、様々な生物学的機能を発揮することができます。

2. GPIアンカーの構造

GPIアンカーは複雑な構造を持ち、以下のような主な成分から構成されています：

  • ホスファチジルイノシトール: 細胞膜の内層に結合し、脂質二重層との相互作用を担います。

  • グリコシル鎖: いくつかの糖鎖がホスファチジルイノシトールに結合しており、これがタンパク質とのリンクを形成します。

  • エタノールアミンリン酸（PE）: グリコシル鎖とタンパク質の間にある連結部分で、PEを介してタンパク質のC末端がGPIアンカーに結合します。

3. GPIアンカーの役割

  1. 細胞膜固定:
    GPIアンカーは、タンパク質を脂質二重層に直接組み込むことがなく、細胞膜の外層にのみ結合させる役割を果たします。この特徴により、GPIアンカー型タンパク質は可動性を持ち、細胞表面を動き回りやすくなります。これは、シグナル伝達や細胞間コミュニケーションに重要です。

  2. 特定の細胞領域への局在化:
    GPIアンカーは、細胞膜上でのタンパク質の配置や局在化においても役割を果たします。GPIアンカーを持つタンパク質は、リピッドラフトと呼ばれる細胞膜内の特定のマイクロドメインに集まることが多いです。リピッドラフトは、シグナル伝達やエンドサイトーシスなど、特定の機能に関与する領域として知られています。これにより、GPIアンカーはタンパク質が効率的に機能するための空間的な配置を決定します。

  3. タンパク質の機能調整:
    GPIアンカーを持つタンパク質は、さまざまな細胞機能に関与します。たとえば、シグナル伝達分子や受容体として働く場合、GPIアンカーにより、膜内での移動が可能となり、迅速かつ効率的に他の分子と相互作用できます。また、GPIアンカー型の酵素や抗原は、免疫応答や細胞外環境の調整にも関与します。

  4. 細胞外分泌への関与:
    一部のGPIアンカー型タンパク質は、細胞外へと放出される過程でも重要です。GPI脱離酵素によってGPIアンカーが切断されると、GPIアンカー型タンパク質は細胞外環境へと分泌されます。このメカニズムは、細胞間のシグナル伝達や細胞外マトリックスとの相互作用に関わります。

4. GPIアンカーの生合成と付加のメカニズム

GPIアンカーは、細胞の 小胞体（ER） で合成されます。GPIアンカーの合成過程は、段階的に糖鎖がホスファチジルイノシトールに結合し、最終的にタンパク質のC末端に付加されるという一連の反応から成り立ちます。

  1. GPIプレカーサーの合成: 小胞体膜で、ホスファチジルイノシトールにマンノースやグルコサミンが次々に結合し、最初の糖脂質構造が形成されます。

  2. タンパク質へのGPIアンカーの付加: 小胞体で合成されたタンパク質が、特定のシグナル配列によって小胞体膜へ輸送され、そこでC末端にGPIアンカーが付加されます。この反応は、GPIトランスアミダーゼと呼ばれる酵素によって行われます。

5. 生物学的意義と疾患との関連

GPIアンカーは、多くの重要な生理的プロセスに関与しており、その異常は様々な疾患の原因となります。例えば、パラキソノイド症候群 や ナイトレッジ（PNH） は、GPIアンカーの合成に関与する遺伝子の欠損によって引き起こされる疾患です。このように、GPIアンカーの異常は、細胞表面のタンパク質の欠失や機能不全を招きます。

Ref.

  1. Ferguson, M. A. J. (1999). "GPI anchors: Structure, biosynthesis, and function." The Journal of Cell Biology, 144(5), 767-774.

  2. Paulick, M. G., & Bertozzi, C. R. (2008). "The Glycosylphosphatidylinositol Anchor: A Complex Membrane-Anchoring Structure for Proteins." Biochemistry, 47(27), 6991-7000.

  3. Orlean, P., & Menon, A. K. (2007). "Thematic Review Series: GPI-Anchored Proteins: Biogenesis and Functions." Journal of Lipid Research, 48(5), 993-1011.

  4. McConville, M. J., & Ferguson, M. A. (1993). "The Structure, Biosynthesis, and Function of Glycosylated Phosphatidylinositols in the Parasitic Protozoa and Higher Eukaryotes." Biological Reviews, 68(3), 409-464.

論点解説　概説: タンパク質の遺伝子配列から予想される翻訳産物をアミノ酸の一文字表記で示す方法

1. 遺伝子からタンパク質への流れ

遺伝子情報はDNAに記録され、その情報はRNAを介してタンパク質に翻訳されます。このプロセスは セントラルドグマ として知られ、以下の主要なステップに分かれます：

  1. 転写 (Transcription): DNAの遺伝子配列がmRNA（メッセンジャーRNA）に写し取られる。

  2. 翻訳 (Translation): mRNAの塩基配列がリボソームで読み取られ、対応するアミノ酸が結合されてタンパク質が合成される。

翻訳産物であるタンパク質は、アミノ酸の配列によって構成されます。このアミノ酸配列は通常、一文字表記で記述されます。

2. アミノ酸の一文字表記とは

アミノ酸は、標準的に20種類が存在し、それぞれに特定の化学構造があります。アミノ酸の一文字表記は、これらのアミノ酸を簡潔に示すための方法です。これにより、長いアミノ酸配列もコンパクトに記述できます。一文字表記の例としては、次のようなものがあります：

  • A: アラニン (Alanine)

  • C: システイン (Cysteine)

  • D: アスパラギン酸 (Aspartic acid)

  • E: グルタミン酸 (Glutamic acid)

  • F: フェニルアラニン (Phenylalanine)

  • G: グリシン (Glycine)

  • H: ヒスチジン (Histidine)

  • I: イソロイシン (Isoleucine)

このように、各アミノ酸に一文字の記号が対応しています。

3. 遺伝子配列からアミノ酸配列への変換

DNAの塩基配列（A, T, C, G）は、三つの塩基（コドン）によって一つのアミノ酸をコードします。このプロセスはコドン表を使って進められます。たとえば、コドン「AUG」はメチオニン（M）を指定し、コドン「UUU」はフェニルアラニン（F）を指定します。

  • 例:

    • DNA: ATG GCC TTT TAA

    • mRNA: AUG GGC UUU UAA

    • 翻訳産物: メチオニン（M）、グリシン（G）、フェニルアラニン（F）

この翻訳産物を一文字表記で記述すると、次のようになります：

  • M-G-F (メチオニン - グリシン - フェニルアラニン)

4. アミノ酸配列を示す際の注意点

  1. 開始コドンと終止コドン:
    翻訳は、特定の「開始コドン」（通常AUG、メチオニン）から始まり、「終止コドン」（UAA, UAG, UGA）で終了します。このため、アミノ酸配列の最初は通常「M」（メチオニン）で始まります。

  2. 翻訳後の修飾:
    翻訳産物（一次構造としてのアミノ酸配列）は、しばしば翻訳後修飾（例: グリコシル化、リン酸化など）によって修飾されます。これにより、最終的なタンパク質の構造や機能が変わる場合がありますが、一文字表記の段階では修飾前の一次配列を記述します。

  3. 長いアミノ酸配列の取り扱い:
    長いアミノ酸配列を表記する際、50文字または70文字ごとに改行することが一般的です。これにより、可読性が高まり、解析や操作がしやすくなります。

5. 図としてのアミノ酸配列の表記

遺伝子から予想される翻訳産物を図として示す場合、通常は以下のように構成されます：

  • アミノ酸配列の一文字表記: タンパク質の全長または一部の配列を一文字で示す。

  • 特定のアミノ酸の注釈: 特定のアミノ酸、例えばシグナル配列や修飾部位（例：グリシン残基やプロリン残基）は、特別な記号（例：二重下線や黒点）を使って強調されます。

このように、遺伝子配列から予測されるタンパク質のアミノ酸配列を可視化することは、タンパク質の構造と機能を理解するために重要な手段です。

Ref.

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2014). Molecular Biology of the Cell. 6th edition. Garland Science.

  2. Stryer, L., Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Gatto, G. J. (2019). Biochemistry. 9th edition. W. H. Freeman and Company.

  3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., et al. (2021). Molecular Cell Biology. 9th edition. W. H. Freeman and Company.

  4. Brown, T. A. (2016). Gene Cloning and DNA Analysis: An Introduction. 7th edition. Wiley-Blackwell.

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第109回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問116

一般問題（薬学理論問題）【生物】

問109-116
Q. プリオン病では、プリオンタンパク質(PrP)の感染性を有した異常型が蓄積する。プリオンタンパク質の特徴として、正常型であるPrP^cと異常型であるPrP^Scが相互作用(会合)すると、正常型が異常型へと変換されることが知られている。図1はNMRにより解析されたPrP^cの立体構造、図2はPrP^Scの仮想の立体構造をそれぞれ安定な二次構造をわかりやすくリボン図で描いている。なお、図中には示されていないが、PrP^cのC末端にはGPIアンカーが付加されている。図3は、PrPの遺伝子配列から予想される翻訳産物をアミノ酸の一文字表記で示している。アミノ酸配列のうち、プロリン残基は黒点(●)で、グリシン残基は2 重下線[G]で示している。以下の記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第109回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【生物】　問116

選択肢｜

1. 図2に示すPrP^Scは、図1に示すPrP^cに比べてβシート構造が多い。
2. βシート構造の安定性は、並行するペプチド鎖間で形成されるジスルフィド(S-S)結合によっている。
3. 図3に示すPrPに点在するプロリンは、その環状構造により二次構造の形成とその規則性に影響を与えている。
4. 図3に示すPrPに多く存在するグリシンは、特定の二次構造からループ構造への変化を妨げる要因となっている。
5. PrP^cにおいてGPIアンカーが結合するアミノ酸残基は、図3で1番目のメチオニンである。

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