誘導適合による分子認識：概念はどのように適合していますか？
事実上すべての生物現象は、特定の分子認識に何らかの形で依存しています。 19世紀の終わりに、Emil Fischerは、生命の分子的前提である酵素反応の特異性を描写するために彼の有名な鍵と鍵のアナロジーを造語しました（4）。 この酵素は，基質が鍵としてロックに適合しなければならない剛性テンプレートであると考えられた。 しかし、長年にわたって、予め形成された分子構造の間の剛性のフィット感は、酵素触媒のすべての側面を説明できないことが明らかになった。 例えば、より小さな基質がより大きな基質用に設計された酵素の活性部位に適合しないのはなぜですか？ または、なぜいくつかの酵素は非常に選択的ですが、他の酵素はいくつかの構造的に異なる基質分子を収容するかもしれませんか？この文脈では、40年以上前、Daniel Koshlandが誘導適合の概念を定式化しました（7）。 正確な適合がない場合に酵素反応を容易にするために、彼は”基質は活性部位でのアミノ酸の三次元関係にかなりの変化を引き起こす可能性がある”と仮定した（7）。 正確なフィットのアイデアは、ロックとキーのイメージから保持されましたが、フィットは”基板自体によって誘発された変化の後にのみ起こる”と明示的に述べられていました（強調オリジナル）。 この概念はすぐに教科書の知識となり、以来、酵素-基質反応をはるかに超えたあらゆる種類の分子認識プロセスを説明するために使用されてきた。 実際、相互作用する生体分子の構造解析は、複合体とその遊離成分分子が、誘導された適合による認識の明らかな支持において、構造の細部において異 いくつかの抗原-抗体複合体によって良いケースが提供され、高分解能の結晶構造解析によって空間適応が実証されている（2）。 構造可塑性は、他のタンパク質-タンパク質相互作用（にも明らかである12）。
なぜ昔からの概念に疑問を呈するべきですか？ 私の理由は、誘導されたfitパラゴンは、明らかな構造相補性のない分子が相互作用する理由を説明するにはあまりにも準備ができていることが多 問題は、最初の結合の後にのみ良好な適合が発達するという元の仮定にあり、これはしばしば文字通りあまりにも取られる。 結合反応の速度論と熱力学を考慮すると、誘導適合は、相互作用するサイト間の一致が、誘導適合が合理的な時間内に起こるように、最初の複合体十分 この重要なポイントを、図2に示す熱力学的サイクルに基づく簡単なモデル計算によって説明したいと思います。 1. 酵素と基質、抗原と抗体、ホルモンと受容体、または相互作用する分子の任意の他のペアであってもよい分子ＡおよびＢを考えてみましょう。 簡単にするために、誘導された適合は分子Bでのみ起こり、分子Bはb*に変化して安定な複合体AB*を形成すると仮定する。 （この仮定は計算の結果には影響しませんが、数学的形式主義を単純化します。）誘導された適合による結合は、図１の反応１および２によって説明される。 1. 反応1では、AとBは相互作用して最初の複合体ABを形成し、これは緩く結合した分子の対である。 その後、反応2では正確でエネルギー的に良好な相互作用が形成され、誘導されたフィットによってBが立体配座B*に強制される。 適切な立体配座へのBの”引っ張り”および”押すこと”のためのエネルギーは最終的な複合体AB*で達成される最大限に活用された適合に起因する。 複合体Ａ Ｂ＊の全体的な結合定数は、Ｋ＝Ｋ１×Ｋ２＝ｋ１×ｋ２／Ｋ−１×ｋ−２である（図１ ０を参照）。 結合定数および速度定数の定義については1）。
図1. 分子Aとbの複合体AB*への反応のための熱力学的サイクル,BとB*は、同じ分子の異なる立体配座状態であります. 誘導fit経路は、反応1および反応2に従う。 反応1で形成された最初の複合体ABは、Bの立体配座が最適化されていないため安定ではない。 誘導された適合反応2は、適合立体配座B*にBをもたらす。 立体配座選択経路は、反応３および４に従う。 反応3は、非適合立体配座Bと適合立体配座B*との間の立体配座平衡を記述する。 誘導された適合経路は、誘導された適合が発生する合理的な機会を有するように、複合体Ａ Ｂがかなりの安定性を有する場合にのみ、速度論的に有能で そうではなく、少量のフィッティング立体配座Ｂ＊がＡの非存在下に存在する場合、立体配座選択経路が支配的である。実用的な例として、Kが典型的には108M-1のオーダーである抗原–抗体複合体を想像する。 反応1は好ましくないので、K1を1M–1とし、そこからK2=108M–1となる。 K2>>K1ので、平衡は抗原-抗体複合体AB*の側によくあります。 例えば、１×１ ０−６ｍ抗体が１×１ ０−６ｍ抗原と反応する場合、熱力学的平衡は、抗原−抗体複合体の側で９ １％である（Ｋ＝１ ０ ８Ｍ−１およびｔｏｔａｌ＝ｔｏｔａｌ＝１×１ ０−６Ｍから計算 しばしば見落とされている重要な問題は、この平衡濃度に達するまでにどれくらいの時間がかかるかです。 時間経過は、
1
2平衡に達するまでの時間を計算するには、k1とk2の合理的な推定値が必要です（k–1とk–2は、k1とK2の選択された値に従います。図を参照してください。 1). 非常に弱い複合体の形成速度は、102と106M–1•s–1の間の任意の場所であり得る。 私はk1=104M–1•s–1を選択しますが、k1の値は計算結果にあまり影響しません。 タンパク質の立体配座の変化はミリ秒の半分の時間を持っているので、私はk2=102s-1（ln2/k2からのハーフタイム=7ms）を選択します。 逆反応の対応する値は、k–1=104s–1およびk–2=10–6s-1である。 上記の速度定数および抗原および抗体の1×10-6M開始濃度に対する式1および2の数値積分は、-2.5時間の抗原-抗体複合体の形成のための半 この長い反応時間の理由は、一旦形成されると、不安定な抗原−抗体複合体Ａ Ｂは、安定な抗原−抗体複合体Ａ Ｂ＊への誘導されたｆｉｔ転移を受ける機会が非常に 誘導された適合は、熱力学的に合理的であるが、生物学的反応として意味を持つには遅すぎる。
立体配座選択は誘導適合の代替である
私を含む他の研究者(1, 3, 5, 8, 13, 14) 誘導された適合には別のメカニズムがあることを指摘している。 立体配座選択の本質は、図3の反応3および4によって説明される。 図1に示すように、立体配座の変化は、初期結合後に起こると仮定されないことである。 これはかなり明白な仮定です。 抗原-抗体複合体AB*を取る。 反応4により遊離抗体Aおよび遊離抗原B*に解離する。 したがって、B*は、短命の少数の立体配座であり得るにもかかわらず、反応3を介して主要な立体配座Bと急速に平衡化するにもかかわらず、単離する。 配座選択によってAB*の平衡濃度に到達するのにかかる時間を計算するために、1000個の分子の1つが配座B*（K3=10-3）にあると仮定します。 その結果、図１ ０の熱力学的サイクルから、Ｋ４＝１ ０ １ １Ｍ−１となる。 したがって、Ｋ１×ｋ２＝Ｋ３×ｋ４＝Ｋ＝１ ０ ８Ｍ−１となる。 さらに、立体配座変化B→B*は、誘導された適合（k2=k3=100s–1）と同じ速さであると仮定します。 さらに、反応4におけるB*とAとの会合速度の値が必要である。 抗原-抗体結合の測定された速度定数は、104–107M-1•sの範囲である。–1 (8, 9, 11). 私はk4=106M–1•s–1の中間値を選択します。 これらの条件下で、反応３および４を介した抗原−抗体複合体Ａ Ｂ＊の形成は、わずか８ ０秒のハーフタイムを有する；ａ Ｂ＊の平衡濃度は、＜ｄｉｖ ｉｄ＝「５ｆａ３ ７ ５ ７ ９ ０ｆ」＞＜／ｄｉｖ＞１ ５分
これらの計算は、誘導された適合による結合が、相互作用する種の間にある程度の既存の相補性がある場合にのみ意味があることを示しています; そうでなければ、最初の複素ABは短すぎる（Koshlandの最初の論文で暗黙の仮定）。 上記の順方向速度定数k1およびk2および1×10–6Mの初期濃度を使用することにより、k1は-104M-1でなければならず、誘導されたfit経路の80sの同じハーフタイムを達成するためには、立体配座選択経路と同じでなければならないことがわかる。
立体配座選択による結合の実験的実証
驚くほど少数の研究は、それがより簡単に誘導されたフィットよりも実証されているという事実にもかかわらず、立体配座選択を表示しようとしています(1, 5, 8, 15). 誘導された適合を実証するためには、結合反応の過程で構造情報をサンプリングする必要があり、かなり困難な作業である。 立体配座選択を実証するためには，複素Ａ Ｂ＊の形成速度がフィッティング立体配座Ｂ＊の濃度に直線的に比例し，ｂ＋Ｂ＊の全濃度に非線形的に比例することを示さなければならない。 結合パートナー Ａの不在下で立体配座平衡反応３を測定することができれば、Ｂ＊の濃度を計算し、Ａ Ｂ＊の形成の全体的な速度を予測することができる。よく研究された例は、33残基長のプロリン含有ペプチドGCN4-7P14Pに対する単鎖抗体断片の反応であり、略してpeptide Pと呼ばれる（6）。
よく研究されている例は、33残基長のプロリン含有ペプチドGCN4-7p14Pに対する単鎖抗体断片の反応である。 このペプチドは、酵母転写活性化剤GCN4のロイシンジッパードメインと非常によく似ているが、二つのプロリン残基を含むためロイシンジッパーを形成しないことを除いている。 （プロリンは、互いに巻かれたらせんの二量体であるロイシンジッパーのらせん立体配座と互換性がない。）しかし、抗体はGCN4ロイシンジッパーと交差反応し、この交差反応は明らかに立体配座選択経路に従う。 抗体は、折り畳まれたロイシンジッパーから供給される折り畳まれていないペプチドと反応する（反応3）。 ペプチドPと抗体の元の反応をロイシンジッパー GCN4との交差反応と比較すると、抗体は大量の折り畳まれたロイシンジッパーと平衡状態で少量の折り畳まれたペプチドを選択しなければならないため、交差反応が遅いことが予想される。 さらに、主に折り畳まれたロイシンジッパーとの交差反応の速度は、総抗原濃度に非線形依存性を示すが、展開されたペプチドの少量の濃度に線形依存性を示す（8、15）。 第一相は全抗原濃度に直線的に依存する二分子会合反応に対応し、第二相は濃度に依存しない立体配座再配列に対応する二相であるべき誘導フィット機構の場合はそうではない。 図2は、実際のデータを示しています。 抗原-抗体複合体の形成速度は、展開されたペプチドの少量の濃度に直線的に依存し、総抗原濃度に非線形的に依存する（図10）。 2A）。 図2Bは、元の抗原とのより迅速な反応とGCN4ロイシンジッパーとのより遅い反応の速度論的痕跡を示しています。 それにもかかわらず、折り畳まれたロイシンジッパーへの抗体の結合（図1の反応1）が誘導されたfit経路よりも速いため、展開されたロイシンジッパーの配座選択は、まだ一桁速い。 1)は非常に弱い(1)。
図2. 抗体c11l34serとロイシンジッパー GCN4との交差反応の速度論。 Ａ：ＧＣＮ４との交差反応の速度は、図３の反応３のＫ３から計算された展開されたペプチドの濃度に直線的に比例する。 立体配座選択経路について予測されるように、抗原の総濃度（＊）に非線形的に比例する。 B: 元のペプチドとの反応速度は、図３の立体配座選択経路３→４について予測されるように、ＧＣＮ４との交差反応速度よりも速い。 1. トレースは、４×１ ０−７ｍ抗体と４×１ ０−６Ｍ ＧＣＮ４−７Ｐ１ ４Ｐ（ペプチドＰ）および４×１ ０−６Ｍ ＧＣＮ４とのそれぞれの反応のためのものである。 参照から適応されたデータ。 許可を得て1
タンパク質立体配座のエネルギーランドスケープモデル
折り畳まれたタンパク質は、単一のユニークな構造を持っていないが、 これらのいわゆる配座は、互いに急速に変動している（10）。 エネルギー景観が滑らかであれば、多くの適合者が急速に交換する。 それが頑丈であれば、アンサンブルはかなり異なっていて、よりゆっくりと交換することができるコンホーマを含むことができる。 したがって、構造BとB*の間の選択は、非常に単純化されたビューです。 実際には、それはより多くの非常に多くのより多くのまたはより少ないフィッティング構造の中で選択のようなものです（13）。 しかし、配座選択の最終結果は同じです：最良の適合を示すそれらの配座は、最良の結合を示します。
結論
コンフォメーション選択は、誘導されたフィットの貴重な代替手段です。 これは、誘導された適合による結合が起こらないということではない。 実際には、配座選択と誘導された適合の組み合わせは、明らかに最初に最適に適合しない分子間の相互作用の最良の記述であるように思われる。 部分的にフィッティングされた構造の間の選択と、最終的な安定複合体へのマイナーな再調整（ランドスケープ理論によれば、それ自体は同様のコンホーマのアンサンブルである）を想像することができる。 主なポイントは、誘導された適合は、しばしば文献で主張されているように、すべての治療法ではないということです。 誘導された適合は、立体構造適応の前に十分な親和性を提供するために、いくつかの事前の分子一致を必要とする。 この条件が満たされない場合、誘導された適合は、全体的な反応が熱力学的に実現可能であっても、運動論的ボトルネックにつながる。私は過去と現在の多くの同僚に、有益で刺激的な議論をしてくれたことに感謝しています。
私は過去と現在の多くの同僚に感謝しています。私の研究室からの仕事は、スイス国立科学財団によって部分的にサポートされています。
私の研究室からの仕事は、スイス国立科学財団によっ
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