生化学 · 1/1
タンパク質構成アミノ酸の化学構造；ペプチド結合の形成と立体構造；タンパク質の一次構造
Chemical structure of proteinogenic amino acids; formation and spatial structure of the peptide bond; primary structure of proteins — L I
- 応用トピック
- 化学構造と複雑さによる薬物分類
🧠 タンパク質は「20種のアミノ酸を、平面的で剛直なペプチド結合でつないだ一次元の紐」から始まる、と読む。 各アミノ酸は共通骨格（α炭素・α-アミノ基 amino groupアミノ基（amino group） amino group（アミノ基）・α-カルボキシル基 carboxyl groupカルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基））と、性質を決める側鎖をもつ。並び順（一次構造primary structure一次構造（primary structure）primary structure（一次構造））が高次 higher order 高次（higher order） higher order（高次） 構造をすべて規定する。側鎖の化学で20種を分類できるかが第一歩。
タンパク質とは
タンパク質はすべての生物の必須構成要素 essential constituent 必須構成要素（essential constituent） essential constituent（必須構成要素） で、ヒト乾燥重量の約50%を占める。ヒトのタンパク質コード遺伝子は2万未満と見積もられるが、選択的スプライシングalternative splicing 選択的スプライシング（alternative splicing）alternative splicing（選択的スプライシング） などにより1遺伝子から複数のタンパク質アイソフォーム protein isoform タンパク質アイソフォーム（protein isoform） protein isoform（タンパク質アイソフォーム） が生じうる。1
| 役割 | 例 |
|---|---|
| 形・組織の維持 | 細胞骨格、細胞外マトリックスextracellular matrix (ECM)細胞外マトリックス（extracellular matrix (ECM)）extracellular matrix (ECM)（細胞外マトリックス） |
| 運動 | 収縮タンパク質contractile proteins収縮タンパク質（contractile proteins）contractile proteins（収縮タンパク質） |
| 触媒 | 酵素 |
| 輸送 | 膜・細胞質・細胞外の輸送体 |
| 情報伝達signal transduction情報伝達（signal transduction）signal transduction（情報伝達） | 受容体 |
| 分類の軸 | 区分 |
|---|---|
| 溶解性solubility溶解性（solubility）solubility（溶解性） | 可溶性タンパク質／膜タンパク質membrane proteins膜タンパク質（membrane proteins）membrane proteins（膜タンパク質） |
| 形 | 球状タンパク質globular protein 球状タンパク質（globular protein）globular protein（球状タンパク質） （globular、軸比＜3）／線維状タンパク質fibrous protein線維状タンパク質（fibrous protein）fibrous protein（線維状タンパク質） |
| 組成 | 単純タンパク質／複合タンパク質conjugated protein 複合タンパク質（conjugated protein）conjugated protein（複合タンパク質） （conjugated、脂質・糖・金属などの非タンパク質成分を含む） |
アミノ酸の基本構造
α炭素に、α-アミノ基 amino groupアミノ基（amino group） amino group（アミノ基）・α-カルボキシル基 carboxyl groupカルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基）・水素・側鎖が結合する。側鎖には20通りがあり、DNADNA（deoxyribonucleic acid）のコドンでコードされる。
立体化学
- 天然のタンパク質構成アミノ酸 proteinogenic amino acid タンパク質構成アミノ酸（proteinogenic amino acid） proteinogenic amino acid（タンパク質構成アミノ酸） はすべて L型。
- α炭素はキラル中心 chiral center キラル中心（chiral center） chiral center（キラル中心） で2つの配置をとる（例外：R=Hのグリシンは不斉でない）。
電荷
α-アミノ基 amino groupアミノ基（amino group） amino group（アミノ基）・α-カルボキシル基 carboxyl group カルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基） のプロトン化 protonation プロトン化（protonation） protonation（プロトン化） 状態はpHに依存する。
| 基 | pKₐ |
|---|---|
| α-カルボキシル基 carboxyl group カルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基） （pKₐ-αC） | 約2 |
| α-アミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） （pKₐ-αN） | 9–10 |
生理的pHでアミノ酸は両性イオンzwitterion両性イオン（zwitterion）zwitterion（両性イオン）をとる。側鎖にさらにイオン化 ionization イオン化（ionization） ionization（イオン化） 基をもつものもある。
側鎖による分類
側鎖の化学で20種＋αを分類する。各アミノ酸の3文字/1文字コードも押さえる。
| 分類 | アミノ酸（3文字, 1文字） | 側鎖の特徴・pKₐ |
|---|---|---|
| 脂肪族aliphatic脂肪族（aliphatic）aliphatic（脂肪族） | Gly(G), Ala(A), Val(V), Leu(L), Ile(I) | 非極性Nonpolar非極性（Nonpolar）Nonpolar（非極性） |
| 水酸基含有hydroxyl水酸基含有（hydroxyl）hydroxyl（水酸基含有） | Ser(S), Thr(T) | 極性・非荷電 charged荷電（charged） charged（荷電） |
| 硫黄含有sulfur硫黄含有（sulfur）sulfur（硫黄含有） | Cys(C, チオールthiolチオール（thiol）thiol（チオール） pKₐ-R 8.3), Met(M) | Cysはジスルフィド結合 disulfide bond ジスルフィド結合（disulfide bond） disulfide bond（ジスルフィド結合） に |
| 芳香族aromatic芳香族（aromatic）aromatic（芳香族） | Phe(F), Tyr(Y), Trp(W), His(H, イミダゾールimidazoleイミダゾール（imidazole）imidazole（イミダゾール） pKₐ-R 6) | UV吸収・特殊相互作用 |
| 酸性＋アミド | Asp(D), Glu(E, カルボキシル pKₐ-R 4), Asn(N), Gln(Q) | Asp/Gluは負電荷 |
| 塩基性 | Lys(K, アミノ pKₐ-R 10.5), Arg(R, グアニジノ pKₐ-R 12.5), His(H) | 正電荷 |
| イミノ酸imino acidイミノ酸（imino acid）imino acid（イミノ酸） | Pro(P) | 側鎖が主鎖に環状結合 |
| セレン含有seleniumセレン含有（selenium）selenium（セレン含有） | Sec(U) | セレノシステインSec, Uセレノシステイン（Sec, U）Sec, U（セレノシステイン） |
物理化学的性質でのまとめ（折りたたみに直結）
- 非極性Nonpolar 非極性（Nonpolar）Nonpolar（非極性） （疎水性）: (Gly), Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Tyr, Trp, Pro
- 極性・非荷電 charged荷電（charged） charged（荷電）: Ser, Thr, (Cys), Asn, Gln, (His)
- 極性・正電荷: Lys⁺, Arg⁺, (His⁺)
- 極性・負電荷: Asp⁻, Glu⁻
芳香族側鎖の特殊相互作用
芳香環は非極性 Nonpolar 非極性（Nonpolar） Nonpolar（非極性） だが強い四極子モーメント quadrupole moment 四極子モーメント（quadrupole moment） quadrupole moment（四極子モーメント） をもち、特有の相互作用に関わる。
- カチオン–π相互作用cation-pi interactionカチオン–π相互作用（cation-pi interaction）cation-pi interaction（カチオン–π相互作用）: 芳香環と陽イオン cation 陽イオン（cation） cation（陽イオン） の相互作用。タンパク質-タンパク質、タンパク質-リガンド（例：アセチルコリンの四級窒素とTrp/Tyr）。
- π–πスタッキング stackingスタッキング（stacking） stacking（スタッキング）: 芳香環同士の重なり（London分散力＋四極子相互作用）。例：Tyr/TrpとATP。
- UV吸収: タンパク質の 280 nm 吸収は主にTrpとTyrに由来し、Pheの寄与は小さい → タンパク質濃度測定に利用。2
⭐ 280 nmの吸収は主にTrpとTyrによる。 これを利用してタンパク質溶液の濃度を分光光度計 spectrophotometer 分光光度計（spectrophotometer） spectrophotometer（分光光度計） で推定できる。カチオン–π相互作用cation-pi interaction カチオン–π相互作用（cation-pi interaction）cation-pi interaction（カチオン–π相互作用） はアセチルコリン結合など、リガンド認識で重要。
特殊なアミノ酸
- プロリンprolineプロリン（proline）proline（プロリン）: 側鎖が主鎖窒素と環をなし、主鎖の自由回転が制限される特異なアミノ酸。主鎖窒素は二級アミン secondary amine 二級アミン（secondary amine） secondary amine（二級アミン） である。
- セレノシステインSec, Uセレノシステイン（Sec, U）Sec, U（セレノシステイン）: 「21番目のアミノ酸」。UGAコドンが再定義され、真核生物ではmRNAの3′UTRにあるSECIS配列と専用因子により共翻訳的 co-translational 共翻訳的（co-translational） co-translational（共翻訳的） に挿入される。3
- 非タンパク質構成アミノ酸non-proteinogenic amino acid非タンパク質構成アミノ酸（non-proteinogenic amino acid）non-proteinogenic amino acid（非タンパク質構成アミノ酸）: β-アラニン alanineアラニン（alanine） alanine（アラニン）、γ-アミノ酪酸gamma-aminobutyric acid (GABA) γ-アミノ酪酸（gamma-aminobutyric acid (GABA)）gamma-aminobutyric acid (GABA)（γ-アミノ酪酸） （γ位にアミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） をもつγ-アミノ酸）、微生物のD-α-アミノ酸など。
翻訳後修飾の例
タンパク質に組み込まれた後の側鎖が化学的に作り変えられ、20種にない「修飾アミノ酸残基 amino acid residueアミノ酸残基（amino acid residue） amino acid residue（アミノ酸残基）」が生じる。まず、ビタミンを補因子として要する3反応。
flowchart TD
PRO["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proline residue'>プロリン残基</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prolyl'>プロリル</span>4-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydroxylase'>ヒドロキシラーゼ</span><br>O₂・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alpha-ketoglutarate'>α-ケトグルタル酸</span> → <span class='jp-term jp-term-diagram' title='succinic acid'>コハク酸</span>・CO₂<br>Fe²⁺・ビタミンC"| HYP["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='4-hydroxyproline'>4-ヒドロキシプロリン</span>残基"]
LYS["リジン残基"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lysyl'>リシル</span><span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydroxylase'>ヒドロキシラーゼ</span><br>O₂・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alpha-ketoglutarate'>α-ケトグルタル酸</span> → <span class='jp-term jp-term-diagram' title='succinic acid'>コハク酸</span>・CO₂<br>Fe²⁺・ビタミンC"| HYL["5-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydroxylysine (Hyl)'>ヒドロキシリジン</span>残基"]
GLU["グルタミン酸残基"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='gamma-glutamyl carboxylase'>γ-グルタミルカルボキシラーゼ</span><br>CO₂・O₂<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='reduced form'>還元型</span>ビタミンK → ビタミンK<span class='jp-term jp-term-diagram' title='epoxide'>エポキシド</span>"| GLA["γ-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='γ-carboxyglutamate (Gla)'>カルボキシグルタミン酸</span>残基<br>Gla"]ビタミンを補因子とする上の3反応に対し、次の2つは可逆的なスイッチと共有結合の架橋である。
flowchart TD
SER["セリン・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='threonine'>トレオニン</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tyrosine residue'>チロシン残基</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein kinase'>プロテインキナーゼ</span><br>ATP → ADP"| PSER["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phosphoserine'>ホスホセリン</span>・ホスホ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='threonine'>トレオニン</span>・ホスホ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tyrosine residue'>チロシン残基</span>"]
PSER -->|"プロテインホスファターゼ<br>H₂O を使い Pi を放出"| SER
CYS["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cysteine residue'>システイン残基</span> 2個"] -->|"酸化（2H⁺・2e⁻ を失う）<br>小胞体では<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein disulfide isomerase (PDI)'>プロテインジスルフィドイソメラーゼ</span>が形成・組み換えを触媒"| CSS["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Cystine'>シスチン</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='disulfide bond'>ジスルフィド結合</span> −S−S−"]| 修飾 | 生じる残基 | 意味 |
|---|---|---|
| ヒドロキシル化hydroxylationヒドロキシル化（hydroxylation）hydroxylation（ヒドロキシル化） | 4-ヒドロキシプロリン4-hydroxyproline4-ヒドロキシプロリン（4-hydroxyproline）4-hydroxyproline（4-ヒドロキシプロリン）、5-ヒドロキシリジン hydroxylysine (Hyl)ヒドロキシリジン（hydroxylysine (Hyl)） hydroxylysine (Hyl)（ヒドロキシリジン） | コラーゲンの三重らせん triple helix 三重らせん（triple helix） triple helix（三重らせん） の安定化と架橋・糖鎖付加glycosylation 糖鎖付加（glycosylation）glycosylation（糖鎖付加） の足場 scaffold足場（scaffold） scaffold（足場）。ビタミンC欠乏で障害される（壊血病scurvy壊血病（scurvy）scurvy（壊血病）） |
| γ-カルボキシル化γ-carboxylationγ-カルボキシル化（γ-carboxylation）γ-carboxylation（γ-カルボキシル化） | γ-カルボキシグルタミン酸 γ-carboxyglutamate (Gla)カルボキシグルタミン酸（γ-carboxyglutamate (Gla)） γ-carboxyglutamate (Gla)（カルボキシグルタミン酸） | 2つのカルボキシル基 carboxyl group カルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基） でCa²⁺をはさみ、凝固因子（II・VII・IX・X）などをリン脂質膜へ結合させる |
| リン酸化 | ホスホセリンphosphoserineホスホセリン（phosphoserine）phosphoserine（ホスホセリン）・ホスホトレオニン threonineトレオニン（threonine） threonine（トレオニン）・ホスホチロシン | 負電荷の付加で立体構造 conformational 立体構造（conformational） conformational（立体構造） と活性が変わる。キナーゼとホスファターゼで可逆的に切り替わる |
| ジスルフィド結合disulfide bondジスルフィド結合（disulfide bond）disulfide bond（ジスルフィド結合） | シスチンCystineシスチン（Cystine）Cystine（シスチン） | 主に細胞外・分泌タンパク質の立体構造 conformational 立体構造（conformational） conformational（立体構造） を共有結合で固定する |
⚠️ γ-カルボキシル化γ-carboxylation γ-カルボキシル化（γ-carboxylation）γ-carboxylation（γ-カルボキシル化） はワルファリンの作用点 target作用点（target） target（作用点）。 反応で生じたビタミンKエポキシド epoxide エポキシド（epoxide） epoxide（エポキシド） は、ビタミンKエポキシド還元酵素vitamin K epoxide reductase ビタミンKエポキシド還元酵素（vitamin K epoxide reductase）vitamin K epoxide reductase（ビタミンKエポキシド還元酵素） で還元型 reduced form 還元型（reduced form） reduced form（還元型） に戻されて再利用される。ワルファリンはこの再生を阻害するため、Gla残基Gla residue (gamma-carboxyglutamate) Gla残基（Gla residue (gamma-carboxyglutamate)）Gla residue (gamma-carboxyglutamate)（Gla残基） が不足した凝固因子しか作られず、凝固が抑えられる。ビタミンKの投与はこの経路を迂回して作用を拮抗する。
ペプチド結合と一次構造
ペプチド結合は、あるアミノ酸のα-カルボキシル基 carboxyl group カルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基） と次のα-アミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） の間のアミド結合 amide bondアミド結合（amide bond） amide bond（アミド結合）。連なってポリペプチド鎖を作る（ジ・トリ・オリゴ［〜50］・ポリペプチド）。
flowchart TD
AA1["アミノ酸1<br>α-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='carboxyl group'>カルボキシル基</span> −COOH を使う"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peptidyl transferase'>ペプチジルトランスフェラーゼ</span>（リボソーム）<br>形式上は H₂O が1分子外れる脱水<span class='jp-term jp-term-diagram' title='condensation'>縮合</span>"| DP["ジペプチド<br>ペプチド結合 −CO−NH−"]
AA2["アミノ酸2<br>α-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='amino group'>アミノ基</span> −NH₂ を使う"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peptidyl transferase'>ペプチジルトランスフェラーゼ</span>（リボソーム）<br>形式上は H₂O が1分子外れる脱水<span class='jp-term jp-term-diagram' title='condensation'>縮合</span>"| DP
DP -->|"同じ反応を C末端側へくり返す"| PP["ポリペプチド鎖 = <span class='jp-term jp-term-diagram' title='primary structure'>一次構造</span><br>N末端（左）→ C末端（右）で番号付け<br>例：H₃N-Glu¹-Ala²-Lys³-Gly⁴-COO⁻ = EAKG"]💡 細胞内では「脱水」ではなく「活性化してから転移」。 遊離アミノ酸どうしの脱水縮合 condensation 縮合（condensation） condensation（縮合） は水中では熱力学的に不利なので、細胞ではアミノアシルtRNA合成酵素 aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase） aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） がATPを使ってアミノ酸をtRNAにエステル結合 ester bond エステル結合（ester bond） ester bond（エステル結合） させ（ATP → AMP・PPi）、そのエネルギーでリボソームのペプチジルトランスフェラーゼ peptidyl transferase ペプチジルトランスフェラーゼ（peptidyl transferase） peptidyl transferase（ペプチジルトランスフェラーゼ） （リボソームRNAribosomal RNA リボソームRNA（ribosomal RNA）ribosomal RNA（リボソームRNA） が触媒する）がペプチド結合を作る。並び順はmRNAのコドン、元をたどればDNAが決める。
ペプチド結合の立体構造
- 部分二重結合性partial double-bond character部分二重結合性（partial double-bond character）partial double-bond character（部分二重結合性）: C−N結合は共鳴で部分的に二重結合となり回転しない。
- 平面性: ペプチド結合の6原子は剛直な平面に並ぶ。
- シス/トランス: 通常はトランスが好まれる。
- 自由回転はα炭素まわりの2結合: N–Cα（φ）と Cα–C（ψ）。多くの立体配座 conformation 立体配座（conformation） conformation（立体配座） が可能。
Ramachandranプロット（φ–ψプロット）
各アミノ酸のφ・ψ角を打点すると、点は特定の領域に集まる。これらの領域が二次構造secondary structure二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造）（αヘリックス・βシート）に対応する（Lecture 2へ）。
まとめ
- タンパク質は乾燥重量の約50%を占め、2万未満のタンパク質コード遺伝子から多様なアイソフォーム isoform アイソフォーム（isoform） isoform（アイソフォーム） が生じる。役割は形・運動・触媒・輸送・シグナル。
- アミノ酸はα炭素に−NH₂・−COOH・−H・側鎖。天然はL型、Gly以外キラル。生理的pHで両性イオン zwitterion両性イオン（zwitterion） zwitterion（両性イオン）。
- 側鎖の化学で分類（脂肪族aliphatic脂肪族（aliphatic）aliphatic（脂肪族）/水酸基hydroxyl group水酸基（hydroxyl group）hydroxyl group（水酸基）/硫黄/芳香族aromatic芳香族（aromatic）aromatic（芳香族）/酸性/塩基性/イミノ/セレンseleniumセレン（selenium）selenium（セレン））、各pKₐも重要。
- 芳香族aromatic 芳香族（aromatic）aromatic（芳香族） はカチオン–π相互作用 cation-pi interactionカチオン–π相互作用（cation-pi interaction） cation-pi interaction（カチオン–π相互作用）・π–πスタッキング stackingスタッキング（stacking） stacking（スタッキング）、280 nm吸収。Pro/Sec/β・γ・D-アミノ酸は特殊。
- 翻訳後修飾post-translational modification 翻訳後修飾（post-translational modification）post-translational modification（翻訳後修飾） ：Pro・Lysの水酸化（ビタミンC）、Gluのγ-カルボキシル化 γ-carboxylation γ-カルボキシル化（γ-carboxylation） γ-carboxylation（γ-カルボキシル化） （ビタミンK、ワルファリンの作用点 target作用点（target） target（作用点））、Ser/Thr/Tyrのリン酸化（キナーゼ⇄ホスファターゼ）、Cys 2個の酸化でシスチン Cystineシスチン（Cystine） Cystine（シスチン）。
- ペプチド結合は部分二重結合性 partial double-bond character 部分二重結合性（partial double-bond character） partial double-bond character（部分二重結合性） で平面・トランス・剛直。回転はφ/ψのみ。細胞内ではアミノアシルtRNA aminoacyl-tRNA アミノアシルtRNA（aminoacyl-tRNA） aminoacyl-tRNA（アミノアシルtRNA） を介してリボソームが形成する。
- 一次構造primary structure 一次構造（primary structure）primary structure（一次構造） はN→C配列でDNAがコード。φ–ψ（Ramachandranプロット）が二次構造 secondary structure 二次構造（secondary structure） secondary structure（二次構造） に対応。
出典
- 1.The status of the human gene catalogue（Nature・2023）ヒトのタンパク質コード遺伝子数は2万未満と見積もられ、遺伝子カタログにはなお不確実性がある閲覧 2026-08-20
- 2.Statistical determination of the average values of the extinction coefficients of tryptophan and tyrosine in native proteins（Analytical Biochemistry・1992）タンパク質の280 nm吸光係数への主要な寄与はトリプトファンとチロシンである閲覧 2026-08-20
- 3.Translation regulation of mammalian selenoproteins（Biochimica et Biophysica Acta - General Subjects・2018）哺乳類のセレノシステイン挿入はUGA再解読と3′UTRのSECIS配列および専用因子を必要とする閲覧 2026-08-20