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

🧠 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、ヒトゲノムの約20,000遺伝子がそれぞれ異なるタンパク質をコードする。

分類：溶解性solubility溶解性（solubility）solubility（溶解性）（可溶性 vs 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spherical球状（spherical）spherical（球状） globular ［軸比＜3］ vs 線維状 fibrous）、単純タンパク質 vs 複合タンパク質（conjugated：脂質・糖・金属を含む）。

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、DNA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。

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。

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: Trp・Tyr・Pheは約 280 nm の紫外線を吸収 → タンパク質濃度測定に利用。

⭐ 280 nmの吸収は芳香族アミノ酸aromatic amino acid芳香族アミノ酸（aromatic amino acid）aromatic amino acid（芳香族アミノ酸）（特にTrp）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）: α-イミノ酸imino acidイミノ酸（imino acid）imino acid（イミノ酸）。側鎖がα-アミノ基amino groupアミノ基（amino group）amino group（アミノ基）と環をなし、主鎖の自由回転が制限される。
• 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」。コドンでは直接コードされず、UGA（本来は終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン））＋調節配列regulatory sequence調節配列（regulatory sequence）regulatory sequence（調節配列）で挿入。極めてまれ（タンパク質の0.1%）。
• 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）（GABA、γ-amino acid）、微生物のD-α-アミノ酸など。

翻訳後修飾の例

• 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hydroxyproline (Hyp)ヒドロキシプロリン（hydroxyproline (Hyp)）hydroxyproline (Hyp)（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。
• 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）→ Ca²⁺結合（凝固因子など）。
• 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）/トレオニン/チロシン。
• 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）: 2分子のCysが酸化されてシスチンCystineシスチン（Cystine）Cystine（シスチン）。

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。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
  A["アミノ酸の −COOH と 次の −NH₂"]
  A --> B["脱水<span class='jp-term jp-term-diagram' title='condensation'>縮合</span>でペプチド結合形成（−CO−NH−）"]
  B --> C["ポリペプチド鎖<br>N末端(左) → C末端(右) で番号付け"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='primary structure'>一次構造</span> = <span class='jp-term jp-term-diagram' title='amino-acid sequence'>アミノ酸配列</span>（DNAがコード）<br>例：H₃N-Glu¹-Ala²-Lys³-Gly⁴-COO⁻ = EAKG"]

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、phi）と Cα–C（ψ、psi）。多くの立体配座conformation立体配座（conformation）conformation（立体配座）が可能。

Ramachandran plot（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%、20,000遺伝子がコード。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cation-π・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。
• 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・trans・剛直。回転はφ/ψのみ。
• 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 plot）が二次構造secondary structure二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造）に対応。