Biophysics · 23.04

生体高分子の構造

Structure of biopolymers

🧠 生体高分子biopolymer生体高分子（biopolymer）biopolymer（生体高分子）は単量体monomer単量体（monomer）monomer（単量体）を強い共有結合性主鎖covalent backbone共有結合性主鎖（covalent backbone）covalent backbone（共有結合性主鎖）で連結した長鎖であり、その鎖が熱運動thermal motion熱運動（thermal motion）thermal motion（熱運動）と弱い相互作用によって多数の立体配座conformation立体配座（conformation）conformation（立体配座）をとる。配列が化学情報を、三次tertiary三次（tertiary）tertiary（三次）元形状が機能を担う。

生体高分子biopolymer生体高分子（biopolymer）biopolymer（生体高分子）の主鎖は共有結合と二次結合secondary bond二次結合（secondary bond）secondary bond（二次結合）で保たれ、弱い相互作用が立体配座conformation立体配座（conformation）conformation（立体配座）と機能を選ぶ。タンパク質では、この関係を一次構造primary structure一次構造（primary structure）primary structure（一次構造）から四次構造quaternary structure四次構造（quaternary structure）quaternary structure（四次構造）までの階層として整理できる。

主要な生体高分子

高分子	単量体monomer単量体（monomer）monomer（単量体）	主鎖結合backbone bond主鎖結合（backbone bond）backbone bond（主鎖結合）	主な役割
タンパク質	アミノ酸	ペプチド結合	触媒、構造、輸送、情報伝達signal transduction情報伝達（signal transduction）signal transduction（情報伝達）
核酸	ヌクレオチド	ホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）	遺伝情報、発現制御
多糖	単糖monosaccharide単糖（monosaccharide）monosaccharide（単糖）	グリコシド結合glycosidic bondグリコシド結合（glycosidic bond）glycosidic bond（グリコシド結合）	エネルギー貯蔵、細胞表面、構造

共有結合は鎖の連結性を保つが、結合回転bond rotation結合回転（bond rotation）bond rotation（結合回転）により立体配座conformation立体配座（conformation）conformation（立体配座）は変化する。溶液中の柔軟な鎖は熱運動thermal motion熱運動（thermal motion）thermal motion（熱運動）とランダムウォークrandom walkランダムウォーク（random walk）random walk（ランダムウォーク）に近い統計的形状をとる。

R_{rms}\propto b\sqrt{N}

$N$ は分節数、 $b$ は分節長segment length分節長（segment length）segment length（分節長）で、理想鎖の端間距離は鎖長chain length鎖長（chain length）chain length（鎖長）そのものではなく $\sqrt{N}$ に比例する。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='monomer sequence'>モノマー配列</span>"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='covalent backbone'>共有結合性主鎖</span>"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bond rotation'>結合回転</span>＋<span class='jp-term jp-term-diagram' title='thermal motion'>熱運動</span>"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='conformational ensemble'>配座集合</span>"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='noncovalent interaction'>非共有結合性相互作用</span>で特定構造へ"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='biological function'>生物学的機能</span>"]

鎖の柔軟性や伸長に対する応答は生体高分子biopolymer生体高分子（biopolymer）biopolymer（生体高分子）の弾性で扱う。配列だけでなく、溶媒・温度・外力が配座集合conformational ensemble配座集合（conformational ensemble）conformational ensemble（配座集合）を変える点が、剛体分子との本質的な違いである。

まとめ

生体高分子biopolymer生体高分子（biopolymer）biopolymer（生体高分子）は単量体monomer単量体（monomer）monomer（単量体）が共有結合で連結した長鎖である。
タンパク質、核酸、多糖では主鎖結合backbone bond主鎖結合（backbone bond）backbone bond（主鎖結合）が異なる。
熱運動thermal motion熱運動（thermal motion）thermal motion（熱運動）が多数の立体配座conformation立体配座（conformation）conformation（立体配座）を生み、弱い相互作用が機能的構造を選ぶ。