タンパク質の一次構造

タンパク質の一次構造とは、ペプチドまたはタンパク質中のアミノ酸の線状配列である。^[1]慣例的に、タンパク質の一次構造は、アミノ末端（N末端）からカルボキシル末端（C末端）に向かって報告される。タンパク質の生合成は、細胞内のリボソームによって最も一般的に行われる。ペプチドは実験室でも合成できる。タンパク質の一次構造は、直接配列決定することも、DNA配列から推測することもできる。

形成

生物学的

アミノ酸はペプチド結合によって重合し、長い骨格を形成します。この骨格に沿って、様々なアミノ酸側鎖が突出しています。生物系では、タンパク質は細胞のリボソームによる翻訳中に生成されます。一部の生物は、非リボソームペプチド合成によって短いペプチドを生成することもできます。非リボソームペプチド合成では、コードされている22種類のアミノ酸以外のアミノ酸が使用されることが多く、環化、修飾、架橋されることがあります。

化学薬品

ペプチドは、様々な実験室的手法を用いて化学的に合成することができます。化学的手法では、通常、生物学的タンパク質合成（N末端から開始）とは逆の順序（C末端から開始）でペプチドが合成されます。

表記

タンパク質配列は通常、アミノ末端からカルボキシル末端までのアミノ酸を列挙した文字列で表記されます。22種類の天然アミノ酸、およびそれらの混合物や曖昧なアミノ酸（核酸表記法に類似）は、3文字コードまたは1文字コードで表記できます。^[1]^[2]^[3]

ペプチドは直接配列決定することも、DNA配列から推測することもできます。現在では、既知のタンパク質配列を収集した大規模な配列データベースが存在します。

22の天然アミノ酸表記
アミノ酸	3文字^[4]	1文字^[4]
アラニン	アラ	あ
アルギニン	アーグ	R
アスパラギン	アズン	北
アスパラギン酸	アスプ	D
システイン	システイン	C
グルタミン酸	グル	E
グルタミン	グリン	質問
グリシン	グリ	G
ヒスチジン	彼の	H
イソロイシン	イル	私
ロイシン	ルー	L
リジン	リス	K
メチオニン	メット	M
フェニルアラニン	フェ	F
プロリン	プロ	P
ピロリシン	ピル	お
セレノシステイン	秒	あなた
セリン	サー	S
トレオニン	Thr	T
トリプトファン	トリップ	W
チロシン	ティル	はい
バリン	ヴァル	V

曖昧なアミノ酸表記
シンボル	説明	残基の代表
X	任意のアミノ酸、または未知の	全て
B	アスパラギン酸またはアスパラギン	D、N
Z	グルタミン酸またはグルタミン	E、Q
J	ロイシンまたはイソロイシン	私、L
Φ	疎水性	V、I、L、F、W、M
Ω	芳香性	F、W、Y、H
Ψ	脂肪族	V、I、L、M
π	小さい	P、G、A、S
ζ	親水性	S、T、H、N、Q、E、D、K、R、Y
+	正に帯電	K、R、H
-	負に帯電する	D、E

修正

一般に、ポリペプチドは非分岐ポリマーであるため、その一次構造は主鎖に沿ったアミノ酸配列によって特定できることが多い。しかし、タンパク質は架橋結合（最も一般的にはジスルフィド結合）されるため、一次構造では架橋原子も特定する必要がある。例えば、タンパク質のジスルフィド結合に関与するシステインを特定するなどである。その他の架橋結合としては、デスモシンが挙げられる。

異性化

ポリペプチド鎖のキラル中心はラセミ化を受ける可能性があります。これは配列自体には影響を与えませんが、配列の化学的性質に影響を与えます。特に、タンパク質に通常含まれるL-アミノ酸は、その原子において自発的に異性化してD-アミノ酸を形成しますが、これはほとんどのプロテアーゼでは分解されません。さらに、プロリンはペプチド結合において安定なトランス異性体を形成する可能性があります。 $\mathrm {C^{\alpha }}$

翻訳後修飾

さらに、タンパク質はさまざまな翻訳後修飾を受ける可能性があり、ここで簡単に説明します。

ポリペプチドのN末端アミノ基は共有結合的に修飾することができる。例えば、

アセチル化 $\mathrm {-C(=O)-CH_{3}}$

N 末端アミノ基の正電荷は、アセチル基に変更することによって除去できます (N 末端ブロッキング)。

ホルミル化 $\mathrm {-C(=O)H}$

翻訳後に通常見られるN末端メチオニンは、ホルミル基でブロックされたN末端を持っています。このホルミル基（およびグリシンまたはセリンが後に続く場合はメチオニン残基自体）は、デホルミラーゼ酵素によって除去されます。

ピログルタミン酸

N 末端グルタミンは自身を攻撃して環状ピログルタミン酸基を形成することがあります。

ミリストイル化 $\mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{12}-CH_{3}}$

アセチル化に似ています。ミリストイル基は単純なメチル基ではなく、14個の疎水性炭素鎖を有しており、タンパク質を細胞膜に固定するのに最適です。

ポリペプチドのC末端カルボキシル基も修飾することができる。例えば、

アミノ化（図参照）

C 末端はアミノ化によってブロックされ（したがって、その負電荷を中和される）こともできます。

グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）結合

グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）は、タンパク質を細胞膜に固定する、大きな疎水性リン脂質補欠分子族です。GPIはポリペプチドのC末端にアミド結合を介して結合し、その後エタノールアミン、さらに様々な糖、そして最終的にホスファチジルイノシトール脂質部分と結合します。

最後に、ペプチド側鎖も共有結合的に修飾することができる。例えば、

リン酸化

切断を除けば、リン酸化はおそらくタンパク質の最も重要な化学修飾である。リン酸基は、セリン、スレオニン、チロシン残基の側鎖水酸基に付加され、その部位に負電荷を付与し、非天然アミノ酸を生成する。このような反応はキナーゼによって触媒され、逆反応はホスファターゼによって触媒される。リン酸化チロシンは、タンパク質同士が結合するための「ハンドル」としてしばしば利用されるが、セリン/スレオニンのリン酸化は、おそらく導入された負電荷のために、しばしば構造変化を引き起こす。セリン/スレオニンのリン酸化の効果は、セリン/スレオニン残基をグルタミン酸に変異させることによって模倣できる場合がある。

グリコシル化

非常に一般的かつ非常に多様な化学修飾の総称。糖鎖は、セリン/スレオニンの側鎖ヒドロキシル基、またはアスパラギン酸の側鎖アミド基に付加される。このような付加は、溶解性の向上から複合体の認識まで、様々な機能を果たす。すべてのグリコシル化は、ツニカマイシンなどの特定の阻害剤によって阻害することができる。

脱アミド化（スクシンイミド形成）

この修飾では、アスパラギン酸またはアスパラギン酸側鎖が後続のペプチド結合を攻撃し、対称的なスクシンイミド中間体を形成します。この中間体の加水分解により、アスパラギン酸またはβ-アミノ酸であるイソ(Asp)が生成します。アスパラギン酸の場合、どちらの生成物もアミド基の喪失を招き、「脱アミド化」を引き起こします。

水酸化

プロリン残基は、リジン（1つの原子）と同様に、2つの原子のいずれかで水酸化される可能性があります。ヒドロキシプロリンはコラーゲンの重要な成分であり、コラーゲンはヒドロキシプロリンが失われると不安定になります。この水酸化反応は、アスコルビン酸（ビタミンC）を必要とする酵素によって触媒されます。アスコルビン酸の欠乏は、壊血病などの多くの結合組織疾患を引き起こします。

メチル化

いくつかのタンパク質残基はメチル化される可能性があり、特にリジンとアルギニンの正電荷が顕著です。アルギニン残基は核酸のリン酸骨格と相互作用し、タンパク質-DNA複合体中の塩基残基、特にグアニンと水素結合を形成することがよくあります。リジン残基は、1重、2重、さらには3重にメチル化される可能性があります。しかし、メチル化によって側鎖の正電荷は変化しません。

アセチル化

リジンのアミノ基のアセチル化は、化学的にはN末端のアセチル化と類似しています。しかし機能的には、リジン残基のアセチル化はタンパク質と核酸の結合を制御するために用いられます。リジンの正電荷が消失することで、（負に帯電した）核酸に対する静電引力が弱まります。

硫酸化

チロシンは、その原子上で硫酸化されることがあります。やや珍しいことに、この修飾は小胞体ではなくゴルジ体で起こります。リン酸化チロシンと同様に、硫酸化チロシンは、例えば細胞表面のケモカイン受容体など、特異的な認識に用いられます。リン酸化と同様に、硫酸化は、以前は中性であった部位に負電荷を付与します。

\mathrm {O^{\eta }}

プレニル化とパルミトイル化 $\mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{14}-CH_{3}}$

疎水性イソプレン基（例えば、ファルネシル基、ゲラニル基、ゲラニルゲラニル基）およびパルミトイル基は、システイン残基の原子に付加され、タンパク質を細胞膜に固定する。GPIアンカーやミリトイルアンカーとは異なり、これらの基は必ずしも末端に付加されるわけではない。

\mathrm {S^{\gamma }}

カルボキシル化

グルタミン酸側鎖にカルボキシル基（したがって二重負電荷）を付加し、Gla残基を生成する比較的稀な修飾。これはカルシウムなどの「硬い」金属イオンとの結合を強化するために使用されます。

ADPリボシル化

大きなADP-リボシル基は、タンパク質内の複数の種類の側鎖に転移することができ、不均一な効果をもたらします。この修飾は、コレラ菌、ジフテリア菌、百日咳菌など、様々な細菌の強力な毒素の標的となります。

ユビキチン化とSUMO化

様々な全長の折り畳まれたタンパク質は、C末端で他のタンパク質のリジンの側鎖アンモニウム基に結合します。ユビキチンは最も一般的であり、通常はユビキチンタグが付けられたタンパク質を分解すべきというシグナルを送ります。

上記のポリペプチドの修飾のほとんどは翻訳後、すなわちタンパク質がリボソーム上で合成された後に起こり、典型的には真核細胞の細胞内器官である小胞体で起こります。

他の多くの化学反応（例えば、シアニル化）は生物系には見られませんが、化学者によってタンパク質に適用されてきました。

切断と結紮

上記に加え、一次構造における最も重要な修飾はペプチドの切断（化学的加水分解またはプロテアーゼによる）です。タンパク質は多くの場合、不活性な前駆体として合成されます。典型的には、N末端またはC末端のセグメントがタンパク質の活性部位をブロックし、その機能を阻害します。タンパク質は、阻害ペプチドを切断することで活性化されます。

一部のタンパク質は、自己切断能も備えています。典型的には、セリン（稀にスレオニン）のヒドロキシル基、またはシステイン残基のチオール基が、先行するペプチド結合のカルボニル炭素を攻撃し、四面体結合した中間体（ヒドロキシオキサゾリジン（Ser/Thr）中間体またはヒドロキシチアゾリジン（Cys）中間体として分類される）を形成します。この中間体は、攻撃基を追い出してアミド型に戻る傾向があります。これは、アミド型が通常、自由エネルギーによって有利となるためです（おそらくペプチド基の強力な共鳴安定化によるものです）。しかし、さらなる分子相互作用によってアミド型の安定性が低下する可能性があり、代わりにアミノ基が追い出され、ペプチド結合の代わりにエステル（Ser/Thr）またはチオエステル（Cys）結合が形成されます。この化学反応はNOアシルシフトと呼ばれます。

エステル/チオエステル結合はいくつかの方法で解決できます。

単純な加水分解によりポリペプチド鎖が切断され、置換されたアミノ基が新たなN末端となる。これはグリコシルアスパラギナーゼの成熟において見られる現象である。
β脱離反応も鎖を切断しますが、新しいN末端にピルボイル基が付加されます。このピルボイル基は、ピルボイル基の電子吸引力を利用するS-アデノシルメチオニン脱炭酸酵素（SAMDC）などの脱炭酸酵素において、共有結合した触媒補因子として利用されることがあります。
分子内エステル交換反応により、分岐したポリペプチドが生成されます。インテインでは、新たに形成されたエステル結合は、C末端となるアスパラギンによる分子内攻撃によって切断されます。
分子間エステル交換により、ヘッジホッグタンパク質の自動プロセシングに見られるように、あるポリペプチドから別のポリペプチドにセグメント全体を転送することができます。

歴史

タンパク質がα-アミノ酸の直鎖であるという提唱は、1902年にカールスバートで開催されたドイツ科学者医師協会第74回会議において、二人の科学者によってほぼ同時になされた。フランツ・ホフマイスターは、タンパク質におけるビウレット反応の観察に基づき、午前中に提唱した。ホフマイスターの数時間後には、ペプチド結合モデルを裏付ける豊富な化学的知見を蓄積していたエミール・フィッシャーが続いた。なお、タンパク質がアミド結合を含むという提唱は、フランスの化学者E.グリモーによって1882年に既になされていた。^[5]

これらのデータと、後にタンパク質分解によって分解されたタンパク質からはオリゴペプチドしか生成されないという証拠が得られたにもかかわらず、タンパク質がアミノ酸の直鎖状で分岐のないポリマーであるという考えはすぐには受け入れられませんでした。ウィリアム・アストベリーのような一部の科学者は、共有結合がそのような長い分子を結合させるのに十分な強度を持っているのか疑問視し、熱振動によってそのような長い分子がバラバラになってしまうのではないかと懸念しました。ヘルマン・シュタウディンガーも1920年代にゴムが高分子で構成されていると主張した際に、同様の偏見に直面しました。^[5]

こうして、いくつかの代替仮説が浮上した。コロイド状タンパク質仮説は、タンパク質はより小さな分子のコロイド状集合体であるとする説である。この仮説は、1920年代にテオドール・スヴェドベリによる超遠心分離測定によってタンパク質の分子量が明確に定義され、再現性があることが示されたこと、またアルネ・ティセリウスによる電気泳動測定によってタンパク質は単一分子であることが示唆されたことで反証された。ドロシー・リンチによって提唱された2つ目の仮説、サイクロール仮説は、直鎖ポリペプチドが化学的サイクロール転位（C=O + HN C(OH)-N）を起こし、その骨格アミド基が架橋されて二次元構造を形成するという説である。タンパク質のその他の一次構造は、エミール・アブデルハルデンのジケトピペラジンモデルや1942年のトロエンセガードのピロール/ピペリジンモデルなど、さまざまな研究者によって提唱されました。これらの代替モデルは、あまり信憑性が認められませんでしたが、フレデリック・サンガーがインスリンの配列を正常に決定したこと^[^いつ?^]と、マックス・ペルーツとジョン・ケンドリューがミオグロビンとヘモグロビンの結晶構造を決定したこと^[^いつ?^]によって最終的に反証されました。 $\rightarrow$

二次構造と三次構造との関係

生物学的ポリマーの一次構造は、その三次元形状（三次構造）をほぼ決定する。タンパク質配列は、二次構造のセグメントや膜貫通領域などの局所的特徴を予測するために使用することができる。しかし、タンパク質の折り畳みの複雑さから、現時点では配列のみからタンパク質の三次構造を予測することは不可能である。類似の相同配列（例えば、同じタンパク質ファミリーのメンバー）の構造が分かれば、相同性モデリングによって三次構造を非常に正確に予測することができる。全長のタンパク質配列が利用できる場合は、等電点などの一般的な生物物理学的特性を推定することができる。

参照

注釈と参考文献

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^ Aasland, Rein; Abrams, Charles; Ampe, Christophe; Ball, Linda J.; Bedford, Mark T.; Cesareni, Gianni; Gimona, Mario; Hurley, James H.; Jarchau, Thomas (2002-02-20). 「モジュラータンパク質ドメインのリガンドとしてのペプチドモチーフの命名法の標準化」. FEBS Letters . 513 (1): 141– 144. Bibcode :2002FEBSL.513..141A. doi : 10.1016/S0014-5793(01)03295-1 . ISSN 1873-3468. PMID 11911894.
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[3] IUPAC-IUB生化学命名法委員会（1968年7月）. 「アミノ酸配列の1文字表記：暫定規則」.ヨーロッパ生化学ジャーナル. 5 (2): 151– 153. doi :10.1111/j.1432-1033.1968.tb00350.x.

[Hausman-4] ハウスマン, ロバート E.; クーパー, ジェフリー M. (2004).細胞：分子論的アプローチ. ワシントン D.C.: ASM Press. p. 51. ISBN 978-0-87893-214-6。

[history-5] Fruton, Joseph S. (1979年5月). 「タンパク質構造の初期理論」. Annals of the New York Academy of Sciences . 325 (1): xiv, 1– 18. Bibcode :1979NYASA.325....1F. doi :10.1111/j.1749-6632.1979.tb14125.x. PMID : 378063 . S2CID :39125170.

v t e 生体分子構造
タンパク質	主要な二次第三紀第四紀決定予測デザイン熱力学
核酸	主要な二次第三紀第四紀決定予測デザイン熱力学
参照	タンパク質タンパク質ドメインタンパク質工学プロテアソーム核酸 DNA RNA 構造モチーフ核酸二重らせん