Chapter 2: Biochemistry of the Cell

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Protein and Protein Structures

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Proteins are polymers of amino acids linked together through peptide bonds. Most proteins fold into specific three-dimensional structures to perform their function. Protein structure is classified into four categories: primary, secondary, tertiary, and quaternary. The linear sequence of amino acids in the protein is its primary structure. These sequences are read in the polymer synthesis order, from the N-terminal, the free amino end, to the C-terminal, the free carboxyl end. Secondary structures form through hydrogen bonding between the oxygen from the carbonyl group of one amino acid and the hydrogen from the amino group of another. Common secondary structures include α-helices and β-pleated sheets.  These and other connecting structures, such as β-turns, further interact to form the protein’s three-dimensional structure, known as the tertiary structure. The formation of the tertiary structure occurs due to interactions between the R-groups of the amino acids. R-groups with opposite charges can form ionic bonds, and sulfur in two cysteines can form a covalent disulfide bridge. Other contributors include hydrophobic interactions between hydrophobic side chains and hydrogen bonds between polar side chains. Additionally, some proteins form quaternary structures, assemblies of two or more polypeptide chains. For example, hemoglobin is a protein made up of four subunits, two α and two β. Scientists can use the structure of a protein to predict its function and location in a cell. Proteins in the cell cytoplasm have hydrophilic amino acids on their surfaces that interact with the water in the cytoplasm and have hydrophobic cores. In contrast, proteins present in cell membranes often have hydrophobic amino acids on the surface that interact with glycerophospholipids in the membrane and have hydrophilic cores. 
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2.10:

Protein and Protein Structures

タンパク質は、生体内に最も多く存在する有機分子の一つであり、すべての高分子の中で最も多様な機能を持っています。タンパク質には、構造を作るもの、制御を司るもの、伸縮機能を有するものや、保護、輸送、貯蔵、膜などの役割を果たすもの、毒素や酵素となるものなど非常に多彩な機能を有しています。タンパク質の構造は、その機能と同様に非常に多様です。これらのすべてのタンパク質は、直鎖状に配列したアミノ酸のポリマーです。

タンパク質の形状は、その機能に必要不可欠です。例えば、酵素はその活性部位に特定の基質を結合することができます。局所的な変化やタンパク質全体の構造の変化によって、この活性部位が変化すると、酵素は基質と結合できなくなる可能性があります。タンパク質がどのようにして最終的な形状や配置を得るのかを知るためには、タンパク質の構造を4つのレベル（一次、二次、三次、四次）に分けて理解する必要があります。

一次構造

アミノ酸は、ポリペプチド鎖の中で特徴的な配列をしており、それによって特徴的な構造を形成します。例えば、膵臓ホルモンであるインスリンは、A鎖とB鎖という2本のポリペプチド鎖を持ち、それらはジスルフィド結合でつながっています。A鎖のN末端のアミノ酸はグリシン、C末端のアミノ酸はアスパラギンであり、A鎖とB鎖のアミノ酸配列はインスリンに固有のものです。

タンパク質の情報伝達を担う遺伝子は、最終的にすべてのタンパク質の固有の配列を決定します。遺伝子の情報を記録しているヌクレオチド配列が変化すると、成長するポリペプチド鎖に異なるアミノ酸が追加され、タンパク質の構造と機能に変化が生じます。鎌状赤血球貧血は、ヘモグロビンのβ鎖に1つのアミノ酸が置換され、タンパク質の構造と機能に変化が生じることで起こります。具体的には、β鎖のバリンがアミノ酸のグルタミン酸に置き換わります。このように鎖の中の1つのアミノ酸が変化することで、ヘモグロビン分子は長い繊維を形成し、円盤状の赤血球が歪んで三日月状や鎌状になり、血管を詰まらせます。これにより、息苦しさ、めまい、頭痛、腹痛など、様々な症状が引き起こされます。

二次構造

ポリペプチドのある領域での局所的な折り畳みが、タンパク質の二次構造を生み出す。最も一般的なのは、α-ヘリックス構造とβ-シート構造です。どちらの構造も、水素結合によって形状が保持されています。水素結合は、あるアミノ酸のカルボニル基の酸素原子と、4つのアミノ酸からなる別のアミノ酸の間に形成されます。

α-ヘリックスの各らせん周期には3.6個のアミノ酸残基があります。ポリペプチドのR基（側鎖）は、αヘリックス鎖からはみ出しています。β-シートでは、ポリペプチド鎖の主鎖上の原子間の水素結合が "プリーツ"を形成しています。R基は炭素に結合しており、プリーツのひだの上下に伸びています。アミノ基の部分的に正電荷を帯びた水素原子と、ペプチド骨格のカルボニル基の部分的に負電荷を帯びた酸素原子の間に水素結合が形成されます。αヘリックス構造とβプリーツシート構造は、球状や繊維状のタンパク質のほとんどに存在し、構造的に重要な役割を果たしています。

三次構造

ポリペプチドに特徴的な立体構造は三次構造です。この構造は、ポリペプチド鎖上で働く化学的な相互作用が一因となっています。主に、R基同士の相互作用がタンパク質の複雑な三次構造を作り出しています。アミノ酸に含まれるR基の性質によっては、標準的な二次構造で説明した水素結合の形成が妨げられることがあります。例えば、同じ電荷を持つR基同士は反発し合い、反対の電荷を持つR基同士は引き付け合う（イオン結合）などです。タンパク質が折りたたまれるとき、非極性アミノ酸の疎水性R基はタンパク質の内部に、親水性R基はタンパク質の外部に配向します。システイン側鎖間の相互作用は、酸素の存在下でジスルフィド結合を形成しますが、これはタンパク質が折り畳まれる際に形成される唯一の共有結合です。

これらの弱い、あるいは強い相互作用が、タンパク質の最終的な立体形状を決定します。タンパク質が立体的な形を失うと、機能を果たせなくなる可能性があります。

四次構造

自然界では、いくつかのタンパク質は複数のポリペプチド（サブユニット）から形成されており、これらのサブユニットの相互作用によって四次構造が形成されています。サブユニット間の弱い相互作用は、全体の構造を安定させます。例えば、球状タンパク質であるインスリンは、水素結合とジスルフィド結合の組み合わせにより、大部分が球状の構造をとっています。インスリンは、最初は1つのポリペプチドですが、翻訳後修飾に伴うジスルフィド結合形成によって構造が折りたたまれると、内部の配列が失われます。一方、絹（繊維状のタンパク質）は、異なる鎖間で水素結合する結果、プリーツ状のβシート構造を持ちます。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins.

Suggested Reading

  1. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed.). W.H. Freeman. Pg 113-140
  2. Crystal Structure of T State Haemoglobin with Oxygen Bound at All Four Haems.Paoli, M., Liddington, R., Tame, J., Wilkinson, A., Dodson, G. (1996) J Mol Biol 256: 775

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