品質科学 No.3 タンパク質 Part3(タンパク質の基礎）
やっほみんな息してる？
今日起きたら14:30で全てに絶望した怠惰大学生おにぎりです
今回はタンパク質の基礎をやっていくよ
高校でタンパク質について習った人にとっては退屈だと思うけどごめんよ
僕が危ういんだよね笑
そいじゃあれっつごー٩( 'ω' )و
タンパク質とは
まず前提としてタンパク質がなんなのかを説明していくよ
タンパク質とは多数のアミノ酸がペプチド結合によって結合した高分子化合物のことをいうよ
タンパク質は生体内で細胞を構成したり酵素として働いたりとめっちゃ重要なものだよ
次にタンパク質の構造について説明していくよ
一次構造
まずは最も基本的な一次構造について説明していくよ
一次構造とは
ポリペプチド鎖中のペプチド結合によって結合するアミノ酸の線状の配列
のことをタンパク質の一次構造というよ
ペプチド結合
次にタンパク質の結合で重要なペプチド結合について説明していくよ
ペプチド結合とは
アミノ酸のα-カルボキシ基とα-アミノ基が縮合反応したもの
のことをペプチド結合というよ
アミド結合の一種と言えるよ
下の図のようにアミド結合の炭素と窒素間の二重結合の共鳴によって平面性をもつよ
このことからペプチド結合の中で自由に回転できるのはα炭素と窒素、炭素の二つだけになるよ
これらの単結合を二面角と呼んで、φとψで表記するよ（下の図を見てみてね）
このことからタンパク質の主鎖の構造はα炭素をヒンジとした平面の連続で構成されていることがわかるよ
ヒンジについて補足するよ
ヒンジとは多分建築用語で蝶番のことをいうと思うんだけどここではアミド平面のつなぎ目のことを意味しているよ
https://www.chem.kindai.ac.jp/laboratory/phys/class/biophys/peptide.htm
(引用 2021年5月17日)
二次構造
次に二次構造について説明していくよ
二次構造とは
ペプチド骨格のアミド基とカルボニル基の間で水素結合で維持される局所的なコンフォメーションの規則的な部分構造
のことをタンパク質の二次構造というよ
ちなみに水素結合や共有結合はÅの世界だよ
主要な二次構造の要素について説明するよ
主な要素としてα-ヘリックス、β-シート、β-ターンというのがあるよ
(ω-ループってのもあるらしいけど授業でやってないし説明は省くよ)
それぞれの要素について説明していくよ
α-ヘリックス
http://tabimikami.jugem.jp/?eid=95（引用 2021年5月17日）
上の図のようにペプチド鎖が螺旋状になっている構造をα-ヘリックスというよ
カルボニル基の酸素が4残基先のアミド基と順次水素結合することで螺旋を描いているよ
大多数が3.6残基に1回右回転するよ
アミノ酸の側鎖残基はヘリックスの外に突き出ているよ
β-シート
http://www2.huhs.ac.jp/~h990002t/resources/downloard/14/14biochem1/2014aminoacid_protein.pdf（引用2021年5月17日）
上の図のようにほとんど完全に伸びたポリペプチド鎖（β-ストランド）が複数並列して構成される構造をβ-シートというよ
β-シートにはペプチド鎖の向きの違いによって(A)逆平行β-シートと(B)平行β-シートがあるよ
平行β-シートは水素結合が垂直じゃなく少し歪んでいるため逆平行β -シートに比べて不安定と言われているよ
βターン
Muskid, CC 表示-継承 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33720545 （引用2021年5月17日）
主鎖の向きが折り変える部分をβターンというよ
4つのアミノ酸残基を含み1番目のカルボニル酸素と4番目のアミド水素の間の水素結合によって安定化しているよ
Ⅰ型とⅡ型で表されて両方のタイプとも2番目の残基はプロリンであることが多いよ
またⅡ型については3番目の残基はグリシンであることが多いよこれは側鎖の原子が他の原子との立体障害を避けるためだよ
ラマチャンドランプロット
最後にラマチャンドランプロットという手法について説明していくよ
生物物理学者のG. N. Ramachandranとその他偉い人たちがペプチドの空間充填モデルを作りポリペプチド鎖でどんな二面角を取ることが立体的に可能かを決める計算をしたよ
その計算結果に基づいて可能な角度は縦軸にψ、横軸にφにしたラマチャンドランプロットで色付けされた領域で示されるよ
Dcrjsr - 投稿者自身による作品, CC 表示 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15230457による
（引用2021年5月17日）
この図を見るとα-ヘリックスやβ-シートとかの特徴的なコンフォメーションの対するψやφの値がわかるよ
三次構造
次に三次構造について説明していくよ
三次構造とは
一本のポリペプチド鎖の折りたたみによって生じるタンパク質全体の三次元的な構造
のことをタンパク質の三次構造というよ
下の図を見てみてね
https://www.riken.jp/press/2009/20090311/index.html（引用2021年5月17日）
二次構造の安定化に寄与しているのはポリペプチド骨格のカルボニル酸素とアミド水素間の水素結合だったけど三次構造の安定化に寄与しているのは別の結合だよ
三次構造の安定化に寄与している結合は基本的に非共有結合だよ
例外的に共有結合でもジスルフィド結合は寄与しているよ
非共有結合の中でも特に影響しているのは疎水性相互作用だよ
疎水性相互作用って高校でやった記憶がないから一応補足しとくよ
疎水性相互作用とは極性溶媒中で非極性分子や基同士が凝集する性質のことをいうよ
あとは安定化の要因として側鎖の塩橋とか水素結合があるよ
四次構造
次に四次構造について説明していくよ
四次構造とは
2本以上のポリペプチド鎖が集まってひとつの三次元的なタンパク質を形成した構造
のことをタンパク質の四次構造というよ
下の図を見てみてね
https://www.wikiwand.com/ja/%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%83%91%E3%82%AF%E8%B3%AA（引用2021年5月17日）
四次構造の安定化に寄与しているのは三次構造同様非共有結合だよ
ひとつひとつのペプチド鎖をサブユニットと言ってサブユニット間の疎水性相互作用がサブユニットの配置に寄与しているよ
一応静電気的相互作用もサブユニットのエネルギー的に適切な配置に貢献はしているけど比較的弱いよ
タンパク質の進化
次にタンパク質の進化について説明していくよ
タンパク質は子孫へ遺伝する際に有害でない場合はランダムに変異することがあるよ
その過程を説明していくよ
まずDNA配列の変異があるところから始まるよ
次にアミノ酸配列つまり一次構造に変異があるかの話になるよ
一次構造の変異がない場合は中立となって子孫に遺伝されるよ
一次構造の変異があった場合は次に高次機能、つまり2~4次構造の変化の有無の話になるよ
高次機能の変化があった場合は有害となり遺伝されないものも出てくるよ
高次機能の変化がない場合、あるいは変化があっても有害でないものは機能の変化があるかないかの話になるよ
機能の変化がない場合は中立となって遺伝されるよ
機能の変化があった場合、有利な場合は遺伝され、有害の場合は遺伝されないよ
図にするとこんな感じになるよ
（書いてないけど高次構造の変化なしから機能の変化ありにも矢印があるよ）
字が汚くてごめんよ🙏
てかよく見るとほんと小学生みたいな字書いてますね笑
次にこの変異が起こりやすい部位、起こりやすいタンパク質について紹介していくよ
変異が起こりやすい部位は機能的、構造的に重要でない部位やアミノ酸残基があるよ
変異が起こりやすいタンパク質には機能的に重要でないタンパク質だよ
他に類似したタンパク質がある場合には遺伝子の重複によってコピーされたが使われなかったタンパク質も起こりすいよ
これらの変異の蓄積によって別の機能が出現することこともあるよ
タンパク質の変性
最後にタンパク質の変性について説明していくよ
タンパク質の変性とは
タンパク質の天然型のコンフォメーションが変化すること
をいうよ
具体的な変化として
・サブユニット構造の破壊
・ジスルフィド結合の切断や交換
・内部の疎水性領域の表面への露出
・疎水性領域どうしの集合によるタンパク質の凝集、沈殿
があるよ
確かパーマはジスルフィド結合の切断だったよね知らんけど
ゆで卵は教科書にも載ってるだろう有名なタンパク質の変性だね
次に変性が起こる要因を紹介するよ
物理的要因としては
・熱
・圧力
・表面張力
・凍結
があるよ
化学的要因には
・pH
・界面活性剤
・還元剤
・有機溶媒
があるよ
このように色々な要因でタンパク質は変性しうるよ
今回はこれくらいにして終わるよ
みんなはどれくらいタンパク質について理解しているんだろう
僕は大学生になって初めて三次構造と四次構造の違いを理解した笑
理解しなくても入試問題は解けるくらいザルだからね笑
今更タンパク質復習とかしてて大丈夫なのかな今週から脂質に入るっていうのに
まあちまちま頑張っていきますわ
間違って書いてたところがあったら教えてね
ではでは〜
