12年生

アミノ酸・ペプチド・タンパク質の構造

アミノ酸はペプチド結合で連なって鎖となり、折りたたまれてタンパク質になる。四つの構造階層が、配列が形と機能を決める仕組みを説明する。

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直観直観：20の文字から無数の言葉

タンパク質は20種類のアミノ酸という文字で綴られた長い言葉である。文字の並びが配列で、鎖は水を避ける部分を内側、他を外側にして折りたたまれ、その立体構造によって酵素、繊維、運搬体としてはたらく。

一つおきの残基に側鎖のビーズをつけた折れ曲がる鎖。ドラッグで回転できる。位相を示す模式図にすぎず、実際のタンパク質の折りたたみではない。

学校学校レベル：アミノ酸とペプチド結合

定義:

アミノ基がカルボキシ基の隣の炭素に結合した $\ce{H2N-CHR-COOH}$ の化合物。タンパク質には20種の側鎖Rがあり、グリシン以外はすべてキラルで、天然のタンパク質はL型を用いる。

\ce{H2N-CHR-COOH + H2N-CHR'-COOH -> H2N-CHR-CO-NH-CHR'-COOH + H2O}

二つのアミノ酸が水を失って結合すると、ペプチド結合と呼ぶアミドができる。二つでジペプチド、三つでトリペプチド、長い鎖はポリペプチドである。鎖の両端は異なり、遊離の $\ce{NH2}$ をもつN末端と遊離の $\ce{COOH}$ をもつC末端がある。

例: トリペプチドは何通り？

異なる3種のアミノ酸（Gly, Ala, Val）を各1回使うとき、何種類のトリペプチドができるか。各位置に3種のどれを入れてもよい場合は？

解答

各1回：順序が意味をもつので 3! = 6 通り（Gly-Ala-Val と Val-Ala-Gly は別物）。重複を許すと 3³ = 27 通り。

大学大学レベル：イオン化と四つの構造階層

水中でアミノ酸は双性イオン $\ce{^+H3N-CHR-COO-}$ である。正味の電荷が0になる等電点 pI は、中性アミノ酸では二つの pKa の平均（グリシンは pKa 2.34 と 9.60 で pI ≈ 5.97）。ペプチド結合は部分的に二重結合性をもつため周囲の6原子は同一平面上にあり、通常はトランス配置である。

\mathrm{pI}=\tfrac12\left(\mathrm{p}K_{a1}+\mathrm{p}K_{a2}\right)

タンパク質の構造階層
階層	内容	主な安定化力
一次	アミノ酸配列	共有結合のペプチド結合
二次	αヘリックス、βシート	主鎖のC=O···H–N水素結合
三次	一本の鎖の全体的な立体構造	疎水効果、塩橋、ジスルフィド結合
四次	複数の鎖の会合	サブユニット間の同様の非共有結合力

例: グリシンの等電点

グリシンの pKa(COOH) = 2.34、pKa(NH₃⁺) = 9.60。pI を求め、pH 8 で電場中どちらの極へ移動するか答えなさい。

解答

pI = (2.34 + 9.60)/2 = 5.97。pH 8 は pI より大きいので分子は正味で負に帯電し（アンモニウムの大半はまだプロトン化しているが $\ce{COO-}$ が $\ce{NH3+}$ をわずかに上回る）、ゆっくりと正極へ動く。

参考文献

Lehninger Principles of Biochemistry (8th ed.) · David L. Nelson, Michael M. Cox, Aaron A. Hoskins, 2021
The Structure of Proteins: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain · Linus Pauling, Robert B. Corey, H. R. Branson, 1951