Name: how protein shape controls function
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 15 s
Channel: JoVE

タンパク質は、ペプチド結合を介して結合したアミノ酸のポリマーです。ほとんどのタンパク質は、その機能を果たすために特定の三次元構造に折り畳まれます。
タンパク質の構造は、一次、二次、三次、四次の4つのカテゴリに分類されます。
タンパク質中のアミノ酸の線状配列は、その主要な構造です。これらの配列は、N末端である遊離アミノ末端から、C末端である遊離カルボキシル末端まで、ポリマー合成の順序で読み取られます。
二次構造は、あるアミノ酸のカルボニル基由来の酸素と別のアミノ酸のアミノ基由来の水素との間に水素結合によって形成されます。一般的な二次構造には、αヘリックスとβプリーツシートが含まれます。 
これらの結合構造とβターンなどの他の結合構造は、さらに相互作用して、三次構造として知られるタンパク質の三次元構造を形成します。
三次構造の形成は、アミノ酸のR基間の相互作用によって起こります。
電荷が反対のR基はイオン結合を形成することができ、2つのシステイン中の硫黄は共有ジスルフィド架橋を形成することができます。その他の要因としては、疎水性側鎖間の疎水性相互作用と極性側鎖間の水素結合などがあります。
さらに、一部のタンパク質は、2つ以上のポリペプチド鎖の集合体である四次構造を形成します。たとえば、ヘモグロビンは、2つのαと2つのβの4つのサブユニットで構成されるタンパク質です。
科学者は、タンパク質の構造を使用して、細胞内の機能と位置を予測できます。細胞質内のタンパク質は、その表面に親水性アミノ酸を持ち、細胞質内の水と相互作用し、疎水性のコアを持っています。
対照的に、細胞膜に存在するタンパク質は、多くの場合、表面に疎水性アミノ酸を持ち、膜内のグリセロリン脂質と相互作用し、親水性のコアを持っています。

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	<li>ネルソン、DL、およびコックス、MM(2008)。生化学のレーニンガー原理(第5版)。W.H.フリーマン。113-140ページ</li>
	<li>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</li>
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タンパク質及びタンパク質の構造

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。 <a href="https://openstax.org/books/biology-2e/pages/3-4-proteins">Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins</a>.

タンパク質は、生体内で最も豊富な有機分子の1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。タンパク質は...

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主要用語と概念

Protein and Protein Structure

how protein shape controls function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence.

A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or larger changes in protein structure alter that site, the enzyme may no longer bind the substrate. To understand how a protein reaches its final conformation, it helps to study four levels of structure: primary, secondary, tertiary, and quaternary.

Primary structure is the unique amino acid sequence of a polypeptide chain. In insulin, the pancreatic hormone, there are two polypeptide chains, A and B, held together by disulfide bonds. The A chain begins with glycine at the N terminus and ends with asparagine at the C terminus. The gene that encodes a protein determines this sequence, so a change in the coding region can add a different amino acid and change protein structure and function. Sickle cell anemia shows this clearly. In the hemoglobin beta chain, valine replaces glutamic acid, and that single change leads hemoglobin to form long fibers that distort red blood cells into a sickle shape and clog blood vessels. This can cause breathlessness, dizziness, headaches, and abdominal pain.

Secondary structure comes from local folding in parts of the polypeptide chain. The most common forms are the alpha helix and the beta-pleated sheet. Hydrogen bonds hold both forms in place. These bonds form between the oxygen in a carbonyl group on one amino acid and another amino acid four positions farther along the chain. In an alpha helix, each turn contains 3.6 amino acid residues, and the R groups point outward. In a beta-pleated sheet, hydrogen bonds form along the backbone to create pleats. The R groups extend above and below the folds, and the strands can align parallel or antiparallel. These structures are common in globular and fibrous proteins, where they provide support.

Tertiary structure is the full three-dimensional shape of one polypeptide. Interactions among R groups are the main force behind this folding. Like charges repel, unlike charges attract through ionic bonds, and hydrophobic R groups tend to move into the protein interior while hydrophilic R groups stay outside. Cysteine side chains can also form disulfide linkages in the presence of oxygen, and this is the only covalent bond formed during protein folding. Together, these weak and strong interactions set the final shape. If a protein loses that shape, it may no longer work.

Some proteins also form quaternary structure. This happens when several polypeptide subunits join together. Weak interactions between the subunits help stabilize the overall protein. Insulin is one example of a globular protein with hydrogen and disulfide bonds that help it form a mostly ball-like shape. It begins as a single polypeptide and then loses some internal sequences during post-translational modification after the disulfide linkages form and hold the remaining chains together. Silk is another example, but it is a fibrous protein with a beta-pleated sheet structure created by hydrogen bonding between different chains.

How Protein Shape Controls Function

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key terms and concepts

Explore how amino acid sequence, folding, and subunit interactions shape proteins. Learn the four levels of protein structure with insulin and sickle cell examples.

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