タンパク質の構造、機能、代謝

タンパク質とその多様な構造と多様な機能

人間の体は細胞と細胞外マトリックスから成り立っていますが、細胞も細胞外マトリックスもその大部分はタンパク質から成り立っています。細胞外マトリックスは、コラーゲン線維（膠原繊維）やエラスチンが主要なタンパク質であり、細胞が存在するための足場を提供します。細胞の中を見た場合、さまざまな異なる機能を担うタンパク質が存在していて、その多様性には驚かされます。細胞の形に強度を与えるための細胞骨格をつくるタンパク質としては、アクチンがあります。細胞内で物質輸送するためのレールとしては、微小管タンパク質(tubulinsとそれに結合するタンパク質）があります。細胞の膜には、物質を膜のこちらとあちらとの間を輸送するためのチャネルや、トランスポーター、ポンプがありますが、これらもみなタンパク質です。細胞の中で起こるさまざまな化学反応を司る酵素もタンパク質でできています。細胞の内外で情報を伝達するのもまた多くの場合タンパク質です（カルシウムイオンやcAMPなど、イオンや低分子化合物もありますが）。血液中で脂肪酸を輸送するために結合するのはアルブミンですし、酸素を運搬するのはヘモグロビンです。筋肉の線維を構成するのはアクチンとミオシンの線維および種々の調節タンパク質です。このように多種多様な機能を担う分子が、20個のアミノ酸からなるタンパク質という共通点を持っていることには驚嘆させられます。20個のアミノ酸をどんな順番に並べるかだけで、これらの多種多様なミクロな装置をつくりだしているわけですから。

アミノ酸の構造

そんな多種多様なタンパク質ですが、なんとたったの20種類のアミノ酸からできています。驚くべきは、人間でもサルでもネズミでも、カエルでも魚でも、虫でも、酵母でも、アメーバでも、細菌でも、タンパク質の部品としてつかっているアミノ酸は基本的に同じ20種類です。20種類ですが、それらのアミノ酸には共通する特徴があります。それは、アミノ酸という名前が示すように、中心となる炭素にアミノ基、カルボキシ基、水素が結合していることです。炭素の4本の手の残りの1本は、「側鎖」と呼ばれるものと結合しており、20種類の側鎖があります。つまりアミノ酸が20種類あるい理由は、側鎖が20種類あるからなのです。

アミノ基は -NH2ですが、プロトンH+を受け入れて-NH3+になるので塩基性を示します。カルボキシ基 -COOHはCOO- とH+になってプロトンを放出しますので酸性を示します。

L-型アミノ酸とD-型アミノ酸

アミノ酸の中心にある炭素原子の4本の手には、それぞれ水素、アミノ基、カルボキシ基、側鎖が結合しており、これらは異なるため、この炭素は不斉炭素になります。唯一の例外はグリシンで、グリシンの側鎖は水素 -Hなので、中心の炭素は不斉炭素ではなく、鏡像異性体はありません。それ以外の19種のアミノ酸には鏡像異性体が存在します。L-型アミノ酸とD-型アミノ酸のうち、生物が利用しているのはL-型アミノ酸のみです。生物が作り出す酵素は、Ｌ-型アミノ酸を認識するので、鏡像異性体であるD-型アミノ酸を認識できないのです。アミノ酸代謝（合成、分解）に関わる酵素の基質選択制がD-型アミノ酸なので、生き物にはD-型アミノ酸しか存在しないことになります。

疎水性アミノ酸

20種類のアミノ酸のうち、9種類は側鎖が疎水性なので疎水性アミノ酸と呼ばれます。

  1. グリシン -H
  2. アラニン -CH3
  3. バリン -CH(CH3)2
  4. ロイシン -CH2CH(CH3)2
  5. イソロイシン -CH(-CH3)-CH2CH3
  6. フェニルアラニン ーCH2-C6H5 （ベンゼン環）
  7. トリプトファン -CH2-インドール環
  8. メチオニン　-CH2-CH2-S-CH3
  9. プロリン -CH2-CH2-CH2-NH2-（α炭素に結合した環状構造）

これらのうち、バリン、ロイシン、イソロイシンは側鎖の炭素鎖に分岐があるので、分岐鎖アミノ酸と呼ばれており、筋肉に多く存在していて、運動時のエネルギー源としても利用されます。

親水性アミノ酸

残り11種が親水性アミノ酸と呼ばれ、側鎖が親水性を示します。

  1. チロシン -CH2-ベンゼン環-OH
  2. セリン -CH2-OH
  3. トレオニン -CH(-OH)-CH3
  4. システイン -CH2-SH
  5. アスパラギン酸 -CH2-C(=O)-NH2
  6. グルタミン -CH2-CH2-C(=O)-NH2
  7. アスパラギン酸 -CH2-COOH
  8. グルタミン酸 -CH2-CH2-COOH
  9. リシン　-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2
  10. アルギニン -CH2-CH2-CH2-NH-C(-NH2)=NH2+
  11. ヒスチジン -CH2-イミダゾール環

この中で酸性アミノ酸は、アスパラギン酸とグルタミン酸で、塩基性アミノ酸はリシン、アルギニン、ヒスチジンになります。

必須アミノ酸

20種類のアミノ酸のうち人間が体内で合成できないものが9種類あり、それらは必須アミノ酸と呼ばれます。乳幼児の場合にはアルギニンも十分寮合成できないため、必須アミノ酸になります。

ペプチド結合

タンパク質のアミノ酸は、ペプチド結合と呼ばれる結合によって繋がっています。一つのアミノ酸のカルボキシ基と隣のアミノ酸のアミノ基から水分子が抜けて（脱水縮合）のこりの炭素と窒素が結合します。

ペプチド結合部分は、　-C(=O)-NH-となります。

  • ペプチド結合の形成にはエネルギーが必要であるが、生物の場合はATPが使われる[3]。
  • ペプチド結合は、加水分解（水の添加）によって切断される可能性がある。水の存在下で分解され、8～16 kJ/mol（2～4 kcal/mol）のギブスエネルギーを放出する[9]。このプロセスは非常に遅く、25℃での半減期は1結合あたり350 – 600年になる[10]。

https://ja.wikipedia.org/wiki/ペプチド結合

タンパク質の構造（ポリペプチド）

CとNとの間はこの表記だと一重結合なので回転できそうに思えますが、実際にはC=Oの二重結合と　C＝Nの結合が共鳴するため、一重結合の回転の自由はありません。

  1. https://www.chem.kindai.ac.jp/laboratory/phys/class/biophys/peputide2.htm

ペプチド鎖に対して側鎖がどっち側にくるかというと、互いに空間的に邪魔にならないように互い違いになるようです。

  1. ブルース　有機化学　第8版　1056ページ　第21章　アミノ酸、ペプチド、タンパク質　Figure 21.6

ポリペプチド鎖の両端は同じではありません。一方はアミノ基が残っていますし、鎖の逆側の端のアミノ酸には、結合に使われていないカルボキシ基があります。そこで、N-末端、C-末端と区別して読んでいます。

タンパク質の一次構造

タンパク質は20種類のアミノ酸が数珠つなぎに並んでいるものです。そこで、その並び順にアミノ酸の名前を並べたものが、タンパク質の一次構造と呼ばれます。通常は、アミノ酸を表すのに3文字の略称か1文字の略称が使われます。

メチオニン methionine　なら、 Met または　M です。

ヒトアルブミンであれば、メチオニンMから始まり、MKWVTFISLLFLFSSAYSRGVFRRDAHKSEVAHR—-と続きます。

タンパク質の二次構造

タンパク質は、ポリペプチド鎖からできているわけですが、鎖がランダムにぐにゃぐにゃとして存在しているわけではありません。エネルギー的に安定な構造をとっています。「水素結合」はポリペプチド鎖が特定の構造をとる際の重要な結合の一つです。ポリペプチド鎖がペプチド結合の連続したものであるという構造的な特徴に基づいて、４ごとのアミノ酸残基の間で、ペプチド結合の酸素と窒素に結合した水素の間で水素結合が形成されることによりらせん状の構造（αーヘリックス）が形成されます。

また、２つのペプチド鎖（同一の鎖の一部）がよこに並んだ場合、窒素に結合する水素と、酸素との間で水素結合が作られてシート状の構造（βーシート）になることもあります。このばあいよこに並ぶ２つのペプチド鎖は同方向の場合もあれば、逆方向の場合もあります。

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Beta_sheet　ウィキペディアの図が、わかりやすい。
  2. https://www.nku.edu/~russellk/tutorial/peptide/peptide.html この図は、側鎖（R)まで描かれていてわかりやすい。
  3. https://chemistry.stackexchange.com/questions/143189/why-are-hydrogen-bonds-in-an-antiparallel-beta-sheet-stronger-than-those-in-para

タンパク質のどの部分のペプチド鎖がαーヘリックスになるのか、もしくはβーシートになるのかは、側鎖の成分に依存します。αヘリックスをとりやすい一次構造、βシートをとりやすい一次構造というものがあります。

αヘリックスやβシートをつくるのに重要な水素結合は、側鎖ではなく骨格部分（ペプチド結合の部分）の原子同士の結合であるというのが重要なポイントです。

タンパク質の三次構造

二次構造をとったポリペプチド鎖はさらに、エネルギー的に安定な構造をとるために折りたたまれます。その際、タンパク質のうちがわには疎水性の高い側鎖があつまり、外側の水に面する部分は親水性の高い側鎖が向いています。

また、システインが2つある場合に、-SH HS－が共有結合して、ジスルフィド結合 -S-S-をとることがあります。

タンパク質の四次構造

一つのポリペプチド鎖が3次構造をとったあと、複数のポリペプチド鎖が結合して一つの大きなタンパク質を形成することがあります。その場合は、複数のポリペプチドの結合様式のことは、4次構造と呼ばれます。有名なものとして、ヘモグロビンがあります。ヘモグロビンは４つのサブユニット（一つのサブユニットは、一本のポリペプチド鎖）が合わさってできています。

タンパク質の高次構造の表示方法：リボンダイヤグラム

タンパク質の構造を表示する方法として一般的なのが、リボンダイヤグラムというもので、αへリックスやβシートをリボンの螺旋や矢印で表示し、全体の構造をリボンの配置により示します。リボンダイヤグラムを見れば、そのタンパク質のどこにαヘリックスやβシートがあるのかが一目瞭然です。

アロステリック効果：ヘモグロビンを例に

アロステリックというのは、アロ（別の場所）とステリック（物体）とからなる造語で、酵素において基質結合部位とは別の場所になにか制御因子が結合することで、基質結合性を変化させることを指します。

ヘモグロビンにおけるアロステリック効果とは、酸素が一つのサブユニットに結合することで、別のサブユニットの酸素結合能が増加することを意味します。

アロステリック制御の特徴として、一つのサブユニットに酸素が結合する程度の酸素濃度にまで酸素濃度が上がると、酸素飽和度が急峻に上昇して、酸素飽和度を酸素分圧に対してプロットしたときに、S字状のグラフになります。

タンパク質の消化

炭水化物の消化が口の中で始まるのに対して（唾液アミラーゼによる分解）、タンパク質の分解は胃で始まります。胃の壁細胞（へきさいぼう）からは胃酸（塩酸）が分泌されるので胃液のｐHは強酸性になっていますが、強酸性の条件ではたらくペプシンという酵素が胃の主細胞（しゅさいぼう）から分泌されます。食事中のタンパク質は、まず胃の中のペプシンの働きによって分解されるのです。

膵臓は、3つのタンパク質分解酵素、トリプシン、キモトリプシン、エステラーゼを小腸の中に分泌します。胃の中で部分的に分解されたタンパク質は、小腸において完全に分解されます。

タンパク質分解酵素の種類

タンパク質分解酵素（プロテアーゼ protease）には、ペプチド鎖の端から切っていくエキソペプチダーゼと、ペプチド鎖の真ん中部分を切ることができるエンドペプチダーゼに大きく分類できます。

エンドプロテアーゼはさらに酵素活性部位にあるアミノ酸やイオンなどの名前にちなんだ命名法によりアスパラギン酸プロテアーゼ（ペプシン）、セリンプロテアーゼ（トリプシン、キモトリプシン、エラスターゼ）、システインプロテアーゼ、メタロプロテアーゼ（亜鉛イオン）に分類できます。

セリンプロテアーゼといったとっきに、基質のセリンを切るという意味ではなく、このプロテアーゼの活性中心にあるアミノ酸がセリンだという意味です。

タンパク質分解酵素を活性化する仕組み

タンパク質分解酵素は細胞の中で作られますが、細胞の中にはもちろん自分自身のタンパク質がたくさんあります。細胞の中のタンパク質を分解されては困るので、細胞の外に分泌されたあとで初めてタンパク質分解の活性をもってほしいわけです。

そのための仕組みとして、余計な部分を分泌後に切断して初めて酵素活性が生じるような仕組みになっています。

ペプシンはペプシノゲンと呼ばれる不活性なポリペプチドとしてまず産生され分泌されます（前駆体と呼ぶ）。ペプシノゲンはｐH5以下の条件下で自分自身の１～４４アミノ酸残基の部分を切り離して、活性型のペプシンになります。

トリプシンの場合は、前駆体としてトリプシノゲンの形で分泌され、その後エンテロペプチダーゼにより6番目のアミノ酸残基のところで切断されてトリプシンがつくられます。キモトリプシンは、不活性型のキモトリプシノゲンとして産生・分泌されたあと、トリプシンによる分解などをへて活性をもつΠモトリプシンになり、さらに自己分解により活性型キモトリプシンになります。

タンパク質の吸収（アミノ酸の吸収）

食事で摂取されたタンパク質がどのようにして体内に吸収されるのかというと、小腸上皮細胞に取り込まれる段階では、タンパク質の構成要素である個々のアミノ酸１～３個（アミノ酸、ジペプチド、鳥ペプチド）にまで分解されています。それ以上大きいペプチドは、ペプチダーゼの働きで小さく分解されてから吸収されます。

ジペプチドやトリペプチドは、プロトン共役型ペプチドトランスポータによって、小腸上皮細胞内に入ります。その後、ジペプチドやトリペプチドは細胞内に存在するペプチダーゼの働きによってアミノ酸に分解されます。

腸管腔ないですでにアミノ酸にまでなっている場合は、アミノ酸トランスポータによって小腸上皮細胞内に入ります。

小腸上皮細胞内のアミノ酸は、小腸上皮細胞の反対側の膜からアミノ酸トランスポータによって細胞外へと排出されて、血管の中にはいっていきます。血管は門脈へと通じます。

  1. https://education.med.nyu.edu/mbm/aminoAcids/digestionAbsorption.shtml
  2. https://basicmedicalkey.com/protein-digestion-and-amino-acid-absorption/ マークス臨床生化学の図が紹介されているようです。それによれば小腸上皮細胞と血管内皮細胞は接しており両者をまたいでトランスポーターが存在していて、小腸上皮細胞を出ていくアミノ酸はただちに血管内皮細胞にはいる絵が描かれています。

アミノ酸の脱アミノ基反応

タンパク質は常に分解され、作られています。つまり、一度作られたタンパク質がずっと働き続けるわけではないのです。どのくらいの速さで分解・産生が起きているか（ターンオーバーという）は、タンパク質の種類によって異なります。

1年前の自分と今日の自分とでは、何も違っていないようにみえても、自分を構成するタンパク質は全部入れ替わっていると考えてよいでしょう。

アミノ酸が分解されるときには、アミノ基が外されて（脱アミノ反応）、α‐ケト酸になります。外されてアミノ基は、α‐ケトグルタル酸にわたされてグルタミン酸を生成し、グルタミン酸が再度α‐ケトグルタル酸になるときにアミノ基が外れてそのアミノ基は水と反応してアンモニアになります。

  1. https://ditki.com/course/biochemistry/glossary/term/oxidative-deamination
  2. https://www.chem.uwec.edu/webpapers2005/mintermm/pages/gdh.html

アンモニアは尿素回路に入って尿酸になって体外に排出されます。

アミノ酸の分解：糖原性アミノ酸とケト原性アミノ酸

アミノ酸は飢餓のときにはエネルギー源として使われます。その際、アミノ酸は分解・合成反応により糖になるものとケトンになるものとがあり、それぞれ糖原性アミノ酸、ケト原性アミノ酸と呼ばれます。

アラニン、システイン、セリン、トレオニン、トリプトファンはピルビン酸に変換され、糖新生の回路に入ります。アルギニン、グルタミン酸、グルタミン、ヒスチジン、プロリンはαーケトグルタル酸に変換されてクエン酸回路をまわり糖新生の回路に入ります。イソロイシン、メチオニン、トレオニン、バリンはスクシニルCoAに変換されてクエン酸回路の一部を経由して糖新生に向かいます。アスパラギン酸、フェニルアラニン、チロシンは同様にクエン酸回路内の中間代謝物であるフマル酸になって、糖新生に入ります。アスパラギン、アスパラギン酸はオキサロ酢酸になって糖新生に入ります。これらのアミノ酸は、糖原性アミノ酸です。

一方、ロイシン、リシン、フェニルアラニン、トリプトファン、チロシンは、アセトアセチルCoAに変換され、さらにアセチルCoAに変換されてケトン体合成に使われます。イソロイシン、ロイシン、トレオニン、トリプトファンはアセチルCoAに変換される経路があり、そのあとケトン体になります。

このようにアミノ酸によっては、糖になる経路とケトン体になる経路の両方の経路に向かうものがあります。

グルコースーアラニン回路

筋肉へのグルコースの供給が足りなくなると、筋肉は自らのタンパク質を分解してアミノ酸にし、アミノ酸のアミノ基をピルビン酸に渡してアラニンをつくり、アラニンの形で血液中にのって肝臓にいき、そこで再びピルビン酸に戻して糖新生の回路にのってグルコースを作ります。こうして肝臓で作られたグルコースが再び血中にはいって筋肉で取り込まれて使われます。

アミノ酸の脱炭酸反応

 

参考

  1. 全学教育　ゼロからはじめる「科学力」養成講座2(2009) 北海道オープンコースウェア第18章 PDF太陽系第19章 PDF科学の革命 プレートテクトニクス第20章 PDF生き物たちの戦略第21章 PDF生命体の化学第22章 PDF細胞第23章 PDFメンデルと遺伝の法則第24章 PDF遺伝子の働き第25章 PDF遺伝子の制御とゲノム第26章 PDF自然選択と生命の進化第27章 PDF生命の進化の謎第28章 PDF有機化学の世界第29章 PDF環境の科学第30章 PDF環境と人間第16章 PDF天文学と星の進化第17章 PDF宇宙論
  2. ３年選択生物基礎プリント Ｎｏ２ エネルギーと代謝～「こちらを下げてあちらを持ち上げる」方式　（PDF）課題２ ＡＴＰによって供給されるエネルギーはどのように使われるのか、具体例をいくつか挙げ よ。　課題４ ヒトの体温が４２℃を超えると死ぬといわれている。これはなぜか説明せよ。
  3. 生物授業における「呼吸」の扱いについて 吉田 修久　（PDF)　「呼吸は何のためにしているのだろう？」と質問すると多くが黙り込んでしまう。　「呼吸は何を取り込み，何を出している？」と聞くと「酸素を吸って二酸化炭素を出す。」と正解を答える　　「食べたものを分解して，そのエネルギーを取り出すため」という，エネルギーの元にも言及した答えを出す者はかなり少ない。このように「呼吸」は生きものの重要な特徴の一つであり，その大切さは感じていながらも，その意味は多くの人たちにとってしっかりとした理解に至っていないのが現状である。