今回の講義
講義１：蛋白質の構造• 講義１：蛋白質の構造• 講義２：蛋白質の機能構造研究• 講義３：膜蛋白質の構造研究• 講義４：抗体を用いた膜蛋白質の結晶化• 講義５： 創薬ターゲット膜蛋白質の構造解析とその迅速化

分子細胞情報学：岩田

講義の狙い

想

学習項目

• 蛋白質分子の形を一次、二次、三次及び四次構造のレベルに分けて理解する。

• アミノ酸• 一次構造• 二次構造• 三次構造• 四次構造• 蛋白質の修飾／切断

蛋白質の構造1.アミノ酸インスリンの結晶（蛋白質の三次元（立体）構造を調べるために、蛋白質を結晶化させることは重要）• 蛋白質はL-アミノ酸でできている。
• 蛋白質は２０種類のアミノ酸から構成される

一次構造二次構造

三次構造

四次構造

蛋白質はアミノ酸を単位として構成される直鎖状ポリマーでアミノ酸配列が多様な機能を具現する三次元構造を決定する。

蛋白質はL-アミノ酸から出来ている
側鎖

水素

グリシン

側鎖は２０種類の異なったタイプがある。

カルボキシル基
アミノ基

側鎖のない、または小さなアミノ酸-側鎖は水素だけ-自由な構造をとれる

L-アミノ酸D-アミノ酸（決まった二次構造をとりにくい）

アミノ酸は両性アラニン

イ オ ン。 p H に両性イオン型
カルボキシル基がプロトン化

陽イオン

中性

よって異なったアミノ基が脱プ
ロトン化

電荷を有する（側鎖も別の電荷を有する場合-小さな疎水基（メチル側鎖基）を持つ

主鎖-いろいろな二次構造がある）。に対応できる

陰イオン

例：ATP結合モチーフ

脂肪族側鎖をもつアミノ酸

Pループ（GxxxxGKT/S)
PO
N
C
H

バリン
ロイシン
イソロイシンメチオニン- ９種の必須アミノ酸に含まれる側鎖側鎖が結合するATPと干渉するためグリシンを他の残基で置き換えられない。

脂肪族側鎖をもつ”イ”ミノ酸- 蛋白質の疎水性コア(後述）の形成に重要

主鎖

例：皮膚のコラーゲン
側鎖主鎖

プロリンは側鎖がアミノ基と結合して環状になっているイミノ酸。環状構造のためとれる立体配置座に大きな制限がある（後述）。自由度の少ない構造がコラーゲンなどの安定に必須である。

三重らせん構造をとっている。

芳香族側鎖をもつアミノ酸

脂肪族ヒドロキシ（ル）基を持つアミノ酸
セリン

フェニルアラニン

スレオニン

チロシン（トレオニン）

トリフトファン

- スレオニンは必須- フェニルアラニンとトアミノ酸

リプトファンは必須アミ- 親水性である

ノ酸-ヒドロキシ（ル）基- 蛋白質の疎水性コア（後述）のは反応性が高く、リ形成に重要

ン酸化、及び糖鎖修- トリプトファンは近紫外（２８０nm ）に吸収をもつ。
-チロシンとトリプトファ

側鎖ンは解離性（後述）

飾をうけることがあ側鎖る（後述）。情報伝

主鎖ロテアーゼの触媒中達に重要。セリンプ心でもある。

主鎖

塩基性アミノ酸

例：セリンプロテアーゼの活性中心

リジン
アルギニン
ヒスチジン
- リジン、ヒスチジンは必須アミノ酸-リジン、アルギニンは中性で正電荷をもつ。
-ヒスチジンは中性でプロトンと解離、結合し、しばしば酵素の活性部位に見いだされる。
- ヒスチジン（しばしば複数）はペプチドのカルボニル炭素を求核攻撃をする。

金属の配位に用いられる。

側鎖
ヒスチジンがセリンの水素原子と水素結合する事により、セリンの酸素原子がより負に帯電し、求核攻撃しやすくなる。

主鎖

例：金属プロテアーゼ

例：ATP結合モチーフ
Pループ（GxxxxGKT/S)
PON
C
H

ヒスチジン側鎖の窒素が亜鉛イオンに配位結合している。

-＋
陽電荷を持つリジンの側鎖が負電荷を持つリン酸を認識。

サーモリシン

ZnON

CH

チオール（スルフィドリル）基を持つアミノ酸

酸性アミノ酸と酸アミド
アスパラギン酸
グルタミン酸
アスパラギン側鎖グルタミン- アスパラギン酸、グルタミ

主鎖ン酸は中性で負に帯電している- アスパラギン酸、グルタミン酸は金属に配位できる。
- アスパラギン酸、グルタミンシステイン- チオール基は反応性が高い。金属の結合部位や酵素の活性中心に存在する- 二つのシステイン間でジスルフィド結合を形成し蛋白質を安定化させる

酸はプロトンを受容することが側鎖でき酵素の活性部位に見受けら主鎖れる。
- アスパラギンの側鎖は糖の修飾をうけることがある。

例：金属プロテアーゼ

グルタミン酸側鎖の酸素が亜鉛イオンに配位結合している。

ZnON

サーモリシンCH

アミノ酸の一文字表記

R：aRginine, N: asparagiNe, D: aspaeDic acid: Q: Qtamine (cute amine),
E: GlutamatE, K: (K is before L), F: Fenylalanine, W: W-rings, Y:tYrosine

解離性のアミノ酸残基

2.一次構造蛋白質内の解離基の典型的なpKa.
C末端カルボキシル基
グルタミン酸
アスパラギン酸ヒスチジン-イオン結合に関与できる-プロトンの供与、受容をする

N末端アミノ基ことができる（特に中性にpKaシステインのあるもの）

チロシン- 酸塩基触媒として働く（同上）

リジン

アルギニン

• アミノ酸はペプチド結合でつながってポリペプチド鎖を形成する。

• ポリペプチド鎖中のアミノ酸の配列を一次構造と呼ぶ。

ペプチド結合とポリペプチド蛋白質の一次構造

アミドプロトンカルボニル酸素-アミノ酸は脱水重合してペペプチド結合プチド鎖を形成する。

残基- 残基：ペプチド中のアミノ酸単位-ペプチド鎖には極性があ

アミノ末端カルボキシ末端

主鎖

り、それぞれの端をアミノ末-1953年にFred Sangerがインスリンの端（N末）及びカルボキシ末一次構造を蛋白質として初めて決定し、端（C末）と呼ぶ蛋白質が決まったアミノ酸配列を持って- ポリペプチド鎖にはアミノいることを示した。

酸の種類に関わらず一定の主システイン シスチン

-アミノ酸配列は遺伝子によって決定され鎖と特有の側鎖といわれる部

蛋白質はペプチドている。このため最近はアミノ酸配列は結合以外にもジスルフィド結合（側鎖間の結合）を含分からなっている。

側鎖遺伝子の配列から決定することが多い。

んでいる

ペプチド結合の平面性

ペプチド主鎖の結合の回転
ω=180o側鎖124563ペプチド主鎖の６個の原子（赤）はほぼ同一平面上にある（ω（オメガ）=180｡）

ペプチド結合は共鳴構造のため、二重結α炭素（Cα）の両側の結合はC-N-Cα-C及びN-Cα-C-Nのねじれ角（二面角）合性（平面性）を持つ単結合であり、回転できる。

をϕ（ファイ）およびψ（プサイ）という。

立体障害によって、可能なϕおよびψの組み合わせは限られている。発見者にちなんでϕとψの２次元プロットをラマチャンドラン（Ramachandran)プロットと呼ぶ。グリシンのラマチャンドラン
通常のペプチド結合は立体障害のため、トランス形がほとんどである

プロットは他とことなり、制限領域が小プロリンのN末端側のペプチド結合さい。逆にプロリンは制限が大きい。

は、立体障害が同程度なため、シス／トランスの両形をとりうる

カルボニル酸素の方向に注目

αヘリックス（１）+3.二次構造
3.6残基• ポリペプチド鎖は、主鎖二面角（φ,ψ）の制限により、αヘリックス、βシートの構造（二次構造）を取りやすい。

３残基

主鎖の原子は側鎖に比べて+-カルボニル酸素
アミドプロトン
水素結合

４残基• ポリペプチドが曲がる部分では、ターン及びループの様なその他の二次構造を取る場合がある。

右巻き、３．６残基で一回転。ダイポール（双極子）モーメントがある。
カルボニル酸素が４残基先のアミドプロトンと水素結合を作っている。

親水的である(炭素に比べて酸素、窒素が多い）。

αヘリックス（２）αヘリックス（３）一連のアミノ酸配列からで来ており、カルボニル酸素が４残基先のアミドのプロトンと水素結合を作っている。

ボールアンドス
ティック

リボン

シリンダー

アルファーヘリックスの各種の表し方

βストランドアルファーヘリックスを多く含む蛋白質の例：
鉄貯蔵蛋白フェリチン

βシート（１）側鎖

逆平行

平行βストランドが並んで、その間に水素結合を作ることによって形成される。平行と逆平行

カルボニル酸素の向きをαヘリックスと比較のβシートがある。シートを形成βシート（後述）を作るもとの構造。αヘリックスとするストランドは違い、ストランド中にはアミノ酸配列上連水素結合はなく、伸びた続している必要は形をしている。

ない。

その他の二次構造の例

βシート（２）(Ω)ループβターン

実際のβシートは多く４-１０本程度のストランβシート（バレル）を実際ドで出来ており、しばしばねじれたり、バレルに含む蛋白質の例：脂肪を形成したりしている

酸結合蛋白質

βシートが急に反転する部
分などで見られる（Pループなど）

βシートやαヘリックスなどの二次構造をつなぐフレキシブ
ルな構造4.三次構造

ミオグロビンの三次構造（１）ミオグロビン：筋肉における酸素運搬蛋白質。補欠分子ヘムに酸素を結合する。

• 二次構造が非極性残基を内側に持ってくる

ヘム

ヘム
鉄原子（疎水性コア）形でたたみ込まれる。

• 三次構造中にも、モチーフやドメインと言われる副構造が存在する。

リボンモデル：αヘリックスがヘムの周りにパッキングしている。

ミオグロビンの三次構造（２）スペース フィ リ ン グ （ 空 間 充 填 ） モ デル ： 実 際 の 原 子 の サイ ズ （ フ ァン デルワールス半径）を反映したモデル。蛋白質内部は原子が密に詰まっている

三次構造中の副構造
モチーフ：局所的な二次構造の集まりで、多くの蛋白質に共通してみられる。先祖蛋白質が共通である進化的要因と安定性の両方の要因が考えられる。
ドメイン：一本のポリペプチドが複数の折りた た み を 含 んで い る
時、それぞれをドメイ

スペースフィリングモデル

ンという。

スペースフィリングモデルの断面

進化の過程で遺伝子重（疎水性残基を黄色、親水性残基を青で表してある）

複や異なった蛋白質の疎水性残基を内側に、親水性残基外側に向けて、折り畳まれて（フォールディ融合でできたと考えらング）いることが分かる。黄色の部分を疎水性コアという。

れる。

5.四次構造ヘモグロビンの四次構造（１）• 複数のポリペプチド鎖（サブユニット）が会合して、多サブユニット構造を形成することができる。

• 四次構造はしばしばサブユニット間の相互作用により、蛋白質を制御することに重要な役割を果たす。

ヘモグロビン(α2β2四量体）

ミオグロビン（単量体）

ミオグロビンは一定の強さでしか酸素を結合できないが、ヘモグロビンは酸素の濃度、環境によって酸素の結合能が変化する。これは血液による酸素の運搬に重要な機能である。

ヘモグロビンの四次構造（２）ウイルスの外殻蛋白質

ヘモグロビンの四量体の一つのサブユニットに、酸素が結合すると他のサブユニットに酸素が結合しやすくなる。これは四量体中のサブユニット間の相互作用によって起こ多くの蛋白質からなる集合体。ライノウイルスの場合は４り、”協同現象”と呼ばれる。単量体であるミオグビンでは協種類の異なったサブユニットがそれぞれ６０個ずつ集まっ同現象は起こらない。て四次構造を形成している。

修飾アミノ酸の例

６.蛋白質の修飾／切断• 蛋白質を構成する２０種類のアミノ酸は蛋白質が合成された後、修飾されて新しい機能を獲得することがある（ジスルフィド結合、修飾アミノ酸など）。

• 蛋白質によっては前駆体蛋白質として合成され、その一部分が切断されて活性化を受けるものがある（例：トリプシンなどの消化酵
素）。

特殊な修飾アミノ酸の例

クラゲ由来の緑色蛍光蛋白質（GFP）：Ser-Tyr-Glyの配列が自発的に構造を変え、酸化されることにより蛍光を発する原子団を形成する。多くの蛋白質の標識に用いられている。

ヒドロキシプロリン：
コラーゲンの安定化に重要

４カルボキ
シグルタミン酸：血液凝固系の蛋白質に見られる

アスパラギ

セリン、スレオンの糖鎖修

ニン及びチロシ

飾：細胞表ンのリン酸化：

面の蛋白質

細胞内シグナルに多く存在伝達で可逆的スするイッチの役割を果たす。