トップ生物II 改訂版>第1部 分子から見た生命現象>第1章 生物体内の化学反応と酵素>第1節 タンパク質

第1節 タンパク質

 

A 生物体を構成する化学物質

◆細胞の成分とタンパク質

タンパク質は,生物の主要な構成物質で,固形物のほぼ半分を占める。細胞の成分でもっとも多いのは水で約70%である。固形物には,タンパク質のほかに,細胞膜の成分である脂質,エネルギー源である炭水化物,代謝に必要な無機イオン,遺伝にかかわる核酸などがある。

細胞の成分の分析は,細菌の大腸菌で詳細に行われている。純粋な細胞として容易に集めることができるからである。大腸菌では約3000種類のタンパク質が存在する。また,哺乳類の細胞では約10万種類ある。

 

大腸菌の構成物質(J.D.ワトソン:遺伝子の

分子生物学(2),化学同人(1970)より)

構成物質

重量

〔%〕

平均分子量

種類数

細胞あたりの数

70

18

1

4×1010

無機イオン

1

40

20

2.5×108

炭水化物**

3

150

200

2×108

脂質**

2

750

50

2.5×107

アミノ酸**

0.4

120

100

3×107

ヌクレオチド**

0.4

300

200

1.2×107

その他の低分子

0.2

150

200

1.5×107

タンパク質

15

4×104

3000

106

核酸

 

 

 

 

DNA

1

2.5×109

1

2

RNA

6

5×105

1000

105

NaKMg2Ca2Fe2ClPO43SO42など

**前駆物質を含む

 

興味ある話

●タンパク質の用語の由来

1838年,オランダのゲラルドス・ムルダーは血清のアルブミン,卵白のアルブミン,血液のフィブリンなどの元素分析をして,C40H62N10O12という組成が単位であるという結論に達し,これをプロティン(protein)とよんだ。プロティンとはギリシア語のプロティオス(もっとも大切なの意味)からとったものである。動物の栄養にとって根源的に大切な物質だからである。

のちになって,ムルダーの分析は間違いとわかったが,プロティンの用語は英語,フランス語などにそのまま残った。ドイツ語ではアイワイス(卵白)とよばれ,その漢字訳蛋白質はそのまま日本語となった。

タンパク質が物質として一定の構造をもっていることはフレデリック・サンガーによるインスリンのアミノ酸配列の決定によって確立された(1955)

 

B タンパク質

◆アミノ酸

タンパク質は20種類のアミノ酸からなっている。天然には120種類以上のアミノ酸が存存するが,タンパク質をつくるのには20種類に限られている。この理由については生命の起源にさかのぼり,わかっていない。

ヒドロキシプロリン,メチルヒスチジンなどがタンパク質にみられるが,これらはタンパク質がつくられたあとOHCH3などが付加されたものである。

 

アミノ酸は炭素化合物で,アミノ基(NH2)とカルボキシル基(COOH)をもつ。唯一の例外はプロリンでアミノ基のかわりにイミノ基(NH)がある。中心の炭素(α炭素原子,Cα)には,カルボキシル基,アミノ基,水素原子のほか,アミノ酸の種類によって異なる側鎖(R)が結合している。

アミノ酸の構造

 

アミノ酸は中性の水溶液でイオン化して,アミノ基はプラスに,カルボキシル基はマイナスに荷電する。そのため,アミノ酸は両性電解質とよばれる。

アミノ酸の側鎖によってさまざまな性質がみられる。

(1) 水になじまない(疎水性)−。CH3など。AlaValLeuIleなど。

(2) マイナス電荷をもつ(親水性)。−COOAspGlu

(3) プラス電荷をもつ(親水性)。−NH+ArgLys

(4) 親水性だが電荷をもたない。Ser ThrGlyTyrなど。

(5) S-S結合をつくる。Cys

 

 

◆ペプチド結合

1つのアミノ酸のアミノ基と他のアミノ酸のカルボキシル基との間の化学結合(CONH)をペプチド結合という。ペプチド結合をつくっているアミノ酸はアミノ酸残基とよばれる。ペプチド結合は6規定塩酸存在下で110℃,24時間加熱すると分解される。タンパク分解酵素は体温,中性pHで分解するが,アミノ酸に特異性がある。ペプチド結合で線状につながったアミノ酸群をペプチドという。

 

 

◆タンパク質

タンパク質は,多数のアミノ酸がペプチド結合で重合したもので,ポリペプチドともよばれる。最小のタンパク質はアミノ酸51個が重合したすい臓ホルモンのインスリンである。多くのタンパク質は100400個のアミノ酸からなっているが1000個以上からなるものもある。各アミノ酸の配列順序は一定であり,この配列をタンパク質の一次構造という。これはタンパク質のもっとも基本的な性質である。第一番目の遊離アミノ基をもつアミノ酸をN末端アミノ酸,終りのカルボキシル基をもつアミノ酸をC末端アミノ酸という。タンパク質はN末端からC末端に向けて合成される。

タンパク質の多くは,同一タンパク質,あるいは他のタンパク質と結合して複合体を形成する。複合体の個々の構成要素をサブユニットといい,100種類ものタンパク質が複合体を形成してはじめて機能する例もある。サブユニットはいつも決まったサブユニットと結合しているわけではなく,多くの種類のタンパク質とさまざまな複合体をつくることができる。複合体をつくり,構成するメンバー(サブユニット)を変えることで,多様な役割を果たすことができるのである。

 

タンパク質の形と大きさ

タンパク質

働き・所在

分子量

構成アミ

ノ酸の数

ポリペプチ

ド鎖の数

インスリン

すい臓のホルモン

5733

51

2

リボヌクレアーゼ

すい臓のRNA分解酵素

12640

124

1

リゾチーム

細菌の細胞壁を分解する酵素

13930

129

1

ミオグロビン

筋肉の酸素結合タンパク質

16890

153

1

キモトリプシン

すい臓の消化酵素

21600

228

1

アクチン

筋肉の収縮性タンパク質

41785

374  

1

ヘモグロビン

赤血球の酸素結合タンパク質

64500

574

4

アルブミン

血清中のタンパク質

68500

550  

1

ミオシン

筋肉の収縮性タンパク質

480000

4000

6

ミオシンのH

ミオシンの主要成分

200000

1670

1

ホスホリラーゼ

筋肉の解糖系の酵素

495000

4100

4

 

 

◆タンパク質の立体構造

疎水性のアミノ酸が連なっている部分は,水の中では,水を避けタンパク質分子の内側に入り込む。一方,親水性のアミノ酸の割合が多い部分は周囲の水と接するように,タンパク質分子の表面に位置する。アミノ酸の電荷はタンパク質の立体構造に大きく影響する。正電荷をもつアミノ酸と負電荷をもつアミノ酸は引き合い,同じ電荷をもつアミノ酸は反発しあう。タンパク質の機能がpHに依存するのはpHがアミノ酸の電離度に大きな影響を与えるからである。各アミノ酸の電離度が変化すれば,タンパク質の立体構造も変化する。

タンパク質の立体構造の形成には,ペプチド結合間に生じる水素結合も重要な役割を果たす。側鎖が比較的小さく極性をもたないアミノ酸が連続しているところでは,それぞれのペプチド結合のN原子と,そこから4番目のアミノ酸のカルボニル基との間で分子内水素結合ができる。その結果,右巻きに1回転3.6アミノ酸のピッチでらせん構造が形成される。同一らせん分子内で水素結合ができるので,比較的しっかりしたらせん状(スプリング様)の構造になる。これをα-へリックスという。

ポリペプチド鎖の間で,アミノ基とカルボニル基との間に水素結合が生じてできるじぐざぐ状の構造をβ-シートという。β-シートは,タンパク質構造の核として機能する場合が多く,球状タンパク質の中央部によく見られる。大規模な平行β-シートは,絹糸のフィブリンや毛髪のケラチンなどがある。β-シートは,いずれも安定な波状構造をとる。

タンパク質は,一本のポリペプチド鎖であるが,分子の認識や,結合,触媒など,いくつかの機能単位に分けることができる。この機能単位をドメインという。タンパク質とタンパク質の結合,タンパク質による塩基配列の認識と結合などの機能は,構造が安定なα-へリックスやβ-シート部分が担っている。一定の立体構造をとらない部分をランダムコイルという。

システインは分子内の他のシステインとジスルフィド(S-S)結合により分子内架橋をつくる。どのシステインとも架橋できるわけではなく,タンパク質が安定な立体構造をとった後,近くに来る特定のシステインと結合し,立体構造をさらに安定化させるはたらきがある。

 

 

興味ある話

●タンパク質の立体構造と白濁

タンパク質は多くの疎水性アミノ酸を含んでおり,本来は水に対して不溶性である。たとえば,熱を加えてタンパク質を変性させると白く不溶性になる。タンパク質(蛋白質)の白の由来である。生体内では,タンパク質は疎水性部分を内側に,親水性部分を外側にして水分子と安定な水素結合をして溶けている。熱を加えると熱運動エネルギーによりタンパク質の立体構造が乱され,疎水性部分がタンパク質表面に露出し,水分子と安定な水素結合ができなくなる。同時に,疎水性部分でタンパク質どうしが結合して,大きな固まりをつくり沈殿する。これがタンパク質の熱変性による白濁と凝固である。

タンパク質の立体構造の形成には,正または負の電荷をもつアミノ酸の電荷による反発力や引力が関わっており,塩濃度はこれらの静電力に影響を与える。卵白を真水に懸濁すると白く濁る。白くなったのは本来のタンパク質分子の立体構造がとれなくなった(変性した)からである。一方,体液と同じぐらいの濃度の塩水に懸濁すると白濁しない。しかし,塩濃度をさらに高めると逆に白濁する。生理的なイオン濃度で,タンパク質分子は機能する立体構造をとっているのである。

 

◆タンパク質の種類数

タンパク質が20種類のアミノ酸100個からできているとすると,重複を許した種類数は20100になり,これは10130に相当する莫大な数である。1兆は1012にすぎないことを思い出してほしい。

しかし,タンパク質の種類は哺乳類では約10万であり,理論的にできるタンパク質の種類数に比べ,はるかに少ない。安定的な立体構造をとるアミノ酸配列は少なく,実際に存在するドメインの種類は約100種類と推定されている。ドメインの中の1つのアミノ酸を変えてしまうと,まったく機能しなくなるタンパク質が多い。進化の選択圧の中で,立体構造が定まらず一定の機能を果たさないドメインは消滅したと考えられる。

 

◆シャペロン

アミノ酸多数からなるペプチドはその側鎖の化学的性質によって自然に折りたたまれてα-へリックスやβ-シート構造を組みたて(二次元構造),全体としての立体構造(三次元構造)をつくりあげる。ところが,安定した立体構造を完成させるのに補助役を必要とする場合が見出された。たとえばアクチンやチューブリン(微小管タンパク質)ではリボソームでつくられたあと,介添役がないと三次元構造をつくれない。この補助役は貴婦人の介添役の意味からシャペロンとよばれる。ミトコンドリアや小胞体の膜を通過する際にタンパク質はほどけるが,あとで復元するのにシャペロンを必要とする。シャペロンはATPを分解しながら作用する。シャペロンは数十個のタンパク質の集合体をつくっていることが多く,その集合体はシャペロニンといわれる。

 

 

興味ある話

●プリオン

プリオンとは感染性タンパク質(proteinaceous infectious particle)の略称である。クールー病(ニューギニア原住民)やクロイツェル・ヤコブ病のように長年月かかって脳細胞が萎縮して海綿状になる病気の原因は不明であった。ヒツジで同様な病気(スクレイピー)が知られており,その骨を餌として食べたウシの発病(狂牛病)が社会的問題となった。

アメリカのカリフォルニア大学医学部教授スタンレー・プルシナーはスクレイピーの原因がアミノ酸208個からなるPrPSCによることをつきとめた(1985)。ところが健康なヒツジにも同じタンパク質(PrPC)が存在していることがわかったが,その立体構造はα-へリックスが多く,スクレイピーのβ-シートとは違っていた。PrPSCPrPCに結合して,立体構造をPrPSCに変化させ,PrPSCはたがいに集合して繊維状となり,神経細胞を死滅させると考えられている。プルシナーは1997年度のノーベル医学生理学賞を受賞した。

 

◆タンパク質の機能

タンパク質は文字通り,生物を特徴づける物質である。各生物ごとに異なったタンパク質がそれぞれの生物の形と働きを可能としている。したがって,タンパク質の機能は多種多様である。タンパク質は大きく分けて,生体の構造を形づくるもの,生体内の化学反応にかかわるもの,情報を認識したり伝達したりするものがある。

構造形成タンパク質 ヒトの体内でもっとも多量に含まれているタンパク質はコラーゲンである。コラーゲンは分子量約30万の繊維状タンパク質で,3本のサブユニットがらせん状にねじれた長さ300nmの細長い形をしている。繊維細胞によって細胞外に分泌されて多数集合してコラーゲン繊維をつくり,皮膚を支えたり,内臓をおおう。また骨細胞から分泌されたコラーゲン繊維の網目は,水酸化カルシウム・リン酸カルシウムを沈着して骨をつくる。

細胞膜はリン脂質とさまざまなタンパク質とが50%ずつからなる。タンパク質のあるものは細胞膜下のスペクトリン(分子量約43)の網目構造と結合して細胞膜の裏打ちをする。

細胞内には,ミクロフィラメントと微小管があって細胞運動にあずかるとともに細胞の形を保ったり変えるのに働く。また,中間径フィラメントは,核と細胞膜間をつないで細胞の形を維持する。ミトコンドリア,核,葉緑体など細胞小器官を形づくるタンパク質が知られている。

 

 

生体内化学反応タンパク質 細胞内の多くの化学反応を円滑に進行させる酵素はタンパク質である。その種類は3000種類にのぼる。ミトコンドリアや葉緑体で電子伝達にあずかる色素(シトクロムなど)の多くはタンパク質である。

赤血球内にあって酸素の運搬をするヘモグロビンもタンパク質である。細胞外に分泌され血液中に存在するアルブミンは脂質などを運搬する。免疫にかかわる抗体もタンパク質である。

情報認識伝達タンパク質 遺伝子の発現を調節する転写因子,細胞の外からの情報を受け取る受容体,その情報を核に伝えるシグナル伝達因子もタンパク質である。

 

 








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