ターン (生化学)

ターン (Turn)

ターンは、タンパク質の立体構造において、アミノ酸鎖（ポリペプチド鎖）がその進行方向を大きく変える、比較的短い領域を指します。これは、αヘリックスやβシートといった規則的な二次構造要素とは異なり、鎖の折り返し点として機能します。

定義

ターンに関する厳密な定義はいくつか存在しますが、一般的には、ポリペプチド鎖上の連続するアミノ酸残基において、特定の原子間の距離が近いこと、そしてその部分が一般的な二次構造（ヘリックスやシート）を形成していないことを条件とします。

具体的には、連続する残基のうち、1番目の残基のCα原子と、それに続く3番目、4番目、あるいはそれ以上の残基のCα原子が空間的に近接している状態を指します。通常、このCα原子間の距離が7 Å（オングストローム）以内であることが基準とされることが多いです。

ターンの種類

ターンは、折り返しに関わるアミノ酸残基の数、あるいは、ターンを形成する両端の残基がポリペプチド鎖上でどれだけ離れているかに基づいて分類されます。これは、最初の残基を i としたときに、ターンが終了する残基を i ± n としたときの n の値によって区分されます。

δ-ターン (delta-turn): 端残基が1結合離れている場合 (i → i ± 1)。立体的な制約が大きく、現実のタンパク質構造ではほとんど見られません。
γ-ターン (gamma-turn): 端残基が2結合離れている場合 (i → i ± 2)。比較的短いターンです。
β-ターン (beta-turn): 端残基が3結合離れている場合 (i → i ± 3)。最も一般的なターンの種類です。4つの残基 (i, i+1, i+2, i+3) で構成され、特に残基 i のカルボニル酸素と残基 i+3 のアミド水素の間に水素結合を形成することが特徴です。
α-ターン (alpha-turn): 端残基が4結合離れている場合 (i → i ± 4)。
π-ターン (pi-turn): 端残基が5結合離れている場合 (i → i ± 5*)。

これらの主要な分類に加え、それぞれの種類の中で、ターンを構成するアミノ酸残基の主鎖の二面角（φ角とψ角）によってさらに詳細な分類が行われます。これはラマチャンドランプロット上で観察される特定の領域に対応します。

また、特定のターン構造において、構成する残基の二面角の符号を反転させた構造を「逆ターン」や「鏡像ターン」と呼びます。例えば、あるγ-ターンの二面角が (φ, ψ) であるとすると、その逆ターンは (-φ, -ψ) の二面角を持ちます。ただし、アミノ酸のCα原子のキラル中心は反転しないため、これは厳密な意味での鏡像異性体ではありません。

特にβ-ターンは多様性が高く、確認されているだけで少なくとも8つ以上の型が存在します。これらの型は、中心の2つの残基（i+1とi+2）の二面角や、ペプチド結合がシス型であるかどうかなどによって区別されます。Venkatachalamの分類に基づけば、主要なβ-ターンはI型、II型、II'型、I'型の4つのカテゴリーに大別できます。これらの型はタンパク質構造中に頻繁に現れますが、出現頻度には偏りがあり、I型が最も多く、次いでII型、I'型、II'型の順に見られます。

ループと多重ターン

ターンよりも長く、特定の規則性や固定された内部水素結合を持たない折り返し部分は、より一般的な用語としてループと呼ばれることがあります。ω-ループなどは、比較的長い、不規則な構造を持つループの総称です。

また、ポリペプチド鎖の一部が連続して複数のターンを形成する場合もあり、これを多重ターンと呼びます。例えば、5つの連続する残基において、最初の4残基（1-4番目）がターンを形成し、かつそれに続く4残基（2-5番目）もターンを形成しているような構造は、(I, I+1) 二重ターンと呼ばれます。多重ターンは、二重ターンだけでなく、3重、4重といったより複雑なものもタンパク質構造内で観察されています。

β-ベンドリボンは、多重ターンの一種として位置づけられることもありますが、これは特定の水素結合パターンを持つ構造を指します。

ヘアピン構造と分岐ターン

ターンの中でも、特に明確な折り返し構造を形成する特殊なケースとしてヘアピン構造があります。ヘアピンは、側鎖同士の相互作用によって構造が安定化されることが多く、例えばβ-ヘアピンは、逆平行に並んだ2つのβストランドを短いターン領域が繋ぎ、ストランド間の水素結合によって安定化された構造です。

β-ヘアピンのターン部分は、ヘアピンを構成するβストランドの一部ではない、まさに折り返しを担う残基数によって分類されることがあります。また、β-ヘアピンのループ端に位置するβ-ターンは、一般的なβ-ターンとは出現頻度の傾向が異なり、I'型が最も多く見られ、次いでII'型、I型、II型が続きます。

これに対し、側鎖間の顕著な相互作用を伴わず、方向転換も比較的緩やかなターンは、分岐ターンと呼ばれることがあります。

タンパク質の折り畳みにおける役割

タンパク質がその固有の三次元構造（天然構造）へと折り畳まれる過程におけるターンの役割については、二つの異なる考え方が存在します。

一つ目の説は、ターンが分子内相互作用の形成や、特定の立体構造の核となる上で決定的な役割を果たしているというものです。この説は、ターンの特定の部位に変異を導入するとタンパク質の折り畳みが阻害されたり、特定の残基がターンの形成に不可欠であることが示された実験結果などによって支持されています。また、ある種のタンパク質では、本来シス型であるべき特定のペプチド結合がトランス型になることで、折り畳みが完全に阻害されることが報告されており、これも特定のターン構造の重要性を示唆しています。

一方、もう一つの説は、ターンはタンパク質の折り畳みにおいてそれほど重要な役割を担っていない、あるいは単に鎖の方向転換点にすぎないという見方です。この説は、多くのターン領域でアミノ酸配列の保存性がそれほど高くない、つまり配列が変わっても構造や機能に大きな影響がないように見えるという観察事実によって支持されています。また、特定の非天然型ペプチド結合が折り畳み速度に影響を与えても、最終的な折り畳み構造そのものには大きな変化が見られないという報告も、この説を補強する証拠として挙げられています。

現在のところ、ターンの役割はタンパク質の種類や特定のターン構造によって異なると考えられており、その重要性は個別のケースで判断されるべき複雑な問題と言えます。

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