一次構造

一次構造とは

一次構造とは、生化学において、生体分子を構成する単位と、それらを繋ぐ化学結合の正確な配置のことです。特に、分岐や交差のない生体高分子、例えばDNA、RNA、そして典型的な細胞内タンパク質などにおいては、一次構造は核酸やアミノ酸といった単量体の配列そのものを指します。この概念は、1951年にリンダーストロム・ラングによって初めて提唱されました。

一次構造は、「一次配列」と誤って呼ばれることがありますが、二次配列、三次配列という概念が存在しないように、このような用語は正しくありません。

ポリペプチドの一次構造

通常、ポリペプチドには分岐がないため、一次構造はアミノ酸の配列と一致します。しかし、タンパク質にはジスルフィド結合などで交差が見られる場合があり、その際には交差するアミノ酸（例えばシステイン）を明示する必要があります。また、デスモシンなども交差の一例です。

ポリペプチド鎖中のキラル中心はラセミ化を起こす可能性があります。特に、タンパク質中に見られるLアミノ酸は、自発的にDアミノ酸へと異性化する現象が見られます。このDアミノ酸は、多くのプロテアーゼによって切断されにくい特徴を持ちます。

さらに、タンパク質は様々な翻訳後修飾を受けます。以下に、その主な修飾について解説します。

ポリペプチド鎖のN末端の修飾

ポリペプチド鎖のN末端のアミノ酸は、以下のような修飾基と共有結合することがあります。

アセチル化
N末端アミノ酸の正電荷が、アセチル基によって中和されます。
ホルミル化
翻訳後のN末端メチオニンは、ホルミル基でブロックされることがあります。このホルミル基は、デホルミラーゼという酵素によって除去されます。
ピログルタミン酸化
N末端のグルタミンが自己環化して、環状のピログルタミン酸基を形成します。
ミリストイル化
アセチル化と似ていますが、メチル基の代わりに疎水性の炭素鎖が付加します。これにより、タンパク質が細胞膜に固定されることがあります。

ポリペプチド鎖のC末端の修飾

ポリペプチド鎖のC末端のカルボキシル基も、以下のような修飾基と共有結合することがあります。

アミド化
C末端にアミド基が付加することで、負電荷が打ち消されます。
グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）付加
大きな疎水性のリン脂質であるGPIが付加することで、タンパク質が細胞膜に繋ぎ止められます。

ペプチド側鎖の修飾

ペプチドの側鎖は、以下のような共有結合によって修飾を受けることがあります。

リン酸化
セリン、トレオニン、チロシン残基の水酸基にリン酸基が結合し、負電荷を与えます。この反応はキナーゼによって触媒され、逆反応はホスファターゼによって触媒されます。
糖鎖付加
糖がセリン、トレオニンの水酸基、あるいはアスパラギンのアミド基に付加します。この修飾は、タンパク質の溶解度や認識機能に影響を与えます。
脱アミド化
アスパラギンやアスパラギン酸の側鎖がスクシンイミド中間体を作り、加水分解されることでアスパラギン酸やイソアスパラギンになります。これにより、アミド基が失われます。
ヒドロキシル化
プロリンやリシン残基がヒドロキシル化され、コラーゲンの安定化に関与します。この反応にはアスコルビン酸が必要です。
メチル化
リシンやアルギニンの側鎖がメチル化されますが、側鎖の正電荷には影響しません。
アセチル化
リシンのアミノ側鎖がアセチル化されることで、核酸との結合が弱まります。
スルホン化
チロシンの酸素原子がスルホン化されることがあり、細胞表面の認識に関与します。
プレニル化およびパルミトイル化
疎水性のイソプレンやパルミトイル基がシステイン残基に付加し、タンパク質を細胞膜に繋ぎ止めます。
カルボキシル化
グルタミン酸の側鎖にカルボキシル基が付加され、カルシウムのような金属イオンを強く結合させる役割があります。
ADPリボシル化
大きなADPリボシル基がタンパク質の様々な残基に付加され、細菌毒素によって引き起こされることがあります。
ユビキチン化およびSUMO化
ユビキチンがタンパク質のリシン残基に修飾され、タンパク質の分解を促すシグナルとして機能します。

これらの修飾は、翻訳後に小胞体などで多く行われます。

一次構造の修飾

上記のような修飾に加え、一次構造に対する最も重要な修飾として、ペプチドの切断があります。タンパク質は不活性な状態で合成されることがあり、N末端やC末端が活性中心をブロックしていることがあります。不要なペプチドを切り落とすことで、タンパク質の機能が発現します。

また、ある種のタンパク質は自己切断能力を持ちます。この反応は、セリンやシステイン残基が上流のペプチド結合のカルボニル炭素を攻撃し、四配位の中間体を作ることから始まります。この反応はN-Oアシル転移と呼ばれます。

生成したエステル結合やチオエステル結合は、加水分解、β脱離、分子内エステル交換、分子間エステル交換などの方法で解消されます。

タンパク質一次構造の歴史

1902年、カールスバートで開催された第74回ドイツ学術会議で、フランツ・ホフマイスターとエミール・フィッシャーが、タンパク質がαアミノ酸の直鎖であるという説をほぼ同時に提唱しました。

この説は、タンパク質のビウレット反応の観察や、ペプチド結合のモデルから導き出されました。しかし、当時はタンパク質がアミド結合を含んでいるという説や、タンパク質が分解されるとオリゴペプチドが生じるという証拠がありながらも、タンパク質が直鎖で分岐のないアミノ酸ポリマーであるという考え方はすぐには受け入れられませんでした。これは、共有結合が熱振動を受けやすい長い分子を支えるのに十分な強さを持つのかという疑問があったためです。

その他の仮説と否定

タンパク質の構造については、いくつかの別の仮説も提起されていました。

コロイドタンパク質説
タンパク質はコロイド状態の微小粒子の集合体であるという説がありましたが、超遠心実験や電気泳動の実験でタンパク質が固有の質量を持つことが証明され否定されました。
シクロール説
直鎖のポリペプチドがシクロール型の再構成を受けるという説がありましたが、これも否定されました。
ジケトピペラジン説、ピロール/ピペリジン説
その他の一次構造に関する説も提唱されましたが、インスリンの配列解読や、ミオグロビンとヘモグロビンの結晶構造決定によって否定されました。

二次構造、三次構造との関係

生体高分子の一次構造は、三次構造を決定する上で重要な役割を果たしますが、複雑なフォールディングのため、一次構造から全体の形や二次構造を予測することは困難です。しかし、同じファミリーに属するタンパク質の構造が既知であれば、その形を予測することは可能です。構造ゲノミクスプロジェクトは、代表的な構造の一覧を作成することを目指しています。

他の分子の一次構造

タンパク質以外の直鎖状のヘテロポリマーでも「一次構造」という用語が使われますが、タンパク質ほど一般的な用語ではありません。RNAの塩基の直鎖は、単に「配列」と呼ばれます。多糖のような生体高分子も一次構造を持つとみなせますが、やはり一般的ではありません。

関連項目

二次構造
三次構造
四次構造
翻訳 (生物学)

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