三次構造

三次構造とは

三次構造（tertiary structure）は、生化学において重要な概念で、タンパク質やその他の高分子がどのように三次元的に配置されるかを示します。この構造は原子座標によって定義され、そのため生体内での機能に深く関与しています。

一次構造との関係

タンパク質の三次構造は、主にその一次構造、すなわちアミノ酸の配列に強く依存しています。このため、一次構造から三次構造を予測することは、タンパク質の機能や性質を理解する上で重要です。このプロセスは、タンパク質構造予測と呼ばれ、広く研究されています。しかし、タンパク質が合成され、折り畳まれる過程において外的要因も結果に大きく影響します。このため、現在の予測手法では、特に環境要因を直接考慮することは少なく、多くはアクセシブルなデータベースと整合性を取る形で進められています。

三次構造の決定因子

三次構造を安定化させる要因には、疎水性アミノ酸の相互作用があります。球状タンパク質の内部では、水が排除されることで疎水性残基がコアに集まり、タンパク質の外部には親水性や荷電アミノ酸が存在します。特に分泌タンパク質の場合、システイン同士のジスルフィド結合がこの構造の安定性を高めます。また、多くの機能的または進化的に無関係なタンパク質の間で共通する構造も見られ、TIMバレルやコイルドコイル構造といった特定の構造様式が観察されます。

結構の多様性と無秩序性

すべてのポリペプチド鎖が明瞭な三次構造を持つわけではなく、一部の短いタンパク質は、無秩序構造またはランダムコイルと称される状態で存在することがあります。さらに、構造を持つタンパク質にも、ドメイン間をつなぐループ領域やリンカー領域には無秩序領域が見られることが多いのです。

ネイティブ状態の理解

細胞環境における通常のタンパク質構造は、ネイティブ状態またはネイティブ・コンフォメーションと呼ばれることが多いです。これは、タンパク質がその一次構造に基づいて可能な熱力学的に最も安定な構造を持つという仮定のもとに成り立っています。ただし、この仮定には反応速度が考慮されない欠点があり、特に、タンパク質の翻訳後にこの構造に達するまでにかかる時間が重要であります。

タンパク質シャペロンとフォールディング

細胞内では、様々なタンパク質シャペロンが新たに合成されたポリペプチド鎖がネイティブコンフォメーションを得る手助けをしています。これには、特定の機能を持ったシャペロンや、一般的な役割を果たすものがあります。このようなシャペロンは、原核生物のGroEL/GroES系や真核生物のHsp60/Hsp10系として分類されます。

実験による構造決定

現在、既知のタンパク質構造は主にX線結晶構造解析を用いて決定されます。この手法は高分解能のデータを生み出しますが、時間依存的な情報を捉えることはできません。一方、NMR（核磁気共鳴分光法）も利用され、これにより特に小さいタンパク質の動態に関するデータを得ることが可能です。また、可溶な球状タンパク質の三次構造については詳細が多く知られている一方で、膜タンパク質に関しては調査が難しい状況にあります。

歴史的な観点

三次構造の理解は生化学において重要な課題として長年訴えられてきました。そして、試行錯誤は続いており、初めて予測された球状タンパク質の構造はドロシー・リンチによるシクロール模型ですが、これは実験的データに一致しないため、すぐに放置された経緯があります。このように、生化学の分野では未だ難解な問題が残されているのです。

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