立体配座

立体配座とは、分子内の特定の結合、特に単結合の回りの回転や、孤立電子対を持つ原子における立体的な反転運動によって、互いに変換可能な原子の空間的な並び方を指します。これに対し、二重結合の回りの回転や不斉炭素における立体反転のように、通常条件下では容易に相互変換できない固定された原子の配置は「立体配置」と呼ばれ、区別されます。

立体配座の特性と配座異性体

立体配座は、結合の回転に伴う分子内の自由度によって多様な状態を取り得ます。分子を構成する単結合の数が増えるにつれて、取り得る立体配座の数は飛躍的に増加します。

特に、タンパク質や核酸、脂質、糖などの生体高分子では、個々の結合の立体配座が変化することで、全体の立体構造が大きく変わります。高分子全体の立体構造は、それを構成する各結合の立体配座の組み合わせによって決定されます。このため、高分子がある特定の立体構造をとる状態そのものを「コンフォメーション」と表現することもあります。この用語はタンパク質に関して頻繁に使用されますが、立体構造が機能に重要なあらゆる生体分子に広く適用されます。

生体分子の立体構造は、特殊な環境変化がない限り、通常は自発的に決まります。また、タンパク質や核酸が生物学的な働きを示すためには、特定のコンフォメーションをとることが不可欠です。

同じ分子式、同じ結合様式でありながら、立体配座が異なる分子同士の関係を「配座異性体」あるいは「コンフォーマー」と呼びます。分子の温度を非常に低くしたり、回転や反転を妨げるような立体的に大きな置換基を導入したりすることで、相互変換に必要なエネルギーが分子の熱運動エネルギーを上回るようになると、配座異性体間の変換が阻害され、それぞれの異性体を単離できるようになることがあります。

単結合回りの立体配座

X-A-B-Yのように原子が結合している系で、単結合A-Bの回りの立体配座を考えます。この立体配座は、結合X-Aと結合B-Yで形成される「二面角」によって区別されます。

二面角の角度に応じて、以下のような名称が付けられています。

• - 二面角が0°から30°: シンペリプラナー (synperiplanar, sp)
• - 二面角が30°から90°: シンクリナル (synclinal, sc)
• - 二面角が90°から150°: アンチクリナル (anticlinal, ac)
• - 二面角が150°から180°: アンチペリプラナー (antiperiplanar, ap)

単結合回りの立体配座は、「ニューマン投影図」を用いて視覚的に表現することが多いです。二面角が0°や120°の場合、ニューマン投影図ではA原子上の置換基とB原子上の置換基が重なって見え、「重なり形配座」または「エクリプス配座」と呼ばれます。一方、二面角が60°や180°の場合、置換基が互い違いの位置になり、「ねじれ形配座」または「スタッガード配座」と呼ばれます。

さらに、ねじれ形配座のうち、二面角が0°のものをシン配座（またはシス配座）、180°のものをアンチ配座（またはトランス配座）、60°のものをゴーシュ配座と呼ぶこともあります。重なり形配座は、置換基同士が接近するために空間的な反発（立体反発）が大きく、ねじれ形配座に比べてエネルギー的に不安定です。

環状分子の立体配座：シクロヘキサン環を例に

シクロヘキサン環は、いくつかの安定な立体配座を取り得ますが、特にエネルギー的に安定な「いす形配座」と、比較的安定ではあるもののいす形よりは不安定な「ねじれ舟形配座」が代表的です。いす形配座では、環を構成するすべてのC-C結合がねじれ形配座に近いのに対し、ねじれ舟形配座ではいくつかのC-C結合が重なり形配座に近い状態を含みます。このため、いす形配座の方が全体として安定です。

シクロヘキサン環に置換基がついている場合、いす形配座の中でも、立体的にかさ高い置換基が環の平面から外側（エカトリアル位）に位置する立体配座が最も安定になります。これは、置換基が環の軸方向（アキシアル位）にあると、環上の他のアキシアル位にある水素原子などと立体的な反発を起こしやすいためです。

孤立電子対を持つ原子の立体反転

3つの異なる置換基に結合したアミンの窒素原子は、孤立電子対を含めてsp3混成のピラミッド構造をとるため、形式的には不斉中心となります。しかし、窒素原子は孤立電子対を介して非常に速やかに立体反転を起こすため、これにより生じる鏡像異性体やジアステレオマーを通常の条件で単離することは困難です。ただし、この立体反転の遷移状態である平面構造を取ることが難しいような特定の置換基を持つアミンでは、異性体を単離できる場合もあります。

非対称なスルホキシドに含まれる硫黄原子も同様の構造を持ちますが、アミンの窒素と比べて立体反転の速度が非常に遅く、室温付近では異性体を安定に存在させ、単離することが可能です。ただし、高温にするとアミンと同様に立体反転による相互変換が起こります。

高分子の立体配座

高分子、特に生体高分子の立体配座は、その機能と密接に関わっています。

タンパク質

タンパク質の構造は、アミノ酸配列（一次構造）から始まり、局所的な構造（二次構造：αヘリックス、βシート）、ポリペプチド鎖全体の折りたたみ（三次構造）、複数のポリペプチド鎖の集合（四次構造）という階層を持ちます。コンフォメーションという言葉は、特に三次構造や四次構造といった「高次構造」を指して用いられることが多いです。これらの高次構造は、アミノ酸配列によって一意に決まります。

タンパク質の三次構造や四次構造は、疎水性相互作用、静電的相互作用、水素結合、ファンデルワールス力といった非共有結合的な力に加え、システイン残基間のジスルフィド結合によって安定化されています。これらの相互作用が最もエネルギー的に安定な配置をとった結果が、そのタンパク質の固有の立体構造となります。

可溶性タンパク質は通常、親水性残基を表面に、疎水性残基を内部に集めた球状構造をとり、構造決定が比較的容易です。一方、膜タンパク質は生体膜に存在するため、膜内部に接する部分は疎水性残基が外側を向きます。膜貫通部分はαヘリックスやβシートで構成されることが多いですが、膜タンパク質の構造解析は難しく、そのコンフォメーションに関する理解はまだ十分とは言えません。

タンパク質のコンフォメーションは静的なものではなく、機能に応じて動的に変化します。特に酵素など、触媒機能を持つ分子では、その働きにコンフォメーション変化が深く関わっていることが知られています。また、リボソームで合成されたポリペプチド鎖が適切な立体構造へと折りたたまれる過程（フォールディング）は非常に速く、完全には解明されていません。かつてはアミノ酸配列のみで自発的に折りたたまれると考えられていましたが、生体内では「シャペロン」と呼ばれる一群のタンパク質が、フォールディングを助け、正しいコンフォメーションの形成に重要な役割を果たしていることが分かっています。

核酸

DNAは二重らせん構造を基本とし、さらに折りたたまれてクロマチン構造や染色体を形成しますが、これらの高次構造も複製や転写といった生命現象に不可欠です。

RNAは通常一本鎖ですが、鎖内の塩基対形成（A-U, G-Cなど）によって特定のコンフォメーションをとります。代表的なのがtRNAで、二次構造として「クローバー葉構造」をとり、さらに折りたたまれて翻訳に重要な「L字構造」という三次構造を形成します。また、リボソームの構成要素であるrRNAも、リボソームの翻訳活性に必須の複雑な立体構造（コンフォメーション）をとっています。

RNA自体が触媒活性を持つ「リボザイム」の機能も、その特定の二次構造や三次構造といったコンフォメーションに深く関連していることが研究されています。

脂質・多糖

比較的低分子の脂質はコンフォメーションの決定が容易ですが、生体膜を形成する脂質全体の流動性は、個々の脂質分子の疎水基のコンフォメーションに影響されます。多糖は分枝構造が多く、他の分子と結合している場合も多いため、構造解析が最も難しい生体分子の一つです。しかし、細胞の認識に関わる糖鎖などの機能には、その立体配座、すなわちコンフォメーションの理解が重要視されています。

このように、立体配座は分子の物理化学的性質から、生体高分子の複雑な機能に至るまで、様々なレベルで物質の振る舞いを理解するための根幹となる概念です。

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