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きよはるしもとり
4 years ago
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1 生体分子構造学構造から生体分子の機能の解明へ北里大学理学部米田茂隆 2015 夏学期

アミノ酸の化学構造アミノ酸はどれも左図のような基本的な構造をもっている左図で側鎖と書いた球がアミノ酸の種類により異なる 1 側鎖以外の部分を主鎖という主鎖の原子は N H Cα Hα C Oという名称をもつ Cα と共有結合している4 個の原子は四面体構造をしており L 型と D 型 2つの光学異性体がある水素原子が奥側 ( 向こう側 ) になるように見たとき N COOH,

2 アミノ酸の化学構造アミノ酸はどれも左図のような基本的な構造をもっている左図で側鎖と書いた球がアミノ酸の種類により異なる 1 側鎖以外の部分を主鎖という主鎖の原子は N H Cα Hα C Oという名称をもつ Cα と共有結合している4 個の原子は四面体構造をしており L 型と D 型 2つの光学異性体がある水素原子が奥側 ( 向こう側 ) になるように見たとき N COOH, Rが炭素の周囲に反時計回りに配置していれば L- 体であるそうでないものは D- 体である左図は天然に存在する L 型アミノ酸の構造を描画している側鎖の水素以外の原子には Cα 原子から遠ざかるにつれギリシャ文字のアルファベットの順番でβ γ δ ε ζ という名称がつく Cと共有結合している3 個の原子は 2 重結合があるため平面構造の配置をする Nと共有結合をしている3 個の原子は四面体構造から1 原子欠けた配置をとるアミノ酸を水中に入れると酸塩基平衡により解離して通常の ph では右図のように末端の NH 2 に水素原子 H+ が付いて NH 3+ となり末端の COOH からは水素原子 H+ がとれて COO- となる末端の NH 3 は+1eの電荷をもち COO は 1e の電荷をもっている (eは素電荷) 2 個のアミノ酸は下図のように末端のアミノ基 (NH 2) とカルボキシル基 (COOH) の間で共有結合 ( ペプチド結合 ) 2 を形成することができるペプチド結合を次々と形成すれば複数のアミノ酸が鎖のようにつながることができるできた化合物をペプチドと呼ぶペプチドの中の各アミノ酸 1つ1つをアミノ酸残基と呼ぶペプチドの大きいものをポリペプチドまたはタンパク質と呼ぶペプチドのアミノ酸残基の名称をアミノ末端 (N 末 ) からカルボキシ末端 (C 末 ) まで順に並べたものをアミノ酸配列 ( またはペプチドの1 次構造 ) という下図のペプチドのアミノ酸配列は Arg-Gly-Asp であるあるいは一文字コードを用いて RGD であるアミノ酸配列を指定すればペプチドの化学構造は1つに決定できるまた立体構造についても多くの場合 1 つに決定できるアミノ酸配列を指定するとペプチド立体構造が決定される現象を Anfinsen のドグマ 3 というさらに立体構造から鍵と鍵穴の関係により蛋白質の機能を説明することが出来る立体構造から生体分子の機能を説明する科学を構造生物学という 1 プロリン (Pro) だけは例外前ページの図のように側鎖が環状になって主鎖の Nと共有結合している 2 脱水縮合アミド結合あるいはペプチド結合という 3 Anfinsen は溶液条件さえ整えればリボヌクレアーゼが変性状態から天然状態の正しい構造にもどることを示し一般的にタンパク質は自発的にアミノ酸配列に応じて熱力学的に最も安定な立体構造をとる ( フォールディングする ) と主張したただしこれは単純な場合しか成り立たずフォールディングに際しシャペロンの補助を必要とするタンパク質や天然状態では構造が確定していない天然変性タンパク質なども存在することが最近は知られている生体分子構造学 1

3 4 20 種のアミノ酸グリシン,Gly,G トレオニン,Thr,T グルタミン酸,Glu,E ヒスチジン,His,H アラニン,Ala,A セリン,Ser,S アスパラギン,Asn,N トリプトファン,Trp,W バリン,Val,V システイン,Cys,C アスパラギン酸,Asp,D アルギニン,Arg,R ロイシン,Leu,L メチオニン,Met,M フェニルアラニン,Phe,F リジン,Lys,K イソロイシン,ILE,I グルタミン,Gln,Q チロシン,Tyr,Y プロリン,Pro,P 4 炭素 C のラベルは省略したラベルが書かれてない頂点はすべて C であるなお上記の化学式を見たら名前を言えるようにしておこう生体分子構造学 2

ねじれ角 4つの原子が図のようにつながっているとき原子 1 2 3 を含む平面と原子 2 3 4を含む平面がなす角を原子 1-2-3-4のねじれ角 (2 面角 ) と定義するねじれ角の正負は右ねじが進む方向を正とする例えば Br-CH 2-CH 2-Cl という化合物の場合右図 ( ニューマン投影図 ) ではねじれ角を Br の方から見て表しているがその角度はマイナス 60

N-Cα-C-N ψ Cα-C-N-Cα ω φ と ψ は基本的に-180 から +180 まで自由に回転しうるペプチド結合のまわりの ω はほぼ 180 に固定される 5 φ と ψ は自由に回転できるとはいえ原子同士が衝突してしまうような φ と ψ の組み合わせは許されない下の図は φψ 図またはラマチャンドランプロットと呼ばれ α( アルファヘリックス α-helix) α

4 ねじれ角 4つの原子が図のようにつながっているとき原子を含む平面と原子 2 3 4を含む平面がなす角を原子のねじれ角 (2 面角 ) と定義するねじれ角の正負は右ねじが進む方向を正とする例えば Br-CH 2-CH 2-Cl という化合物の場合右図 ( ニューマン投影図 ) ではねじれ角を Br の方から見て表しているがその角度はマイナス 60 である 0 シス cis シン syn エクリプス eclipsed 180 アンチ anti トランス trans 60 ゴーシュ gauche プラス -60 ゴーシュ gauche マイナス原子間の反発を考えるとゴーシュ型とトランス型がエネルギー的に安定であることが多いペプチド主鎖のねじれ角の名称右図のように主鎖のねじれ角にφ ψ ωという名前が付いている C-N-Cα-C φ N-Cα-C-N ψ Cα-C-N-Cα ω φ と ψ は基本的に-180 から +180 まで自由に回転しうるペプチド結合のまわりの ω はほぼ 180 に固定される 5 φ と ψ は自由に回転できるとはいえ原子同士が衝突してしまうような φ と ψ の組み合わせは許されない下の図は φψ 図またはラマチャンドランプロットと呼ばれ α( アルファヘリックス α-helix) α L( 左巻きアルファヘリックス left-handedα-helix) β( ベータストランド β-strand) 3 10( スリーテンヘリックス 3 10-helix) π( パイヘリックス ) と示された領域だけが実際にとりうる値である 6 なお β ストランド領域のうち特に φ=180 ψ=180 の場合を特に伸直構造 (extendedstructure) と呼ぶ 5 ペプチド結合 ( ペプチドのCとNの間の共有結合 ) は本来単結合だが CとOの間の2 重結合に関与する電子の一部がペプチド結合に流れ込むため 2 重結合に近い性質をもっているねじれ角 ω は 180 か0 の値をとる傾向が強い (ω のポテンシャル障壁は高いと言う ) しかもほとんどの場合 2つのCα 間の立体障害 ( 原子間の衝突 ) から ω は 180 となる例外的にプロリンの Cと他の何かのアミノ酸のNの間のペプチド結合の ω は0 になる場合があり ( 確率で言うと 1 割くらい?) そのプロリンをシスプロリンと呼ぶ 6 アミノ酸の種類によって原子同士の衝突のぐあいが異なるのでラマチャンドラン図はアミノ酸ごとに微妙に異なる生体分子構造学 3

5 7 表. 各種 2 次構造の典型的な主鎖ねじれ角値 2 次構造 φ ψ α ヘリックスヘリックス π ヘリックス左巻き α ヘリックス平行 β シート逆平行 β シート伸直型 β ターン I -60( 第 i+1 残基 ) -30( 第 i+1 残基 ) β ターン I -90( 第 i+2 残基 ) 0( 第 i+2 残基 ) β ターン I' 60( 第 i+1 残基 ) 30( 第 i+1 残基 ) β ターン I' 90( 第 i+2 残基 ) 0( 第 i+2 残基 ) β ターン II -60( 第 i+1 残基 ) 120( 第 i+1 残基 ) β ターン II 80( 第 i+2 残基 ) 0( 第 i+2 残基 ) β ターン II' 60( 第 i+1 残基 ) -120( 第 i+1 残基 ) β ターン II' -80( 第 i+2 残基 ) 0( 第 i+2 残基 ) γ ターン 70~85-60~-70 インバース γ ターン -70~-85 60~ 次構造の意味については後述生体分子構造学 4

最近の蛋白質立体構造 X 線構造解析電子顕微鏡 NMR の進歩により最近はますます大きな蛋白質複合体の立体構造が進められている例えば図のようなアセチルコリンレセプターなど 20 世紀では想像も出来なかったような巨大分子複合体の原子座標が次々と決定されつつあるその座標は PDB(ProteinDatabank) に保存公開されており様々なグラフィックスソフトユーティリティにより描画

RCSBPDB 日米欧の3カ所にそれぞれ1つずつ PDB のサイトがある米国の RCSBPDB を試しに使用してみよう 1) rcsbpdb を検索して表示する 2)rcsbpdb の左の列の中にある PDB-101 の Moleculeof the Month をクリックしてその中の Acetylcholine Receptor をクリックする 8 そのウィンドウから ReadMore

6 最近の蛋白質立体構造 X 線構造解析電子顕微鏡 NMR の進歩により最近はますます大きな蛋白質複合体の立体構造が進められている例えば図のようなアセチルコリンレセプターなど 20 世紀では想像も出来なかったような巨大分子複合体の原子座標が次々と決定されつつあるその座標は PDB(ProteinDatabank) に保存公開されており様々なグラフィックスソフトユーティリティにより描画解析することができる課題 ( 次週以降 ) 1.RCSBProteinDataBank から, タンパク質構造ファイルを検索する 2. そのうち 1 ファイルをダウンロードして Pymol で表示する 1.RCSBPDB 日米欧の3カ所にそれぞれ1つずつ PDB のサイトがある米国の RCSBPDB を試しに使用してみよう 1) rcsbpdb を検索して表示する 2)rcsbpdb の左の列の中にある PDB-101 の Moleculeof the Month をクリックしてその中の Acetylcholine Receptor をクリックする 8 そのウィンドウから ReadMore を選んで説明を読む 3)rcsbpdb の search 欄に acetylcholinereceptor と入力して最近は多数のアセチルコリンレセプターの構造が決定されていることを確認する 4)rcsbpdb の search 欄に 2bg9 と入力して多数ある構造のうち MoleculeoftheMonth の説明に使用されていた構造 2bg9 を選んで表示する問 1.2bg9 は何本のペプチド鎖から構成されるか?( ペプチド鎖に Aからアルファベット順で名前を付けるとどのように名称が付けられるか? 同じアミノ酸配列のペプチド鎖は何本あるか?) 問 2. アミノ酸配列のどの部分がαヘリックスでどの部分がβストランドか? 8 Acetylcholinesterase と間違えないように生体分子構造学 5

7 蛋白質構造の階層 1 次構造アミノ酸残基の配列のこと 2 次構造 α ヘリックス β シートターンバルジなどペプチド主鎖 9の構造を指す 3 次構造立体構造のこと 4 次構造複数の蛋白質の集合の仕方水素結合 2 次構造は水素結合のトポロジー ( 結合の図式 ) を使って定義されるのでまず水素結合について説明したい水素結合とは O や N などが H を仲介にして形成する相互作用で図のように H と共有結合している原子をドナーそうでない原子をアクセプターとよぶドナーとアクセプターの間の距離 3.2A 以内 H とドナーとアクセプターのなす角 30 以内という条件がしばしば水素結合形成の判断基準とされる水素結合が形成されることによりドナーと H の間の共有結合の距離はかならず伸びるしさらに切断されて H がアクセプターと共有結合しまうこともある βシート主鎖のねじれ各 φとψがどちらも 180 に近いと主鎖の原子たちはおおむね平面上に位置するこの構造を extended structure(φ とψが 180 に等しいとき ) βストランド (φとψがやや 180 からずれたとき ) と言う 2 本の β ストランドが逆平行または平行にならんで主鎖の N と O がストランド間で水素結合を形成した構造を β シートと呼ぶ図. 逆平行 β シート ( 左 ) と平行 β シート ( 右 ) の水素結合逆平行 β シートでは残基 i の N と O が向かいの鎖の残基 j の O と N に水素結合する平行 β シートでは残 9 主鎖とはペプチドの側鎖でない部分を指す生体分子構造学 6

8 基 i の N と O が向かい合った残基 j の隣の残基 j -1 の O と残基 j+1 の N に水素結合する (1 残基分またいでいる ) 図. 逆平行 β シート ( 左 ) と平行 β シート ( 右 ) の水素結合の模式図 (+ は側鎖が紙面より手前 - は側鎖が紙面の奥に向かっている ) βシートの主鎖は完全な平面ではなくヒダができるのが普通なので β pleated sheet と呼ばれることがある右図は逆平行 βシートのヒダを見えやすくした画像である平行 βシートも同様にヒダをもつ図のように βシートにはヘアピン型 ( 左図の左 ) とクロスオーバー型 ( 左図の右 ) という用語があるまた下図のようにクロスオーバーには右巻きと左巻きの 2 種類があり数字と x と+-により表記できる生体分子構造学 7

へリックスヘリックスはアミノ酸残基が水素結合によってつながってできるらせん様の構造であるらせん様の構造としては αへリックス左巻きαへリックス 310 へリックス πヘリックス左巻きαヘリックスがある表. へリックスのパラメータ 2 次構造ピッチリングの大きさ αヘリックス 5.4A 3.6 残基 (13 原子 ) 3 10 へリックス 6.0A 3.

9 へリックスヘリックスはアミノ酸残基が水素結合によってつながってできるらせん様の構造であるらせん様の構造としては αへリックス左巻きαへリックス 310 へリックス πヘリックス左巻きαヘリックスがある表. へリックスのパラメータ 2 次構造ピッチリングの大きさ αヘリックス 5.4A 3.6 残基 (13 原子 ) 3 10 へリックス 6.0A 3.0 残基 (10 原子 ) πヘリックス 5.1A 4.3 残基 (16 原子 ) 左巻きαヘリックス 5.4A 3.6 残基 (13 原子 ) 図. へリックスの構造. 左から順に 3 10 ヘリックス α ヘリックス π ヘリックス図. ヘリックス内の水素結合ターンペプチド鎖が曲がった部分をターン (turn 折れ曲がり構造) と呼ぶ右図はβ ターンである i 残基と i+1 残基の側鎖はどれも紙面手前に向く βターンは I 型 II 型 I 型 II 型に分類される骨格の構造について言うと I 型はI 型の II 型はII 型の鏡像体である下図のように I 型 βターンはi 残基と i+1 残基のカルボニルが紙面向こう側に出ている II 型 βターンはi 残基のカルボニルが紙面向こう側に i+1 残基のカルボニルが紙面から手前に出ている I' 型 βターンは i 残基と i+1 残基のカルボニルが紙面から手前に出ている II' 型 βターンはi 残基のカルボニルが紙面から手前に i+1 残基のカルボニルが紙面向こう側に出ている生体分子構造学 8

10 図. 左から順に I 型 β ターン II 型 β ターン I' 型 β ターン II' 型 β ターン出現確率は I 型が一番多く I > II > II' > I' の順で小さくなる I 型以外は側鎖と主鎖の立体障害 ( 原子の衝突 ) のため 2つの残基のどちらかがグリシンなのが普通である βターン以外にも γターンインバースγターンなどがある下図のように γターンはβターンより残基が1つ少ないインバースγターンはγターンの鏡像体である特に i+1 残基のCαの向きが異なる水素結合はβターンより弱い図.γ ターン ( 左 ) とインバース γ ターン ( 右 ) 生体分子構造学 9

バルジ図のように βシートの中で1つのβストランドに余分に残基が挿入されて飛び出てしまった部分をバルジ (βバルジ bulge 突出構造) と呼ぶ βシートのイボのようなものであるクラシックバルジ G1バルジワイド (wide-type) バルジの3つが主要なものである βバルジが関係してループを作ることがある 10 10 クラシックバルジは接近した2 本の反平行

11 バルジ図のように βシートの中で1つのβストランドに余分に残基が挿入されて飛び出てしまった部分をバルジ (βバルジ bulge 突出構造) と呼ぶ βシートのイボのようなものであるクラシックバルジ G1バルジワイド (wide-type) バルジの3つが主要なものである βバルジが関係してループを作ることがあるクラシックバルジは接近した2 本の反平行 βストランドの中で作られる残基 1はαヘリックス構造残基 2と残基 Xは通常のβシート構造である G1バルジは接近した2 本の反平行 βストランド残基 1は左巻きαヘリックスの構造に近く立体障害のためグリシンであることが多く G1バルジというワイドバルジは少し離れた2 本の反平行 βストランドで作られ水素結合がはずれている感覚が広い主鎖の構造はさまざまである生体分子構造学 10

スライド 1

スライド 1 タンパク質 ( 生化学 1) 平成 29 年 4 月 20 日病態生化学分野分子酵素化学分野教授山縣和也生化学 1のスケジュール 4 月 20 日講義開始 6 月 1 日中間試験 9 月 25 日生化学 1 試験講義日程内容は一部変更があります講義資料 ( 山縣吉澤分 ): 熊本大学病態生化学で検索 ID: Biochem2 パスワード :76TgFD3Xc 生化学 1 の合否判定は