ポリペプチド
n, plural: polypeptides
Definition: ペプチド結合によって結合されたアミノ酸のポリマー。 Image credit: CNX OpenStax
目次
ポリペプチドの定義 生物学
ポリペプチドとは何ですか？ ポリペプチドはアミノ酸がペプチド結合で結合したポリマーと定義される（図1）
より大きなポリペプチドや、2つ以上のポリペプチドが一緒に発生するものはタンパク質と呼ばれる。 タンパク質はアミノ酸のポリマーであり、しばしば小分子（リガンド、補酵素など）、他のタンパク質、あるいは他の高分子（DNA、RNAなど）と結合する。したがって、タンパク質の構成要素はアミノ酸と呼ばれる。 タンパク質は、筋肉、骨、髪、爪の構成要素として機能するほか、酵素、抗体、筋肉、結合組織などを形成し、生物学において重要な役割を担っています。 ペプチドはアミノ酸の短い鎖（2本以上）であるため、はるかに長いポリペプチドとは区別されます。
ポリペプチド構造
生物が作り出すポリマーをバイオポリマーと呼びます。 生体高分子には大きく分けて4つのクラスがある。 (1）多糖類、（2）ポリペプチド、（3）ポリヌクレオチド、（4）脂肪酸の4つです。 アミノ酸から構成される高分子は？ ポリペプチドは、アミノ酸がペプチド結合でつながった枝分かれしていない鎖です。 ペプチド結合は、あるアミノ酸のカルボキシル基と次のアミノ酸のアミン基を結びつけ、アミドを形成している。 ペプチドとは？ 短いポリペプチドは、それを構成するモノマーアミノ酸の数によって名前が付けられることがある。 例えば、2つのアミノ酸のサブユニットからなるペプチドをジペプチド、3つのアミノ酸のサブユニットからなるペプチドをトリペプチド、4つのアミノ酸のサブユニットからなるペプチドをテトラペプチドという。
アミノ酸の定義 生物学
ポリペプチドを構成するアミノ酸は、アルカリのアミノ基（-NH2）、酸性のカルボキシル基（-COOH）、R基（側鎖）を持っています。 R基は構成要素が可変であり、すべてのアミノ酸に固有のものである。 各アミノ酸分子は炭素原子（α-炭素）を含む。 ほとんどの場合、α-炭素にアミノ基とカルボキシル基が結合している（図2）。
ペプチド結合の定義
ペプチド結合（アミノ酸結合）とはアミノ酸間の結合のことである。 これは長いポリペプチド鎖の一次構造を形成する。 タンパク質は、1つまたは複数のポリペプチドが相互作用して、最終的に安定した作業コンフォメーションが形成されたものである。 アミノ酸の構造。 Credit: Scott Henry Maxwell – (diagram), CC BY-SA 4.0
アミノ酸には、α-アミノ酸とβ-アミノ酸があります。 カルボキシル基とアミノ基の両方が中心炭素に結合している場合は、α-アミノ酸と呼ばれます。 β-アミノ酸は、カルボキシル基とアミノ基が別の炭素分子に結合している。 図3にα-アミノ酸とβ-アミノ酸の例を示す。
真核生物がタンパク質の生成（タンパク質合成）に用いるアミノ酸は、21種類あります。 いずれも側鎖の違いによって異なる。 ヒトをはじめとする脊椎動物は、このうち12種類を作ることができ、これを非必須アミノ酸と呼んでいる。 残りの9種類のアミノ酸は、体内で作ることができず、他の生物によって作られるため、摂取する必要があります。 4528>
最近まで、アミノ酸のリストは20種類で構成されていました。 しかし、1986年に21番目のアミノ酸として、セレノシステインが追加されました。 セレノシステインは、細菌やヒトのまれにあるタンパク質に含まれています。 さらに最近になって、ピロリジンを22番目のアミノ酸とすることが提案された。 しかし、ピロリジンはヒトのタンパク質合成には利用されていない。 表1に必須アミノ酸と非必須アミノ酸の一覧を示す。 図4は、21種類のアミノ酸の構造を示している。
| 必須アミノ酸 | 非必須アミノ酸 |
|---|---|
| Phenylalanine | Arginine |
| Valine | AsparticAd |
| スレオニン | グルタミン酸 |
| トリプトファン | セリン |
| イソロイシン | アスパラギン |
| メチオニン グルタミン | |
| ロイシン | システイン |
| ヒスチジンセレノシステイン | |
| リジン | グリシン |
| プロリン | |
| アラニン | |
ポリペプチドの形成
R基側鎖の変動は、アミノ酸分子の化学性を変化させる。 ほとんどのアミノ酸の側鎖は非極性（プラスとマイナスの極をもたない）である。 また、正または負に帯電した側鎖を持つものもある。 また、極性を持つが電荷を持たない側鎖を持つものもある。 側鎖の化学的性質は、最終的なタンパク質構造を形成するときに、アミノ酸がどのように結合するかに影響を与えます。 側鎖が疎水性である場合、それらはファンデルワールス相互作用で結合することができます。 極性のあるアミノ酸は水素結合で結合できる。 したがって、アミノ酸の長い鎖の側鎖の相互作用と、その鎖の中での順序が、タンパク質分子がどのように形成されるか、すなわち、どこで折り畳まれるかを決定するのである。 アミノ酸間のさまざまな結合や相互作用に関する詳細は、このセクションで後述します。
タンパク質には、一次構造、二次構造、三次構造、四次構造という4つのレベルの構造があります。 一次構造
ポリペプチドの配列とは？ 簡単に言えば、ポリペプチドはアミノ酸の鎖である。 タンパク質の一次構造は、アミノ酸の間でペプチド結合が形成され、ペプチドができるところから始まります
ペプチド結合とは何ですか？ ペプチド結合は、あるアミノ酸のα-カルボキシル基と別のアミノ酸のα-アミノ基の間に存在します。 このため、ポリペプチド鎖から側鎖が伸びた安定な二次元構造が形成される。 これにより、側鎖は他の分子と相互作用することができる。 このように、より小さなユニットを結合してより長いポリマーを作ることを重合という。 ペプチド結合はどのように形成されるのか？ 2つのアミノ酸が結合する反応は、縮合反応である。 これは、1つのアミノ酸のカルボキシル基から水素と酸素の分子が失われ、もう1つのアミノ酸のアミノ基から水素分子が失われるからである。 このとき水分子（H2O）が生成されるので、縮合反応と呼ばれるようになった。 ペプチド結合の形成 Credit: SnappyGoat.com
2. 二次構造
二次構造は、ポリペプチドの骨格にある原子（これは側鎖を含まない）間に水素結合が生じたときに形成される。 水素結合による折り畳みの繰り返しから生じる一般的なパターンとして、α-ヘリックスとβ-プリーツシートがあります。α-ヘリックス二次構造では、コイルは右巻きで、水素結合は4番目のアミノ酸ごとに見つかります。 このタンパク質は髪や爪に含まれています。
β-プリーツシートは、他の一般的な二次構造です。 これは、2本のポリペプチド鎖が互いに隣り合って、その間に水素結合が形成されるときに起こる。 このβプリーツシートには、平行βプリーツシートと反平行βプリーツシートの2種類がある。 ポリペプチドの末端には、カルボキシル基かアミノ基のどちらかがある。 反平行βプリーツシートでは、ポリペプチドは異なる方向に走っている。 図6は、反平行βプリーツシートとαヘリックスを示したものである。 反平行β-プリーツシートとα-ヘリックス。 Credit: Thomas Shafee – (diagram), CC BY-SA 4.0
あまり知られていない二次構造として、β-バレルが挙げられます。 この場合、ポリペプチドは互いに反平行に走りますが、さらに、最初と最後のアミノ酸の間に水素結合がある樽型に巻かれています（図 7）。 Credit: Plee579 – (diagram), CC BY-SA 3.0
アミノ酸の水素結合は弱いですが、すべての水素結合が結合することで構造が安定し、形状を保つことができます。
第3次構造
ポリペプチドの第3次構造は、3次元構造として定義されます。 タンパク質は一次配列の側鎖（R基）相互作用の結果、さらに折りたたみを開始する。 これは、疎水性結合、水素結合、イオン結合、ジスルフィド結合、およびファンデルワールス相互作用を介する。
- 疎水性結合：非極性である側鎖と疎水性基が一緒になっている。
- 水素結合 – 電気的に負の原子と、すでに電気的に負の原子に結合している水素原子の間に発生する。 共有結合やイオン結合よりは弱いが、ファンデルワールス相互作用よりは強い。
- イオン結合 – 正電荷のイオンが負電荷のイオンと結合を形成するものである。
- ファンデルワールス相互作用-近接した原子や分子間の電気的相互作用のことで、水が排除されたタンパク質内部ではこの結合がより強くなる。 この相互作用は弱いですが、タンパク質にこの相互作用が多数存在すると、強度が増します。
- ジスルフィド結合-これは共有結合の一種で、タンパク質に見られる最も強い結合です。 2つのシステイン残基が酸化され、硫黄-硫黄の共有結合になる。 真核生物の合成されたタンパク質のほぼ3分の1がジスルフィド結合を含んでいる。 これらの結合はタンパク質に安定性を与えている。 図8は、タンパク質の三次構造に関与するさまざまな結合を示したものである
4.タンパク質の三次構造。 第四次構造
第四次構造では、ポリペプチドの鎖が互いに作用し始める。 これらのタンパク質サブユニットは、水素結合とファンデルワールス相互作用を介して結合する。 その配置によって、最終的なタンパク質の特異的な機能性が実現される。 コンフォメーションが変化すると、生物学的作用が損なわれる可能性がある。 ヘモグロビンは、4次構造を持つタンパク質の一例である。 すべてのタンパク質が四次構造ではなく、多くのタンパク質が最終的な構造として三次構造を持っていることは注目に値します。 ポリペプチドという言葉は、タンパク質という言葉と同じように使われることがあります。 しかし、タンパク質は1本以上のポリペプチド鎖から構成されていることがあるので、すべてのタンパク質にポリペプチドという言葉を使うのは必ずしも正しいとは言えません。 タンパク質の形成 Credit: Biochemlife – (diagram), CC BY-SA 4.0
Polypeptide Functions with Examples
ポリペプチドとその結果のタンパク質は体の至る所に存在する。 ポリペプチドの機能とは何でしょうか。 ポリペプチドの役割は、アミノ酸の含有量に依存します。 アミノ酸は20種類以上あり、ポリペプチドの平均的な長さは約300アミノ酸である。 これらのアミノ酸は、任意の配列で並べることができる。 このため、膨大な数のタンパク質のバリエーションが考えられます。 しかし、これらのタンパク質がすべて安定した立体構造をとるとは限らない。
ポリペプチドの例にはどのようなものがありますか。
トランスポーター
タンパク質トランスポーターとペプチドトランスポーターがあります。 ペプチドトランスポーターはペプチドトランスポーターファミリー（PTR）に含まれる。 その機能は、細胞内で膜タンパク質として働き、小さなペプチド（ジまたはトリペプチド）を取り込むことである。 ペプチドトランスポーターには、大きく分けてPEPT1とPEPT2の2種類があります。 PEPT1 は腸の細胞に存在し、ジ、トリペプチドの取り込みを助ける。 一方、PEPT2は主に腎臓の細胞に存在し、ジ、トリペプチドの再吸収を助ける。
酵素
ポリペプチドは酵素も構成している。 酵素は生化学的反応を開始（触媒）したり、促進したりする。 酵素は、分子の合成と分解を助ける生体分子である。 すべての生物は酵素を使用しており、酵素は私たちの生存に不可欠なものです。 酵素は、生命体において約4000種類の生化学反応を触媒すると考えられています。 すべての酵素は、末尾に-aseを付けて命名されています。 酵素には、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、リアーゼ、異性化酵素、リガーゼの6つの機能グループがあります。 例えば、ラクターゼは、ラクトース（乳糖）をガラクトースとグルコースの単量体に加水分解（水との分解反応）させるヒドロラーゼである（図10）。 ラクターゼは、ヒトや動物に存在し、乳の消化を助ける働きを持つ。 また、一部の微生物にも含まれている。
ホルモン
ホルモンには、ステロイド系のものとペプチド系のものがある。 ポリペプチドやタンパク質のホルモンは、数個のアミノ酸からなるものもあれば、大きなタンパク質のものもあり、その大きさは様々です。 細胞内では粗面小胞体で作られ、ゴルジ体に移動します。
インスリンはタンパク質ホルモンの一例である。 膵臓のβ細胞がこのホルモンを合成しています。 インスリンは、血液中の余分なブドウ糖を取り除き、後で使用するために貯蔵することで、体の血糖値を調節します（図11）
Structural Support
Finally, structural proteins provide shape and support to living organisms. たとえば、細胞壁で支持を提供することがあります。 また、結合組織、筋肉、骨、軟骨にも存在する。 アクチンは、細胞内に存在する構造タンパク質の一例である。 真核細胞で最も多く見られるタンパク質である。 筋肉細胞では、筋肉の収縮をサポートするのに役立っている。 また、細胞の細胞骨格を形成し、細胞の形状を保つのを助けている。 さらに、アクチンは細胞分裂、細胞シグナル伝達、オルガネラの動きに関与しています。
- Bock, A.ら (1991). セレノシステイン。 21番目のアミノ酸. モレキュラーバイオロジー． 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
- Alberts B, Johnson A, Lewis J、他(2002). タンパク質の形と構造． 細胞の分子生物学. 第4版。 New York: ガーランド・サイエンス https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26830/#:~:text=Since%20each%20of%20the%2020,chain%20n%20amino%20acids%20long.
- Candotti, F. Peptide.の項参照。 国立ヒトゲノム研究所。 https://www.genome.gov/genetics-glossary/Peptide
- Clark, D. P., Pazdernik, N.J., McGehee. M.R. (2019). タンパク質の合成 分子生物学、アカデミックセル、第3版。 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
- Essentials of Cell Biology. (2014). タンパク質の機能は三次元構造で決まる． https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
- Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020年). 生化学・必須アミノ酸. スタットパールズ トレジャーアイランド（フロリダ州）. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
- Maloy, S. (2013)． アミノ酸. ブレナーズ・エンサイクロペディア・オブ・ジェネティックス（第2版），アカデミック・プレス． 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
- Nelson, D. (2018). 体内にはどれくらいのアミノ酸があるのか-必須と非必須-． サイエンス・トレンド How Many Amino Acids Are in The Body: Essential and Non-Essential｜Science Trends.
- Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015)． アミノ酸・ペプチド・タンパク質． プリンシプル・オブ・オーガニック・ケミストリー. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
- Patel, A.K., Singhania, R.R., Pandey, A. (2017). 微生物酵素の生産・精製・応用． 微生物酵素のバイオテクノロジー. Academic Press (2) 13-41. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803725-6.00002-9
- Pelley, J.W. (2007). タンパク質の構造と機能． エルゼビア社「インテグレーテッド・バイオケミストリー」。 モスビー 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
- Rajpal, G., Arvan, P. (2013). ジスルフィド結合の形成。 ハンドブック・オブ・バイオロジカル・アクティブ・ペプチド（第2版）. 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
- Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020).を参照。 生化学、タンパク質の二次構造. スタットパールズ トレジャーアイランド（フロリダ州）。 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
- Taylor, P.M. (2016). タンパク質代謝におけるアミノ酸トランスポーターの役割． アミノ酸とタンパク質の分子栄養学，Academic Press． 5 (49-64). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802167-5.00005-0