タンパク質

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それらの多くの機能を考えると、タンパク質がなければ生命はあり得ないので、タンパク質は「生物学的世界」の最初の場所に置くことができる。

タンパク質の元素分析は以下の平均値を与える：５５％の炭素、７％の水素および１６％の窒素。タンパク質が互いに異なることは明らかであるが、それらの平均元素組成は上記の値からほとんど逸脱していない。

構成的には、タンパク質は天然のα-アミノ酸から形成された高分子である。アミノ酸は、α−アミノ酸のアミノ基と他のα−アミノ酸のカルボキシルとの間の反応によって確立されるアミド結合を介して結合する。この結合（-CO-NH-）は、ペプチド（アミノ酸の組み合わせ）に結合するため、ペプチド結合とも呼ばれます。

それが２つのアミノ酸によって形成されるので、得られたものはジペプチドである。ジペプチドは一方の端に遊離アミノ基（ＮＨ２）および他方の端にカルボキシル（ＣＯＯＨ）を含むので、上記と同じ反応で、１つまたは複数のアミノ酸と反応し、右および左の両方から鎖を伸ばすことができる。

一連の反応（いずれにせよ、それほど単純ではありません）は、無限に続くことがあります。 ポリペプチドまたはタンパク質と呼ばれるポリマーが存在するまでです。ペプチドとタンパク質の違いは分子量に関連しています。通常、10, 000を超える分子量ではタンパク質と呼ばれます。

最近ではアミノ酸からタンパク質を製造するための優れた結果をもたらす自動化方法が開発されたが、小さいタンパク質でさえも得るためにアミノ酸を一緒に結合することは困難な操作である。

したがって、最も単純なタンパク質は2つのアミノ酸で構成されています。国際的な慣例により、タンパク質構造内のアミノ酸の番号付けは、遊離のα-アミノ基を持つアミノ酸から始まります。

タンパク質構造

タンパク質分子は、最大で4つの異なる組織を見ることができるように形作られています：それらは一般的に区別され、一次構造、二次構造、三次構造、そして四次構造です。

一次構造および二次構造はタンパク質にとって必須であり、一方、三次構造および四次構造は「アクセサリー」である（全てのタンパク質がそれらを装備できるわけではないという意味で）。

一次構造は、タンパク質鎖中のアミノ酸の数、種類および配列によって決定される。したがって、無視できない化学的問題に遭遇する、タンパク質を構成するアミノ酸の順序付けられた配列を決定すること（これを知ることはこのタンパク質をコード化するＤＮＡ塩基の正確な配列を知ることを意味する）が必要である。

エドマン分解によりアミノ酸の規則正しい配列を決定することが可能であった。タンパク質はフェニルイソチオシアネート（ＦＩＴＣ）と反応する。最初にα－アミノ窒素のダブレットがフェニルイソチオシアネートを攻撃してチオカルバミル誘導体を形成する。続いて、得られた生成物は環化して蛍光性のフェニルチオイダントイン誘導体を与える。

エドマンは、分解のためのパラメータ（時間、試薬、pHなど）を自動的に調整し、タンパク質の一次構造を提供するシーケンサと呼ばれる装置を考案しました（これに関して彼はノーベル賞を受賞しました）。

一次構造は、タンパク質分子の特性を完全に解釈するのに十分ではありません。これらの特性は、本質的に、タンパク質の分子がとる傾向があり、様々な方法で曲がる傾向があるということ、すなわち、タンパク質の二次構造として定義されているものを想定していると考えられる。タンパク質の二次構造はトレモラブルであり、すなわちそれは加熱により廃棄する傾向がある。それからタンパク質は変性し、それらの特徴的な特性の多くを失う。 70℃以上に加熱することに加えて、変性はまた照射または試薬（例えば強酸）の作用によっても引き起こされ得る。

熱効果によるタンパク質の変性は、例えば卵白を加熱することによって観察される：それはそのゼラチン状の外観を失いそして不溶性の白色物質に変わるのが見られる。しかしながら、タンパク質の変性はそれらの二次構造の破壊をもたらすが、一次構造（様々なアミノ酸の連結）は変化しないままである。

タンパク質は、それらの鎖が、二次構造の折り畳みにもかかわらず依然として柔軟ではあるが、立体形状のねじれた三次元配置を作り出すように折り畳まれるときに三次構造を帯びる。分子に沿って散在するシステイン−ＳＨ間に確立され得るジスルフィド結合は、主に三次構造の原因である。

一方、四次構造は、２つ以上のサブユニットによって形成されたタンパク質についてのみ競合する。例えば、ヘモグロビンは、球形の構造を生じるように四面体の頂点に位置する二対のタンパク質（すなわち、四つのタンパク質鎖の全てにおいて）からなる。４本のタンパク質鎖は、共有結合ではなくイオン力によって一緒に保持されている。

四次構造の他の例はインスリンの構造であり、これは中心に２つの亜鉛原子が位置する三角形の頂点に対になって配置された６つものタンパク質サブユニットからなるように見える。

タンパク質繊維：それらは特定の剛性を有し、他のものよりもはるかに長い軸を有するタンパク質である。自然界で最も豊富な繊維状タンパク質はコラーゲン（またはコラーゲン）です。

繊維状タンパク質はいくつかの二次構造をとることができる：α－ヘリックス、β－リーフレット、そしてコラーゲンの場合には三重らせん。 α－ヘリックスが最も安定な構造であり、次いでβ－リーフレットがそれに続く。一方、３つのうち最も安定性が低いのは三重らせんである。

αヘリックス

プロペラは、主骨格に沿って（下から上に向かって）右回りのねじのねじ込みに類似した動きが行われると右回りであると言われる。その動きが左利きのねじのねじ込みに類似しているならプロペラは左手のものですが。右側のα－ヘリックスでは、アミノ酸の－Ｒ置換基はタンパク質の主軸に垂直で外側を向いているが、左側ではα－ヘリックスは置換基－Ｒが内側を向いている。右手のαヘリックスは左手のものよりも安定しています。バット-Rの間には相互作用が少なく立体障害が少ないからです。タンパク質中に見いだされる全てのα－へリックスは右旋性である。

α－ヘリックスの構造は、各アミノ酸のカルボキシル基（－Ｃ＝Ｏ）と後の４残基であるアミノ基（－ＮＨ）との間に形成される水素結合（水素架橋）によって安定化される。線形シーケンス

αヘリックス構造を有するタンパク質の例は、毛髪ケラチンである。

βシート

β－リーフレット構造において、水素結合は、異なるが平行なポリペプチド鎖に属するアミノ酸間、または互いに数値的に離れているが逆平行方向に流れる同じタンパク質のアミノ酸間で形成され得る。しかしながら、水素結合は、α－へリックス形態を安定化させるものよりも弱い。

β尖構造の例は、絹フィブリンである（それはクモの巣にも見られる）。

αヘリックス構造を拡張することによって、αヘリックスからβリーフレットへの移行が行われる。また、熱または機械的応力によって、αヘリックス構造からβシート構造への通過が可能になる。

通常、タンパク質内では、タンパク質の部分間の水素結合を確立することができるので、β－リーフレット構造は互いに接近している。

繊維状タンパク質では、タンパク質構造の大部分がαヘリックスまたはβリーフレットとして組織化されている。

球状タンパク質：それらは（ポリペプチド鎖の方向の多数の変化のために）ほぼ球形の空間構造を有する。ある部分はαへリックスまたはβリーフレット構造にさかのぼることができ、他の部分はその代わりにこれらの形態に起因するものではない：配置はランダムではなく組織的で反復的である。

これまでに言及されたタンパク質は、完全に均一な構成の物質である。すなわち、組み合わされたアミノ酸の純粋な配列。これらのタンパク質は単純と呼ばれています。結合タンパク質と呼ばれるタンパク質部分と非タンパク質部分（前立腺群）からなるタンパク質があります。

コラーゲン

それは本質的に最も豊富なタンパク質である：それは眼の骨、爪、角膜および水晶体、いくつかの臓器（例えば肝臓）などの間質腔の間に存在する。

その構造はそれに特定の機械的能力を与えます。それは、それが実行しなければならない機能に依存して、高い弾性（例えば腱における）または高い剛性（例えば骨における）と関連する大きな機械的抵抗を有する。

コラーゲンの最も興味をそそる特性の１つはその構成上の単純さである：それはプロリンにより約３０％そしてグリシンにより約３０％形成される。他の18個のアミノ酸は、タンパク質構造の残りの40％だけを分けなければなりません。コラーゲンのアミノ酸配列は非常に規則的です：3残基ごとに、3番目はグリシンです。

プロリンは、 R基がα-アミノ窒素に結合している環状アミノ酸であり、これによりある程度の剛性が得られる。

最終的な構造はらせんの形をした反復鎖です。コラーゲン鎖内では、水素結合は存在しない。コラーゲンは、αヘリックスよりも大きいステップ（ヘリックスの回転に対応する長さ）を有する左側のヘリックスである。コラーゲンのらせんは非常に緩いので、3本のタンパク質鎖がそれらの間をラップして1本のロープを形成することができます：三重らせん構造。

しかしながら、コラーゲンの三重らせんは、α－らせん構造およびβ－リーフレット構造の両方よりも安定性が低い。

コラーゲンが生成されるメカニズムを見てみましょう。例えば、血管の破裂を考えてみましょう。この破裂は血管を閉じるために無数のシグナルを伴い、それによって血栓が形成されます。 凝固には少なくとも30の特殊な酵素が必要です。凝血塊の後は、組織の修復を続ける必要があります。創傷に近い細胞もコラーゲンを産生します。これを行うためには、まず遺伝子の発現が誘導される。すなわち、遺伝子の情報から始まる生物はタンパク質を産生することができる（遺伝情報は遺伝子に由来するmRNAに転写される）。遺伝情報が蛋白質に翻訳される細胞質の核そしてそしてリボソームに達する）。それからコラーゲンはリボソーム中で合成され（それは約１２００アミノ酸からなる分子量約１５００００ｄの左らせんのように見える）そして次にそれが後修飾をすることができる酵素の基質となる内腔に蓄積する。 - 伝統的（mRNAによって翻訳された言語変更）。コラーゲンでは、これらの修飾はいくつかの側鎖、特にプロリンおよびリジンの酸化からなる。

これらの修飾をもたらす酵素の失敗は壊血病を引き起こします：それは、最初に血管の破裂、それに続いて腸間の出血と死を引き起こすことができる歯の破裂を引き起こす病気です。それは長寿命食品の継続的な使用によって引き起こされる可能性があります。

その後、他の酵素の作用により、プロリンおよびリジンのヒドロキシル基のグリコシド化からなる他の修飾が起こる（糖はＯＨによって酸素に結合する）。これらの酵素は内腔以外の領域に見られるため、タンパク質は修飾を受けながらも、小胞体内を移動して最終的に嚢（小胞）になり格子から離れるようになります。グリコシド化プロコラーゲンモノマー。後者はゴルジ体に到達し、そこで特定の酵素がグリコシド化プロコラーゲンのカルボキシ部分に存在するシステインを認識し、そして異なる鎖を互いに接近させそしてジスルフィド架橋を形成させる。グリコシド化されたコラーゲンは互いに結合し、そしてこれが相互侵入し、次いで自発的に三重らせんを生じる三本鎖の出発点である。互いに結合した３つのグリシドキシド化プロコラーゲン鎖が到達し、次いでそれ自体が窒息してゴルジ装置からそれ自体を切り離し、３つの鎖を原形質膜との融合を通じて細胞周辺に向かって輸送する。トリメトロは細胞から排出されます。

余分な細胞空間には、細胞から排出された種からカルボキシ末端側にそれぞれ300個のアミノ酸からなる3個の断片（各ヘリックスに1個）と3個の断片（それぞれに1個）のプロコラーゲンペプチダーゼがある。アミノ末端部分からそれぞれ約１００アミノ酸のヘリックス）： トロポコラーゲンとして知られるヘリックスの約８００アミノ酸からなる三重らせんが残る。

トロポコラーゲンはかなり硬い棒のような外観をしています。異なる三量体は共有結合と結合してより大きな構造を与える： ミクロフィブリル 。ミクロフィブリルでは、様々な三量体が千鳥状に配置されている。非常に多くのミクロフィブリルがトロポコラーゲンコラーゲンです。

骨の中には、コラーゲン繊維の中に、硫酸カルシウムと硫酸マグネシウムおよびリン酸塩が沈着する間隙があります。これらの塩もまたすべての繊維を覆います。これにより骨が硬くなります。

腱では、間質腔は骨よりも結晶が豊富ではないが、トロポコラーゲンと比較してより小さなタンパク質が存在する：これは腱に弾力性を与える。

骨粗鬆症はカルシウムとマグネシウムの欠乏によって引き起こされる病気で、トロポコラーゲン線維の間質領域に塩を固定することを不可能にします。