にじ‐こうぞう〔‐コウザウ〕【二次構造】
二次構造
二次構造
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/12/22 08:53 UTC 版)
二次構造（にじこうぞう、英: Secondary structure）は、タンパク質や核酸といった生体高分子の主鎖の部分的な立体構造のことである。本項ではタンパク質の二次構造を扱う。
タンパク質の二次構造は、タンパク質の「局所区分」の3次元構造である。最も一般的な2種類の二次構造要素はαヘリックスとβシートであるが、βターンやωループも見られる。二次構造要素は通常、タンパク質が三次構造へと折り畳まれる前の中間状態として自発的に形成される。
二次構造はペプチド主鎖中のアミド水素原子とカルボニル酸素原子との間の水素結合のパターンによって形式的に定義される。二次構造は別法として、正しい水素結合を持っているかどうかにかかわらず、ラマチャンドラン・プロットの特定の領域における主鎖の二面角の規則的なパターンに基づいて定義することもできる。
二次構造の概念は1952年にスタンフォード大学のカイ・ウルリク・リンデルストロム＝ラングによって初めて発表された[1][2]。核酸といったその他の生体高分子も特徴的な二次構造を有する。
種類
| 幾何配置の特性 | αヘリックス | 310ヘリックス | πヘリックス |
|---|---|---|---|
| 回転毎の残基 | 3.6 | 3.0 | 4.4 |
| 残基毎の並進 | 1.5 Å (0.15 nm) | 2.0 Å (0.20 nm) | 1.1 Å (0.11 nm) |
| らせんの半径 | 2.3 Å (0.23 nm) | 1.9 Å (0.19 nm) | 2.8 Å (0.28 nm) |
| 間隔幅 | 5.4 Å (0.54 nm) | 6.0 Å (0.60 nm) | 4.8 Å (0.48 nm) |
最も一般的な二次構造はαヘリックスとβシートである。310ヘリックスおよびπヘリックスといったその他のらせんはエネルギー的に好ましい水素結合パターンを持つと計算されるが、ヘリックスの中心における不利な主鎖の詰め込みのためαヘリックスの末端を除いては天然のタンパク質ではめったに見られない。ポリプロリンヘリックスおよびαシートといったその他の伸長構造は天然状態のタンパク質では希であるが、タンパク質の折り畳みの重要な中間体としてしばしば仮定されている。締まったターンと緩く柔軟なループはより「常連」の二次構造要素を繋ぐ。ランダムコイルは真の二次構造ではないが、正規の二次構造の欠如を示すコンホメーションの一分類である。
アミノ酸は様々な二次構造要素を構成する能力にそれぞれ違いがある。プロリンおよびグリシンはαヘリックス主鎖の規則性を混乱させるため「ヘリックスブレイカー」と呼ばれることがある。しかしながら、どちらのアミノ酸も特有の立体配座能を有しており、ターン中でよく見られる。タンパク質中でらせん配座を取りやすいアミノ酸には、メチオニン、アラニン、ロイシン、グルタミン、リシンがある（アミノ酸の1文字表記で "MALEK"）。対照的に、大きな芳香族残基（トリプトファン、チロシン、フェニルアラニン）およびCβ-分岐アミノ酸（イソロイシン、バリン、スレオニン）はβ鎖配座を取りやすい。しかしながら、これらの傾向は、配列のみから二次構造を予測する信頼性のある手法を確立できるほど強いわけではない。
低周波集団振動はタンパク質内の局部剛性に敏感であると考えられており、β構造はα構造あるいは不規則タンパク質よりも一般的に剛直であることが明らかにされている[4][5]。中性子散乱測定は~1 THzのスペクトル特性をβバレルタンパク質GFPの二次構造の集団運動を直接的に結び付けた[6]。
二次構造中の水素結合パターンは大きくゆがんでおり、これが二次構造の自動的な決定を困難にしている。タンパク質二次構造を形式的に決定する手法はいくつか存在する（例: DSSP[7]、DEFINE[8]、STRIDE[9]、ScrewFit[10]、SST[11][12]）。
DSSP分類
The Dictionary of Protein Secondary Structure（略称DSSP）は、一文字表記を使ってタンパク質二次構造を記述するために一般的に用いられている。二次構造は1951年（タンパク質構造が実験的に決定されるよりも前）にポーリングらによって提唱された水素結合パターンに基づいて割り当てられる。DSSPが定義する8種類の二次構造は以下の通りである。
- G = 3-ターンヘリックス（310ヘリックス）。最小長は3残基。
- H = 4-ターンヘリックス（αヘリックス）。最小長は4残基。
- I = 5-ターンヘリックス（πヘリックス）。最小長は5残基。
- T = 水素結合したターン（3、4、5ターン）
- E = 平行あるいは逆平行βシート配座の伸長鎖。最小長は2残基。
- B = 孤立したβブリッジ（単一ペアのβシート性水素結合形成）残基
- S = ベンド（唯一、水素結合に基づかない割り当て）
- C = コイル（上記のいずれにも該当しない残基）
「コイル」はしばしば ' '（空白）、C (coil)、または '–'（ダッシュ）と表記される。ヘリックス（G、H、I）およびシート配座は全て妥当な長さを持つことを必要とする。これは、タンパク質構造中の2つの隣接した残基同じ水素結合パターンを形成しなければならないことを意味する。ヘリックス性またはシート性水素結合パターンが短かすぎる場合は、それぞれTまたはBと指定される。その他にも二次構造のカテゴリーは存在するが（鋭いターン、ωループ等）、めったに使われない。
二次構造は水素結合によって定義されるため、水素結合の厳密な定義が決定的に重要な意味を持つ。二次構造に関する標準的な水素結合の定義はDSSPの定義であり、これは純粋に静電的なモデルである。DSSPはカルボニル炭素と酸素にそれぞれ±q1 ≈ 0.42eの電荷を、アミド水素と窒素にそれぞれ±q2 ≈ 0.20eの電荷を割り当てる。静電エネルギーは
trans-ペプチド結合構造。長さの単位はÅ
1930-40年代、ライナス・ポーリングとロバート・コリーはポリペプチド鎖内においてアミノ酸やペプチド結合がどのような形状をしているのかを調べるためX線構造解析を行い、右図のような平面構造を取っていることを突き止めた。ペプチドのC-N結合はCα-N結合より0.13 Å短く、C=O結合がアルデヒドやケトンのC=Oよりも0.02 Å短い事から次のように共鳴していると考えられている。
ペプチド結合の共鳴エネルギーは平面のとき最大値（約85 kJ/mol）をとり、平面から90° ねじれると共鳴エネルギーはゼロとなることからも平面構造が非常に強いことが分かる。ペプチド結合は普通トランス型をとり、隣接するCα同士は点対称の関係になる。シス型をとった場合、立体障害のためトランス型より約8 kJ/molだけ不安定になる。しかし、プロリンの手前のペプチドでは少しだけ安定化する。このためプロリンの手前のペプチドの約10%はシス型をとっている。
ポリペプチド主鎖の二面角
ポリペプチド鎖は平面構造のペプチド結合が繋がっている。したがって、ポリペプチドの構造はそのペプチド結合面同士の二面角（ねじれ角）で表すことができ、Cα-N結合角はφ、Cα-C結合角はψで、それぞれの角度はCαから見て時計回りに回ると値が大きくなると決めている。二面角とφ、そしてψは立体障害のために様々な制約を受ける。
ラマチャンドランダイアグラム
ラマチャンドランダイアグラム、ラマチャンドランプロット、またはラマチャンドランマップとは、φ、ψ値、各原子間距離の計算によって立体的に許容されるペプチドの構造の範囲を図示したものである。
| 二次構造 | φ（°） | ψ（°） |
|---|---|---|
| 右巻きαヘリックス | -57 | -47 |
| 平行β構造 | -119 | 113 |
| 逆平行β構造 | -139 | 135 |
| 右巻き310ヘリックス | -49 | -26 |
| 右巻きπヘリックス | -57 | -70 |
| 2.27リボン | -78 | 59 |
| 左巻きポリグリシンII、ポリ-L-プロリンIIヘリックス | -79 | 150 |
| コラーゲン | -51 | 153 |
| 左巻きαヘリックス | 57 | 47 |
ラマチャンドランダイアグラムの示す構造可能範囲は各アミノ酸の側鎖の大きさによって変化する。例えばグリシンはCβが無いため他のアミノ酸に比べて許容範囲はずっと広い。また、プロリンの側鎖は環状であるため許容範囲は極端に制限される（φ = −60°±25°）。
ヘリックス構造
ポリペプチド鎖の各Cα炭素が同じようにねじれるとヘリックス（螺旋）構造をとる。ヘリックス構造はφ、ψではなく、1回転あたりの残基数（n：右巻きは正、左巻きは負）、1回転で軸方向に進む距離（ピッチ、p）で表される。p=0のとき閉環となり、p=2のときは平面リボン構造をとる。
αヘリックス
ポリペプチドのヘリックス構造の中で二面角と水素結合形成の双方を満足する構造はαヘリックスだけで、L-アミノ酸で作られるαヘリックスはφ=−57°、ψ=−47°、n=3.6、p=5.4 Åである。αヘリックスではすべてのN-H基が4残基離れたアミノ酸のC=O基へ水素結合をしている。このときのN…O間の距離は2.8 Åで、水素結合には適当であり、会合エネルギーも最大となる。右巻き構造では側鎖は外側を向いており主鎖にとっても相互にも障害にならない。しかし左巻き構造では側鎖が主鎖に近すぎるため作られることは少ない。
その他のヘリックス構造
2.27リボン、310ヘリックスのようなnmという表示のnはヘリックス1回転あたりのアミノ酸残基数、mは水素結合で閉環した構造の水素原子を含む構成原子数を表している。αヘリックスをこの表記で書くと3.613ヘリックスとなる。
右巻き310ヘリックスは、p=6.0 Åで、二面角はラマチャンドランダイアグラムでは禁制領域に入り、側鎖にも立体障害がある。このため、310ヘリックスはあまり見られることはなく、普通はαヘリックスの終端に1回転だけできる。また、2.27リボンは二面角が完全に禁制領域にあるためタンパク質中には存在しない。πヘリックス（4.416ヘリックス）も二面角が禁制領域にあるため、ヘリックスの途中にたまに見られる程度である。
βシート構造
βシートは、φとψが同じ角度で繰り返し、水素結合が2本のポリペプチド鎖の間にある構造である。βシートには平行βシートと逆平行βシートがある。水素結合が適切にできるためには完全な平面構造（φ=180°=ψ）ではなく襞（プリーツ）状をとる。襞の周期は7.0Åである。
非繰り返し構造
球状のタンパク質においてヘリックスやシート構造は全体の半分ほどで、それ以外の部分はループと呼ばれるひも状の状態をとる。球状タンパクでは二次構造の間にペプチド鎖が急にターンする場所があり、この部分はβターン（逆ターン）と呼ばれる。βターンにはI型とII型が存在し、両方ともアミノ酸4残基で構成されている。βターンは3残基離れたアミノ酸と水素結合して安定化するが、構造がずれて水素結合できないこともある。また、II型βターンでは2番目のアミノ酸残基の酸素原子が3番目のアミノ酸残基のCβと衝突するため、ほとんどの3番目のアミノ酸はグリシンである。
脚注
- ^ Linderstrøm-Lang KU (1952). Lane Medical Lectures: Proteins and Enzymes. Stanford University Press. pp. 115. ASIN B0007J31SC
- ^ “Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang (1896–1959)”. Protein Sci. 6 (5): 1092–100. (1997). doi:10.1002/pro.5560060516. PMC 2143695. PMID 9144781. "He had already introduced the concepts of the primary, secondary, and tertiary structure of proteins in the third Lane Lecture (Linderstram-Lang, 1952)"
- ^ Steven Bottomley (2004年). “Interactive Protein Structure Tutorial”. 2011年1月9日閲覧。
- ^ “Secondary structure and rigidity in model proteins”. Soft Matter 9 (40): 9548–56. (October 2013). doi:10.1039/C3SM50807B. PMID 26029761.
- ^ “Rigidity, secondary structure, and the universality of the boson peak in proteins”. Biophysical Journal 106 (12): 2667–74. (June 2014). doi:10.1016/j.bpj.2014.05.009. PMC 4070067. PMID 24940784.
- ^ “Coherent neutron scattering and collective dynamics in the protein, GFP”. Biophys. J. 105 (9): 2182–87. (2013). doi:10.1016/j.bpj.2013.09.029. PMC 3824694. PMID 24209864.
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参考文献
- 『ヴォート生化学 第3版』 DONALDO VOET・JUDITH G.VOET 田宮信雄他訳 東京化学同人 2005.2.28
