タンパク質の一次構造・二次構造（αヘリックス/βシート）・三次構造・四次構造

【プロ講師解説】このページでは『タンパク質の一次構造・二次構造（αヘリックス/βシート）・三次構造・四次構造』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

タンパク質の構造

タンパク質は何種類かのアミノ酸が様々な順序で数多く縮合した巨大な分子であり、立体的に非常に複雑な構造をしているため、その構造はいくつかのレベルに分けて扱われる。

一次構造

タンパク質を構成するポリペプチド鎖のアミノ酸の結合順序を一次構造という。一次構造では共有結合で結ばれたペプチド鎖の状態を問題にし、ペプチド結合の加水分解などを行ってその分析が行われる。

二次構造

ペプチド鎖において、近くにあるペプチド結合同士が水素結合を形成して、局部的に一定な構造を取る。
これをタンパク質の二次構造という。

二次構造にはα-ヘリックス構造とβ-シート構造の２種類が存在する。

α-ヘリックス構造

タンパク質のペプチド鎖は多くの場合、右巻きらせん構造をとる。このらせん構造をα-ヘリックス構造という。
一巻き3.6コのアミノ酸単位からなり、４番目ごとのアミノ酸単位のN-HとC=Oとの間で水素結合を形成して安定化している。
α-ヘリックス構造では、全てのN-HとC=Oが水素結合するために非常に安定となるので、タンパク質はこの構造を取りやすい。

β-シート構造

ペプチド鎖が平行（又は逆平行）に並んで配置され、また隣接した分子が水素結合で結ばれた結果、波状のシート構造になる。このシート構造をβ-シート構造という。絹のフィブロインや羊毛中のケラチンなどがこの構造をとる。

三次構造

ポリペプチド鎖が各所でα-ヘリックス構造、β-シート構造などの二次構造を形成し、それらが不規則なペプチド鎖で繋がっている場合、比較的離れたアミノ酸単位同士の「相互作用」により全体が折りたたまれた一定の構造をとるようになる。
このような三次元的な空間配置まで含めた分子鎖全体の構造を三次構造という。

特定の一次構造をもつポリペプチド鎖がとり得る構造は無限に思えるかもしれないが、実際は１つの一次構造から生じる三次構造は１種類しかない。
これは、ペプチド鎖の各部位における一次構造がそれぞれの部分でどのような二次構造をとるかを決め、さらにその二次構造における側鎖の分布をも決定するためである。

折りたたまれた三次構造を安定化させている”結合”は、ジスルフィド結合（S-S結合）・イオン結合・水素結合・疎水結合の４種類存在する。これらのうち最も強い結合はジスルフィド結合である。

ジスルフィド結合(S-S結合)

タンパク質を構成しているアミノ酸にシステインが含まれるとき、その側鎖Rには-S-Hが存在する。
-S-H同士は酸化還元反応によりジスルフィド結合-S-S-を形成することができる。
この結合は、三次構造をつくる結合の中で唯一の共有結合であり、最も強い結合である。

イオン結合

ポリペプチド鎖の末端や構成アミノ酸の側鎖Rにはペプチド結合に使われないフリーな-COOHと-NH₂が存在する。これらはpHにより、-COO^–や-NH₃⁺に変化し得るので、イオン結合でポリペプチド鎖に含まれる他の官能基と結びつくことができる。

※イオン結合について詳しくはイオン結合（例・共有結合との違い・特徴・強さなど）を確認

水素結合

ペプチド結合にあるC=OやN-H、側鎖にある-OHや-COOHなどの間では水素結合が形成されることがある。

※水素結合について詳しくは分子間力（水素結合・ファンデルワールス力・沸点のグラフなど）を確認

疎水結合（疎水性相互作用）

側鎖にある無極性で疎水性の炭化水素基やベンゼン環などは、水との接触ができる限り少なくなるように連結する。これを疎水結合と呼び、この結合は疎水基の数が多くなるほど強力な結合となる。

四次構造

三次構造を形成したポリペプチド鎖が複数個会合して、１つの分子になる場合がある。
このような分子内でのポリペプチド鎖の配列を四次構造という。この構造において、各ポリペプチド鎖はサブユニットと呼ばれている。
四次構造の具体例としてはヘモグロビンがよく挙げられる。

ヘモグロビンは４つのサブユニット（α鎖２つ・β鎖２つ）からなり、それらの立体配座を変えることによりO₂の結合力を調節している。（酸素分圧が大きい肺ではO₂との結合力が高まり、酸素分圧の低い組織系では結合力が弱まりO₂を放出しやすくなる）

演習問題

問１

【】に当てはまる用語を答えよ。

タンパク質を構成するポリペプチド鎖のアミノ酸の結合順序を【１】構造という。

【問１】解答/解説：タップで表示

解答：【１】一次

タンパク質を構成するポリペプチド鎖のアミノ酸の結合順序を一次構造という。
一次構造では共有結合で結ばれたペプチド鎖の状態を問題にし、ペプチド結合の加水分解などを行ってその分析が行われる。

問２

【】に当てはまる用語を答えよ。

ペプチド鎖中のペプチド結合同士が水素結合により、局部的に一定な構造を取ることがある。
これをタンパク質の【１】構造という。
【１】構造には、【２】構造と【３】構造の２種類が存在する。

【問２】解答/解説：タップで表示

解答：【１】二次【２】α-ヘリックス【３】β-シート（【２】・【３】は順不同）

ペプチド鎖において、近くにあるペプチド結合同士が水素結合を形成して、局部的に一定な構造を取る。
これをタンパク質の二次構造という。

二次構造にはα-ヘリックス構造とβ-シート構造の２種類が存在する。

※α-ヘリックス構造

※β-シート構造

問３

【】に当てはまる用語を答えよ。

タンパク質のペプチド鎖は多くの場合、【１（右or左）】巻きらせん構造をとる。
このらせん構造を【２】構造という。

【問３】解答/解説：タップで表示

解答：【１】右【２】α-ヘリックス

問４

【】に当てはまる用語を答えよ。

三次元的な空間配置まで含めた分子鎖全体の構造を【１】構造という。
【１】構造を安定化させている結合のうち最も強い結合は【２】である。

【問４】解答/解説：タップで表示

解答：【１】三次【２】ジスルフィド結合（S-S結合）

問５

【】に当てはまる用語を答えよ。

ジスルフィド結合はタンパク質を構成しているアミノ酸に【１】が含まれるときに形成される。
三次構造を支える各種結合の中で唯一の【２】結合であり、最も【３（強or弱）】い結合である。

【問５】解答/解説：タップで表示

解答：【１】システイン【２】共有【３】強

問６

【】に当てはまる用語を答えよ。

側鎖にある【１（極or無極）】性で【２（親水or疎水）】性の炭化水素基やベンゼン環などは、水との接触ができる限り【３（多or少な）】くなるように連結する。
これを【４】結合と呼び、この結合は疎水基の数が【５（多or少な）】くなるほど強力な結合となる。

【問６】解答/解説：タップで表示

解答：【１】無極【２】疎水【３】少な【４】疎水【５】多

問７

【】に当てはまる用語を答えよ。

三次構造を形成したポリペプチド鎖が複数個会合して、１つの分子になる場合がある。
このような分子内でのポリペプチド鎖の配列を【１】構造という。このとき、各ポリペプチド鎖は【２】と呼ばれる。

【問７】解答/解説：タップで表示

解答：【１】四次【２】サブユニット