I.

プロローグ

生物体を構成する主要な高分子物質。アミノ酸が多数つながったもの。1838年に発見された。細胞の主成分であり、生命現象に深いかかわりをもっている。プロテインproteinという語は、ギリシャ語の「第一のもの」という意味のproteiosに由来する。

タンパク質の分子には、結合組織や毛をつくる水にとけない線維状から、細胞膜に透過性をあたえたり代謝反応をひきおこす水にとける球状まで、さまざまな性質のものがある。分子量は数千から百万以上の巨大分子(高分子)で、種ごとに特異で、種の器官による差もある。

人間には、3万種のタンパク質があるものとみられるが、内容がじゅうぶんにわかっているものは約2%にとどまる。食物中のタンパク質はアミノ酸に分解されて吸収されたのち、細胞の構築材料となるが、あまったものは分解によってエネルギーを供給し、炭水化物の1gあたり4calとほぼ同じ熱量をうみだす(→ 代謝)。

成長と細胞の維持機能のほかに、タンパク質は筋肉の収縮にも関与している。インスリンその他多くのホルモンも、また、すべての消化酵素もタンパク質である。免疫系の抗体もタンパク質である。ヘモグロビンは、生命維持に必要な酸素を全身にはこぶタンパク質である。タンパク質は、すべて遺伝子によってそのアミノ酸の並び順(1次構造)がきめられている。

→ プロテオミクス

II.

栄養

タンパク質は、人間においても単細胞の細菌においても、20種類のアミノ酸の単位から構成されている。アミノ酸は、炭素、水素、酸素、窒素、そしてまれに硫黄(いおう)からなる。タンパク質分子内で、アミノ酸は、アミノ基とカルボキシル基間の結合であるペプチド結合を形づくり、長いポリペプチド鎖をなしている。アミノ酸の配列の組み合わせはほとんど無数にあり、鎖の巻き方も、らせん状、球状、平板状、不規則なコイル状などがあって、タンパク質が生体の中でおこなう仕事の多彩さを生みだすもととなっている。

生命維持に不可欠なタンパク質を合成するには、20種類のアミノ酸がそれぞれ一定の割合で必要である。植物は光合成によって、必要なアミノ酸をすべて、窒素、二酸化炭素などの部品からつくりだせるが、動物など多くの生物は、一部分しか合成することができない。それ以外のアミノ酸(必須アミノ酸)は、食物から摂取する必要がある。

人間の場合、健康を維持するには、8種類の必須アミノ酸が必要とされる。トリプトファン、ロイシン、イソロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、トレオニン、バリンである。これらはすべて、植物の種子などのタンパク質にふくまれているが、人間にとってはリシンとトリプトファンが不足しがちなので、栄養学の専門家は、食事に肉・卵・牛乳などの必須アミノ酸をじゅうぶんにふくむ動物性タンパク質の補給をすすめている。動物性タンパク質をじゅうぶんに摂取している国では、必須アミノ酸の不足はほとんどみられない。熱帯アフリカの子供にみられるクワシオルコルという病気は、必須アミノ酸の欠乏にもとづくものである。成人の場合、タンパク質の必要量は体重1kg当たり1日0.79gとみつもられている。小児や幼児では、成長が急速なため、この数値をそれぞれ2倍、3倍とする(→ 栄養)。

III.

タンパク質の構造

タンパク質のもっとも基本的な構造である1次構造は、アミノ酸の直線配列をいう。鎖にそった種々のアミノ酸の配列は、タンパク質分子の構造にさまざまな影響をもたらす。水素結合、ジスルフィド結合(硫黄原子をふくむシスチンが2分子、つながりあう)、正負電荷の引き合い、疎水性と親水性の結合などによって、タンパク質分子は渦巻状にまいたり、おりたたまれたりして、アルファらせんとかベータ平板といわれる2次構造をつくる。

分子全体が、球状タンパク質などのまとまりをもった状態を、3次構造という。タンパク質が、ヘモグロビンや多くの酵素でみられるように、2個より多くのポリペプチド鎖があつまってタンパク質分子として完成する場合には、4次構造をもつといわれる。このとき、個々のポリペプチド鎖をサブユニットという。

タンパク質は熱や圧力、光などによって立体構造が変化する。また酵素作用のあるタンパク質は他の分子と反応して構造がかわる。このようなタンパク質の構造変化はどのくらいの時間でおこるのか? その長年の謎(なぞ)が2001年、4.7フェムト秒(1フェムトは1000兆分の1)の超短時間フラッシュ(光パルス)をつかって解明された。それによると、動物の目の細胞にあって光に反応するタンパク質(ロドプシン)によく似たバクテリオロドプシンというタンパク質に、そのフラッシュを断続的にあてたところ、そのタンパク質の構造は光をうけてから約800フェムト秒後に直線形からまがった形へ変化することがわかった。まさに光に反応して一瞬のうちに形をかえるのである。

→ 構造生物学

IV.

他のタンパク質との相互作用

ポリペプチド鎖の立体的なまとまりの中では、疎水性アミノ酸は中央でひきよせあって、分子に安定性をあたえるいっぽう、親水性アミノ酸は外側をむいて、他の分子との相互作用が自由にできるようになっている。酵素作用をもつタンパク質では、ビタミン誘導体のような特定の化合物がくわわって、補酵素(→ 酵素)となっていることがある。特定のタンパク質がくみあわさり、組織化されて、細胞の性質や構造に必要な集合体をつくる。

V.

線維状タンパク質

おもな線維状タンパク質として、コラーゲン、ケラチン、フィブリノーゲン、筋肉タンパク質がある。

1.

コラーゲン

コラーゲンは、骨、表皮、腱、軟骨をつくっている。脊椎動物ではもっとも豊富なタンパク質である。分子は、通常それぞれ約1000個のアミノ酸からなる3つのひじょうに長いポリペプチド鎖が、規則的な繰り返しパターンをもつ三重らせんにねじれて、腱や表皮に強い引っ張り強度をあたえている。長いコラーゲンの原線維を煮沸によって変性させると鎖は短くなり、ゼラチンにかわる。

2.

ケラチン

ケラチンは、表皮、毛髪、動物の鱗(うろこ)、蹄(ひづめ)、爪、羽毛の外層をなしている、アルファらせんとよばれる規則的な繰り返しパターンをもつ渦巻き状になっている。ケラチンは、身体を外部環境からまもる働きをしており、まったく水にとけない。ジスルフィド(二硫化)結合が多く、このため、ごく安定したタンパク質となっていて、タンパク質分解酵素によっても分解されない。

美容院などでおこなうパーマ(パーマネント・ウェーブ)というのは、チオグリコールのような還元剤で頭髪のケラチンの二硫化結合を一度還元によって切断し、ついで酸化によって一定のウェーブ状態に固定する処置である。

3.

フィブリノーゲン

フィブリノーゲンは血漿にふくまれるタンパク質で、変化してフィブリンになると不溶性の繊維状となって、血液を凝固させる。フィブリノーゲンをフィブリンに変化させるのは、トロンビンの触媒作用である。

4.

筋肉タンパク質

筋肉の収縮にかかわるタンパク質、ミオシンは、同じく筋肉タンパク質のアクチンと交互に指を重ねたようにくみあわさっており、重なりがすべって深くなることによって、筋肉の収縮が生じる。筋肉アクチンと似たアクチンは、ほかのあらゆる細胞にも存在して、細胞骨格の重要な成分となっている。

VI.

球状タンパク質

線維タンパク質とちがって、球状タンパク質は団塊の形で、水にとけやすい。代謝機能をはたす酵素として、またその他の成分タンパク質としての役割をもっている。各種の酵素のほかに、アルブミン、グロブリン、カゼイン、ヘモグロビン、タンパク質性のホルモンなどがある。

アルブミンとグロブリンは、動物の細胞・血清・乳・卵に豊富にふくまれている水溶性タンパク質である。ヘモグロビンは呼吸タンパク質で、体内で酸素を運搬する。赤血球の明るい赤色は、酸素分子と結合したヘモグロビンの色である。ヘモグロビンについては、アミノ酸が1個だけ、ときには少数個おきかえられた変量分子が多数発見されている。そのうちヘモグロビンSは、遺伝病の鎌状赤血球性貧血の原因となる。

1.

酵素

酵素はすべて球状タンパク質で、基質といわれる他の物質と急速に結合して変化させ、体内でそれぞれ特定の反応をひきおこす。細胞内では多数の酵素が、代謝のネットワークをなして、巧妙な自動調節を生じている。

2.

タンパク質性のホルモン

タンパク質性のホルモンは、それぞれの内分泌腺から分泌されるが、酵素としての機能はもたない。標的器官の細胞表面などにある受容分子に結合して、この結合が、代謝速度とか、消化酵素や乳の分泌などの重要な活動を制御する。

膵臓のランゲルハンス島から分泌されるインスリンは、血糖量を制御して炭水化物の代謝を調節する。甲状腺から分泌されるサイロキシンは、代謝全般を活発にする。同じく甲状腺から分泌されるカルシトニンは、血中のカルシウム量をさげる役割をはたす。アンジオゲニンは1980年代半ばに構造が決定されたタンパク質で、組織内の血管の成長を直接うながす。

3.

抗体

血漿中の抗体タンパク質は、免疫グロブリンとして知られる(→ 抗体)。侵入した異物質である抗原に反応して、その抗原と特異的に結合する抗体が、血漿中に生成され放出される。1つの抗原分子のさまざまな部分が、何種類ものことなる抗体の生産をうながし、これらが抗原分子の各部分と結合して、その毒性を中和する。

4.

微小管

チューブリンという球状タンパク質は、13分子ずつを一周とする円筒の形をなした微小管にくみたてられて、細胞の繊毛や鞭毛、また細胞分裂装置などをつくりあげている。チューブリンにはアルファとベータの2種類があって、これらの単位分子が微小管の成長端につけくわわり、長さを必要に応じて調節する。細菌が運動のためにもっている繊毛の成分タンパク質はフラジェリンとよばれるものであり、これは微小管とはことなる。