ポリプロリンらせん

ポリプロリンヘリックスは、繰り返しプロリン残基を含むタンパク質に存在するタンパク質の二次構造の一種です。^{[ 1 ]}左巻きポリプロリンIIヘリックス（PPII、ポリプロII、κヘリックス^{[ 2 ]}）は、連続する残基がすべて（φ、ψ）主鎖二面角が約（-75°、150°）で、ペプチド結合のトランス異性体を持つ場合に形成されます。このPPIIコンフォメーションは、プロリン以外の他のアミノ酸を含むタンパク質やポリペプチドにもよく見られます。同様に、よりコンパクトな右巻きポリプロリンIヘリックス（PPI、ポリプロI ）は、連続する残基がすべて（φ、ψ）主鎖二面角が約（-75°、160°）で、ペプチド結合のシス異性体を持つ場合に形成されます。 20種類の一般的な天然アミノ酸のうち、ペプチド結合のシス異性体、特にX-Proペプチド結合を形成する可能性が高いのはプロリンのみである。立体および電子的要因により、他のほとんどのペプチド結合ではトランス異性体が圧倒的に有利となる。しかし、プロリンを別のN置換アミノ酸（サルコシンなど）に置き換えたペプチド結合も、シス異性体を形成する可能性が高い。

PPIIヘリックスは、(φ,ψ)主鎖二面角が約(-75°, 150°)であり、ペプチド結合のトランス異性体によって定義される。トランス異性体を持つ任意のポリペプチドヘリックスの残基あたりの回転角Ωは、次の式で与えられる。

${\displaystyle 3\cos \Omega =1-4\cos ^{2}\left[\left(\phi +\psi \right)/2\right]}$

ポリプロリンII（φ、ψ）の二面角をこの式に代入すると、ほぼ正確にΩ = -120°となり、すなわち、PPIIヘリックスは左巻きヘリックス（Ωが負であるため）であり、1回転あたり3残基（360°/120° = 3）である。残基あたりの上昇は約3.1 Åである。この構造は、主にプロリン、ヒドロキシプロリン、グリシンから構成される線維性タンパク質コラーゲンの構造といくらか似ている。PPIIヘリックスはSH3ドメインによって特異的に結合され、この結合は多くのタンパク質間相互作用、さらには単一タンパク質のドメイン間の相互作用にとっても重要である。

PPIIヘリックスは比較的開放的で、内部水素結合を持たない。これ_は、より一般的ならせん状二次構造であるαヘリックス、その類縁体である310ヘリックスやπヘリックス、そしてβヘリックスとは対照的である。アミド窒素原子と酸素原子は離れすぎており（約3.8Å）、水素結合を形成するのに適した向きになっていない。さらに、これらの原子はプロリンでは両方とも水素結合受容体であり、環状側鎖のために水素結合供与体は存在しない。

PPII 主鎖二面角 (-75°、150°) は、プロリン以外のアミノ酸でもタンパク質で頻繁に観察されます。^{[ 3 ]}ラマチャンドラン プロットは、(-135°、135°) 付近のβ シート領域と比較して、PPII 領域に高密度に集中しています。たとえば、PPII 主鎖二面角は、ターンでよく観察され、最も一般的にはタイプ II β ターンの最初の残基で観察されます。「鏡像」の PPII 主鎖二面角 (75°、-150°) は、非キラルアミノ酸グリシンのポリマーを除いて、まれにしか見られません。ポリグリシンのポリ Pro II ヘリックスの類似体は、ポリ Gly II ヘリックスと呼ばれます。Hypogastrura harveyiの不凍タンパク質などの一部のタンパク質は、グリシンに富むポリグリシン II ヘリックスの束で構成されています。^{[ 4 ]} この注目すべきタンパク質は、3D構造が既知であり、^{[ 5 ]}独自のNMRスペクトルを持ち、二量体化と28個のCα-H··O=C水素結合によって安定化されている。^{[ 6 ]} PPIIヘリックスは膜貫通タンパク質では一般的ではなく、この二次構造は自然条件下では脂質膜を貫通しない。2018年、ドイツの研究者グループが、特別に設計された人工ペプチドによって形成された最初の膜貫通PPIIヘリックスを実験的に観察した。^{[ 7 ] [ 8 ]}

ポリプロリンIヘリックスは、ペプチド結合のシス異性体のため、PPIIヘリックスよりもはるかに高密度です。また、シス異性体はトランス異性体よりもエネルギーが高いため、PPIIコンフォメーションよりも稀です。その典型的な二面角（-75°、160°）は、PPIIヘリックスの二面角と近いですが、同一ではありません。しかし、PPIヘリックスは右巻きヘリックスで、より密に巻き付いており、1回転あたり約3.3残基（3残基ではなく）です。PPIヘリックスの残基あたりの上昇もはるかに小さく、約1.9Åです。繰り返しますが、ポリプロリンIヘリックスには、水素結合供与原子がないことと、アミド窒素原子と酸素原子が離れすぎている（再び約3.8Å）ことと、向きが間違っていることの両方から、内部水素結合はありません。

従来、PPIIは比較的剛性が高いと考えられており、構造生物学ではFRET効率測定の較正など、「分子定規」として使用されてきました。しかし、その後の実験的および理論的研究により、ポリプロリンペプチドを「剛性の棒」とみなすこのイメージに疑問が投げかけられています。^{[ 9 ] [ 10 ]}テラヘルツ分光法と密度汎関数理論計算を用いたさらなる研究により、ポリプロリンは実際には当初考えられていたよりもはるかに剛性が低いことが明らかになりました。^{[ 11 ]}ポリプロリンのPPIIとPPIヘリックス形態間の相互変換は、X-Proシス-トランス異性化の活性化エネルギーが高いため（E _{a ≈ 20 kcal/mol）、遅いですが、この相互変換は}プロリルイソメラーゼまたはPPIaseとして知られる特定の異性化酵素によって触媒される可能性があります。PPIIとPPIヘリックス間の相互変換には、ペプチド鎖全体に沿ったシス-トランスペプチド結合の異性化が関与しています。イオン移動度分光法に基づく研究により、このプロセスに沿って特定の一連の中間体が存在することが明らかになった。^{[ 12 ]}

• プロリンリッチタンパク質