タンパク質

タンパク質は、 1 つ以上のアミノ酸残基の長い鎖で構成される大きな生体分子および高分子です。タンパク質は、代謝反応の触媒、DNA 複製、刺激への反応、細胞や生物への構造の提供、分子をある場所から別の場所へ輸送するなど、生物内でさまざまな機能を果たします。タンパク質は主にアミノ酸の配列が互いに異なり、これは遺伝子のヌクレオチド配列によって決定され、通常はタンパク質が特定の3D 構造に折り畳まれてその活性を決定します。

アミノ酸残基の直鎖はポリペプチドと呼ばれる。タンパク質には少なくとも 1 つの長いポリペプチドが含まれる。20 ～ 30 残基未満の短いポリペプチドはタンパク質と見なされることはほとんどなく、一般的にペプチドと呼ばれる。個々のアミノ酸残基は、ペプチド結合および隣接するアミノ酸残基によって結合している。タンパク質内のアミノ酸残基の配列は、遺伝コードにコード化されている遺伝子の配列によって定義される。一般に、遺伝コードは 20 種類の標準アミノ酸を指定するが、特定の生物では遺伝コードにセレノシステインや、特定の古細菌ではピロリシンが含まれることがある。タンパク質の残基は、合成直後または合成中に、翻訳後修飾によって化学的に修飾されることが多く、これにより物理的および化学的特性、折り畳み、安定性、活性、そして最終的にはタンパク質の機能が変化する。一部のタンパク質には、補欠分子族または補因子と呼ばれる非ペプチド基が結合している。タンパク質は特定の機能を達成するために一緒に働くこともあり、多くの場合、結合して安定したタンパク質複合体を形成します。

タンパク質は一度形成されると、一定期間のみ存在し、その後、タンパク質代謝のプロセスを通じて細胞機構によって分解され、リサイクルされます。タンパク質の寿命は半減期で測定され、幅広い範囲にわたります。タンパク質は数分間から数年間存在することができ、哺乳類細胞での平均寿命は 1～2 日です。異常なタンパク質や誤って折り畳まれたタンパク質は、破壊の対象となるか不安定であるため、より急速に分解されます。

多糖類や核酸などの他の生体高分子と同様に、タンパク質は生物の必須要素であり、細胞内のほぼすべてのプロセスに関与しています。多くのタンパク質は生化学反応を触媒する酵素であり、代謝に不可欠です。タンパク質には、筋肉のアクチンやミオシン、細胞の形状を維持する足場システムを形成する細胞骨格のタンパク質など、構造的または機械的な機能もあります。他のタンパク質は、細胞シグナル伝達、免疫反応、細胞接着、細胞周期に重要です。動物では、合成できない必須アミノ酸を供給するために、食事からタンパク質を摂取する必要があります。消化により、タンパク質は代謝に使用できるように分解されます。

タンパク質は1700年代からアントワーヌ・フルクロワらによって研究され認識されてきた^{[1] [2]} 。彼らはタンパク質をまとめて「アルブミン」または「アルブミン質」（ドイツ語でEiweisskörper ）と呼んでいた。 ^[2] たとえばグルテンは、1747年頃に発表された研究で初めて小麦から分離され、後に多くの植物に存在することが判明した。 ^[1] 1789年、アントワーヌ・フルクロワは、アルブミン、フィブリン、ゼラチンという3つの異なる種類の動物性タンパク質を認識した。^[3] 1700年代後半から1800年代初期に研究された植物性タンパク質には、グルテン、植物性アルブミン、グリアジン、レグミンなどがある。^[1]

タンパク質は、 1838年にオランダの化学者ジェラルドゥス・ヨハネス・ムルダーによって初めて記述され、スウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウスによって命名されました。 ^{[4] [5] [より良い情報源が必要]ムルダーは一般的なタンパク質の}元素分析を行い、ほぼすべてのタンパク質が同じ実験式、C ₄₀₀ H ₆₂₀ N ₁₀₀ O ₁₂₀ P ₁ S _{1 を}持つことを発見しました。^[6]彼は、タンパク質は単一のタイプの（非常に大きな）分子で構成されている可能性があるという誤った結論に達しました。これらの分子を説明するために「タンパク質」という用語は、ムルダーの仲間のベルセリウスによって提案されました。タンパク質は、ギリシャ語のπρώτειος ( proteios ) に由来し、^[7]「先頭に立つ」または「前に立つ」を意味し、^[2] + -in です。マルダーは、タンパク質分解産物であるアミノ酸ロイシン を特定し、その分子量が（ほぼ正確に）131 Daであることを発見した。^[6]

ドイツのカール・フォン・フォイトなどの初期の栄養学者は、タンパク質が体の構造を維持するために最も重要な栄養素であると信じていました。これは一般に「肉が肉を作る」と信じられていたためです。^[8] 1862年頃、カール・ハインリヒ・リトハウゼンはグルタミン酸というアミノ酸を単離しました。^[9] トーマス・バー・オズボーンはコネチカット農業試験場で植物性タンパク質の詳細なレビューをまとめました。その後、^{[説明が必要]} ラファイエット・メンデルと協力し、成長は最も希少な資源によって制限されるというリービッヒの最小法則を実験用ラットの給餌に適用して、栄養的に必須のアミノ酸が確立されました。この研究はウィリアム・カミング・ローズによって継続され、伝えられました。

タンパク質を大量に精製することは困難であったため、初期のタンパク質生化学者にとってタンパク質の研究は非常に困難でした。そのため、初期の研究では、血液、卵白、さまざまな毒素、屠殺場から得られる消化酵素や代謝酵素など、大量に精製できるタンパク質に焦点が当てられました。^{[説明が必要]} 1950年代、アーマーホットドッグ社は、純粋なウシ膵臓リボヌクレアーゼAを1kg精製し、科学者に無料で提供しました。この行為により、リボヌクレアーゼAはその後数十年間、生化学研究の主要な対象となりました。^[6]

タンパク質がポリペプチド、つまりアミノ酸の鎖であるという理解は、 1902年のフランツ・ホフマイスターとヘルマン・エミール・フィッシャーの研究によって生まれました。 ^{[10] [11]生体内で反応を触媒する酵素としての}タンパク質の中心的な役割は、1926年にジェームズ・B・サムナーがウレアーゼという酵素が実際にはタンパク質であることを示すまで十分に理解されていませんでした。 ^[12]

ライナス・ポーリングは、1933年にウィリアム・アストベリーによって初めて提唱された水素結合に基づく規則的なタンパク質の二次構造の予測に成功したとされています^。[13]その後、ウォルター・カウツマンによる変性に関する研究^{[14] [15]は、}カイ・リンダーストローム・ラングによる以前の研究に部分的に基づいており、^[16]疎水性相互作用によって媒介されるタンパク質の折り畳みと構造の理解に貢献しました。

アミノ酸鎖の配列が決定された最初のタンパク質は、1949年にフレデリック・サンガーによって決定されたインスリンである。サンガーはインスリンのアミノ酸配列を正しく決定し、タンパク質が分岐鎖、コロイド、またはシクロオールではなく、アミノ酸の線状ポリマーで構成されていることを決定的に証明した。^[17]彼は1958年にこの功績によりノーベル賞を受賞した。^[18]クリスチャン・アンフィンセンは、1972年にノーベル賞を受賞したリボヌクレアーゼAの酸化的折り畳みプロセスの研究により、タンパク質の折り畳みに関する熱力学的仮説を確固たるものにし、それによれば、タンパク質の折り畳まれた形はその自由エネルギーの最小値を表す。^{[19] [20]}

X線結晶構造解析の発達により、タンパク質の構造だけでなく配列も決定することが可能になった。^[21]最初に解明されたタンパク質構造は、 1958年にマックス・ペルツが解明したヘモグロビンとジョン・ケンドリューが解明したミオグロビンである。 ^{[22] [23]}コンピュータの使用と計算能力の向上も、複雑なタンパク質の配列決定を後押しした。1999年、ロジャー・コーンバーグはシンクロトロンからの高強度X線を使用して、 RNAポリメラーゼの非常に複雑な構造の配列決定に成功した。^[21]

それ以来、大きな高分子集合体のクライオ電子顕微鏡法（クライオEM）^[24]が開発されました。クライオEMでは、結晶ではなく凍結したタンパク質サンプルと、X線ではなく電子ビームを使用します。サンプルへのダメージが少ないため、科学者はより多くの情報を取得し、より大きな構造を分析できます。 ^[21]小さなタンパク質構造ドメインの計算によるタンパク質構造予測^[25]も、研究者がタンパク質構造の原子レベルの解像度に近づくのに役立っています。2024年4月現在、タンパク質データバンクには181,018のX線、19,809のEM、12,697のNMRタンパク質構造が含まれています。^[26][update]

タンパク質は主に配列と構造によって分類されますが、他の分類も一般的に使用されています。特に酵素については、EC 番号システムが機能的な分類体系を提供します。同様に、遺伝子オントロジーは遺伝子とタンパク質の両方を生物学的機能と生化学的機能だけでなく、細胞内の位置によっても分類します。

配列類似性は、進化的および機能的類似性の両方の観点からタンパク質を分類するために使用されます。これは、特にマルチドメインタンパク質の場合、タンパク質全体またはタンパク質ドメインのいずれかを使用します。タンパク質ドメインにより、配列、構造、機能の組み合わせによるタンパク質の分類が可能になり、さまざまな方法で組み合わせることができます。170,000個のタンパク質を対象とした初期の研究では、約3分の2に少なくとも1つのドメインが割り当てられ、より大きなタンパク質にはより多くのドメインが含まれていました（たとえば、600アミノ酸を超えるタンパク質には平均5つ以上のドメインがあります）。^[27]

ほとんどのタンパク質は、最大 20 種類の L -α- アミノ酸の連続から構成される線状ポリマーで構成されています。すべてのタンパク質構成アミノ酸は、アミノ基、カルボキシル基、可変側鎖が結合したα炭素など、共通の構造的特徴を持っています。プロリンだけがこの基本構造と異なり、N 末端アミン基に通常とは異なる環を含み、CO–NH アミド部分を固定された構造に強制します。^[28]標準アミノ酸の一覧に詳述されている標準アミノ酸の側鎖は、非常に多様な化学構造と特性を持っています。タンパク質の 3 次元構造と化学反応性は、最終的にタンパク質内のすべてのアミノ酸側鎖の複合効果によって決まります。^[29] ポリペプチド鎖のアミノ酸は、ペプチド結合によって結合しています。タンパク質鎖で結合すると、個々のアミノ酸は残基と呼ばれ、結合した一連の炭素、窒素、酸素原子は主鎖またはタンパク質バックボーンとして知られています。^{[30] : 19}

ペプチド結合には2つの共鳴形式があり、これらは二重結合の特性に寄与し、軸の周りの回転を阻害するため、α炭素はほぼ共平面になります。ペプチド結合の他の2つの二面角は、タンパク質骨格がとる局所的な形状を決定します。^{[30] : 31}遊離アミノ基を持つ末端はN末端またはアミノ末端と呼ばれ、遊離カルボキシル基を持つタンパク質の末端はC末端またはカルボキシ末端と呼ばれます（タンパク質の配列は、N末端からC末端へ、左から右に書きます）。

タンパク質、ポリペプチド、ペプチドという言葉は少し曖昧で、意味が重複することがあります。タンパク質は一般的に安定した立体構造の完全な生物学的分子を指すのに使われますが、ペプチドは一般的に安定した3D構造を欠いていることが多い短いアミノ酸オリゴマーを指します。しかし、両者の境界は明確に定義されておらず、通常は20～30残基付近にあります。^[31] ポリペプチドは、通常長さに関係なく、アミノ酸の単一の直鎖を指すことができますが、定義された立体構造が存在しないことを意味することがよくあります。

タンパク質は、他のタンパク質、脂質、炭水化物、DNAなど、多くの種類の分子と相互作用することができます。^{[32] [33] [30] [34]}

平均的な大きさの細菌は、細胞あたり約 200 万個のタンパク質を含むと推定されている (例:大腸菌および黄色ブドウ球菌)。マイコプラズマやスピロヘータなどのより小さな細菌は、50,000 ～ 100 万個程度の分子を含む。対照的に、真核細胞はより大きく、したがってはるかに多くのタンパク質を含む。たとえば、酵母細胞は約 5000 万個のタンパク質を含み、ヒト細胞は約 10 ～ 30 億個を含むと推定されている。^[35]個々のタンパク質コピーの濃度は、細胞あたり数分子から 2000 万分子までの範囲である。^[36]タンパク質をコードする遺伝子のすべてがほとんどの細胞で発現しているわけではなく、その数は、たとえば細胞の種類や外部刺激によって異なる。たとえば、ヒトゲノムによってコードされる約 20,000 個のタンパク質のうち、リンパ芽球様細胞で検出されるのはわずか 6,000 個である。^[37]

タンパク質は、遺伝子にコード化された情報を用いてアミノ酸から組み立てられる。各タンパク質は、そのタンパク質をコードする遺伝子のヌクレオチド配列によって指定される独自のアミノ酸配列を持っている。遺伝暗号はコドンと呼ばれる3ヌクレオチドのセットのセットであり、各3ヌクレオチドの組み合わせはアミノ酸を指定する。例えば、AUG（アデニン–ウラシル–グアニン）はメチオニンのコードである。DNAは4つのヌクレオチドを含むため、可能なコドンの総数は64である。したがって、遺伝暗号にはいくらかの冗長性があり、いくつかのアミノ酸は複数のコドンによって指定される。^{[34] ：1002–42} DNAにコード化された遺伝子は、まずRNAポリメラーゼなどのタンパク質によってプレメッセンジャーRNA （mRNA）に転写される。ほとんどの生物は次に、さまざまな形態の転写後修飾を使用してプレmRNA（一次転写産物とも呼ばれる）を処理して成熟mRNAを形成し、それがリボソームによるタンパク質合成のテンプレートとして使用される。原核生物では、 mRNAは生成されるとすぐに使用されるか、核様体から移動した後にリボソームに結合されます。対照的に、真核生物は細胞核でmRNAを生成し、それを核膜を越えて細胞質に輸送し、そこでタンパク質合成が行われます。タンパク質合成の速度は原核生物の方が真核生物よりも速く、1秒あたり最大20アミノ酸に達することがあります。^[38]

mRNAテンプレートからタンパク質を合成するプロセスは翻訳として知られています。mRNAはリボソームにロードされ、各コドンをトランスファーRNA分子にある塩基対 アンチコドンと照合することによって一度に3ヌクレオチド読み取られます。トランスファーRNA分子は、認識するコドンに対応するアミノ酸を運びます。アミノアシルtRNAシンテターゼ酵素は、tRNA分子に正しいアミノ酸を「充填」します。成長中のポリペプチドは、しばしば新生鎖と呼ばれます。タンパク質は常にN末端からC末端に向かって生合成されます。^{[34] ：1002–42}

合成されたタンパク質の大きさは、含まれるアミノ酸の数と総分子量で測定できます。総分子量は通常、ダルトン（原子質量単位と同義）または派生単位のキロダルトン（kDa）の単位で報告されます。タンパク質の平均サイズは、高等生物のタンパク質を構成するタンパク質ドメインの数が多いため、古細菌から細菌、真核生物へと増加します（それぞれ283、311、438残基、31、34、49 kDa）。^[39]たとえば、酵母タンパク質の平均長さは466アミノ酸で、質量は53 kDaです。^[31]最大の既知のタンパク質は、筋肉の筋節の構成要素であるタイチンで、分子量は約3,000 kDa、全長は約27,000アミノ酸です。^[40]

短いタンパク質は、ペプチド合成として知られる一連の方法によって化学的に合成することもできる。この方法では、化学連結などの有機合成技術を利用して、ペプチドを高収率で生産する。^{[41]化学合成では、}蛍光プローブをアミノ酸側鎖に結合させるなど、ポリペプチド鎖に非天然アミノ酸を導入することができる。 ^{[42]これらの方法は、実験室での}生化学や細胞生物学では有用であるが、一般に商業用途には用いられない。化学合成は、約300アミノ酸より長いポリペプチドには非効率的であり、合成されたタンパク質は容易に天然の三次構造をとらない可能性がある。ほとんどの化学合成法は、生物学的反応とは逆に、C末端からN末端へと進む。^[43]

ほとんどのタンパク質は、独自の3D構造に折り畳まれます。タンパク質が自然に折り畳まれる形状は、そのネイティブコンフォメーションとして知られています。^{[30] : 36}多くのタンパク質は、アミノ酸の化学的性質によって単独で折り畳むことができますが、他のタンパク質は、ネイティブ状態に折り畳むために分子シャペロンの助けを必要とします。^{[30] : 37}生化学者は、タンパク質の構造の4つの異なる側面についてよく言及します。^{[30] : 30–34}

• 一次構造:アミノ酸配列。タンパク質はポリアミドです。
• 二次構造:水素結合によって安定化された規則的に繰り返される局所構造。最も一般的な例は、 α-ヘリックス、 β-シート、ターンです。二次構造は局所的であるため、同じタンパク質分子内に異なる二次構造の領域が多数存在することができます。
• 三次構造: 単一のタンパク質分子の全体的な形状、二次構造同士の空間的な関係。三次構造は一般に非局所的な相互作用によって安定化され、最も一般的には疎水性コアの形成が行われますが、塩橋、水素結合、ジスルフィド結合、さらには翻訳後修飾によって安定化されることもあります。「三次構造」という用語は、フォールドという用語と同義語としてよく使用されます。三次構造は、タンパク質の基本的な機能を制御するものです。
• 四次構造: 複数のタンパク質分子 (ポリペプチド鎖) によって形成される構造。この文脈では通常、タンパク質サブユニットと呼ばれ、単一のタンパク質複合体として機能します。
• 五次構造: 混雑した細胞内部を組織化するタンパク質表面の特徴。五次構造は、生きた細胞内で発生する一時的だが不可欠な高分子相互作用に依存します。

タンパク質は完全に硬い分子ではありません。これらの構造レベルに加えて、タンパク質は機能を果たす際にいくつかの関連する構造間を移動することがあります。これらの機能再配置の文脈では、これらの三次または四次構造は通常「コンフォメーション」と呼ばれ、それらの間の遷移はコンフォメーション変化と呼ばれます。このような変化は、基質分子が酵素の活性部位、つまり化学触媒に関与するタンパク質の物理的領域に結合することによって誘発されることがよくあります。溶液中では、タンパク質は熱振動や他の分子との衝突によっても構造が変化します。^{[34] : 368–75}

タンパク質は、典型的な三次構造と相関する3つの主要なクラス、すなわち球状タンパク質、繊維状タンパク質、膜タンパク質に分類できます。球状タンパク質のほぼすべては可溶性であり、多くは酵素です。繊維状タンパク質は、結合組織の主成分であるコラーゲンや、髪や爪のタンパク質成分であるケラチンなどの構造タンパク質であることが多いです。膜タンパク質は、受容体として機能したり、極性分子や荷電分子が細胞膜を通過するためのチャネルを提供したりします。^{[34] : 165–85}

タンパク質内の分子内水素結合の特殊なケースは、水の攻撃から十分に保護されず、それ自身の脱水を促進するため、デヒドロンと呼ばれます。^[44]

多くのタンパク質は、複数のタンパク質ドメイン、つまり、異なる構造単位に折り畳まれるタンパク質のセグメントで構成されています。ドメインは通常、酵素活性（キナーゼなど）などの特定の機能も持っていたり、結合モジュールとして機能したりします（たとえば、SH3ドメインは他のタンパク質のプロリンに富む配列に結合します）。

タンパク質内の短いアミノ酸配列は、他のタンパク質の認識部位として機能することがよくあります。^[45]たとえば、SH3ドメインは通常、短いPxxPモチーフ（つまり、2つのプロリン[P]、2つの不特定のアミノ酸[x]で区切られていますが、周囲のアミノ酸によって正確な結合特異性が決まる場合があります）に結合します。このようなモチーフの多くは、真核生物線形モチーフ（ELM）データベース に収集されています。

タンパク質のトポロジーは、バックボーンの絡み合いと折り畳まれた鎖内の接点の配置を記述します。^[46]結び目理論と回路トポロジーの2つの理論的枠組みが、タンパク質トポロジーを特徴付けるために適用されてきました。タンパク質トポロジーを記述できることは、タンパク質工学と医薬品開発への新しい道を開き、神経筋障害や癌などのタンパク質のミスフォールディング疾患に対する理解を深めます。

タンパク質は細胞内の主役であり、遺伝子にコード化された情報によって指定された任務を遂行していると言われています。^{[31]特定の種類の}RNAを除いて、他のほとんどの生物学的分子はタンパク質が作用する比較的不活性な要素です。タンパク質は大腸菌細胞の乾燥重量の半分を占めますが、DNAやRNAなどの他の高分子はそれぞれ3％と20％を占めるだけです。^[47]特定の細胞または細胞型で発現するタンパク質のセットはそのプロテオームとして知られています。

タンパク質の多様な機能を可能にする主な特徴は、他の分子と特異的かつ強固に結合する能力です。他の分子と結合するタンパク質の領域は結合部位として知られ、分子表面のくぼみまたは「ポケット」であることがよくあります。この結合能力は、結合部位ポケットを定義するタンパク質の三次構造と、周囲のアミノ酸の側鎖の化学的性質によって媒介されます。タンパク質の結合は、非常に強固かつ特異的です。たとえば、リボヌクレアーゼ阻害タンパク質は、フェムトモル未満の解離定数(<10 ^{-15 M) でヒトの}アンジオジェニンに結合しますが、両生類の相同体であるオンコナーゼ(> 1 M)にはまったく結合しません。結合相手に単一のメチル基を追加するなどの非常に小さな化学変化で、結合をほぼ排除できる場合があります。例えば、アミノ酸バリンに特異的なアミノアシルtRNA合成酵素は、アミノ酸イソロイシンの非常に類似した側鎖を区別します。^[48]

タンパク質は、他のタンパク質や小分子基質に結合することができる。タンパク質が同じ分子の他のコピーに特異的に結合すると、オリゴマー化して原繊維を形成することができる。このプロセスは、自己会合して硬い繊維を形成する球状モノマーからなる構造タンパク質でよく起こる。タンパク質間相互作用は、酵素活性を調節し、細胞周期の進行を制御し、共通の生物学的機能を持つ多くの密接に関連した反応を実行する大きなタンパク質複合体の組み立てを可能にする。タンパク質は、細胞膜に結合したり、細胞膜に統合されたりすることもある。結合パートナーがタンパク質の構造変化を誘導する能力により、非常に複雑なシグナル伝達ネットワークを構築することができる。^{[34] : 830–49} タンパク質間の相互作用は可逆的であり、異なるグループのパートナータンパク質が利用可能かどうかに大きく依存して、個別の機能セットを実行できる凝集体を形成するため、特定のタンパク質間の相互作用を研究することが、細胞機能の重要な側面、そして最終的には特定の細胞タイプを区別する特性を理解する鍵となる。^{[49] [50]}

細胞内のタンパク質の最もよく知られた役割は、化学反応を触媒する酵素としての役割である。酵素は通常、非常に特異的であり、1つまたはいくつかの化学反応のみを加速する。酵素は、代謝に関与するほとんどの反応を実行するほか、DNA複製、DNA修復、転写などのプロセスでDNAを操作する。一部の酵素は、翻訳後修飾と呼ばれるプロセスで他のタンパク質に作用して化学基を追加または削除する。約4,000の反応が酵素によって触媒されることが知られている。^[51]酵素触媒によってもたらされる速度加速は、しばしば非常に大きく、オロト酸脱炭酸酵素の場合、触媒されない反応の10 ¹⁷倍にもなる（酵素なしで7,800万年、酵素ありで18ミリ秒）。^[52]

酵素が結合して作用する分子は基質と呼ばれます。酵素は数百のアミノ酸から構成されますが、通常、基質と接触するのは残基のごく一部であり、触媒に直接関与するのはさらに少ない部分（平均で3〜4個の残基）です。^[53]基質と結合し、触媒残基を含む酵素の領域は活性部位として知られています。

ディリジェントタンパク質は、他の酵素によって合成された化合物の立体化学を決定するタンパク質のクラスのメンバーです。 ^[54]

多くのタンパク質が細胞シグナル伝達とシグナル伝達のプロセスに関与している。インスリンなどの一部のタンパク質は細胞外タンパク質であり、合成された細胞から離れた組織の他の細胞にシグナルを伝達する。他のタンパク質は膜タンパク質であり、受容体として作用し、その主な機能はシグナル分子に結合して細胞内で生化学的反応を誘導することである。多くの受容体は細胞表面に露出した結合部位と細胞内のエフェクタードメインを有し、これが酵素活性を持つこともあれば、細胞内の他のタンパク質によって検出される構造変化を起こすこともある。 ^{[33] : 251–81}

抗体は適応免疫系のタンパク質成分であり、その主な機能は抗原、つまり体内の異物に結合し、破壊の標的とすることです。抗体は細胞外環境に分泌されるか、形質細胞と呼ばれる特殊なB細胞の膜に固定されます。酵素は反応を行う必要性から基質への結合親和性が制限されますが、抗体にはそのような制約はありません。抗体の標的への結合親和性は非常に高いです。^{[34] : 275–50}

多くのリガンド輸送タンパク質は、特定の小さな生体分子に結合し、多細胞生物の体内の他の場所に輸送します。これらのタンパク質は、リガンドが高濃度で存在する場合は高い結合親和性を持つ必要がありますが、標的組織にリガンドが低濃度で存在する場合はリガンドを放出する必要があります。リガンド結合タンパク質の標準的な例はヘモグロビンで、すべての脊椎動物で肺から他の臓器や組織に酸素を輸送し、すべての生物界に近い相同分子があります。^{[34] : 222–29}レクチンは、糖部分に非常に特異的な糖結合タンパク質です。レクチンは通常、細胞とタンパク質が関与する生物学的認識現象で役割を果たします。 ^[55]受容体とホルモンは、非常に特異的な結合タンパク質です。

膜貫通タンパク質は、小分子やイオンに対する細胞膜の透過性を変えるリガンド輸送タンパク質としても機能します。膜のみに疎水性コアがあり、極性分子や荷電分子はそこを透過できません。膜タンパク質には、そのような分子が細胞に出入りできるようにする内部チャネルが含まれています。多くのイオンチャネルタンパク質は、特定のイオンのみを選択するように特化されています。たとえば、カリウムチャネルとナトリウムチャネルは、2つのイオンのうちの1つだけを識別することがよくあります。^{[33] : 232–34}

構造タンパク質は、本来は流動的な生物学的構成要素に剛性と堅さを与えます。ほとんどの構造タンパク質は繊維状タンパク質です。たとえば、コラーゲンとエラスチンは軟骨などの結合組織の重要な構成要素であり、ケラチンは髪、爪、羽、ひずめ、一部の動物殻などの硬いまたは糸状の構造に見られます。^{[34] ：178–81}一部の球状タンパク質も構造機能を果たします。たとえば、アクチンとチューブリンは球形でモノマーとしては可溶性ですが、重合して長くて硬い繊維を形成し、それが細胞骨格を構成し、細胞がその形状とサイズを維持できるようにします。

構造的機能を果たす他のタンパク質としては、ミオシン、キネシン、ダイニンなどのモータータンパク質があり、機械的な力を生み出すことができます。これらのタンパク質は、単細胞生物の細胞運動や、有性生殖を行う多くの多細胞生物の精子にとって重要です。また、筋肉の収縮によって発揮される力も生成し^{[34] : 258–64, 272}、細胞内輸送において重要な役割を果たしています。

分子生物学における重要な問題は、タンパク質がどのように進化するか、つまり、突然変異（またはアミノ酸配列の変化）がどのようにして新しい構造や機能につながるのかということです。タンパク質中のほとんどのアミノ酸は、活性や機能を損なわずに変更することができます。これは、種を超えた多数の相同タンパク質（タンパク質ファミリーの専門データベース、例：PFAMに収集されている）からわかります。^[56]突然変異による劇的な結果を防ぐために、遺伝子が自由に突然変異する前に複製される場合があります。ただし、これにより遺伝子機能が完全に失われ、疑似遺伝子が発生する可能性があります。^[57]より一般的には、単一のアミノ酸の変化は限定的な影響しかありませんが、一部の変化は、特に酵素において、タンパク質の機能を大幅に変更することができます。たとえば、多くの酵素は、1つまたはいくつかの突然変異によって基質特異性を変えることができます。 ^[58]基質特異性の変化は、基質の乱用、つまり多くの酵素が複数の基質に結合して処理する能力によって促進されます。突然変異が起こると、酵素の特異性が増加（または減少）し、酵素活性が高まります。^[58]このように、細菌（または他の生物）は、プラスチックなどの非自然的な基質を含むさまざまな食物源に適応することができます。^[59]

タンパク質の構造と機能を研究するために一般的に使用される方法には、免疫組織化学、部位特異的変異誘発、X線結晶構造解析、核磁気共鳴、質量分析などがあります。

タンパク質の活性と構造は、in vitro、 in vivo、およびin silicoで調べることができます。制御された環境で精製されたタンパク質をin vitroで研究することは、タンパク質がどのように機能するかを知るのに役立ちます。たとえば、酵素速度論研究では、酵素の触媒活性の化学的メカニズムと、さまざまな基質分子に対する相対的な親和性を調べます。対照的に、in vivo実験では、細胞または生物全体におけるタンパク質の生理学的役割に関する情報を提供できます。in silico研究では、計算手法を使用してタンパク質を研究します。

タンパク質は、超遠心分離、沈殿、電気泳動、クロマトグラフィーなどのさまざまな技術を使用して他の細胞成分から精製できます。遺伝子工学の出現により、精製を容易にする多くの方法が可能になりました。

インビトロ分析を行うには、タンパク質を他の細胞成分から分離して精製する必要がある。このプロセスは通常、細胞溶解から始まる。細胞溶解では、細胞膜が破壊され、その内部の内容物が粗溶解物と呼ばれる溶液に放出される。得られた混合物は、超遠心分離を使用して精製することができ、これにより、さまざまな細胞成分が可溶性タンパク質、膜脂質とタンパク質、細胞小器官、および核酸を含む画分に分画される。塩析と呼ばれる方法による沈殿により、この溶解物からタンパク質を濃縮することができる。次に、分子量、正味電荷、結合親和性などの特性に基づいて、さまざまな種類のクロマトグラフィーを使用して、目的のタンパク質を単離する。^{[30] : 21–24}精製レベルは、目的のタンパク質の分子量と等電点がわかっている場合はさまざまな種類のゲル電気泳動を使用して、タンパク質に識別可能な分光特性がある場合は分光法を使用して、タンパク質に酵素活性がある場合は酵素アッセイを使用して監視できる。さらに、電気泳動法を用いてタンパク質を電荷に応じて分離することもできる。^[60]

天然タンパク質の場合、実験室での使用に十分な純度のタンパク質を得るには、一連の精製ステップが必要になる場合があります。このプロセスを簡素化するために、タンパク質に化学的特徴を追加して、構造や活性に影響を与えずに精製しやすくする遺伝子工学がよく使用されます。ここでは、特定のアミノ酸配列からなる「タグ」、多くの場合一連のヒスチジン残基 (「His タグ」) がタンパク質の一方の末端に取り付けられます。その結果、溶解物がニッケルを含むクロマトグラフィーカラムを通過すると、ヒスチジン残基がニッケルと結合してカラムに付着しますが、溶解物のタグのない成分は妨げられることなく通過します。研究者が複雑な混合物から特定のタンパク質を精製するのに役立つさまざまなタグが開発されています。^[61]

生体内でのタンパク質の研究は、細胞内でのタンパク質の合成と局在に関係することが多い。多くの細胞内タンパク質は細胞質で合成され、膜結合型または分泌型タンパク質は小胞体で合成されるが、タンパク質が特定の細胞小器官または細胞構造にどのように標的化されるかの詳細は不明なことが多い。細胞局在を評価するための有用な技術は、遺伝子工学を使用して、目的の天然タンパク質と緑色蛍光タンパク質（GFP）などの「レポーター」を結合させた融合タンパク質またはキメラを細胞内で発現させるものである。 ^[62]融合タンパク質の細胞内での位置は、反対側の図に示すように 、^[63]顕微鏡を使用して明確に効率的に視覚化できる。

タンパク質の細胞内局在を明らかにする他の方法では、ER、ゴルジ体、リソソームまたは液胞、ミトコンドリア、葉緑体、細胞膜などの領域に対する既知の区画マーカーを使用する必要があります。これらのマーカーの蛍光タグ付きバージョンまたは既知のマーカーに対する抗体を使用すると、目的のタンパク質の局在を特定するのがはるかに簡単になります。たとえば、間接免疫蛍光法では、蛍光の共局在と位置の証明が可能になります。同様の目的で、蛍光染料が細胞区画のラベル付けに使用されます。^[64]

他にも可能性はあります。例えば、免疫組織化学では通常、1つまたは複数の目的タンパク質に対する抗体を使用します。この抗体は、サンプル間で比較できる発光または発色シグナルを生成する酵素と結合しており、これにより局在情報が得られます。別の適用可能な技術は、等密度遠心分離を使用したショ糖（または他の物質）勾配での共分画です。^[65]この技術は、既知の密度の区画と目的のタンパク質の共局在を証明するものではありませんが、可能性を高め、大規模な研究に適しています。

最後に、細胞局在のゴールドスタンダードな方法は免疫電子顕微鏡法です。この技術も、古典的な電子顕微鏡法に加えて、目的のタンパク質に対する抗体を使用します。サンプルは通常の電子顕微鏡検査用に準備され、次に非常に電気密度の高い材料（通常は金）に結合された目的のタンパク質に対する抗体で処理されます。これにより、超微細構造の詳細と目的のタンパク質の両方の局在が可能になります。^[66]

部位特異的変異誘発と呼ばれる別の遺伝子工学の応用により、研究者はタンパク質の配列を変更し、その構造、細胞局在、および制御に対する感受性を変えることができます。この技術は、修飾tRNAを使用してタンパク質に非天然アミノ酸を組み込むことも可能にし、^[67]新しい特性を持つ新しいタンパク質の合理的な設計を可能にする可能性があります。^[68]

ある細胞または細胞型に一度に存在するタンパク質の総体はプロテオームと呼ばれ、このような大規模なデータセットの研究は、関連分野であるゲノミクスに倣って名付けられたプロテオミクスの分野を定義しています。プロテオミクスの主要な実験技術には、多くのタンパク質の分離を可能にする2D電気泳動^[69]、タンパク質の迅速なハイスループット同定とペプチドの配列決定（ほとんどの場合、ゲル内消化後）を可能にする質量分析^[70] 、細胞内に存在するさまざまなタンパク質の相対レベルを検出できるタンパク質マイクロアレイ、およびタンパク質間相互作用の体系的な調査を可能にするツーハイブリッドスクリーニング^[71]などがあります。生物学的に可能なこのような相互作用の総体はインタラクトームとして知られています。^[72]あらゆる可能なフォールドを表すタンパク質の構造を決定するための体系的な試みは、構造ゲノミクスとして知られています。^[73]

タンパク質の三次構造、またはその複合体の四次構造を発見することは、タンパク質がどのように機能し、どのように影響を受けるか、すなわち薬物設計について重要な手がかりを与えることができます。タンパク質は光学顕微鏡で見るには小さすぎるため、その構造を決定するには他の方法を採用する必要があります。一般的な実験方法には、X線結晶構造解析とNMR分光法があり、どちらも原子分解能で構造情報を得ることができます。しかし、NMR実験は、原子対間の距離のサブセットを推定できる情報を提供することができ、タンパク質の最終的な可能な立体配座は距離形状問題を解くことによって決定されます。二重偏光干渉法は、全体的なタンパク質の立体配座と相互作用やその他の刺激による立体配座の変化を測定する定量分析法です。円偏光二色性は、タンパク質の内部βシート/αヘリックス構成を決定するための別の実験技術です。クライオ電子顕微鏡法は、組み立てられたウイルスを含む非常に大きなタンパク質複合体に関する低解像度の構造情報を生成するために使用されます。^{[33] : 340–41}電子結晶学として知られる変種も、場合によっては、特に膜タンパク質の2次元結晶に対して高解像度の情報を生成することができます。^{[74]解決された構造は通常、}タンパク質データバンク（PDB）に保存されます。これは、タンパク質内の各原子の直交座標の形で何千ものタンパク質の構造データを取得できる無料で利用できるリソースです。^[75]

遺伝子配列はタンパク質構造よりもはるかに多く知られています。さらに、解明された構造の集合は、主要な構造決定法の1つであるX線結晶構造解析で必要とされる条件に容易にさらすことができるタンパク質に偏っています。特に、球状タンパク質は、 X線結晶構造解析の準備として結晶化するのが比較的簡単です。対照的に、膜タンパク質と大きなタンパク質複合体は結晶化が難しく、PDBでは十分に表現されていません。^[76] 構造ゲノミクスの取り組みは、主要なフォールドクラスの代表的な構造を体系的に解明することで、これらの欠陥を改善しようと試みてきました。タンパク質構造予測法は、実験的に構造が決定されていないタンパク質に対して妥当な構造を生成する手段を提供しようとしています。^[77]

構造ゲノミクスの分野を補完するタンパク質構造予測は、実験室での観察で構造を検出する代わりに、理論上の分子構造を計算的に予測するためのタンパク質の効率的な数学モデルを開発します。 ^[78]最も成功したタイプの構造予測は、相同性モデリングとして知られており、モデル化されているタンパク質と配列が類似している「テンプレート」構造の存在に依存しています。構造ゲノミクスの目標は、解決された構造で十分な表現を提供し、残っている構造のほとんどをモデル化することです。^[79]遠縁のテンプレート構造しか利用できない場合、正確なモデルを作成することは依然として課題ですが、配列アラインメントがこのプロセスのボトルネックであることが示唆されています。「完全な」配列アラインメントがわかっている場合は、非常に正確なモデルを作成できます。^[80]多くの構造予測方法は、新しいタンパク質フォールドがすでに設計されているタンパク質工学の新興分野に情報を提供してきました。 ^{[81]また、タンパク質（真核生物では約33％）には、構造化されていないが生物学的に機能する大きなセグメントが含まれており、}本質的に無秩序なタンパク質として分類できます。^[82]したがって、タンパク質の無秩序性を予測し分析することは、タンパク質構造の特徴付けにおいて重要な部分である。^[83]

タンパク質の構造、機能、進化を解析するために、さまざまな計算方法が開発されてきました。このようなツールの開発は、ヒトゲノムを含むさまざまな生物のゲノムおよびプロテオームのデータが膨大かつ急速に増加していることによって推進されてきました。すべてのタンパク質を実験的に研究するためのリソースは存在しないため、計算ツールは類似のタンパク質への外挿に使用され、実験室実験にかけられるのはごくわずかです。このような相同タンパク質は、配列アライメントによって遠縁の生物で効率的に識別できます。ゲノムおよび遺伝子配列は、さまざまなツールを使用して特定の特性について検索できます。配列プロファイリングツールは、制限酵素部位、ヌクレオチド配列のオープンリーディングフレームを見つけ、二次構造を予測できます。Clustal Wなどの特別なソフトウェアを使用して、現代の生物の祖先とそれらが発現する遺伝子に関する系統樹を構築し、進化仮説を展開できます。バイオインフォマティクスの分野は、現在、遺伝子とタンパク質の解析に不可欠です。

より複雑な計算問題は、分子ドッキング、^[84]、 タンパク質の折り畳み、タンパク質間相互作用、化学反応性などの分子間相互作用の予測です。これらの動的プロセスをシミュレートする数学モデルには、分子力学、特に分子動力学が含まれます。この点で、コンピューターシミュレーションにより、ビリンヘッドピース、^[85] 、 HIVアクセサリタンパク質^[86]などの小さなαヘリカルタンパク質ドメインの折り畳みが発見され、標準的な分子動力学と量子力学数学を組み合わせたハイブリッド法によってロドプシンの電子状態が調査されました。^[87]

古典的な分子動力学を超えて、量子動力学法は、量子力学的効果を正確に記述しながら、タンパク質を原子レベルの詳細でシミュレーションすることを可能にします。例としては、多層多構成時間依存ハートリー（MCTDH）法と階層的運動方程式（HEOM）アプローチがあり、それぞれ植物のクリプトクロム^[88]と細菌の光捕集複合体^[89]に適用されています。生物規模のシステムの量子力学シミュレーションと古典力学シミュレーションはどちらも非常に計算量が多いため、分散コンピューティングイニシアチブ（たとえば、Folding@homeプロジェクト^[90]）は、 GPU並列処理とモンテカルロ手法の進歩を利用して分子モデリングを容易にします。

有機物中の全窒素含有量は、主にタンパク質中のアミノ基によって形成される。総ケルダール窒素（TKN）は、（廃）水、土壌、食品、飼料、および一般的な有機物の分析に広く使用されている窒素の測定法である。名前が示すように、ケルダール法が適用される。より感度の高い方法も利用可能である。^{[91] [92]}

ほとんどの微生物と植物は20種類の標準アミノ酸すべてを生合成できますが、動物（人間を含む）はいくつかのアミノ酸を食事から摂取する必要があります。^[47]生物が自分で合成できないアミノ酸は必須アミノ酸と呼ばれます。特定のアミノ酸を合成する主要な酵素は動物には存在しません。たとえば、アスパラギン酸からリジン、メチオニン、スレオニンを合成する最初のステップを触媒するアスパルトキナーゼなどです。環境中にアミノ酸が存在する場合、微生物は周囲からアミノ酸を取り込み、生合成経路を下方制御することでエネルギーを節約できます。

動物では、アミノ酸はタンパク質を含む食物の摂取を通じて得られる。摂取されたタンパク質はその後、消化によってアミノ酸に分解される。消化には通常、酸にさらされることによるタンパク質の変性と、プロテアーゼと呼ばれる酵素による加水分解が含まれる。摂取されたアミノ酸の一部はタンパク質の生合成に使用され、他のアミノ酸は糖新生によってグルコースに変換されるか、クエン酸回路に供給される。タンパク質を燃料として使用することは、飢餓状態においては特に重要であり、体内のタンパク質、特に筋肉に含まれるタンパク質を生命維持に利用できるようになる。^[93]

犬や猫などの動物では、タンパク質は毛包の成長と角質化を促進し、皮膚の健康と質を維持し、悪臭を生じる皮膚の問題の可能性を減らします。^[94]質の悪いタンパク質は胃腸の健康にも影響を及ぼし、犬の鼓腸や悪臭物質の可能性を高めます。これは、タンパク質が消化されない状態で結腸に到達すると発酵し、硫化水素ガス、インドール、スカトールを生成するためです。^[95]犬や猫は動物性タンパク質を植物由来のタンパク質よりもよく消化しますが、皮膚、羽毛、結合組織など、質の悪い動物由来の製品は消化されにくいです。^[95]

タンパク質の機械的特性は非常に多様で、ケラチンやコラーゲンなどのタンパク質の場合のように、生物学的機能の中心となることが多い。^[96]たとえば、筋肉組織が継続的に拡張および収縮する能力は、その基礎となるタンパク質構成の弾性特性に直接結びついている。^{[97] [98]繊維状タンパク質以外にも、}酵素の立体配座ダイナミクス^[99]や生体膜 の構造など、他の生物学的機能は、タンパク質の機械的特性によって左右される。生物学的文脈以外では、多くのタンパク質のユニークな機械的特性と、合成ポリマーと比較した場合の相対的な持続可能性により、タンパク質は次世代の材料設計の望ましいターゲットとなっている。^{[100] [101]}

ヤング率Eは、 軸方向応力 σ とその結果生じるひずみ ε として計算されます。これは、材料の相対的な剛性の尺度です。タンパク質の場合、この剛性は生物学的機能と直接相関することがよくあります。たとえば、結合組織、骨、軟骨に含まれるコラーゲンや、爪、鉤爪、毛髪に含まれるケラチンは、エラスチンよりも数桁高い剛性が観測されています。 ^{[102]エラスチンは、}血管、肺組織、膀胱組織などの構造に弾力性を与えると考えられています。^{[103] [104]}これと比較して、細胞質内で比較的自由に浮遊し、酵素として機能することが多い（したがって頻繁に構造変化を起こす）ウシ血清アルブミンなどの球状タンパク質は、比較的ヤング率がはるかに低いです。^{[105] [106]}

単一タンパク質のヤング率は分子動力学シミュレーションで求めることができる。CHARMMやGROMOSなどの原子力場、またはMartiniのような粗視化力場^[107]のいずれかを使用して、単一タンパク質分子を一軸力で引き伸ばし、その結果生じた伸びを記録して歪みを計算することができる。^{[108] [109]実験的には、}原子間力顕微鏡などの方法を使用して同様のデータを得ることができる。^[110]

マクロレベルでは、架橋タンパク質ネットワークのヤング率は、より伝統的な機械的試験によって得ることができます。いくつかのタンパク質の実験的に観察された値を以下に示します。

球状タンパク質は細胞内で酵素として働くだけでなく、重要な輸送分子としても働くことが多い。例えば、血液の主要成分である血清アルブミンは、多数の小分子を体全体に輸送するために必要である。^{[114]このため、溶液中のこれらのタンパク質の濃度依存的な挙動は、}循環器系の機能に直接結びついている。この挙動を定量化する1つの方法は、溶液の 粘度を利用することである。

粘度ηは、一般的に流体の変形抵抗の尺度として与えられます。これは、加えられた応力と、その結果生じるせん断ひずみの変化率、つまり変形率との比として計算できます。血液などの複雑な液体混合物の粘度は、多くの場合、温度と溶質濃度に大きく依存します。^[115]血清アルブミン、特にウシ血清アルブミンの場合、粘度と温度および濃度の間には次のような関係があります。^[116]

${\displaystyle \eta =\exp \left[{\frac {c}{\alpha -\beta \ c}}\left(-B+DT+{\frac {\Delta E}{RT}}\right)\right]}$

ここで、cは濃度、Tは温度、Rは気体定数、α、β、B、D、Δ Eはすべて材料ベースの特性定数です。この式はアレニウスの式の形式を持ち、粘度に温度と濃度に対する指数関数的な依存性を割り当てます。

Textbooks

• NCBI Entrez Protein database
• NCBI Protein Structure database
• Human Protein Reference Database
• Human Proteinpedia
• Folding@Home (Stanford University) Archived 2012-09-08 at the Wayback Machine
• Protein Databank in Europe (see also PDBeQuips, short articles and tutorials on interesting PDB structures)
• Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (see also Molecule of the Month Archived 2020-07-24 at the Wayback Machine, presenting short accounts on selected proteins from the PDB)
• Proteopedia – Life in 3D: rotatable, zoomable 3D model with wiki annotations for every known protein molecular structure.
• UniProt the Universal Protein Resource

• "An Introduction to Proteins" from HOPES (Huntington's Disease Outreach Project for Education at Stanford)
• Proteins: Biogenesis to Degradation – The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology