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タンパク質は、1つまたは複数の長いアミノ酸残基鎖からなる巨大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、刺激への応答、細胞や生物の構造形成、分子の輸送など、生物体内で多岐にわたる機能を果たします。タンパク質は、主にアミノ酸配列によって互いに異なり、その配列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3次元構造に折り畳まれ、その活性が決まります。
アミノ酸残基の直線状の鎖はポリペプチドと呼ばれます。タンパク質は少なくとも1つの長いポリペプチドを含みます。20～30個未満の残基を含む短いポリペプチドは、タンパク質とみ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ます。個々のアミノ酸残基は、ペプチド結合と隣接するアミノ酸残基によって結合しています。タンパク質中のアミノ酸残基の配列は、遺伝暗号にコード化された遺伝子の配列によって定義されます。一般的に、遺伝暗号は20種類の標準アミノ酸を指定しますが、特定の生物では遺伝暗号にセレノシステイン、そして特定の古細菌ではピロリシンが含まれることがあります。合成直後、あるいは合成中に、タンパク質中の残基は翻訳後修飾によって化学的に修飾されることが多く、これによりタンパク質の物理的および化学的性質、折り畳み、安定性、活性、そして最終的には機能が変化します。一部のタンパク質は、生物学的活性のために非タンパク質の化学化合物またはイオンを必要とし、これらは補因子として知られています。タンパク質は互いに協力して特定の機能を果たすことができ、しばしば会合して安定したタンパク質複合体を形成する。
タンパク質は一度形成されると、一定期間しか存在せず、その後、タンパク質ターンオーバーというプロセスを通じて細胞の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、その範囲は幅広く、数分から数年まで存在し、哺乳類細胞における平均寿命は1～2日です。異常なタンパク質やミスフォールドしたタンパク質は、より速やかに分解され、多くの場合、それ自体が大きなタンパク質複合体であるプロテアソームによって分解されます。これらのタンパク質は、標的化（ユビキチンリガーゼがタンパク質を分解対象としてマークする）または不安定性や損傷によって分解されます。
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構成要素であり、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。一部のタンパク質は、筋肉のアクチンやミオシン、細胞の形状を維持する細胞骨格の足場タンパク質のように、構造的または機械的な機能を持っています。その他のタンパク質は、細胞シグナル伝達、免疫応答、細胞接着、細胞周期において重要です。動物では、体内で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。食事中のタンパク質はアミノ酸に分解され、体内の遊離アミノ酸プールを補充します。遊離アミノ酸プールは主に新しいタンパク質の合成に使用されますが、エネルギー産生やその他の重要な窒素含有分子の合成にも非常に重要です。
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、認識されてきました。 [ 1 ] [ 2 ]彼らはしばしばそれらをまとめて「アルブミン」または「アルブミン質」（ドイツ語でEiweisskörper）と呼んでいました。[ 2 ] 例えば、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ました。 [ 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 種類の動物性タンパク質を認識しました。[ 3 ] 1700 年代後半から 1800 年代初頭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、レグミンなどがありました。[ 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 ]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経験式C 400 H 620 N 100 O 120 P 1 S 1を持っている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。これらの分子を記述するための「タンパク質」という用語は、ムルダーの同僚である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、「主要な」、「先頭に立つ」、「前に立つ」という意味です。[ 7 ] + -in。モルダーは、タンパク質分解の産物を特定し、例えばアミノ酸ロイシンの分子量を（ほぼ正確に）発見した。131 Da . [ 6 ]
ドイツのカール・フォン・フォイトのような初期の栄養学者は、一般的に「肉は肉を作る」と信じられていたため、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。[ 8 ] 1862年頃、カール・ハインリヒ・リットハウゼンはアミノ酸のグルタミン酸を単離しました。[ 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。オズボーンは、ラファイエット・メンデルとともに、実験用ラットを用いた給餌実験でいくつかの栄養的に必須のアミノ酸を確立しました。[ 10 ]必須アミノ酸が欠乏した食事はラットの成長を阻害し、これはリービッヒの最小律と一致します。[ 11 ]最後に発見された必須アミノ酸であるスレオニンは、ウィリアム・カミング・ローズによって同定されました。[ 12 ]
タンパク質の精製が困難であったため、初期のタンパク質生化学者の研究は妨げられた。タンパク質は血液、卵白、ケラチンから大量に得ることができたが、個々のタンパク質は入手できなかった。1950年代、アーマーホットドッグ社は 1kgのウシ膵臓リボヌクレアーゼAを精製し、科学者に無償で提供した。この行為により、リボヌクレアーゼAはその後数十年にわたり生化学研究の主要な対象となった。[ 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年にフランツ・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もたらされた。 [ 13 ] [ 14 ]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した時まで十分に認識されていなかった。 [ 15 ]
ライナス・ポーリングは、 1933年にウィリアム・アストベリーが最初に提唱した水素結合に基づく規則的なタンパク質二次構造の予測に成功したことで知られています。 [ 16 ]その後、ウォルター・カウズマンによる変性に関する研究[ 17 ] [ 18 ]は、カイ・リンダーストロム＝ラングによる以前の研究[ 19 ]に部分的に基づいており、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。[ 20 ]
アミノ酸配列が解読された最初のタンパク質は、1949年にフレデリック・サンガーによって解読されたインスリンであった。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、またはシクロルではなく、アミノ酸の線状ポリマーから構成されていることを決定的に証明した。[ 21 ]彼はこの業績により1958年にノーベル賞を受賞した。[ 22 ]クリスチャン・アンフィンセンによるリボヌクレアーゼAの酸化折りたたみ過程の研究は、1972年にノーベル賞を受賞し、タンパク質の折りたたみの熱力学的仮説を確固たるものにした。この仮説によれば、タンパク質の折りたたみ形は自由エネルギーの最小値を表す。[ 23 ] [ 24 ]
X線結晶学の発展により、タンパク質の構造と配列を決定することが可能になった。[ 25 ]最初に構造が解明されたタンパク質は、 1958年にマックス・ペルーツがヘモグロビン、ジョン・ケンドリューがミオグロビンを解明した。 [ 26 ] [ 27 ]コンピュータの使用と計算能力の向上により、複雑なタンパク質の配列決定が可能になった。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を決定した。[ 25 ]
それ以来、巨大分子集合体のクライオ電子顕微鏡（クライオEM）[ 28 ]が開発されてきた。クライオEM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する。サンプルへの損傷が少ないため、科学者はより多くの情報を得て、より大きな構造を分析することができる[ 25 ] 。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[ 29 ]は、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きた。 2024年4月現在タンパク質データバンクには、181,018個のX線構造、19,809個の電子顕微鏡構造、および12,697個の核磁気共鳴構造のタンパク質構造が登録されている。[ 30 ]
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。[ 31 ]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、その生物学的および生化学的機能と細胞内局在によって分類します。[ 32 ]
配列類似性は、進化的類似性と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。これには、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できます。タンパク質ドメインは、配列、構造、および機能の組み合わせによってタンパク質を分類することを可能にし、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が少なくとも1つのドメインに割り当てられ、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す（たとえば、600アミノ酸より大きいタンパク質は平均して5つ以上のドメインを持っています）。[ 33 ]
ほとんどのタンパク質は、最大 20 個のL -α-アミノ酸の系列から構成される線状ポリマーでできています。すべてのタンパク質構成アミノ酸は、α-炭素がアミノ基、カルボキシル基、および可変側鎖に結合している共通の構造を持っています。プロリンだけがこの基本構造と異なり、その側鎖は環状でアミノ基に結合しているため、タンパク質鎖の柔軟性が制限されます。[ 34 ]標準アミノ酸の側鎖はさまざまな化学構造と特性を持ち、すべてのアミノ酸の複合効果によってその三次元構造と化学反応性が決定されます。[ 35 ]
ポリペプチド鎖中のアミノ酸は、アミノ基とカルボキシル基の間のペプチド結合によって連結されています。鎖中の個々のアミノ酸は残基と呼ばれ、連結された炭素、窒素、酸素原子の系列は主鎖またはタンパク質骨格として知られています。[ 36 ] : 19ペプチド結合には、骨格に二重結合の性質を与える2つの共鳴構造があります。α炭素は、窒素とカルボニル（C=O）基とほぼ同一平面上にあります。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。NC(O)二重結合の性質の1つの結果として、タンパク質はやや剛性があります。[ 36 ] : 31ポリペプチド鎖は、 N末端またはアミノ末端として知られる遊離アミノ基と、 C末端またはカルボキシル末端として知られる遊離カルボキシル基で終わります。[ 37 ]慣例として、ペプチド配列はN末端からC末端の順に書かれ、これはリボソームによってタンパク質が合成される順序に対応している。[ 37 ] [ 38 ]
タンパク質、ポリペプチド、ペプチドという言葉はやや曖昧で、意味が重複することがあります。タンパク質は一般的に、安定した立体構造を持つ完全な生体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構造を持たないことが多い短いアミノ酸オリゴマーに使われます。しかし、この2つ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。[ 39 ]
タンパク質は、他のタンパク質、脂質、炭水化物、DNAなど、多くの種類の分子やイオンと相互作用することができます。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
大腸菌や黄色ブドウ球菌などの典型的な細菌細胞には、約200万個のタンパク質が含まれていると推定されています。マイコプラズマやスピロヘータなどの小型細菌には、 5万個から100万個程度の分子しか含まれていません。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んでいます。たとえば、酵母細胞には約5000万個のタンパク質分子が含まれていると推定されており、ヒト細胞には10億個から30億個程度のタンパク質が含まれています。[ 43 ]個々のタンパク質コピーの濃度は、細胞あたり数個の分子から最大2000万個までです。[ 44 ]タンパク質をコードするすべての遺伝子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ります。たとえば、ヒトゲノムによってコードされている約2万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6000個です。[ 45 ]自然界で最も豊富なタンパク質は、光合成において二酸化炭素を有機物に取り込む反応を触媒する酵素であるRuBisCOであると考えられている。植物は重量比で最大1%ものこの酵素を含むことがある。[ 46 ]
タンパク質は、遺伝子にコード化された情報を使用してアミノ酸から組み立てられます。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ます。遺伝暗号は、コドンと呼ばれる3つのヌクレオチドのセットのセットであり、各3つのヌクレオチドの組み合わせはアミノ酸を指定します。たとえば、AUG（アデニン-ウラシル-グアニン）はメチオニンのコードです。DNAには4つのヌクレオチドが含まれているため、可能なコドンの総数は64です。したがって、遺伝暗号には冗長性があり、一部のアミノ酸は複数のコドンによって指定されます。[ 42 ]： 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）に転写されます。ほとんどの生物は、さまざまな形式の転写後修飾を使用してプレmRNA（一次転写産物）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ます。原核生物では、mRNAは生成後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します。一方、真核生物では、mRNAは細胞核内で生成され、その後核膜を越えて細胞質に輸送され、そこでタンパク質合成が行われます。タンパク質合成速度は原核生物の方が真核生物よりも速く、毎秒最大20アミノ酸に達することがあります。[ 47 ]
mRNAテンプレートからタンパク質を合成する過程は翻訳と呼ばれます。mRNAはリボソームにロードされ、各コドンを、認識するコドンに対応するアミノ酸を運ぶトランスファーRNA分子上のアンチコドンと対合させることで、3ヌクレオチドずつ読み取られます。アミノアシルtRNA合成酵素は、tRNA分子に正しいアミノ酸を「結合」させます。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末端へと生合成されます。[ 42 ]： 1002-42
合成タンパク質のサイズは、含まれるアミノ酸の数と総分子量によって測定でき、総分子量は通常、ダルトン（Da）またはその派生単位であるキロダルトン（kDa）で表されます。タンパク質の平均サイズは、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）。これは、高等生物のタンパク質を構成するタンパク質ドメイン の数が増えるためです。 [ 48 ]例えば、酵母タンパク質は平均466アミノ酸長で、質量は53 kDaです。[ 39 ]既知の最大のタンパク質は、筋肉サルコメアの構成要素であるチチンで、分子量はほぼ100万分の1です。分子量3000 kDa、全長約27,000個のアミノ酸。[ 49 ]
短いタンパク質は、ペプチド合成法のファミリーによって化学的に合成できます。これらの方法は、化学的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成します。[ 50 ]化学合成により、アミノ酸側鎖への蛍光プローブの結合など、非天然アミノ酸をポリペプチド鎖に導入できます（これは、組換えタンパク質を生成する際の遺伝子工学によっても達成できます）。 [ 51 ] [ 52 ]これらの方法は、実験室の生化学や細胞生物学では有用ですが、一般的に商業用途には適していません。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ることができません。ほとんどの化学合成法は、生物学的反応とは逆のC末端からN末端へと進行します。[ 53 ]
ほとんどのタンパク質は、独自の3次元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、その天然構造として知られています。[ 36 ]： 36多くのタンパク質は、アミノ酸の化学的性質のみによって、補助なしで折り畳むことができますが、他のタンパク質は、天然の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。[ 36 ]： 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言及することがよくあります。[ 36 ]： 30-34
タンパク質は完全に固定された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発揮する際に、関連する複数の構造間を遷移することがあります。このような機能的な再配置の文脈では、これらの三次構造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、タンパク質の構造は熱振動や他の分子との衝突によって変化します。[ 42 ]： 368–75
タンパク質は、典型的な三次構造に対応する3つの主要なクラスに大まかに分類できます。すなわち、球状タンパク質、繊維状タンパク質、膜タンパク質です。球状タンパク質はほとんどすべて可溶性で、多くは酵素です。繊維状タンパク質は、結合組織の主要成分であるコラーゲンや、毛髪や爪のタンパク質成分であるケラチンなど、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することがよくあります。[ 42 ]： 165-85
タンパク質内の分子内水素結合の特殊なケースで、水による攻撃から十分に保護されておらず、そのため脱水が促進されるものは、脱水体と呼ばれる。[ 54 ]
多くのタンパク質は、複数のタンパク質ドメイン、すなわち、それぞれ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から構成されている。[ 55 ] : 134ドメインは通常、酵素活性（例：キナーゼ）などの特定の機能を持つか、結合モジュールとして機能する。[ 55 ] : 155–156
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多い。[ 57 ]例えば、SH3ドメインは通常、短いPxxPモチーフ（すなわち、2つのプロリン[P]が2つの未指定のアミノ酸[x]で隔てられているが、周囲のアミノ酸が正確な結合特異性を決定する可能性がある）に結合する。このようなモチーフの多くは、真核生物線状モチーフ（ELM）データベースに収集されている。[ 58 ]
タンパク質は細胞内の主要な役割を担っており、遺伝子にコード化された情報に基づいて機能を発揮すると考えられている。[ 39 ]特定の種類のRNAを除いて、他のほとんどの生体分子は比較的不活性な要素であり、タンパク質が作用する。タンパク質は、大腸菌細胞の乾燥重量の半分を占めるのに対し、DNAやRNAなどの他の高分子はそれぞれわずか3%と20%しか占めていない。[ 59 ]特定の細胞または細胞型で発現するタンパク質の集合は、その細胞のプロテオームとして知られている。[ 55 ] : 120
タンパク質が多様な機能を発揮できる主な特徴は、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呼ばれ、多くの場合、分子表面のくぼみ、つまり「ポケット」になっています。この結合能力は、結合部位のポケットを規定するタンパク質の三次構造と、周囲のアミノ酸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で特異的な場合があります。例えば、リボヌクレアーゼ阻害タンパク質は、ヒトのアンジオゲニンにサブフェムトモル解離定数（< 10 −15 M）で結合しますが、両生類の相同体であるオンコナーゼ には全く結合しません（> 1 M）。結合相手にメチル基を1つ追加するなどの極めて小さな化学的変化でも、結合をほぼ完全に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識別します。[ 60 ]
タンパク質は、他のタンパク質だけでなく、低分子基質にも結合することができます。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、オリゴマー化して線維を形成することがあります。このプロセスは、球状モノマーが自己会合して硬い繊維を形成する構造タンパク質でよく起こります。タンパク質間の相互作用は、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します。タンパク質は細胞膜に結合したり、細胞膜に組み込まれたりすることができます。結合パートナーがタンパク質のコンフォメーション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ます。[ 42 ]： 830-49 タンパク質間の相互作用は可逆的であり、離散的な機能セットを実行できる凝集体を形成するために、異なるグループのパートナータンパク質が利用可能であることに大きく依存するため、特定のタンパク質間の相互作用の研究は、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ります。[ 61 ] [ 62 ]
細胞内における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す。酵素は通常、非常に特異性が高く、1つまたは少数の化学反応のみを促進します。酵素は、代謝に関わる反応のほとんどを実行するだけでなく、DNA複製、DNA修復、転写などのプロセスでDNAを操作します。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除去します。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ます。[ 63 ]酵素触媒作用によってもたらされる反応速度の加速は、しばしば非常に大きく、オロチン酸デカルボキシラーゼの場合、非触媒反応と比較して最大10 17倍の速度増加となります（酵素がない場合7800万年、酵素がある場合18ミリ秒）。[ 64 ]
酵素に結合して作用を受ける分子は基質と呼ばれる。酵素は数百個のアミノ酸から構成されるが、基質と接触するのは通常、残基のごく一部であり、触媒作用に直接関与するのはさらに少なく、平均で3～4個の残基である。[ 65 ]基質が結合し、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る。[ 55 ] : 389
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る化合物の立体化学を決定するタンパク質のクラスに属する。 [ 66 ]
細胞シグナル伝達およびシグナル伝達の過程には多くのタンパク質が関与している。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遠隔組織の他の細胞へシグナルを伝達する。また、膜タンパク質の中には受容体として機能し、シグナル伝達分子に結合して細胞内で生化学的応答を誘導するものもある。多くの受容体は細胞表面に結合部位を持ち、細胞内にエフェクタードメインを持つ。エフェクタードメインは酵素活性を持つ場合もあれば、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場合もある。 [ 41 ]： 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、すなわち体内の異物に結合し、破壊の標的とすることである。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る。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るが、抗体にはそのような制約はない。抗体の標的への結合親和性は非常に高い。[ 42 ]： 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には高い結合親和性を持ち、標的組織でリガンドが低濃度で存在する場合に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典型的な例はヘモグロビンであり、これは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縁の相同体があります。[ 42 ]： 222-29レクチンは糖結合タンパク質であり、その糖部分に対して非常に特異的です。レクチンは通常、細胞やタンパク質が関与する生物学的認識現象において役割を果たします。[ 67 ]受容体は非常に特異的な結合タンパク質であり、多くのホルモンは受容体に特異的に結合することによって作用します。[ 68 ]
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化させるリガンド輸送タンパク質として機能する。細胞膜自体には疎水性コアがあり、極性分子や荷電分子はそこを拡散できない。膜タンパク質は、そのような分子が細胞に出入りすることを可能にする内部チャネルを持っている。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している。例えば、カリウムチャネルとナトリウムチャネルは、多くの場合、2つのイオンのうち一方のみを識別する。[ 41 ]： 232-34
構造タンパク質は、本来流動的な生体構成要素に硬さと剛性を与えます。ほとんどの構造タンパク質は繊維状タンパク質です。例えば、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、ケラチンは毛髪、爪、羽毛、蹄、一部の動物の殻などの硬いまたは繊維状の構造に見られます。[ 42 ] : 178–81球状タンパク質の中には構造的な機能を果たすものもあります。例えば、アクチンとチューブリンは球状でモノマーとしては可溶性ですが、重合して長く硬い繊維を形成し、細胞骨格を構成します。これにより、細胞はその形状と大きさを維持することができます。[ 55 ] : 490
構造的な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、これらは機械的な力を発生させることができます。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不可欠です。これらは収縮する筋肉によって発揮される力を発生させ[ 42 ] ： 258-64、272、細胞内輸送において重要な役割を果たします[ 55 ]： 481、490
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、質量分析法などがあります。タンパク質の活性と構造は、in vitro、in vivo、in silico で調べることができます。制御された環境下で精製されたタンパク質のin vitro研究は、タンパク質がどのように機能を実行するかを学ぶのに役立ちます。[ 69 ]例えば、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。[ 70 ]対照的に、in vivo実験は、細胞または生物全体におけるタンパク質の生理的役割に関する情報を提供することができ、多くの場合、さまざまな状況でのタンパク質の挙動に関するより多くの情報を提供できます。[ 71 ] In silico研究では、計算方法を使用してタンパク質を研究します。[ 72 ]
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することができます。[ 36 ]： 21-24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。[ 73 ]
in vitro分析を行うには、タンパク質を他の細胞成分から精製する必要があります。このプロセスは通常、細胞溶解から始まります。細胞溶解では、細胞膜が破壊され、内部の内容物が粗溶解液と呼ばれる溶液中に放出されます。得られた混合物は、超遠心分離を使用して精製できます。超遠心分離では、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、核酸を含む画分に分画されます。塩析と呼ばれる方法による沈殿により、この溶解液からタンパク質を濃縮できます。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分離します。[ 36 ]： 21-24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、タンパク質が識別可能な分光学的特徴を持っている場合は分光法を使用して、タンパク質が酵素活性を持っている場合は酵素アッセイを使用して、精製レベルを監視できます。さらに、電気泳動法を用いてタンパク質を電荷に基づいて分離することができる。[ 74 ]
天然タンパク質の場合、実験室での用途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。このプロセスを簡略化するために、タンパク質の構造や活性に影響を与えることなく精製を容易にする化学的特徴をタンパク質に付加する遺伝子工学がよく用いられます。ここでは、特定のアミノ酸配列、多くの場合一連のヒスチジン残基（「Hisタグ」）からなる「タグ」がタンパク質の一方の末端に付加されます。その結果、溶解液をニッケルを含むクロマトグラフィーカラムに通すと、ヒスチジン残基がニッケルに結合してカラムに付着し、タグのない溶解液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タグが数多く開発されています。[ 73 ]
生体内における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化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、膜結合タンパク質や分泌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や細胞構造にどのように標的化されるかの詳細は不明な場合が多い。細胞内局在化を評価するための有用な手法として、遺伝子工学を用いて、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」を連結した融合タンパク質またはキメラを細胞内で発現させる方法がある。 [ 75 ]融合タンパク質の細胞内における位置は、顕微鏡を用いて明確かつ効率的に可視化できる。[ 76 ]
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標識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こと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、蛍光の共局在と局在の実証が可能になります。蛍光色素は、同様の目的で細胞区画を標識するために使用されます。[ 77 ]
他にも可能性はあります。たとえば、免疫組織化学では、通常、1 つ以上の目的タンパク質に対する抗体が酵素と結合され、サンプル間で比較できる発光または発色シグナルを生じるため、局在情報を得ることができます。[ 78 ]もう 1 つの適用可能な技術は、等密度遠心分離を使用したスクロース (またはその他の物質) 勾配での共分画です。[ 79 ]この技術は、既知の密度の区画と目的タンパク質の共局在を証明するものではありませんが、その可能性が高まっていることを示しています。[ 79 ]
最後に、細胞内局在のゴールドスタンダード法は免疫電子顕微鏡法です。この技術では、目的のタンパク質に対する抗体と従来の電子顕微鏡法を使用します。サンプルは通常の電子顕微鏡検査用に準備され、その後、目的のタンパク質に対する抗体を、通常は金などの極めて電気密度の高い物質に結合させたもので処理されます。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を局在化することができます。[ 80 ]
部位特異的変異誘発と呼ばれる別の遺伝子工学的手法により、研究者はタンパク質の配列、ひいてはその構造、細胞内局在、および制御に対する感受性を変化させることができる。この技術は、修飾tRNAを使用して非天然アミノ酸をタンパク質に組み込むことも可能にし[ 81 ] 、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かもしれない[ 82 ] 。
ある時点で細胞または細胞型に存在するタンパク質の総数は、その細胞のプロテオームとして知られており、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なぞらえ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、多くのタンパク質を分離できる2D電気泳動[ 83 ]、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（多くの場合、ゲル内消化後）を可能にする質量分析[ 84 ]、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探索を可能にするツーハイブリッドスクリーニング[ 85 ]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数は、インタラクトームとして知られています[ 86 ]。あらゆる可能な折り畳みを表すタンパク質の構造を体系的に決定しようとする試みは、構造ゲノミクスとして知られています[ 87 ]。
タンパク質の三次構造、あるいはその複合体の四次構造を解明することは、タンパク質がどのように機能を発揮し、どのように影響を受けるか（例えば創薬など）についての重要な手がかりとなる。タンパク質は光学顕微鏡では小さすぎて見えないため、その構造を決定するには他の方法を用いる必要がある。一般的な実験手法としては、X線結晶構造解析や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る。ただし、NMR実験では、原子対間の距離のサブセットを推定できる情報が得られ、距離幾何学問題を解くことでタンパク質の最終的な可能な立体配座が決定される。二重偏光干渉法は、タンパク質全体の立体配座や、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ための定量分析法である。円偏光二色性は、タンパク質の内部βシート／αヘリックス構造を決定するための別の実験手法である。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。[ 41 ]： 340-41電子結晶学として知られる変種は、特に膜タンパク質の二次元結晶の場合、高解像度の情報を生成することができます。[ 88 ]解明された構造は通常、タンパク質データバンク（PDB）に登録されます。PDBは、タンパク質の各原子のデカルト座標の形で、数千のタンパク質に関する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。[ 89 ]
タンパク質構造よりも遺伝子配列の方がはるかに多く知られています。さらに、解明された構造のセットは、主要な構造決定方法の 1 つであるX 線結晶構造解析に必要な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比較的容易に結晶化できます。対照的に、膜タンパク質や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。[ 90 ]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によって、これらの欠点を是正しようとしてきました。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、もっともらしい構造を生成する手段を提供しようとしています。[ 91 ]
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、理論的に分子構造を計算によって予測するための効率的なタンパク質の数理モデルを開発します。 [ 92 ]最も成功している構造予測のタイプは、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類似性を持つ「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、残りのほとんどの構造をモデル化するために、解決済みの構造で十分な表現を提供することです。[ 93 ]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困難ですが、「完全な」配列アライ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るため、配列アライメントがこのプロセスのボトルネックであると示唆されています。 [ 94 ]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新興のタンパク質工学の分野に情報を提供してきました。 [ 95 ]多くのタンパク質（真核生物では約33%）は、大きな非構造化だが生物学的に機能するセグメントを含み、本質的に無秩序なタンパク質に分類できます。タンパク質の構造的特徴付けにおいて、タンパク質の構造的無秩序性を予測および分析することは重要な部分である。[ 96 ]
より複雑な計算上の問題は、分子ドッキング[ 97 ] 、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。この点に関して、インシリコシミュレーションは、ビリンヘッドピース[ 98 ]やHIV補助タンパク質[ 99 ]などの小さなαヘリックスタンパク質ドメインの折り畳みを発見し、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は、ロドプシンの電子状態を研究してきました。[ 100 ]
古典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て、タンパク質を原子レベルで詳細にシミュレーションすることを可能にします。例としては、植物のクリプトクロム[101]と細菌の光捕集複合体[102]にそれぞれ適用された、多層多配置時間依存ハートリー法と階層的運動方程式アプローチがあります。生物スケール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の両方は、非常に計算負荷が高いため、Folding@homeプロジェクトなどの分散コンピューティングイニシアチブは、 GPU並列処理とモンテカルロ技術の進歩を利用して分子モデリングを容易にします。[ 103 ] [ 104 ]
有機物の全窒素含有量は、主にタンパク質中のアミノ基によって形成されます。全ケルダール窒素（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値です。名前が示すように、ケルダール法が適用されます。より高感度な方法も利用可能です。[ 105 ] [ 106 ]
触媒がない場合、タンパク質の加水分解は遅い。[ 107 ]タンパク質を小さなペプチドとアミノ酸に分解する（タンパク質分解）ことは消化の段階であり、これらの分解産物は小腸で吸収される。[ 108 ]タンパク質の加水分解は、プロテアーゼまたはペプチダーゼと呼ばれる酵素に依存している。プロテアーゼ自体もタンパク質であり、切断する特定のペプチド結合と、タンパク質の末端のペプチド結合を切断する傾向（エキソペプチダーゼ）とタンパク質の内部のペプチド結合を切断する傾向（エンドペプチダーゼ）に応じて、いくつかの種類がある。[ 109 ]ペプシンは胃のエンドペプチダーゼである。胃の後では、膵臓が加水分解を完了するために他のプロテアーゼを分泌し、これにはトリプシンとキモトリプシンが含まれる。[ 110 ]
タンパク質加水分解は、血液ミール、羽毛、ケラチンなどの大量のタンパク質源からアミノ酸を製造する手段として商業的に利用されている。これらの材料は、ペプチド結合の加水分解を引き起こす高温塩酸で処理される。[ 111 ]
タンパク質の機械的特性は非常に多様であり、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、その生物学的機能の中心となることが多い。[ 112 ]例えば、筋肉組織が継続的に膨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関係している。[ 113 ] [ 114 ]繊維状タンパク質以外にも、酵素の立体構造ダイナミクス[ 115 ]や生体膜の構造など、他の生物学的機能もタンパク質の機械的特性によって制御されている。生物学的文脈以外では、多くのタンパク質の独自の機械的特性と、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、次世代材料設計の望ましいターゲットとなっている。[ 116 ] [ 117 ]
ヤング率Eは、軸方向応力σを結果として生じるひずみεで割った値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。タンパク質の文脈では、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、血管、肺組織、膀胱組織などの構造に弾性を与えると考えられているエラスチンよりも数桁高い剛性が観察されています[ 118 ] [ 119 ] [ 120 ]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、ヤング率が比較的はるかに低くなっています。[ 121 ] [ 122 ]
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によって求めることができます。CHARMMやGROMOSなどの原子レベルの力場、またはMartiniのような粗視化力場[ 123 ]のいずれかを使用して、単一のタンパク質分子を一軸力で引き伸ばし、その結果生じる伸長を記録してひずみを計算します。[ 124 ] [ 125 ]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取得できます。[ 126 ]タンパク質の内部ダイナミクスには、粘弾性力によって誘発される微妙な弾性および塑性変形が含まれ、これはナノレオロジー技術によって調べることができます。[ 127 ]
巨視的なレベルでは、架橋タンパク質ネットワークのヤング率は、より従来的な力学的試験によって求めることができる。いくつかのタンパク質について実験的に観測された値は以下のとおりである。
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