アミノ酸とは

アミノ酸の化学構造の基本

アミノ酸は、塩基性アミノ基(-NH2)、酸性カルボキシル基(-COOH)、および各アミノ酸に固有の有機R基(または側鎖)からなる有機分子である。下の図はアミノ酸の骨格を模式的に表している。
アミノ酸の骨格
アミノ酸は、実は、α-アミノカルボン酸を略した用語である。各分子は、アミノとカルボキシル基の両方が接続されているα-炭素と呼ばれる中央の炭素(C)原子を含んでいる。炭素原子には結合するための手が4つあり、α-炭素原子の残りの2つの手は、一般的には水素(H)原子とRグループと結合している。

アミノ酸の種類

以下は20個の主要なアミノ酸の化学構造式である。
主要アミノ酸の化学構造

アミノ酸の分類|必須かそうでないか

人体には20種類のアミノ酸があり、タンパク質の構成要素として機能している。そのうち9種類のアミノ酸は必須アミノ酸とされており、食事から摂取する必要がありるが、5種類のアミノ酸は体内で作ることができる。残りの6つのタンパク質を構成するアミノ酸は条件付きで、特定のライフステージや特定の疾患状態でのみ必須とされている。
必須アミノ酸は、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、スレオニン、トリプトファン、バリン。(トロリー(ヒ)バスフメイと覚えました。)
非必須アミノ酸としては、アラニン、アスパラギン、アスパラギン酸、グルタミン酸、セリン。
条件付きアミノ酸は、アルギニン、システイン、グルタミン、グリシン、プロリン、チロシン。

アミノ酸の分類|側鎖の荷電や修飾状態から

アミノ酸は通常、R基(側鎖)の極性、または電荷の分布に基づいて、標準または非標準に分類される。
タンパク質の構成要素として機能する20個のアミノ酸は標準アミノ酸に分類される。
非標準アミノ酸とは、基本的には標準アミノ酸がタンパク質に組み込まれた後に化学的に修飾されたもの(翻訳後修飾)であり、生体内に存在するがタンパク質には存在しないアミノ酸を含むこともある。後者の中には、血液凝固タンパク質のプロトロンビンに含まれるカルシウム結合性アミノ酸残基であるγ-カルボキシグルタミン酸があります。
真核生物(ヒトを含む)におけるアミノ酸の最も重要な翻訳後修飾は、セリン、スレオニン、チロシンのR基の水酸基部分にリン酸分子が付加されるリン酸化です。リン酸化は、タンパク質の機能や細胞のシグナル伝達の調節に重要な役割を果たしている。

荷電したアミノ酸

1. 中性で正の電荷を持つ塩基性アミノ酸:リジン(Lys)、アルギニン(Arg)、
2. 中性で負の電荷を持つ酸性アミノ酸:アスパラギン酸(Asp)、グルタミン酸(Glu)
正と負に帯電したアミノ酸の側鎖が相互に作用して形成される、いわゆる橋は、タンパク質の立体構造の安定化に重要であることがわかっている。例えば、好熱性生物(80~90℃あるいはそれ以上の高温下で生活する生物)のタンパク質に含まれる電荷を帯びたアミノ酸は、しばしばタンパク質の表面に広範な塩橋のネットワークを形成し、高温での変性を防ぐ耐熱性に寄与している。金属イオンのタンパク質への結合は、AspとGluの負に帯電したカルボキシル基のもう一つの機能である。

極性アミノ酸

極性を考えるとき、アミノ酸の中には簡単に割り当てられるものもあれば、意見が分かれるものもあります。例えば、セリン(Ser)、スレオニン(Thr)、チロシン(Tyr)は、水酸基(-OH)を持っているので、明らかに極性があります。この極性基は、プロトンを供与したり受容したりすることで、他の極性基との水素結合形成に関与することができる。アスパラギン(Asn)とグルタミン(Gln)も極性を持ち、極性のあるアミド基を持つ。

⇒Rにもう一つカルボキシ基があるもので、アスパラギン酸とグルタミン酸しかありません。
RがCH2 – COOH : アスパラギン酸
Rが(CH2)2 – COOH : グルタミン酸

一方、ヒスチジン(His)は、環境やpHに応じて極性と電荷の両方を持つことがある。ヒスチジンは2つの-NH基を持ち、pKa値は約6である。両方の基がプロトン化されると、側鎖は+1の電荷を持つ。pKaはタンパク質の環境によって変化し、側鎖がプロトンを放出して中性になったり、プロトンを受容して電荷を帯びることがある。この性質を利用して、ヒスチジンは、化学反応でプロトンの引き抜きが必要な酵素の活性部位に置かれている。芳香族アミノ酸であるトリプトファン(Trp)や前述のTyr、非芳香族アミノ酸であるメチオニン(Met)は、極性と非極性の両方の性質を持つことから両性具有と呼ばれることがある。これらの残基は、タンパク質と溶媒の界面に近いところに存在する。また、ヒスチジン、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファンの側鎖は、環構造内の電子雲を利用して、OH-π型やCH-O型の弱い水素結合を形成することができる。

塩基性アミノ酸はRにもう一つアミノ基があります。
R:(CH2)4 –NH2 : リシン

疎水性アミノ酸

疎水性アミノ酸には、アラニン(Ala, A)、バリン(Val, V)、ロイシン(Leu, L)、イソロイシン(Ile, I)、プロリン(Pro, P)、フェニルアラニン(Phe, F)、システイン(Cys)がある。これらの残基は通常、溶媒から隔離されたタンパク質のコア内部に存在する。これらの残基はファンデルワールス相互作用に関与しており、タンパク質構造の安定化に不可欠である。さらにCys残基は、ジスルフィド(S-S)ブリッジの形成を通じて3次元構造の安定化にも関与している。ジスルフィドブリッジは、タンパク質構造の異なる部分、あるいは複合体の異なるサブユニットをつなぐこともある。Cysの場合も、疎水性基への割り当てについては意見が分かれていることに注目したい。例えば、ある方式ではCysは疎水性であるとされているが、他の方式ではCysはしばしばタンパク質の近くや表面に存在するので極性であるとされている。

グリシンとプロリン

グリシン(Gly)は、一般的なアミノ酸の一つで、側鎖を持たない。タンパク質の表面に多く存在し、ループやコイル(二次構造を持たない)領域に含まれ、ポリペプチド鎖に高い柔軟性を与える。この柔軟性は、ループ領域でのポリペプチドの急激な回転を促進するために必要である。
一方、プロリンは一般的に非極性であり、Glyとは逆の性質を持つ。構造のセグメントに一定のねじれ角を与えることで、ポリペプチド鎖に剛性を与える(Morgan &Rubenstein, 2013)。その理由は、その側鎖が主鎖と共有結合を作ることで、この場所のポリペプチドのファイ角が制約されるからである。Proは、α-へリックスの末端やターンによく見られることから、helix breakerと呼ばれることもある。

アミノ酸の分類のまとめ

以下に、タンパク質の中で最も一般的な20種類のアミノ酸を、3文字と1文字のコードとともに示します。

荷電性(側鎖がしばしば塩橋を形成する)
– アルギニン – Arg – R
– リジン – Lys – K
– アスパラギン酸(Asp)・・・D
– グルタミン酸(Glu)・・・E

極性(プロトン供与体または受容体として水素結合を形成する)
– グルタミン – Gln – Q
– アスパラギン – Asn – N
– ヒスチジン – His – H
– セリン – Ser – S
– スレオニン – Thr – T
– チロシン – Tyr – Y
– システイン – Cys – C

両性具有(タンパク質や脂質膜の表面に多く存在し、極性具有に分類されることもある)。
– トリプトファン – Trp – W
– チロシン – Tyr – Y
– メチオニン – Met – M (金属イオンのリガンドとして機能することがある)

疎水性(通常はタンパク質のコアの中に埋もれている)。
– アラニン – Ala – A
– イソロイシン – Ile – I
– ロイシン – ロイウ – L
– メチオニン – Met – M
– フェニルアラニン – Phe – F
– バリン – Val – V
– プロリン – Pro – P
– グリシン-Gly-G

アミノ酸のはたらき

アミノ酸はタンパクの構成要素として機能します。タンパクは、人体の約16%を占め、細胞内で起こる化学反応の大部分を触媒しています。タンパクは、細胞の構造要素の多くをしめるもので、細胞を組織に結合させたりするのにも役立っています。

この記事の著者:仲田洋美医師
医籍登録番号 第371210号
日本内科学会 総合内科専門医 第7900号
日本臨床腫瘍学会 がん薬物療法専門医 第1000001号
臨床遺伝専門医制度委員会認定 臨床遺伝専門医 第755号