Bookshelf

3.3.1. Alpha Helix Is a Coiled Structure Stabilized by Intrachain Hydrogen Bonds

潜在的な構造を評価する際に、PaulingとCoreyは、ペプチドのどのようなコンフォメーションが立体的に許容されるか、また、バックボーンのNH基とCO基の水素結合能力を最も十分に活用できるかを検討しました。 彼らが最初に提案した構造は、αヘリックスと呼ばれる棒状の構造である（図3.29）。 棒状の構造の内側には、しっかりとコイル状に巻かれた骨格があり、外側には側鎖がらせん状に伸びている。 αらせんは、主鎖のNH基とCO基の間の水素結合によって安定化している。 特に、各アミノ酸のCO基は、配列の4残基前に位置するアミノ酸のNH基と水素結合を形成する（図3.30）。 このように、αヘリックスの末端付近のアミノ酸を除いて、すべての主鎖のCO基とNH基は水素結合している。 各残基は、ヘリックス軸に沿って1.5Åの上昇と100度の回転によって次の残基と関連しており、ヘリックスの1ターンあたり3.6個のアミノ酸残基が存在することになる。 このように、配列上で3つと4つの間隔をあけているアミノ酸は、αヘリックスでは空間的にかなり近接している。 一方、2つ離れたアミノ酸は、らせんの反対側に位置しているため、接触する可能性は低い。 α螺旋のピッチは、平行移動量（1.5Å）と1回転あたりの残基数（3.6）の積に相当し、5.4Åである。また、螺旋のねじれは右回り（時計回り）と左回り（反時計回り）がある。 ラマチャンドラン図を見ると、右巻きのらせんも左巻きのらせんも許容される構造の一つであることがわかる（図3.31）。 しかし、側鎖と骨格の間の立体的な衝突が少ないため、エネルギー的には右巻きのらせんの方が有利である。 基本的に、タンパク質に含まれるすべてのαヘリックスは右巻きです。

図3.29

αヘリックスの構造。 A）α炭素原子と側鎖（緑）を示したリボン状の図。 (B) ボールアンドスティック版の側面図で、NH基とCO基の間の水素結合（破線）を示す。 (C)端面図では(more…)

図3.31

ヘリックスのラマチャンドラン図です。 右巻きと左巻きのどちらのヘリックスも、ラマチャンドラン図で許容されるコンフォーメーションの領域にあります。 しかし、基本的にタンパク質のすべてのαヘリックスは右巻きです。

図3.32

αヘリックスの模式図。 (A) ボールとスティックのモデル。 B）リボン型の描写。 (C) 円筒形のモデル。

ポーリングとコリーは、ミオグロビンの構造をX線で再構成して実際に見られる6年前に、αヘリックスの構造を予測していました。

タンパク質のαらせん構造は、ほとんどないものから100％近いものまで、幅広く存在します。 例えば、鉄を貯蔵するタンパク質であるフェリチンでは、約75％の残基がαらせんを形成しています（図3.33）。 1つのαヘリックスの長さは通常45Å以下である。 しかし、2つ以上のαらせんが絡み合って、1000Å（100nm、0.1μm）以上の長さを持つ、非常に安定した構造を形成することができる（図3.34）。 このようなαらせん状のコイルは、筋肉のミオシンやトロポミオシン、血栓のフィブリン、髪の毛のケラチンなどに見られます。 これらのタンパク質のらせん状のケーブルは、ヤマアラシの羽毛のように、硬い繊維の束を形成する機械的な役割を果たしている。 細胞骨格（内部の足場）には、いわゆる中間フィラメントが多く存在するが、これも2本鎖のα-ヘリカルコイルドコイルである。

図3.33

A Largely α Helical Protein（大型のαヘリックスを持つタンパク質）。 鉄を貯蔵するタンパク質であるフェリチンは、αらせんの束から作られています。

図3.34

An α-Helical Coiled Coil. 2つのらせんがお互いに巻きついて超らせんを形成しています。 このような構造は、髪の毛のケラチン、羽毛、爪、角など多くのタンパク質に見られます。