第六部：生化学の基礎　たんぱく質(アミノ酸)

　代謝（ metabolism ）
　生化学では，体外から取り入れた無機物や有機化合物を素材とし，生命維持のために行う一連の化学反応をいう。

　一般的には，代謝というと，新陳代謝の略称としてを用いることが多いが，この場合は，古い細胞が新しい細胞に入れ替わるという意味で用いられ，生化学における意味とは異なる。

　代謝は，物質を分解する過程の異化（分解）と物質を合成する同化（同化作用）に区分される。
　異化（ catabolism ）
　最終的にはエネルギーを得るためのクエン酸回路（TCA回路）などで利用できる物質や同化で用いる原料にまで物質を分解する過程である。
　同化（ anabolism ）
　異化で得られたエネルギーを用い，酵素反応を利用し，単純な前駆体を経て核酸，たんぱく質，糖質，脂質など複雑な生体高分子の合成を行う過程をいう。

　細胞中の連鎖的な化学反応を代謝経路（ metabolic pathway ）といい，非常に多くの代謝物質が関わる非常に複雑なものである。また，多くの独立した経路が 1 つの細胞内に共存するので，代謝経路の集合（代謝経路網）として扱われる。

　下図には，基本的な代謝経路の紹介で利用されるマップの例を紹介した。

　異化（ catabolism ）
　最終的にはエネルギーを得るためのクエン酸回路（TCA回路）などで利用できる物質や同化で用いる原料にまで物質を分解する過程である。

　たんぱく質分解酵素（ proteolytic enzymes ）は，高分子量のたんぱく質を分解するプロテアーゼ（ protease ），低分子量のペプチドを分解するペプチダーゼ（ peptidase ）に分類される。
　これらの酵素の作用で，たんぱく質のペプチド結合を加水分解し，複数個のα-アミノ酸またはペプチドまで分解される。

　プロテアーゼには，ペプチド鎖のどちらかの一端から順次切断するエキソペプチダーゼ，ペプチド鎖の中程から切断するエンドペプチダーゼがある。
　エキソペプチダーゼは，さらに，N 末端から分解するアミノペプチダーゼ，C 末端から分解するカルボキシペプチダーゼに分けられる。
　エンドペプチダーゼは，その触媒残基の種類によって，セリンプロテアーゼ，チオールプロテアーゼ，酸性プロテアーゼ，金属プロテアーゼに分けられる。

　たんぱく質は，胃から十二指腸を通って小腸に行くまでに，膵臓（ pancreas ）から分泌される膵液（すいえき）によってα-アミノ酸に変えられ，小腸で吸収される。
　膵液とは，三大栄養素の全てを消化できる酵素（消化酵素）を持つ体液で，消化酵素には，デンプンを二糖類のマルトースにまで分解するアミロプシン（アミラーゼ） ，胆汁で乳化された脂肪を脂肪酸とグリセリン（グリセロール）に分解するステアプシン（リパーゼ），核酸を分解するヌクレアーゼ，たんぱく質の消化に寄与するトリプシノーゲン，キモトリプシノーゲンが含まれる。
　トリプシノーゲン，キモトリプシノーゲンは，膵臓や消化器を守るため，自身のたんぱく質を分解できない化合物として分泌され，腸内で腸液のエンテロキナーゼの作用で活性化し，初めてたんぱく質分解酵素のエンドペプチダーゼ（セリンプロテアーゼ）の一種であるトリプシン，キモトリプシンになる。

　【参考】
　グリセリン（ glycerin(e) ）
　IUPAC 名プロパン-1,2,3-トリオール（ propane-1,2,3-triol ）の伝統的な一般名であったが，アルコール化合物のため，グリセロール（ glycerol ）の名称も広く用いられている。生化学の分野ではグリセロールと称する例がおおい。
　しかし，JIS 規格では，例えば，JIS K 8295「グリセリン（試薬）：Glycerol (Reagent) 」，JIS K 3351「工業用グリセリン：Glycerines for industrial use 」，JIS K 3211「界面活性剤用語：Technical terms for surface active agents 」などでは，日本語の一般名称としてグリセリンを用いている。

　同化（ anabolism ）
　異化で得られたエネルギーを用い，酵素反応を利用し，単純な前駆体を経て核酸，たんぱく質，糖質，脂質など複雑な生体高分子の合成を行う過程をいう。

　人体で多くのα-アミノ酸を合成できるが，必須アミノ酸といわれる 9 種のα-アミノ酸は合成できない。これらのα-アミノ酸は，食物として取り入れたたんぱく質の異化で得られ，必要な場所で再度たんぱく質を作り直すのに用いられる。
　なお，生体には，必要以上のたんぱく質を血液中に溜めておく機能があるため，過剰なα-アミノ酸は，糖質や脂質に変えられる。

　たんぱく質の同化は，細胞がたんぱく質を作る工程をいう。この工程には，アミノ酸の生合成，DNA に基づく設計図の転写（ transcription ），設計図の翻訳（ translation ）などの多段階の工程が含まれる。
　合成されたたんぱく質が機能するためには，適切な立体構造をとる必要がある。そのため，酢酸，リン酸，脂質，糖類などの官能基との結合やジスルフィド結合の形成などの化学的な修飾をうける。この過程を翻訳後修飾（ post-translational modification , PTM ）やフォールディングと呼ぶ。

　【参考】
　DNA（ deoxyribonucleic acid ）
　デオキシリボ核酸といい，リボ核酸（RNA）分子中のリボースの 2' 位の水酸基が水素基に置換された 3-デオキシリボースの核酸をいう。ミトコンドリアや葉緑体（クロロプラスト）などを除いて，その多くは細胞の核に局在し，遺伝情報の担い手になる。ヌクレオチドの配列（塩基配列）は，たんぱく質のアミノ酸配列に対応し，たんぱく質合成の際の設計図として機能する。
　RNA（ ribonucleic acid ）
　分子中の糖がリボース（ 6 個の炭素を持つ五炭糖，単糖）の核酸をいう。RNA（リボ核酸）には，DNA の情報をたんぱく質に翻訳する過程で機能するメッセンジャーRNA（ mRNA ），トランスファーRNA（ tRNA ），リボソームRNA（ rRNA ）の他に，生体内での機能や構造により，ノンコーティングRNA（ ncRNA ），二重鎖RNA（ dsRNA ）など様々な分類がある。

　転写（ transcription ）
　膨大な種類のたんぱく質を必要な時期に必要な量を正確に合成するため，DNA に記録される塩基配列と同じ配列の RNA をゲノム中で合成する過程をいう。
　ゲノム（ genom ）とは，遺伝子（ gene ）と染色体（ chromosome ）の合成造語で，生物が生きていくために必要な DNAや RNAなどの遺伝情報を含む 1組の染色体をいう。

　たんぱく質合成に必要な RNAは，mRNA（伝令RNA，messenger RNA ) である。その転写過程は生物種により異なる。動植物など細胞中に細胞核を有する生物（真核生物）では，複数の段階を経てたんぱく質の配列を運ぶ mRNAが合成される。

　【参考】
　RNA（ ribonucleic acid ）
　分子中の糖がリボース（ 6 個の炭素を持つ五炭糖，単糖）の核酸をいう。RNA（リボ核酸）には，DNAの情報をたんぱく質に翻訳する過程で機能するメッセンジャーRNA（ mRNA ），トランスファーRNA（ tRNA ），リボソームRNA（ rRNA ）の他に，生体内での機能や構造により，ノンコーティングRNA（ ncRNA ），二重鎖RNA（ dsRNA ）など様々な分類がある。
　mRNA（ messenger RNA ）
　細胞中のリボゾーム（たんぱく質合成部位）に DNA 情報を伝える役割をする。mRNAは，RNAポリメラーゼの働きにより，DNAに対して相補的な配列を持つ mRNAが転写され，次いでリボソームにより mRNAの配列に基づいたたんぱく質の合成が行われる。mRNAの塩基配列は，コドンと呼ばれる 3ヌクレオチド単位で一つのアミノ酸を指定できる情報を有していいる。
　tRNA（ transfer RNA ）
　たんぱく質合成において，特定のアミノ酸をリボソーム内部へ導く RNAである。短い RNA鎖で，mRNAのコドンと水素結合を作るためのアンチコドンを持つ。
　rRNA（ ribozyme RNA ）
　たんぱく質合成を行うリボソームを構成する RNAで，真核生物では 4本の RNA鎖（ 18S ，5.8S ，28S ，5S ）で構成されている。rRNA は，RNAの多数を占め，典型的な真核細胞では，RNA の 80％程度を占める。
　ncRNA（ non-coding RNA ）
　tRNAや rRNAなどたんぱく質へ翻訳されない RNAの総称。
　dsRNA（ double-stranded RNA ）
　2本の相補的な配列を持つ RNA鎖が，DNAの様に二重鎖になったものをいう。

　翻訳（ translation ）
　一般的には，細胞内で mRNA の情報に基づいて，たんぱく質を合成する反応を指す。例えば，下図の東京大学生命科学教育用画像集（2017年参照；現在はアクセス不可）に掲載されていた「タンパク質合成の模式図」が参考になる。

　図の解説
　mRNA の塩基配列は，コドンと呼ばれる 3 つのヌクレオチド単位で一つのα-アミノ酸を指定できる情報を有していいる。
　tRNA（転移RNA , transfer RNA ）の 3' 末端にアミノ酸が結合したアミノアシル tRNA は，アミノアシルtRNA合成酵素により，各α-アミノ酸に対応するアンチコドンを持つ tRNA が特異的に結合している。

　リボソーム（細胞内の微粒子）で，mRNAのコドンに対応するアンチコドンを持つアミノアシル tRNA を引きよせ，α-アミノ酸を伸長中のポリペプチド鎖に結合させることで，たんぱく質が合成される。