典型的コイルドコイルタンパク質:ケラチン

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本記事では二次構造以上の三次元的な構造に入っていきます。

二次構造といえば、αヘリックスとβシートの主に2種類あることはご存知でしょう。
それらは二次構造内外で水素結合を多くつくることによって、安定な構造を取ります。

多くのタンパク質で見られるものですが、ここでは代表的なものとしてケラチンについて見ていきます。

要点

ケラチン

  • 毛、角、爪、羽毛などの主要成分
  • 2本のαヘリックスが絡み合うコイルドコイルという構造を取る
  • 組織によってCys残基の含量が異なる。→ジスルフィド結合の数が組織の「硬さ」を生み出す
  • パーマはジスルフィド結合の切断(還元)と、酸化を利用

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ケラチンとはどういうタンパク質か?

ケラチンはすべての高等脊椎動物が持っているタンパク質です。
機械的にも化学的にも安定な蛋白質で、毛、角、爪、羽毛などの主要な成分です。

哺乳類のαケラチンと鳥類・爬虫類のβケラチンと分かれます。
さらにヒトには組織特異的に約50種類以上のケラチン遺伝子があるとされています。

研究で質量分析を用いる方にとっては、このケラチンという言葉は大敵でしょう。
なぜなら、実験者由来のケラチンがサンプルに混入してしまうことで、本来見たいピークが見えなくなってしまうことがあるためです。
あるMSスペクトルを得たものの、解析してみたらケラチンで肩を落とした人も多いでしょう。

逆に言うと、それだけケラチンはヒトのあらゆる組織に普遍的にあるタンパク質なのです。

ケラチンの構造ーコイルドコイル

引用:

コイルドコイル - Wikipedia

上記の構造を見てみると、αヘリックス構造によく似ています。

しかし、微妙に巻き方が異なっており、αヘリックス型の2本のポリペプチド鎖が互いに絡み合って左巻きコイルを作っています。

このようにヘリックスが絡み合う会合体のらせん構造体をコイルドコイルといいます。
ケラチンのような線維状のタンパク質に多く見られる構造です。

各ポリペプチド鎖の中央部分約310残基はa-b-c-d-e-f-gという7残基反復構造を取ります。

上の図は各ヘリックスを上から(画面上から)見ていると考えてください。

αヘリックスは3.6残基で1回転することから、αケラチン中のa(1残基目)とd(4残基目)はヘリックス中の片側に並びます。

このa,dは非極性アミノ酸が占めており、もう一方のαヘリックスの非極性残基(a’、d’)と疎水性相互作用によって会合するのに寄与しています。

ケラチンの”硬さ”の要因となるものとは?

もう1つαケラチンの特徴としてあげられるのが、Cys残基が多く存在することです。

Cys残基と言えば、ジスルフィド結合ですね。

ジスルフィド結合によって隣り合うポリペプチド鎖と架橋していきます。
この架橋が多ければ多いほどタンパク質が固定されてしまうので、より硬くなります。
もちろん、結合にイオン結合や水素結合もあるのですが、共有結合であるジスルフィド結合は構造を固定するのに大きな影響を与えます。

つまり、硫黄含量の多さが硬さに影響してくるとも言えます。
毛、角、爪などの「硬い」ケラチンはCys含量が多く、変形しにくい一方、柔軟性を欠きます。
反対に皮膚は柔らかく、ジスルフィド結合が少ないケラチンでできています。

ケラチンの性質を利用するパーマ

お洒落のためにパーマをかけるという人も多いでしょう。
美容室ではパーマをかけるために、毛髪の主成分であるケラチンの性質を利用していることはご存知でしょうか。

パーマをかける時に使う薬剤には「1剤」と「2剤」があります。
1剤には還元剤やアルカリが含まれています。

還元剤の作用でジスルフィド結合を切断し、アルカリによるpHの変化でイオン結合を切断します。
それによって「硬さ」のもとの結合がなくなるので、ロッドで巻いてパーマの形を作れます。

さて、形を決めたらそのままキープしておく必要がありますね。
そこで使用するのが2剤です。

2剤は臭素酸塩や過酸化水素といった酸化剤が含まれています。
酸化剤によって再びジスルフィド結合を形成するため、巻いた形でキープすることができます。

このように、パーマは還元によるジスルフィド結合の切断と、再酸化によって行うのです。

参考URL:

ケミカル講座 vol.1「パーマのしくみ・基礎知識(1)」|デミ コスメティクス
まずは、毛髪の4つの結合を理解しておきま...

最後に

パッと言葉だけを聞くと、タンパク質の「硬い」「柔らかい」というのは何のことだろうとイメージが湧きにくいかもしれません。

一般的な言葉のイメージとは異なりますが、この記事で少しでも理解していただければ幸いです。
パーマの例のように、日常生活に馴染み深いものもありますので、ぜひこういうところから興味の幅を広げてほしいと思います。

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公開日:2017年11月19日