1. 塗り絵で分子の約束を学ぼう

　上の図はある分子の構造の一部分である。上下二組の原子団の色の濃い部分は水素，炭素，窒素，酸素だけからできている。他の原子と結合するときの結合の手の数（原子価）はそれぞれ，1，4，3，2であり，炭素，窒素，酸素は下図のような結合の仕方をする。これをヒントにして上図の中央部分の原子に色をつけてみよう（●：炭素，●：窒素，●：酸素）。
※関連コンテンツ：塗り絵による分子クイズ

参考：結合の手の数（原子価；配位結合やイオン結合ができる場合に注意〔例：NH₄Cl〕）；上から炭素，窒素，酸素
※生体分子のPDB（後出）形式データでは多重結合も単結合で表示され，H原子が省略される場合が多いことに注意する。
※参考：Atomic Structure (Steve's Place)

　塗り絵をしてもらったのは，遺伝子の本体であるDNA（デオキシリボ核酸）分子上に並んでいるA（アデニン），T（チミン），G（グリシン），C（シトシン）という4種類の塩基であり，この並ぶ順序が生物の遺伝情報そのものである。
　2003年はDNAの二重らせん構造発見50周年 # にあたる。多くの研究者による努力の積み重ねを経て，ワトソンとクリックがその美しい構造を見出したものである。

※DNAの二重らせん構造；4種類の塩基と糖，リン酸（リンを含む）からできている

　この二重らせん構造を保持し，DNAの複製を可能にして遺伝情報を保存しているのは，AはTとだけ，GはCとだけ，それぞれ向かい合って結合するというとても簡単なルールである。
　そのようにして保たれたDNAの遺伝情報にしたがって，数種類のRNA（リボ核酸）の仲介を経て生体内で重要な働きをする多数のタンパク質が合成されるという生命システムの関係はセントラルドグマ（中心命題）と呼ばれる。

セントラルドグマの模式図
※触媒作用とは，生体内や人為的な化学反応がスムーズに進むようにする働き

　DNAの二重らせん構造の美しさの中にその機能が隠されているように，タンパク質の働きもそれぞれ独自の3次元構造（立体構造）によって生み出される。例えば，タンパク質は熱などによってその構造が乱されるが，それを修復するタンパク質が存在するくらいである。
　生体分子を建築物とみなすと，その構造はどのようにして保持されているのであろうか。Webブラウザ上で分子を自由に動かしたり様々な情報を表示させたりできるソフトウェアのChime（MDL社，http://www.mdlchime.com/*）を利用してその秘密を解き明かしてみよう。

2. 原子から生体分子へ　　↑TOP

　ここで用いる教材はhttp://www.ecosci.jp/bond/hb02.html # に掲載されている。
　巨大な生体分子も，原子が集まってできている。その原子は＋の電荷を持った陽子と電荷を持たない中性子からなる原子核と，－の電荷を持った電子からできており，原子核と電子は，電磁気力という力で引き合っている。原子が集まって分子ができたり，分子と分子の間で相互作用が生じたりするのも，この電磁気力の働きである。自然界には電磁気力を含めて4種類の力が存在するが，通常の化学や生物では電磁気力だけを考えればよく，これは原子の構造を考えれば当然のことである。

ある原子の構造の模式図と“自然界の４つの力”
※“自然界の４つの力”については以下を参照（高エネルギー加速器研究機構による）
キッズサイエンティスト【自然界の4つの力】*
※参考：平成14年度高等学校教育課程実施状況調査*／科目別分析状況（中間整理）・化学IB*（PDF；問題A2は上と同様の図について）

　原子（元素）の種類は陽子数（＝電子数）で決まり約100種類あるが，以下に原子番号20までの周期表を電子配置とともに示す。生体分子や身の回りの物質の多くを構成する元素の大部分はこの中に含まれている。

　周期表の電気陰性度は結合している原子が電子を引きつける強さの目安であり，これが分子の性質や分子と分子の相互作用を考える上で重要になってくる。
　例えば，水分子H₂O（折れ線形）は電気陰性度の大きい酸素の側に電子が引きつけられて分子内に電荷のかたよりが生じていて極性分子と呼ばれ，分子は小さいのにお互いの引力が大きいために室温でも液体で存在する。極性の大きい分子は親水性となる。他方，酸素O₂のように電荷のかたよりがない分子，二酸化炭素CO₂（直線形）やメタンCH₄（正四面体形）のようにかたよりがあっても正電荷と負電荷の重心が一致している分子は無極性分子で，疎水性となる。この例のように分子の形（対称性）は分子の性質を決める大きな鍵となっている。

極性分子と無極性分子（http://www.ecosci.jp/chem2/mol_db03.html #）；左端は電荷のかたよりを示す静電ポテンシャルの凡例
※分子の形については例えば以下を参照
非結合電子対のドット表示教材 #，酢酸分子の形と軌道 #
Googleイメージ検索『"group theory" molecule』*
Symmetry in Chemistry - Group Theory*（例：ホルムアルデヒド*）

　続いてDNAやタンパク質などの生体分子を見てみよう。DNAとRNAはC・H・N・O・Pという5種類の元素だけでできている。一方，タンパク質はC・H・N・O・Sの5種類の元素からなる20種類のアミノ酸（硫黄Sを含むのはこのうち2種類）が長くつながったものが主体となっており，その並ぶ順序を一次構造といい，これを決めているのがDNAなのである。

表１の特性基 R のI/O値順に示した20種類のアミノ酸（上段の左から右へ昇順；http://www.ecosci.jp/amino/amino2j.html）
※参考：結合の種類の例（アミノ酸を例に） #

水素結合の構造（最上段でHが水素，XとYは電気陰性度の大きい原子，…が水素結合）
※参考：水素結合の距離 #

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DNAの各塩基に着目すると水素結合が可能な部位が複数存在するが，特定の組合せが選ばれて二重らせん構造が形成されている。
※参考：西村善文，『DNA二重らせん構造の歴史』，蛋白質 核酸 酵素，2003年5月号，p.710，共立出版

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通常のDNAにおけるG-C間の水素結合と特殊なG-四重らせん構造（2a5rより）の例 → 今週の分子／連載95 #
※参考：新しい折りたたみ構造をとったDNA（Nature，2005/08）；Abstract（Nature Chemical Biology）

DNAのA-T・G-C構造およびその川上モデルとBasePairPuzzle模型（A-T構造はモザイク処理；3Dプリンタ模型は何れもスタジオミダス製）
※BasePairPuzzleは2023年度の「第11回かわいい感性デザイン賞 優秀賞」および「第4回 東レ理科教育賞・企画賞」を受賞しています。

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タンパク質の二次構造であるα-ヘリックス（左）とβ-シート（右；逆平行）における水素結合の例；演習１の6rsaデータより

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10個のアミノ酸からなる最小のタンパク質シニョリン（1uao）データから作成したアニメーション（データ表示順はランダム）
※この構造安定には水素結合の寄与があるだろうか？ → 世界最小のタンパク質シニョリン #
※データ引用：10個のアミノ酸からなる「最小のタンパク質」の創製に成功（産業技術総合研究所，2004/08/10）

　上図のような条件（原子の種類，結合の角度と距離）がそろった時に水素結合ができることを理解した上で，最初に塗り絵をしたDNAの塩基の図に，水素結合ができると思われる場所を…で書き込んでみよう。
　じつはワトソンとクリックは，これを針金のモデルを用いて試行錯誤して行い，DNAの二重らせん構造を発見したのである（イギリスBBCによる資料でビデオ教材参照可能）。

3. 生体分子の美しさと機能　　↑TOP

　DNA・RNAやタンパク質の立体構造（全構成原子の座標）は世界中の研究者によってX線回折やNMRなどの手法で求められ，Protein Data Bank（PDB；http://www.rcsb.org/pdb/*）というデータベースに集積されて，共有財産として誰でも研究や教育に活用できるようになっている。
　多くのソフトウェアでその構造を3次元モデルで表示したり様々な解析を行ったりすることができるが，広く使われているものに前出のChimeがある。p.3のDNAモデル例も，以下のタンパク質モデル例（6rsa；PDBのデータは4文字の数字とアルファベットで表記される）も，同ソフトで表示したものである。

分子表示ソフトウェアChimeによるタンパク質の表示例（PDBデータの6rsa）

　タンパク質の二次構造で鍵になるのが，上図右のピンクで示されるα-ヘリックス（らせん）構造と黄色で示されるβ-シート（平板）構造であり，Chimeによりわかりやすく把握できるばかりでなく，水素結合表示により両構造が水素結合で保持されていることも容易に理解できる。また，DNAやタンパク質に結合している低分子（リガンドという），あるいはそれを囲むSITEと呼ばれる部分を下図のように周囲と区別して表示させることも可能である。

タンパク質では，離れているアミノ酸が協調作業をして機能を示す！（2fke・1j4rを例に） 左：2fke（リガンドはFK-506）・1j4r（リガンドはFKB-001）と同じ下記アミノ酸配列ですべてα-helix構造にしたもの（MOLDA for Protein Modeling；http://www.molda.org/molda-p/download.html*で組立て）とSITE部位の強調表示
　　GVQVETISPGDGRTFPKRGQTCVVHYTGMLEDGKKFDSSRDRNKPFKFMLGKQEVIRGWEEGVAQMSVGQRAKLTISPDYAYGATGHPGIIPPHATLVFDVELLKLE
中２つ：実際の2fkeとその活性部位（アミノ酸はすべてamino色表示）
右：2fkeの活性部位と同じ配列番号のアミノ酸をSITEとした1j4r
※参考：タンパク質の構築原理（理研ゲノム科学総合研究センター／タンパク質構造・機能研究グループ）*
※参考：PDBデータの内容例（2fkeの場合；PDBサイトの表示例）
※参考：PDB IDのわかっているオリジナルのChimeデータを直接表示するには，一旦ダミーデータの2fkeを表示して，最後の4文字のPDB idを表示したいものに書き直してEnterキーを押す。 → PDBデータを詳細に見るために #
※参考：アトピー新薬／タクロリムス（FK-506について） #

※参考：タンパク質の高次構造のいろいろ；スーパーフォールドの例（水素結合表示，Ligandは球棒モデル）
グロビン（1thbのChain A），アップ-ダウン（256bのChain A），UBαβロール（1ubq → ユビキチン #；2004年ノーベル化学賞）
αβサンドイッチ（1apsのModel 1），TIMバレル（7timのChain A），doubly wound（2fox）
免疫グロブリンフォールド（2rhe），Trefoil（1i1b），Jellyロール（2stv）
◎美宅成樹・榊佳之 編，「バイオインフォマティクス」，p.175，東京化学同人(2003)
◎後藤祐児・高橋聡，『タンパク質フォールディングの昼と夜』，現代化学，2004年9月号，pp.26-33，東京化学同人
◎日本化学会 編，「化学便覧 基礎編　改訂5版」，図16.38，丸善(2004)／CD-ROM

　それでは，マニュアル # を参考にして，いろいろな生体分子を見ることにしよう。

20種のアミノ酸を表1の順につないだデータ（α-helix構造；演習1の参考データ）；左からCPK色，酸性・中性・塩基性区別，疎水性インデックス順
※アミノ酸は上から，ArgLysAspAsnGluGlnHisProTyrTrpSerThrGlyAlaMetCysPheLeuValIle（1文字略号では RKDNEQHPYWSTGAMCFLVI）

※PDBデータのリガンド結合部位（コースウェア１） # の参考教材1～10で表示できる画像例

(1) エストロゲン受容体　　↑TOP
リガンドとその受容体タンパク質（レセプター）の関係は鍵と鍵穴の関係で説明される。以下にその例としてエストロゲン（女性ホルモンの一種）受容体を示す。これは現在研究が進められている環境ホルモン（内分泌撹乱物質）の問題でもしばしば取り上げられる。　→ 川上モデル｜鍵と鍵穴模型参照

経済産業省化学物質審議会での環境ホルモン研究で用いられたエストロゲン受容体の例
※以下で詳細を参照可能：http://www.ecosci.jp/env/eh_calc05.html # ｜ 多様なリガンドを含むエストロゲン受容体および関連受容体等のSITE比較

  
［左・中］上記研究で用いられた各エストロゲン受容体の共通SITE部分と4データの重ね合わせ
［右］川上モデル｜鍵と鍵穴模型参照

鍵（リガンド）と鍵穴（受容体タンパク質）の関係の模式図 ※南京錠が受容体，鍵Ａが本物のリガンド，Ｂが不要な反応を引き起こす偽分子，Ｃが必要な反応の邪魔をする偽分子である（色が薄い鍵は存在しないことを示す）。ここでは鍵を開けるということがホルモン作用の発現を示し，開かないのはそれが阻害されたことを示す。

イオンチャネルタンパク質の例（PDBデータ1bl8より） 　　左：PDBデータ1bl8とそのKイオン近傍アミノ酸 http://www.ecosci.jp/chem10/weekmol038.html #
　　右：ノーベル財団による情報 http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html*
※細胞膜の内部は疎水性，表面は親水性であるため，それに入り込むタンパク質（膜貫通型という；他に視細胞中の視物質ロドプシンの例である1f88など）のアミノ酸配列（以下に1bl8のA～Dの4本鎖で共通の配列を緑字で表示；表１の1文字略号参照）は，それに対応したものになっている。PDBの“Sequence Details”で取得可能なアミノ酸配列を入れてそのことを確認できるサイトがSOSUI（http://sosui.proteome.bio.tuat.ac.jp/sosui_submit.html*）である。
　　ALHWRAAGAATVLLVIVLLAGSYLAVLAERGAPGAQLITYPRALWWSVETATTVGYGDLYPVTLWGRCVAVVVMVAGITSFGLVTAALATWFVGREQ

(3) 緑色蛍光を発するタンパク質GFP（Green Fluorescent Protein）　　↑TOP

GFPデータ例（1hcjのChain A）
※詳細は以下に記載：http://www.ecosci.jp/chem10/gfp.html

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※補足：“色”と共役二重結合 → 電磁波（光）と分子の相互作用
モノはなぜ見える／レチナール，ビタミンA，カロチン #
色をもつ分子（ポリエンとポリアセンを例に） #
染料の種類 ｜ 酸性染料Orange IIの合成
フェノールフタレインのpH変化による構造と色の変化 # ｜ アントシアニジン色素のpHによる色の変化 #
七員環を有する有機EL用赤色蛍光色素／非平面ジシアノジアゼピン系色素 #

(4) SARSコロナウイルスのプロテアーゼ　　↑TOP

SARSコロナウイルスのプロテアーゼ結晶構造（PDBデータ1q2wのChain A）
※SARSについては以下を参照：http://www.ecosci.jp/chem11/sars_avd.html

(5) 牛海綿状脳症（BSE）とプリオン　　↑TOP

異常プリオン分子データ例とヒトの正常なプリオン分子例（1qlx）
※詳細は以下のページを参照：http://www.ecosci.jp/chem8/prion.html

(6) タンパク質の立体構造を修復するシャペロニン　　↑TOP

シャペロニンの例である1gruのChain O～U（左）とPDBにおける全体構造表示（右）
※詳細は以下のページを参照：http://www.ecosci.jp/chem10/weekmol045.html #

4. 参考資料　　↑TOP

　講義で用いたWebページはすべていつでも利用できるものである。その他のWeb教材と分子表示ソフトウェアChimeのダウンロード方法，参考文献を以下に列挙する。

• 全教材のリスト
  
  • http://www.ecosci.jp/chem2/mol_db00.html #
    ※特に参照してほしいコンテンツの例
    
    • http://www.ecosci.jp/pdb/miniPDB.html
      
    • http://www.ecosci.jp/chem11/dna.html #
      
    • http://www.ecosci.jp/pdb/codon_j.html
      
    • http://www.ecosci.jp/NBI/sosui_ex1.html #
      
    • http://www.ecosci.jp/NBI/index2.html　　…Web教材へのリンク多数
      
    • http://www.ecosci.jp/chem7/nobel2001.html #
      
    • http://www.ecosci.jp/chem9/nobel2002.html
      
    • http://www.ecosci.jp/chem8/fit03j.html
      
    • http://www.ecosci.jp/chem10/vitamin_j.html
      
    • http://www.ecosci.jp/mva/vib_menu.html #
      
• Chimeのダウンロード方法
  
  • http://www.ecosci.jp/moldic/index.html#dl
    
• Chimeで表示できる分子データを収録したCD-ROMを付した分子の参考書
  
  • 本間善夫・川端潤，「パソコンで見る動く分子事典」，講談社ブルーバックス(1999)
    

その他の参考文献・Webページ（*印は略）

• 田村隆明・山本雅 編，「改訂第2版　分子生物学イラストレイテッド」，羊土社(2003)
• C.K.Mathews ほか著，清水孝雄 ほか監訳，「カラー生化学」，西村書店(2003)
• T.A.Brown 著，村松正実 監訳，「ゲノム 第2版　新しい生命情報システムへのアプローチ」，メディカル・サイエンス・インターナショナル(2003)
• Newton別冊，「タンパク質がわかる本　この不思議な『生命の万能素材』」，ニュートンプレス
• K.P.C.Vollhardt・N.E.Schore 著，古賀憲司・野依良治・村橋俊一 監訳，「ボルハルト・ショアー 現代有機化学　第3版」（上・下），化学同人(1999・2000)
• 広川貴次・美宅成樹，「できるバイオインフォマティクス」，中山書店(2002)
• 竹縄忠臣 編，「タンパク質がわかる」，羊土社(2003)
• 加藤茂明 編，「受容体がわかる」，羊土社(2003)
• 中村義一 編，「RNAがわかる」，羊土社(2003)
• 蛋白質研究奨励会，「タンパク質ものがたり」，化学同人(1998)
• 野田春彦・日高敏隆・丸山工作，「新しい生物学 第3版」，講談社ブルーバックス(1999)
• 日本生物物理学会，「新　生物物理の最前線」，講談社ブルーバックス(2001)
• 桜井弘，「元素111の新知識」，講談社ブルーバックス(1997)
• 桜井弘，「金属は人体になぜ必要か」，講談社ブルーバックス(1996)
• 美宅成樹，「分子生物学入門」，岩波新書(2002)
• 雑誌特集『二重らせん発見50周年』，科学，2003年2月号，岩波書店
• 雑誌特集『DNA二重らせん構造の半世紀(1・2)』，蛋白質 核酸 酵素，2003年4月号・5月号，共立出版
• 雑誌特集『高分子としてのDNA』，高分子，2003年3月号，高分子学会
• 雑誌特集『生命という現象に挑む化学』，化学と工業，2003年5月号，日本化学会
• 雑誌特集『遺伝子を化学する』，化学と教育，2003年7月号，日本化学会
• 連載講座『どうして分子の形がわかるのか（第１回～第４回）』，化学と教育，1998年～1999年
• 「視覚でとらえるフォトサイエンス化学図録」，数研出版(2003)
• 「視覚でとらえるフォトサイエンス生物図録」，数研出版(2003)

• 遺伝学電子博物館（国立遺伝学研究所）
• Webラーニングプラザ（科学技術振興機構）　※バイオインフォマティクス（分子生物学など）その他
• 福岡大学大学院理学研究科化学専攻機能生物化学研究室 ｜ 核酸の化学
• 薬理学電子教科書
• ビジュアル生理学
• 細胞生物学（東京医科歯科大学）
• 分子シャペロン － タンパク質のケアテイカー （YOSHIDA & HISABORI Lab）
• 〈私〉って何だろう？ ｜ ヒトゲノムがひらく未来
• DNA DATA BANK（NHK総合テレビ「驚異の小宇宙 人体III ／ 遺伝子・DNA」）
• おもしろ有機化学ワールド
• 水素結合（電気化学の庵）
• 分子間にはどんな力が働いている？（Chem-Station）

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• Britannicaによるタンパク質の網羅的解説（2025/01/14）：The shape of protein molecules [NEW!]
• Exploring the Structural Biology of Health and Nutrition（PDB-101）
• ‘It will change everything’: DeepMind’s AI makes gigantic leap in solving protein structures（Nature，2020/11/30）
  • ‘The game has changed.’ AI triumphs at solving protein structures（Science，2020/11/30）
  • AlphaFold: a solution to a 50-year-old grand challenge in biology（DeepMind，2020/11/30）
    • Home - CASP14
    • 生物学の超難問をAIが解決。50年も謎に包まれていたタンパク質構造を解明（英研究）（エキサイトニュース，2020/12/06）
  • タンパク質の「フォールディング問題」とは何なのか？（GIGAZINE，2020/12/02）
• 上智大学理工学部　の近藤先生からご提案いただき、弊社で製作した『DNA塩基対モデル』です。（スタジオミダス，2019/04/23）　→ BasePairPuzzle Basicセット | StudioMIDAS.Store
  • BasePairPuzzle | Make Science on Your Hands
  • 分子間の相互作用を体感できる分子模型を開発：科学教育だけでなく、分子デザインのツールとしても活用可（上智大学，2023/02/27）
  • 理工学部の近藤次郎教授が手がけた分子模型「BasePairPuzzle」が第11回「かわいい感性デザイン賞」において優秀賞を受賞しました（上智大学，2023/11/23）
    • 第11回「かわいい感性デザイン賞 優秀賞」（日本感性工学会）
  

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