View source for Protein/ja

<languages />
{{About/ja|a class of molecules/ja|protein as a nutrient/ja|Protein (nutrient)/ja}}
[[File:Myoglobin.png|thumb|タンパク質[[myoglobin/ja|ミオグロビン]]の3次元構造の表現で、ターコイズブルーの[[alpha helix/ja|αヘリックス]]を示す。このタンパク質は、[[X-ray crystallography/ja|X線結晶構造解析]]によって初めて構造が解明された。コイルのうち右中央には、酸素分子（赤）と結合した[[heme group/ja|ヘム基]]（灰色で表示）と呼ばれる[[prosthetic group/ja|補欠基]]がある。]]

'''タンパク質'''は、[[amino acid/ja|アミノ酸]][[residue (biochemistry)/ja|残基]]の1本以上の長い鎖からなる大きな大きな[[biomolecule/ja|生体分子]]であり、[[macromolecule/ja|高分子]]である。タンパク質は、[[Enzyme catalysis/ja|代謝反応の触媒]]、[[DNA replication/ja|DNA複製]]、[[Cell signaling/ja|刺激への応答]]、[[Cytoskeleton/ja|細胞への構造]]および[[Fibrous protein/ja|生物]]の提供、および[[Intracellular transport/ja|ある場所から別の場所への分子の輸送]]など、生物内で膨大な機能を果たす。タンパク質は主にアミノ酸の配列において互いに異なっており、それは[[gene/ja|遺伝子]]の[[nucleic acid sequence/ja|ヌクレオチド配列]]によって決定され、その結果、通常、[[protein folding/ja|タンパク質]]はその活性を決定する特定の[[Protein structure/ja|3次元構造]]に折り畳まれる。

アミノ酸残基の直鎖を[[polypeptide/ja|ポリペプチド]]と呼ぶ。タンパク質は少なくとも1つの長いポリペプチドを含む。20-30残基以下の短いポリペプチドはタンパク質とみなされることはほとんどなく、一般に[[peptide/ja|ペプチド]]と呼ばれる。個々のアミノ酸残基は[[peptide bond/ja|ペプチド結合]]と隣接するアミノ酸残基によって結合されている。タンパク質中のアミノ酸残基の[[Protein primary structure/ja|配列]]は、[[genetic code/ja|遺伝暗号]]にコードされた遺伝子の[[DNA sequencing/ja|配列]]によって定義される。一般的に、遺伝暗号は20の標準アミノ酸を規定しているが、ある種の生物では遺伝暗号に[[selenocysteine/ja|セレノシステイン]]や、ある種の[[archaea/ja古細菌]]では[[pyrrolysine/ja|ピロリジン]]が含まれることがある。合成後まもなく、あるいは合成中であっても、タンパク質中の残基はしばしば[[post-translational modification/ja|翻訳後修飾]]によって化学的に修飾される。タンパク質の中には、[[prosthetic group/ja|補欠基]]または[[Cofactor (biochemistry)/ja|補因子]]と呼ばれる、ペプチド以外の基が結合しているものもある。タンパク質はまた、特定の機能を達成するために協働することができ、しばしば会合して安定した[[protein complex/ja|タンパク質複合体]]を形成する。

一度形成されたタンパク質は一定期間しか存在せず、その後[[Proteolysis/ja#Protein degradation|分解]]され、[[protein turnover/ja|タンパク質のターンオーバー]]のプロセスを通じて細胞の機械によって再利用される。タンパク質の寿命は[[half-life/ja|半減期]]で測定され、その範囲は広い。哺乳類の細胞では平均寿命は1〜2日で、数分間存在することもあれば数年間存在することもある。異常なタンパク質や誤った折り畳み方をしたタンパク質は、破壊の対象となるためか、不安定であるためか、より急速に分解される。

タンパク質は、[[polysaccharide/ja|多糖類]]や[[nucleic acid/ja|核酸]]などの他の生体高分子と同様に、生物にとって不可欠な部分であり、[[cell (biology)/ja|細胞]]内のほぼすべてのプロセスに関与している。多くのタンパク質は生化学反応を[[catalysis/ja|触媒]]する[[enzyme/ja|酵素]]であり、[[metabolism/ja|代謝]]に不可欠である。タンパク質はまた、構造的あるいは機械的な機能も持っている。例えば、筋肉の[[actin/ja|アクチン]]と[[myosin/ja|ミオシン]]、細胞の形を維持する[[scaffolding/ja|足場]]のシステムを形成する[[cytoskeleton/ja|細胞骨格]]のタンパク質などである。その他のタンパク質は、細胞シグナル伝達、[[antibody/ja|免疫応答]]、[[cell adhesion/ja|細胞接着]]、[[cell cycle/ja|細胞周期]]において重要である。動物では、タンパク質は[[amino acid synthesis/ja|合成]]できない[[essential amino acid/ja|必須アミノ酸]]を供給するために[[diet (nutrition)/ja|ダイエット]]に必要である。[[digestion/ja|消化]]によってタンパク質は分解され、代謝に利用される。

タンパク質は、[[ultracentrifugation/ja|超遠心分離]]、[[Precipitation (chemistry)/ja|沈殿]]、[[electrophoresis/ja|電気泳動]]、[[chromatography/ja|クロマトグラフィー]]などの様々な技術を用いて、他の細胞成分から[[protein purification/ja|精製]]することができる。タンパク質の構造と機能を研究するために一般的に用いられる方法には、[[immunohistochemistry/ja|免疫組織化学]]、[[site-directed mutagenesis/ja|部位特異的突然変異誘発]]、[[X-ray crystallography/ja|X線結晶構造解析]]、[[nuclear magnetic resonance/ja|核磁気共鳴]]、[[mass spectrometry/ja|質量分析]]などがある。

==歴史と語源==
{{Anchor|History and etymology}}
{{further/ja|History of molecular biology/ja}}
タンパク質は18世紀に[[:en:Antoine François, comte de Fourcroy|Antoine Fourcroy]]らによって生物学的分子の別個のクラスとして認識され、熱や酸による処理下で[[coagulate/ja|凝固]]または[[flocculation/ja|凝集]]する分子の能力によって区別された。当時の有名な例としては、[[egg white/ja|卵白]]の[[albumin/ja|アルブミン]]、血液の[[serum albumin/ja|血清アルブミン]]、[[fibrin/ja|フィブリン]]、小麦の[[gluten/ja|グルテン]]などが挙げられる。

タンパク質は1838年にオランダの化学者[[:en:Gerardus Johannes Mulder|Gerardus Johannes Mulder]]によって初めて記述され、スウェーデンの化学者[[:en:Jöns Jacob Berzelius|Jöns Jacob Berzelius]]によって命名された。Mulderは一般的なタンパク質の[[elemental analysis/ja|元素分析]]を行い、ほぼすべてのタンパク質が同じ[[empirical formula/ja|実験式]]、C<sub>400</sub>H<sub>620</sub>N<sub>100</sub>O<sub>120</sub>P<sub>1</sub>S<sub>1</sub>を持っていることを発見した。彼は、タンパク質は1種類の（非常に大きな）分子で構成されているのではないかという誤った結論に達した。これらの分子を表す「タンパク質」という用語は、Mulderの同僚であるBerzeliusによって提案された。タンパク質は[[:ja:ギリシャ語|ギリシア語]]の{{lang|el|πρώτειος|italic=no}}に由来する。({{transliteration|el|proteios|italic=yes}})、「第一の」、「先頭に立つ」、「前に立つ」を意味し、''[[wikt:-in#Suffix|-in]]''に由来する。Mulderはさらに、[[amino acid/ja|アミノ酸]]などのタンパク質分解産物を特定した。[[leucine/ja|ロイシン]]の分子量は131[[atomic mass unit/ja|Da]]であった。「タンパク質」以前には、「アルブミン」や「アルブミン質」（ドイツ語では「Eiweisskörper」）といった別の名称が使われていた。

ドイツの[[:en:Carl von Voit|カール・フォン・ヴォイト]]のような初期の栄養学者は、"肉は肉を作る"と一般的に信じられていたため、タンパク質が身体の構造を維持するために最も重要な栄養素であると信じていた。[[:en:Karl Heinrich Ritthausen|カール・ハインリッヒ・リトハウゼン]]は、[[glutamic acid/ja|グルタミン酸]]の同定によって、既知のタンパク質の形態を拡張した。[[:en:Connecticut Agricultural Experiment Station|コネチカット農業試験場]]で、植物性タンパク質の詳細なレビューが[[:en:Thomas Burr Osborne (chemist)|トーマス・バー・オズボーン]]によってまとめられた。[[:en:Lafayette Mendel|ラファイエット・メンデル]]と協力し、[[:en:laboratory rat|実験用ラット]]の摂食に[[:en:Liebig's law of the minimum|リービッヒの最小の法則]]を適用して、栄養学的に[[:en:essential amino acid|必須アミノ酸]]が確立された。この研究は[[:en:William Cumming Rose|ウィリアム・カミング・ローズ]]によって継続され、伝えられた。1902年、[[:en:Franz Hofmeister|フランツ・ホフマイスター]]と[[:en:Hermann Emil Fischer|ヘルマン・エミール・フィッシャー]]の研究によって、[[polypeptide/ja|ポリペプチド]]としてのタンパク質が理解された。生物における[[酵素]]としてのタンパク質の中心的役割は、1926年に[[:en:James B. Sumner|ジェームズ・B・サムナー]]が[[urease/ja|ウレアーゼ]]という酵素が実際にタンパク質であることを示すまで、完全には理解されなかった。

タンパク質を大量に精製することは困難であったため、初期のタンパク質生化学者にとっては、非常に研究しにくいものであった。従って、初期の研究は、大量に精製できるタンパク質、例えば、血液、卵白、様々な毒素、食肉処理場から得られる消化・代謝酵素に焦点を当てた。1950年代、[[:en:Armour and Company|アーマー・ホットドッグ社]]は1&nbsp;kgの純粋なウシ膵臓[[ribonuclease A/ja|リボヌクレアーゼA]]を精製し、科学者が自由に利用できるようにした。このジェスチャーによって、リボヌクレアーゼAはその後数十年間、生化学研究の主要なターゲットとなった。

[[:en:Linus Pauling|ライナス・ポーリング]]は、1933年に[[:en:William Astbury|ウィリアム・アストベリー]]によって初めて提唱された[[hydrogen bonding/ja|水素結合]]に基づく規則的なタンパク質の[[secondary structure/ja|二次構造]]の予測に成功したことで知られている。その後、[[:en:Walter Kauzmann|ウォルター・カウズマン]]による[[Denaturation (biochemistry)/ja|変性]]に関する研究は、[[:en:Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang|カイ・ウリンデルストローム=ラング]]による以前の研究を部分的に基にしたものであり、[[hydrophobic core/ja|疎水性相互作用]]によって媒介される[[protein folding/ja|タンパク質の折り畳み]]と構造の理解に貢献した。

最初に[[protein sequencing/ja|配列]]されたタンパク質は、1949年、[[:en:Frederick Sanger|フレデリック・サンガー]]による[[insulin/ja|インスリン]]であった。サンガーはインスリンのアミノ酸配列を正確に決定し、タンパク質が分岐鎖、[[colloid/ja|コロイド]]、[[cyclol/ja|シクロール]]ではなく、アミノ酸の直鎖ポリマーから構成されていることを決定的に証明した。1958年、彼はこの功績によりノーベル賞を受賞した。

[[File:KendrewMyoglobin.jpg|thumb|upright=1.15|[[:en:John Kendrew|ジョン・ケンドリュー]]と進行中のミオグロビンの模型]]

[[X-ray crystallography/ja|X線結晶学]]の発展により、タンパク質の構造配列を決定することが可能になった。最初に[[protein structure/ja|タンパク質構造]]が解明されたのは、1958年の[[:en:Max Perutz|マックス・ペルッツ]]による[[hemoglobin/ja|ヘモグロビン]]と[[:en:John Kendrew|ジョン・ケンドリュー]]による[[myoglobin/ja|ミオグロビン]]であった。コンピュータの使用と計算能力の向上も、複雑なタンパク質の配列決定を支えた。1999年、[[:en:Roger Kornberg|ロジャー・コーンバーグ]]は[[synchrotrons/ja|シンクロトロン]]からの高強度X線を用いて[[RNA polymerase/ja|RNAポリメラーゼ]]の非常に複雑な構造の配列決定に成功した。

それ以来、大きな[[Macromolecular Assembly/ja|高分子集合体]]の[[:en:cryo-electron microscopy|クライオ電子顕微鏡]]（クライオEM）が開発された。クライオ電子顕微鏡は、結晶ではなく凍結したタンパク質サンプルを用い、X線ではなく[[:en:electron microscopy|電子ビーム]]を用いる。試料へのダメージが少ないため、科学者はより多くの情報を得ることができ、より大きな構造を解析することができる。小さなタンパク質の[[structural domain/ja|ドメイン]]の計算による[[protein structure prediction/ja|タンパク質構造予測]]も、研究者がタンパク質構造の原子レベルの分解能に近づくのに役立っている。
2017年現在、[[Protein Data Bank/ja|プロテインデータバンク]]には126,060以上の原子分解能のタンパク質構造が登録されている。

== ゲノムにコードされるタンパク質の数 ==
{{Anchor|Number of proteins encoded in genomes}}
[[genome/ja|ゲノム]]にコードされているタンパク質の数は、おおよそ[[gene/ja|遺伝子]]の数に対応する（ただし、タンパク質の[[RNA/ja|RNA]]をコードする遺伝子、例えば[[ribosomal RNA/ja|リボソームRNA]]の数もかなり多いかもしれない）。[[virus/ja|ウイルス]]は通常数個から数百個、[[archaea/ja|古細菌]]や[[bacteria/ja|バクテリア]]は数百個から数千個、[[eukaryote/ja|真核生物]]は通常数千個から数万個のタンパク質をコードしている（例については[[Genome/ja#Genome size|ゲノムサイズ]]を参照）。

== 分類 ==
{{Anchor|Classification}}
{{Main/ja|Protein family/ja|Gene Ontology/ja|Enzyme Commission number/ja}}
タンパク質は主に配列と構造によって分類されるが、その他の分類も一般的に用いられている。特に酵素については、EC番号システムが機能的な分類スキームを提供している。同様に、[[Gene Ontology/ja遺伝子オントロジー]]では、遺伝子とタンパク質の両方を生物学的・生化学的機能によって分類しているが、細胞内の位置によっても分類している。

配列の類似性は、進化的類似性と機能的類似性の両方の観点からタンパク質を分類するために使用される。特に[[Protein domain/ja#Multidomain proteins|マルチドメインタンパク質]]では、タンパク質全体または[[protein domain/ja|タンパク質ドメイン]]のいずれかを使用することができる。タンパク質ドメインは、配列、構造、機能の組み合わせによるタンパク質の分類を可能にし、それらは多くの異なる方法で組み合わせることができる。17万個のタンパク質を対象とした初期の研究では、約3分の2のタンパク質に少なくとも1つのドメインが割り当てられ、より大きなタンパク質ほど多くのドメインを含んでいた（例えば、600[[amino acid/ja|アミノ酸]]以上のタンパク質は平均5つ以上のドメインを持つ）。

==生化学==
{{Anchor|Biochemistry}}
[[File:Peptide-Figure-Revised.png|thumb|upright=1.35|ペプチド結合の化学構造（下）と、[[alanine/ja|アラニン]]と隣接するアミノ酸との間のペプチド結合の立体構造（上／挿入）。結合自体は[[CHON/ja|CHON]]元素でできている。]]
[[File:Peptide group resonance.png|thumb|upright=1.35|個々のアミノ酸を結びつけてタンパク質[[polymer/ja|ポリマー]]を形成する[[peptide bond/ja|ペプチド結合]]の[[Resonance (chemistry)/ja|共鳴]]構造。]]
{{Main/ja|Biochemistry/ja|Amino acid/ja|Peptide bond/ja}}

ほとんどのタンパク質は、最大20種類の[[Chirality (chemistry)/ja#In biochemistry|<small>L</small>-α-]]アミノ酸からなる直鎖状の[[polymer/ja|ポリマー]]から構成されている。すべての[[proteinogenic amino acid/ja|タンパク質性アミノ酸]]は、[[alpha carbon/ja|α-炭素]]に[[amino/ja|アミノ基]]、[[carboxyl/ja|カルボキシル基]]、および可変の[[side chain/ja|側鎖]]が[[chemical bond/ja||結合]]している[[alpha carbon/ja|α-炭素]]を含む共通の構造的特徴を持っている。[[proline/ja|プロリン]]だけはこの基本構造とは異なり、N末端のアミン基に変わった環を持ち、CO-NHアミド部分を固定したコンフォメーションにする。標準アミノ酸の側鎖は、[[list of standard amino acids/ja|標準アミノ酸リスト]]に詳述されているが、実に多様な化学構造と性質を持っている。タンパク質の立体構造と化学反応性を最終的に決定するのは、タンパク質中のアミノ酸側鎖すべての複合効果である。
ポリペプチド鎖のアミノ酸は[[peptide bond/ja|ペプチド結合]]によって結合している。タンパク質鎖に連結された個々のアミノ酸は''残基''と呼ばれ、連結された一連の炭素、窒素、酸素原子は''主鎖''または''タンパク質骨格''と呼ばれる。

ペプチド結合には2つの[[resonance (chemistry)/ja|共鳴]]形があり、[[double-bond/ja|二重結合]]の性質を助長し、軸周りの回転を抑制するので、α炭素はほぼ[[coplanar/ja|コプラナー]]になる。ペプチド結合の他の2つの[[dihedral angle/ja|二面角]]は、タンパク質の骨格の局所的な形状を決定する。遊離アミノ基を持つ末端は[[N-terminus/ja|N末端]]またはアミノ末端として知られ、遊離カルボキシル基を持つタンパク質の末端は[[C-terminus/ja|C末端]]またはカルボキシ末端として知られる（タンパク質の配列はN末端からC末端まで、左から右に書かれる）。

''タンパク質''、''ポリペプチド''、''[[peptide/ja|ペプチド]]'という言葉は少し曖昧で、意味が重複することがある。一般的に''タンパク質''は安定した[[tertiary structure/ja|コンフォメーション]]を持つ完全な生物学的分子を指すのに使われ、''ペプチド''は一般的に安定した三次元構造を持たないことが多い短いアミノ酸オリゴマーを指す。しかし、両者の境界は明確ではなく、通常20-30残基付近にある。''ポリペプチド''は、通常、長さに関係なく、アミノ酸の一本の直鎖を指すことができるが、しばしば、定義された[[tertiary structure/ja|立体構造]]がないことを意味する。

===相互作用===
タンパク質は、[[protein–protein interaction/ja|他のタンパク質との相互作用]]、[[Protein–lipid interaction/ja|脂質との相互作用]]、[[Protein–carbohydrate interaction/ja|炭水化物との相互作用]]、[[Protein–DNA interaction/ja|DNAとの相互作用]]など、多くの種類の分子と相互作用することができる。

=== 細胞内の存在量 ===
平均的な大きさの[[bacteria/ja|細菌]]は、細胞あたり約200万個のタンパク質を含むと推定されている（例えば''[[Escherichia coli/ja|大腸菌]]''や''[[Staphylococcus aureus/ja|黄色ブドウ球菌]]''）。より小さな細菌、例えば''[[Mycoplasma/ja|マイコプラズマ]]''や''[[Spirochaete/ja|スピロヘータ]]''は、5万から100万のオーダーで、より少ない分子を含んでいる。対照的に、[[Eukaryote/ja|真核生物]]の細胞は大きく、そのためより多くのタンパク質を含んでいる。例えば、[[Saccharomyces cerevisiae/ja|酵母]]細胞は約5000万個のタンパク質を含み、[[human/ja|ヒト]]細胞は10億から30億個のオーダーであると推定されている。個々のタンパク質コピーの濃度は、細胞あたり数分子から2000万個に及ぶ。タンパク質をコードする遺伝子のすべてがほとんどの細胞で発現しているわけではなく、その数は例えば細胞の種類や外部からの刺激に左右される。例えば、ヒトゲノムがコードする20,000ほどのタンパク質のうち、[[lymphoblastoid/ja|リンパ芽球]]細胞で検出されるのは6,000だけである。

==合成==
{{Anchor|Synthesis}}

===生合成===
[[File:Ribosome mRNA translation en.svg|thumb|リボソームはmRNAを鋳型としてタンパク質を生成する。]]
[[File:Genetic code.svg|thumb|遺伝子の[[DNA/ja|DNA]]配列は、タンパク質のアミノ酸配列を[[genetic code/ja|エンコード]]している。]]
{{Main/ja|Protein biosynthesis/ja}}

タンパク質は遺伝子にコードされた情報を使ってアミノ酸から組み立てられる。各タンパク質は、そのタンパク質をコードする遺伝子の[[nucleotide/ja|ヌクレオチド]]配列によって規定される独自のアミノ酸配列を持っている。[[genetic code/ja|遺伝コード]]は[[codon/ja|コドン]]と呼ばれる3塩基の集合であり、それぞれの3塩基の組み合わせがアミノ酸を指定する。例えば、AUG（[[adenine/ja|アデニン]]-[[uracil/ja|ウラシル]]-[[guanine/ja|グアニン]]）は[[methionine/ja|メチオニン]]のコードである。[[DNA/ja|DNA]]には4つのヌクレオチドが含まれているため、可能なコドンの総数は64である。したがって、遺伝コードには冗長性があり、複数のコドンで指定されるアミノ酸もある。DNAにコードされた遺伝子は、まず[[RNA polymerase/ja|RNAポリメラーゼ]]などのタンパク質によってプレ[[messenger RNA/ja|メッセンジャーRNA]]（mRNA）に[[transcription (genetics)/ja|転写]]される。ほとんどの生物はその後、様々な形の[[post-transcriptional modification/ja|転写後修飾]]を用いてプレmRNA（''一次転写産物''とも呼ばれる）を処理して成熟mRNAを形成し、これをテンプレートとして[[ribosome/ja|リボソーム]]によるタンパク質合成を行う。[[prokaryote/ja|原核生物]]では、mRNAは産生されるとすぐに使われるか、あるいは[[nucleoid/ja|ヌクレオイド]]から離れた後にリボソームによって結合される。一方、[[eukaryote/ja|真核生物]]は[[cell nucleus/ja|細胞核]]でmRNAを作り、それを[[nuclear membrane/ja|核膜]]を越えて[[cytoplasm/ja|細胞質]]に[[Protein translocation/ja|転移]]させ、そこで[[protein biosynthesis/ja|タンパク質生合成]]を行う。タンパク質合成の速度は、真核生物よりも原核生物の方が速く、1秒間に20個のアミノ酸が合成されることもある。

mRNAを鋳型としてタンパク質を合成する過程は、[[translation (genetics)/ja|翻訳]]として知られている。mRNAはリボソームにロードされ、[[transfer RNA/ja|転移RNA]]分子上にある[[anticodon/ja|アンチコドン]]と[[base pair/ja|塩基対]]になっているコドンを一致させることで、一度に3つのヌクレオチドを読み取る。酵素[[aminoacyl tRNA synthetase/ja|アミノアシルtRNA合成酵素]]はtRNA分子にアミノ酸を「チャージ」する。tRNA分子に正しいアミノ酸を「チャージ」する。成長するポリペプチドはしばしば''新生鎖''と呼ばれる。タンパク質は常に[[N-terminus/ja|N末端]]から[[C-terminus/ja|C末端]]まで生合成される。

合成されたタンパク質の大きさは、含まれるアミノ酸の数とその総[[molecular mass/ja|分子量]]によって測定することができ、通常は''ダルトン''（[[atomic mass unit/ja|原子質量単位]]と同義）または誘導体単位キロダルトン（kDa）の単位で報告される。高等生物ではタンパク質を構成する[[protein domain/ja|タンパク質ドメイン]]の数が多くなるため、タンパク質の平均サイズは古細菌から細菌、真核生物へと増加する（それぞれ283, 311, 438残基、31, 34, 49 kDa）。例えば、[[yeast/ja|酵母]]のタンパク質は平均466アミノ酸長で53kDaである。知られている最大のタンパク質は、[[muscle/ja|筋肉]][[sarcomere/ja|サルコメア]]の構成要素である[[titin/ja|タイチン]]である。分子量はほぼ3,000kDa、全長はほぼ27,000アミノ酸である。

===化学合成===
{{main/ja|Peptide synthesis/ja}}
短いタンパク質は[[peptide synthesis/ja|ペプチド合成]]と呼ばれる一連の方法によって化学的に合成することもできる。これは[[chemical ligation/ja|化学ライゲーション]]などの[[organic synthesis/ja|有機合成]]技術に依存して高収率でペプチドを生産する。化学合成では、アミノ酸側鎖に[[fluorescent/ja|蛍光]]プローブを結合させるなど、ポリペプチド鎖に非天然アミノ酸を導入することができる。これらの方法は実験室での[[biochemistry/ja|生化学]]や[[cell biology/ja|細胞生物学]]に有用であるが、しかし、一般的には商業用には使われない。化学合成は約300アミノ酸より長いポリペプチドでは効率が悪く、合成されたタンパク質は本来の[[tertiary structure/ja|三次構造]]をなかなかとらない。ほとんどの化学合成法は、生物学的反応とは逆に、C末端からN末端へと進む。

==構造==
{{Anchor|Structure}}
[[File:Chaperonin 1AON.png|thumb|right|upright=1.35|巨大なタンパク質複合体である[[chaperonin/ja|シャペロニン]]の結晶構造。1つのタンパク質サブユニットが強調表示されている。シャペロニンはタンパク質のフォールディングを助ける。]]
[[File:Proteinviews-1tim.png|thumb|upright=1.35|タンパク質[[triose phosphate isomerase/ja|トリオースリン酸イソメラーゼ]]の立体構造の3つの可能な表現。 '''左'''：原子の種類で色分けした全原子表現。'''中:''' 二次構造で色分けされた骨格構造を示す簡略化された表現。'''右''': 残基の種類によって色分けされた溶媒透過性の表面表現（酸性残基：赤、塩基性残基：青、極性残基：緑、非極性残基：白）。]]
{{main/ja|Protein structure/ja}}
{{further/ja|Protein structure prediction/ja}}

ほとんどのタンパク質は[[protein folding/ja|折りたたみ]]独特の3次元構造になる。タンパク質が自然に折り畳まれる形は、その[[native conformation/ja|ネイティブコンフォメーション]]として知られている。多くのタンパク質は、アミノ酸の化学的性質によって、何もしなくても折り畳むことができるが、他のタンパク質は、分子[[Chaperone (protein)/ja|シャペロン]]の助けを借りなければ、本来の状態に折り畳むことができない。生化学者はしばしば、タンパク質の構造について4つの異なる側面に言及する：
* ''[[Primary structure/ja|一次構造]]''：[[peptide sequence/ja|アミノ酸配列]]のことである。タンパク質は[[polyamide/ja|ポリアミド]]である。
* ''[[Secondary structure/ja|二次構造]]''：[[hydrogen bond/ja|水素結合]]によって安定化された、規則的に繰り返される局所構造。最も一般的な例は、[[alpha helix/ja|αヘリックス]]、[[beta sheet/ja|βシート]]、[[turn (biochemistry)/ja|ターン]]である。二次構造は局所的であるため、同じタンパク質分子内に異なる二次構造の領域が多数存在しうる。
* ''[[Tertiary structure/ja|三次構造]]'': タンパク質1分子の全体的な形；二次構造の空間的な相互関係。三次構造は一般に非局所的相互作用によって安定化される。最も一般的なのは[[hydrophobic core/ja|疎水性コア]]の形成であるが、[[Salt bridge (protein)/ja|塩橋]]、水素結合、[[disulfide bond/ja|ジスルフィド結合]]、さらには[[posttranslational modification/ja|翻訳後修飾]]によっても安定化される。''三次構造''という用語は、しばしば''フォールド''という用語と同義語として使われる。三次構造はタンパク質の基本的な機能を制御するものである。
* ''[[Quaternary structure/ja|四次構造]]'': この文脈では通常''[[protein subunit/ja|タンパク質サブユニット]]''と呼ばれる複数のタンパク質分子（ポリペプチド鎖）によって形成される構造であり、それらは単一の[[protein complex/ja|タンパク質複合体]]として機能する。
* ''[[Protein quinary structure/ja|二項構造]]'': 混雑した細胞内部を組織化するタンパク質表面のサインである。四大構造は、生きた細胞内で起こる、一過性でありながら不可欠な高分子相互作用に依存している。

タンパク質は完全に硬い分子ではない。これらの構造レベルに加え、タンパク質はその機能を果たす間に、いくつかの関連した構造の間を移動することがある。このような機能的転位の文脈において、これらの三次構造や四次構造は通常「[[Chemical conformation/ja|コンフォーメーション]]」と呼ばれ、それらの間の遷移は''コンフォーメーション変化''と呼ばれる。このような変化は、酵素の[[active site/ja|活性部位]]、すなわち化学的触媒作用に関与するタンパク質の物理的領域に[[Substrate (biochemistry)/ja|基質]]分子が結合することによって誘発されることが多い。溶液中では、タンパク質は熱振動や他の分子との衝突によっても構造が変化する。

[[File:Protein composite.png|thumb|upright=1.35|数種類のタンパク質の分子表面の大きさを比較して示す。左から右へ： [[immunoglobulin G/ja|免疫グロブリンG]]（IgG、[[antibody/ja|抗体]]）、[[hemoglobin/ja|ヘモグロビン]]、[[insulin/ja|インスリン]]（ホルモン）、[[adenylate kinase/ja|アデニル酸キナーゼ]]（酵素）、[[glutamine synthetase/ja|グルタミン合成酵素]]（酵素）。]]

タンパク質は非公式に3つの主要なクラスに分けることができる： [[globular protein/ja|球状タンパク質]]、[[fibrous protein/ja|繊維状タンパク質]]、[[membrane protein/ja|膜タンパク質]]である。ほとんどの球状タンパク質は[[soluble/ja|可溶性]]であり、多くは酵素である。繊維状タンパク質は、結合組織の主成分である[[collagen/ja|コラーゲン]]や、髪や爪のタンパク質成分である[[keratin/ja|ケラチン]]など、構造的なタンパク質であることが多い。膜タンパク質は、しばしば[[receptor (biochemistry)/ja|レセプター]]として機能したり、極性分子や荷電分子が[[cell membrane/ja|細胞膜]]を通過するためのチャネルを提供したりする。

タンパク質内の分子内水素結合の特殊な例として、水からの攻撃を受けにくく、それゆえに自身の[[dehydration/ja|脱水]]を促進する、[[dehydron/ja|デヒドロン]]と呼ばれるものがある。

=== タンパク質ドメイン ===
{{Main/ja|Protein domain/ja}}
多くのタンパク質はいくつかの[[protein domain/ja|タンパク質ドメイン]]から構成されている。ドメインは通常、[[enzyme/ja|酵素的]]活性（例えば、[[kinase/ja|キナーゼ]]）などの特定の機能も持つか、結合モジュール（例えば、[[SH3 domain/ja|SH3ドメイン]]は他のタンパク質のプロリンに富んだ配列に結合する）として機能する。

=== 配列モチーフ ===
タンパク質内の短いアミノ酸配列は、しばしば他のタンパク質の認識部位として働く。例えば、[[SH3 domain/ja|SH3ドメイン]]は通常、短いPxxPモチーフ（すなわち、2つの[[proline/ja|プロリン]]［P］と2つの不特定の[[amino acid/ja|アミノ酸]]［x］で隔てられているが、周囲のアミノ酸が正確な結合特異性を決定するかもしれない）に結合する。このようなモチーフは[[Eukaryotic Linear Motif resource/ja|真核生物の線形モチーフ]]（ELM）データベースに多数収集されている。

===タンパク質のトポロジー
タンパク質のトポロジーは、骨格のもつれや折り畳まれた鎖内の接点の配置を記述する。タンパク質のトポロジーを特徴付けるために、[[Knotted protein/ja|結び目理論]]と[[Circuit topology/ja|回路トポロジー]]の2つの理論的枠組みが適用されている。タンパク質のトポロジーを記述できるようになることで、タンパク質工学や医薬品開発に新たな道が開かれ、神経筋疾患やがんなどのタンパク質のミスフォールディング疾患に対する理解が深まる。

==細胞機能==
{{Anchor|Cellular functions}}

タンパク質は細胞内の主役であり、遺伝子にコードされた情報によって指定された任務を遂行していると言われている。ある種の[[RNA]]を除いて、他のほとんどの生体分子はタンパク質が作用する比較的不活性な要素である。タンパク質は、''[[Escherichia coli/ja|大腸菌]]''細胞の乾燥重量の半分を占めるが、DNAやRNAのような他の高分子はそれぞれ3%と20%に過ぎない。特定の細胞や細胞型で発現するタンパク質の集合は、その[[proteome/ja|プロテオーム]]として知られている。

[[File:Hexokinase ball and stick model, with substrates to scale copy.png|thumb|right|酵素[[hexokinase/ja|ヘキソキナーゼ]]は、従来のボールと棒の分子モデルとして示されている。右上にあるのは、その基質である[[adenosine triphosphate/ja|ATP]]と[[glucose/ja|グルコース]]である。]]

タンパク質の最大の特徴は、他の分子と特異的かつ強固に結合できることである。他の分子と結合するタンパク質の領域は[[binding site/ja|結合部位]]と呼ばれ、多くの場合、分子表面の窪みや「ポケット」である。この結合能力は、結合部位ポケットを規定するタンパク質の三次構造と、周囲のアミノ酸側鎖の化学的性質によって媒介される。例えば、[[ribonuclease inhibitor/ja|リボヌクレアーゼ阻害剤]]タンパク質はヒトの[[angiogenin/ja|アンジオジェニン]]とはフェムトモル以下の[[dissociation constant/ja|解離定数]]（<10<sup>-15</sup> M）で結合するが、両生類のホモログである[[onconase/ja|オンコナーゼ]]（>1 M）とは全く結合しない。例えば、アミノ酸[[valine/ja|バリン]]に特異的な[[aminoacyl tRNA synthetase/ja|アミノアシルtRNA合成酵素]]は、アミノ酸[[isoleucine/ja|イソロイシン]]の非常によく似た側鎖を識別する。

タンパク質は[[Small molecule/ja|低分子]]基質だけでなく、他のタンパク質とも結合することができる。タンパク質が同じ分子の他のコピーと特異的に結合すると、[[oligomer/ja|オリゴマー]]化して線維を形成することができる。この過程は、自己会合して硬い線維を形成する球状モノマーからなる構造タンパク質でしばしば起こる。[[Protein–protein interaction/ja|タンパク質-タンパク質相互作用]]はまた、酵素活性を調節し、[[cell cycle/ja|細胞周期]]の進行を制御し、共通の生物学的機能を持つ多くの密接に関連した反応を実行する大きな[[protein complex/ja|タンパク質複合体]]の集合を可能にする。タンパク質はまた、細胞膜に結合したり、細胞膜に組み込まれたりすることもある。結合パートナーはタンパク質の構造変化を引き起こすことができるため、非常に複雑な[[cell signaling/ja|シグナル伝達]]ネットワークを構築することができる。
タンパク質間の相互作用は可逆的であり、個別の機能を実行することができる凝集体を形成するために、異なるグループのパートナータンパク質が利用できるかどうかに大きく依存するため、特定のタンパク質間の相互作用を研究することは、細胞機能の重要な側面、ひいては特定の細胞タイプを区別する特性を理解するための鍵となる。

===酵素===
{{Main/ja|Enzyme/ja}}
細胞内におけるタンパク質の最もよく知られた役割は、化学反応を[[catalysis/ja|触媒]]する[[enzyme/ja|酵素]]としての役割である。酵素は通常、非常に特異的であり、1つまたは少数の化学反応のみを促進する。酵素は[[metabolism/ja|代謝]]に関わる反応のほとんどを行うだけでなく、[[DNA replication/ja|DNA複製]]、[[DNA repair/ja|DNA修復]]、[[transcripting (genetics)/ja|転写]]などの過程でDNAを操作する。一部の酵素は、翻訳後修飾として知られるプロセスにおいて、他のタンパク質に作用して化学基を付加したり除去したりする。約4,000の反応が酵素によって触媒されることが知られている。酵素触媒作用によってもたらされる反応速度の加速は、しばしば莫大なものであり、[[orotate decarboxylase/ja|オロチン酸脱炭酸酵素]]の場合、触媒作用のない反応に比べて10<sup>17</sup>倍の速度増加が見られる（酵素なしでは7800万年、酵素ありでは18ミリ秒）。

酵素が結合し作用する分子は[[Substrate (biochemistry)/ja基質]]と呼ばれる。酵素は何百ものアミノ酸から構成されることがあるが、通常、基質と接触する残基はごく一部であり、触媒反応に直接関与する残基はさらにごく一部である。 基質と結合し、触媒残基を含む酵素の領域は[[active site/ja|活性部位]]として知られている。

[[Dirigent protein/ja|ディリゲントタンパク質]]は、他の酵素によって合成された化合物の[[stereochemistry/ja|立体化学]]を決定するタンパク質の一種である。

===細胞シグナル伝達とリガンド結合===
{{See also/ja|Glycan-protein interactions/ja}}
[[File:Mouse cholera antibody.png|thumb|upright|[[carbohydrate/ja|炭水化物]]抗原に結合する[[cholera/ja|コレラ]]に対するマウス抗体の[[:en:ribbon diagram|リボン図]]である。]]

多くのタンパク質が[[cell signaling/ja|細胞シグナル伝達]]や[[signal transduction/ja|シグナル伝達]]の過程に関与している。[[insulin/ja|インスリン]]のようないくつかのタンパク質は、それが合成された細胞から離れた[[biological tissue/ja|組織]]の他の細胞にシグナルを伝達する細胞外タンパク質である。他のものは[[membrane protein/ja|膜タンパク質]]で、[[receptor (biochemistry)/ja|レセプター]]として働き、その主な機能はシグナル伝達分子と結合して細胞内の生化学的反応を誘導することである。多くのレセプターは、細胞表面に露出した結合部位と細胞内のエフェクタードメインを持ち、酵素活性を持つこともあれば、細胞内の他のタンパク質によって検出される[[conformational change/ja|構造変化]]を起こすこともある。

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
[[Antibodies]] are protein components of an [[adaptive immune system]] whose main function is to bind [[antigen]]s, or foreign substances in the body, and target them for destruction. Antibodies can be [[secrete]]d into the extracellular environment or anchored in the membranes of specialized [[B cell]]s known as [[plasma cell]]s. Whereas enzymes are limited in their binding affinity for their substrates by the necessity of conducting their reaction, antibodies have no such constraints. An antibody's binding affinity to its target is extraordinarily high.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Many ligand transport proteins bind particular [[Small molecule|small biomolecules]] and transport them to other locations in the body of a multicellular organism. These proteins must have a high binding affinity when their [[ligand]] is present in high concentrations, but must also release the ligand when it is present at low concentrations in the target tissues. The canonical example of a ligand-binding protein is [[haemoglobin]], which transports [[oxygen]] from the [[lung]]s to other organs and tissues in all [[vertebrate]]s and has close homologs in every biological [[kingdom (biology)|kingdom]]. [[Lectins]] are [[Glycan-protein interactions|sugar-binding proteins]] which are highly specific for their sugar moieties. [[Lectins]] typically play a role in biological [[Molecular recognition|recognition]] phenomena involving cells and proteins. [[Receptor (biochemistry)|Receptors]] and [[hormone]]s are highly specific binding proteins.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
[[Transmembrane protein]]s can also serve as ligand transport proteins that alter the [[Semipermeable membrane|permeability]] of the cell membrane to [[small molecule]]s and ions. The membrane alone has a [[hydrophobic]] core through which [[Chemical polarity|polar]] or charged molecules cannot [[diffusion|diffuse]]. Membrane proteins contain internal channels that allow such molecules to enter and exit the cell. Many [[ion channel]] proteins are specialized to select for only a particular ion; for example, [[potassium]] and [[sodium]] channels often discriminate for only one of the two ions.
</div>

===構造タンパク質===

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Structural proteins confer stiffness and rigidity to otherwise-fluid biological components. Most structural proteins are [[fibrous protein]]s; for example, [[collagen]] and [[elastin]] are critical components of [[connective tissue]] such as [[cartilage]], and [[keratin]] is found in hard or filamentous structures such as [[hair]], [[nail (anatomy)|nails]], [[feather]]s, [[hoof|hooves]], and some [[animal shell]]s. Some [[globular proteins]] can also play structural functions, for example, [[actin]] and [[tubulin]] are globular and soluble as monomers, but [[polymer]]ize to form long, stiff fibers that make up the [[cytoskeleton]], which allows the cell to maintain its shape and size.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Other proteins that serve structural functions are [[motor protein]]s such as [[myosin]], [[kinesin]], and [[dynein]], which are capable of generating mechanical forces. These proteins are crucial for cellular [[motility]] of single celled organisms and the [[spermatozoon|sperm]] of many multicellular organisms which reproduce [[Sexual reproduction|sexually]]. They also generate the forces exerted by contracting [[muscle]]s and play essential roles in intracellular transport.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== Protein evolution ==
{{Main|Molecular evolution}}
A key question in molecular biology is how proteins evolve, i.e. how can [[mutation]]s (or rather changes in [[amino acid]] sequence) lead to new structures and functions? Most amino acids in a protein can be changed without disrupting activity or function, as can be seen from numerous [[Homology (biology)|homologous]] proteins across species (as collected in specialized databases for [[protein families]], e.g. [[Pfam|PFAM]]). In order to prevent dramatic consequences of mutations, a [[Gene duplication|gene may be duplicated]] before it can mutate freely. However, this can also lead to complete loss of gene function and thus [[Pseudogene|pseudo-genes]]. More commonly, single amino acid changes have limited consequences although some can change protein function substantially, especially in [[enzyme]]s. For instance, many enzymes can change their [[Chemical specificity|substrate specificity]] by one or a few mutations. Changes in substrate specificity are facilitated by ''substrate promiscuity'', i.e. the ability of many enzymes to bind and process multiple [[Substrate (chemistry)|substrates]]. When mutations occur, the specificity of an enzyme can increase (or decrease) and thus its enzymatic activity. Thus, bacteria (or other organisms) can adapt to different food sources, including unnatural substrates such as plastic.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
==Methods of study==
{{Main|Protein methods}}
The activities and structures of proteins may be examined ''[[in vitro]],'' ''[[in vivo]], and [[in silico]]''. '''''In vitro''''' studies of purified proteins in controlled environments are useful for learning how a protein carries out its function: for example, [[enzyme kinetics]] studies explore the [[reaction mechanism|chemical mechanism]] of an enzyme's catalytic activity and its relative affinity for various possible substrate molecules. By contrast, '''''in vivo''''' experiments can provide information about the physiological role of a protein in the context of a [[Cell biology|cell]] or even a whole [[organism]]. '''''In silico''''' studies use computational methods to study proteins.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Protein purification===
{{Main|Protein purification}}
To perform ''[[in vitro]]'' analysis, a protein must be purified away from other cellular components. This process usually begins with [[cytolysis|cell lysis]], in which a cell's membrane is disrupted and its internal contents released into a solution known as a [[crude lysate]]. The resulting mixture can be purified using [[ultracentrifugation]], which fractionates the various cellular components into fractions containing soluble proteins; membrane [[lipid]]s and proteins; cellular [[organelle]]s, and [[nucleic acid]]s. [[Precipitation (chemistry)|Precipitation]] by a method known as [[salting out]] can concentrate the proteins from this lysate. Various types of [[chromatography]] are then used to isolate the protein or proteins of interest based on properties such as molecular weight, net charge and binding affinity. The level of purification can be monitored using various types of [[gel electrophoresis]] if the desired protein's molecular weight and [[isoelectric point]] are known, by [[spectroscopy]] if the protein has distinguishable spectroscopic features, or by [[enzyme assay]]s if the protein has enzymatic activity. Additionally, proteins can be isolated according to their charge using [[electrofocusing]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
For natural proteins, a series of purification steps may be necessary to obtain protein sufficiently pure for laboratory applications. To simplify this process, [[genetic engineering]] is often used to add chemical features to proteins that make them easier to purify without affecting their structure or activity. Here, a "tag" consisting of a specific amino acid sequence, often a series of [[histidine]] residues (a "[[His-tag]]"), is attached to one terminus of the protein. As a result, when the lysate is passed over a chromatography column containing [[nickel]], the histidine residues ligate the nickel and attach to the column while the untagged components of the lysate pass unimpeded. A number of different tags have been developed to help researchers purify specific proteins from complex mixtures.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Cellular localization===
[[File:Localisations02eng.jpg|thumb|right|upright=1.35|Proteins in different [[cellular compartment]]s and structures tagged with [[green fluorescent protein]] (here, white)]]
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The study of proteins ''in vivo'' is often concerned with the synthesis and localization of the protein within the cell. Although many intracellular proteins are synthesized in the [[cytoplasm]] and membrane-bound or secreted proteins in the [[endoplasmic reticulum]], the specifics of how proteins are [[protein targeting|targeted]] to specific organelles or cellular structures is often unclear. A useful technique for assessing cellular localization uses genetic engineering to express in a cell a [[fusion protein]] or [[chimera (protein)|chimera]] consisting of the natural protein of interest linked to a "[[reporter gene|reporter]]" such as [[green fluorescent protein]] (GFP). The fused protein's position within the cell can then be cleanly and efficiently visualized using [[microscopy]], as shown in the figure opposite.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Other methods for elucidating the cellular location of proteins requires the use of known compartmental markers for regions such as the ER, the Golgi, lysosomes or vacuoles, mitochondria, chloroplasts, plasma membrane, etc. With the use of fluorescently tagged versions of these markers or of antibodies to known markers, it becomes much simpler to identify the localization of a protein of interest. For example, [[indirect immunofluorescence]] will allow for fluorescence colocalization and demonstration of location. Fluorescent dyes are used to label cellular compartments for a similar purpose.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Other possibilities exist, as well. For example, [[immunohistochemistry]] usually uses an antibody to one or more proteins of interest that are conjugated to enzymes yielding either luminescent or chromogenic signals that can be compared between samples, allowing for localization information. Another applicable technique is cofractionation in sucrose (or other material) gradients using [[isopycnic centrifugation]]. While this technique does not prove colocalization of a compartment of known density and the protein of interest, it does increase the likelihood, and is more amenable to large-scale studies.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Finally, the gold-standard method of cellular localization is [[immunoelectron microscopy]]. This technique also uses an antibody to the protein of interest, along with classical electron microscopy techniques. The sample is prepared for normal electron microscopic examination, and then treated with an antibody to the protein of interest that is conjugated to an extremely electro-dense material, usually gold. This allows for the localization of both ultrastructural details as well as the protein of interest.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Through another genetic engineering application known as [[site-directed mutagenesis]], researchers can alter the protein sequence and hence its structure, cellular localization, and susceptibility to regulation. This technique even allows the incorporation of unnatural amino acids into proteins, using modified tRNAs, and may allow the rational [[protein design|design]] of new proteins with novel properties.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Proteomics===
{{Main|Proteomics}}
The total complement of proteins present at a time in a cell or cell type is known as its [[proteome]], and the study of such large-scale data sets defines the field of [[proteomics]], named by analogy to the related field of [[genomics]]. Key experimental techniques in proteomics include [[Two-dimensional gel electrophoresis|2D electrophoresis]], which allows the separation of many proteins, [[mass spectrometry]], which allows rapid high-throughput identification of proteins and sequencing of peptides (most often after [[in-gel digestion]]), [[protein microarray]]s, which allow the detection of the relative levels of the various proteins present in a cell, and [[two-hybrid screening]], which allows the systematic exploration of [[protein–protein interaction]]s. The total complement of biologically possible such interactions is known as the [[interactome]]. A systematic attempt to determine the structures of proteins representing every possible fold is known as [[structural genomics]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Structure determination===
Discovering the tertiary structure of a protein, or the quaternary structure of its complexes, can provide important clues about how the protein performs its function and how it can be affected, i.e. in [[Drug design#Structure-based|drug design]]. As proteins are [[Diffraction-limited system|too small to be seen]] under a [[Optical microscope|light microscope]], other methods have to be employed to determine their structure. Common experimental methods include [[X-ray crystallography]] and [[protein NMR|NMR spectroscopy]], both of which can produce structural information at [[atom]]ic resolution. However, NMR experiments are able to provide information from which a subset of distances between pairs of atoms can be estimated, and the final possible conformations for a protein are determined by solving a [[distance geometry]] problem. [[Dual polarisation interferometry]] is a quantitative analytical method for measuring the overall [[protein conformation]] and [[conformational change]]s due to interactions or other stimulus. [[Circular dichroism]] is another laboratory technique for determining internal β-sheet / α-helical composition of proteins. [[Cryoelectron microscopy]] is used to produce lower-resolution structural information about very large protein complexes, including assembled [[virus]]es; a variant known as [[electron crystallography]] can also produce high-resolution information in some cases, especially for two-dimensional crystals of membrane proteins. Solved structures are usually deposited in the [[Protein Data Bank]] (PDB), a freely available resource from which structural data about thousands of proteins can be obtained in the form of [[Cartesian coordinates]] for each atom in the protein.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Many more gene sequences are known than protein structures. Further, the set of solved structures is biased toward proteins that can be easily subjected to the conditions required in [[X-ray crystallography]], one of the major structure determination methods. In particular, globular proteins are comparatively easy to [[crystallize]] in preparation for X-ray crystallography. Membrane proteins and large protein complexes, by contrast, are difficult to crystallize and are underrepresented in the PDB. [[Structural genomics]] initiatives have attempted to remedy these deficiencies by systematically solving representative structures of major fold classes. [[Protein structure prediction]] methods attempt to provide a means of generating a plausible structure for proteins whose structures have not been experimentally determined.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Structure prediction===
[[File:225 Peptide Bond-01.jpg|thumb|right|upright=1.6|Constituent amino-acids can be analyzed to predict secondary, tertiary and quaternary protein structure, in this case hemoglobin containing [[heme]] units]]
{{Main|Protein structure prediction|List of protein structure prediction software}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Complementary to the field of structural genomics, ''protein structure prediction'' develops efficient [[mathematical model]]s of proteins to computationally predict the molecular formations in theory, instead of detecting structures with laboratory observation. The most successful type of structure prediction, known as [[homology modeling]], relies on the existence of a "template" structure with sequence similarity to the protein being modeled; structural genomics' goal is to provide sufficient representation in solved structures to model most of those that remain. Although producing accurate models remains a challenge when only distantly related template structures are available, it has been suggested that [[sequence alignment]] is the bottleneck in this process, as quite accurate models can be produced if a "perfect" sequence alignment is known. Many structure prediction methods have served to inform the emerging field of [[protein engineering]], in which novel protein folds have already been designed. Also proteins (in eukaryotes ~33%) contain large unstructured but biologically functional segments and can be classified as [[intrinsically disordered proteins]]. Predicting and analysing protein disorder is, therefore, an important part of protein structure characterisation.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Bioinformatics===
{{Main|Bioinformatics}}
A vast array of computational methods have been developed to analyze the structure, function and evolution of proteins. The development of such tools has been driven by the large amount of genomic and proteomic data available for a variety of organisms, including the [[human genome]]. It is simply impossible to study all proteins experimentally, hence only a few are subjected to laboratory experiments while computational tools are used to extrapolate to similar proteins. Such [[Sequence homology|homologous proteins]] can be efficiently identified in distantly related organisms by [[sequence alignment]]. Genome and gene sequences can be searched by a variety of tools for certain properties. [[Sequence profiling tool]]s can find [[restriction enzyme]] sites, [[open reading frame]]s in [[nucleotide]] sequences, and predict [[secondary structure]]s. [[Phylogenetic tree]]s can be constructed and [[evolution]]ary hypotheses developed using special software like [[ClustalW]] regarding the ancestry of modern organisms and the genes they express. The field of [[bioinformatics]] is now indispensable for the analysis of genes and proteins.
</div>

===動的過程のインシリコシミュレーション===

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
A more complex computational problem is the prediction of intermolecular interactions, such as in [[docking (molecular)|molecular docking]], [[protein folding]], [[protein–protein interaction]] and chemical reactivity. Mathematical models to simulate these dynamical processes involve [[molecular mechanics]], in particular, [[molecular dynamics]]. In this regard, ''[[in silico]]'' simulations discovered the folding of small α-helical [[protein domain]]s such as the [[villin]] headpiece, the [[HIV]] accessory protein and hybrid methods combining standard molecular dynamics with [[quantum mechanics|quantum mechanical]] mathematics have explored the electronic states of [[rhodopsin]]s.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Beyond classical molecular dynamics, [[quantum dynamics]] methods allow the simulation of proteins in atomistic detail with an accurate description of quantum mechanical effects. Examples include the multi-layer [[multi-configuration time-dependent Hartree ]](MCTDH) method and the [[hierarchical equations of motion]] (HEOM) approach, which have been applied to plant cryptochromes and bacteria light-harvesting complexes, respectively. Both quantum and classical mechanical simulations of biological-scale systems are extremely computationally demanding, so [[distributed computing]] initiatives (for example, the [[Folding@home]] project) facilitate the [[molecular modeling on GPU|molecular modeling]] by exploiting advances in [[Graphics processing unit|GPU]] parallel processing and [[Monte Carlo method|Monte Carlo]] techniques.
</div>

===化学分析===

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The total nitrogen content of organic matter is mainly formed by the amino groups in proteins. The Total Kjeldahl Nitrogen ([[TKN]]) is a measure of nitrogen widely used in the analysis of (waste) water, soil, food, feed and organic matter in general. As the name suggests, the [[Kjeldahl method]] is applied. More sensitive methods are available.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
==Nutrition==
{{further|Protein (nutrient)|Protein quality}}
Most [[microorganism]]s and plants can biosynthesize all 20 standard [[amino acids]], while animals (including humans) must obtain some of the amino acids from the [[diet (nutrition)|diet]]. The amino acids that an organism cannot synthesize on its own are referred to as [[essential amino acids]]. Key enzymes that synthesize certain amino acids are not present in animals—such as [[aspartokinase]], which catalyses the first step in the synthesis of [[lysine]], [[methionine]], and [[threonine]] from [[aspartate]]. If amino acids are present in the environment, microorganisms can conserve energy by taking up the amino acids from their surroundings and [[Downregulation and upregulation|downregulating]] their biosynthetic pathways.
</div>

動物では、アミノ酸はタンパク質を含む食物を摂取することで得られる。摂取されたタンパク質は[[digestion/ja|消化]]によってアミノ酸に分解されるが、この消化には通常、[[acid/ja|酸]]にさらされることによるタンパク質の[[Denaturation (biochemistry)/ja|変性]]と、[[protease/ja|プロテアーゼ]]と呼ばれる酵素による[[hydrolysis/ja|加水分解]]が含まれる。摂取されたアミノ酸の一部はタンパク質の生合成に使われ、他のアミノ酸は[[gluconeogenesis/ja|糖新生]]によって[[glucose/ja|グルコース]]に変換されるか、[[citric acid cycle/ja|クエン酸サイクル]]に供給される。このようにタンパク質を燃料として利用することは、[[starvation/ja|飢餓]]状態において特に重要である。特に[[muscle/ja|筋肉]]に含まれるタンパク質がそうである。

犬や猫などの動物では、タンパク質は毛包の成長と角化を促進することで皮膚の健康と質を維持し、悪臭を発生させる皮膚トラブルの可能性を減らす。質の悪いタンパク質は胃腸の健康にも関与し、犬の鼓腸や悪臭の可能性を高める。タンパク質が未消化の状態で大腸に到達すると、発酵して硫化水素ガス、インドール、スカトールが発生するからだ。犬や猫の動物性タンパク質は植物性タンパク質よりも消化が良いが、低品質の動物性タンパク質は消化が悪く、皮膚、羽毛、結合組織などが含まれる。

== こちらも参照 ==
{{columns-list|colwidth=30em|
* [[Deproteination/ja]]
* [[DNA-binding protein/ja]]
* [[Macromolecule/ja]]
* [[Index of protein-related articles/ja]]
* [[Intein/ja]]
* [[List of proteins/ja]]
* [[Proteopathy/ja]]
* [[Proteopedia/ja]]
* [[Proteolysis/ja]]
* [[Sequence space (evolution)/ja|タンパク質配列空間]]
* [[Protein superfamily/ja]]
}}{{Clear}}

==さらに読む ==
; 教科書
{{refbegin|32em}}
* {{cite book |vauthors=Branden C, Tooze J |title=Introduction to Protein Structure |publisher=Garland Pub |location=New York |year=1999 |isbn=978-0-8153-2305-1}}
* {{cite book |vauthors=Murray RF, Harper HW, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW |title=Harper's Illustrated Biochemistry |publisher=Lange Medical Books/McGraw-Hill |location=New York |year=2006 |isbn=978-0-07-146197-9}}
* {{cite book |vauthors=Van Holde KE, Mathews CK |title=Biochemistry |publisher=Benjamin/Cummings Pub. Co., Inc |location=Menlo Park, California |year=1996 |isbn=978-0-8053-3931-4 |url=https://archive.org/details/biochemistry00math }}
{{refend}}

== 外部リンク ==
{{Sister project links|auto=1|wikt=protein}}

===データベースとプロジェクト===
* [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=protein NCBI Entrez Protein database]
* [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=structure NCBI Protein Structure database]
* [https://web.archive.org/web/20060424071622/http://www.hprd.org/ Human Protein Reference Database]
* [https://web.archive.org/web/20070314135408/http://www.humanproteinpedia.org/ Human Proteinpedia]
* [http://folding.stanford.edu/ Folding@Home (Stanford University)] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20120908075542/http://folding.stanford.edu/English/HomePage |date=2012-09-08 }}
* [http://www.pdbe.org/ Protein Databank in Europe] (see also [https://archive.today/20130727184433/http://www.pdbe.org/quips PDBeQuips], short articles and tutorials on interesting PDB structures)
* [http://www.rcsb.org/ Research Collaboratory for Structural Bioinformatics] (see also [http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/index.html Molecule of the Month] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20200724151351/https://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion%2Fmolecule_of_the_month%2Findex.html |date=2020-07-24 }}, presenting short accounts on selected proteins from the PDB)
* [http://www.proteopedia.org/ Proteopedia&nbsp;– Life in 3D]: rotatable, zoomable 3D model with wiki annotations for every known protein molecular structure.
* [https://web.archive.org/web/20080608183902/http://www.expasy.uniprot.org/ UniProt the Universal Protein Resource]

===チュートリアルと教育ウェブサイト===
* [https://web.stanford.edu/group/hopes/cgi-bin/hopes_test/an-introduction-to-proteins/ "An Introduction to Proteins"] from [[HOPES]] (Huntington's Disease Outreach Project for Education at Stanford)
* [https://web.archive.org/web/20050219090405/http://www.biochemweb.org/proteins.shtml Proteins: Biogenesis to Degradation&nbsp;– The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology]

{{Gene expression/ja}}
{{Protein topics/ja}}
{{Protein methods/ja}}
{{Food chemistry/ja}}
{{Metabolism/ja}}
{{Portal bar|Biology|Technology|Medicine|Chemistry|Food|Ecology|Environment|Science|Evolutionary biology}}

[[Category:Proteins| ]]
[[Category:Molecular biology]]
[[Category:Proteomics]]