Amino acid/ja: Difference between revisions

[[serine/ja|セリン]]（Ser, S）、[[threonine/ja|スレオニン]]（Thr, T）、[[asparagine/ja|アスパラギン]]（Asn, N）、[[glutamine/ja|グルタミン]]（Gln, Q）は、水や他のアミノ酸と容易に水素結合を形成する。通常の状態ではイオン化しないが、[[Serine protease/ja#Catalytic mechanism|セリンプロテアーゼ]]の触媒セリンは例外である。これは深刻な摂動の例であり、一般的なセリン残基の特徴ではない。スレオニンには2つの不斉中心があり、アキラルなグリシンを除くすべてのアミノ酸に共通するα-炭素の<small>L</small>（2''S''）不斉中心だけでなく、β-炭素の(3''R'')不斉中心もある。完全な立体化学的仕様は(2''S'',3''R'')-<small>L</small>-スレオニンである。　

普遍的な遺伝コードのコドンによって直接コードされる20種類のアミノ酸は、''標準''または''カノニカル''アミノ酸と呼ばれる。メチオニンの修飾型（[[N-Formylmethionine/ja|''N''-ホルミルメチオニン]]）は、バクテリア、ミトコンドリア、葉緑体のタンパク質の初期アミノ酸として、メチオニンの代わりに組み込まれることが多い。その他のアミノ酸は''非標準''または''非正規''と呼ばれる。非標準アミノ酸のほとんどは非タンパク質生成性（翻訳中にタンパク質に取り込まれない）であるが、そのうちの2つは、普遍的遺伝コードにコードされていない情報を利用することで、翻訳によってタンパク質に組み込むことができるため、タンパク質生成能を持つ。

2つの非標準タンパク質生成アミノ酸は、セレノシステイン（多くの非真核生物とほとんどの真核生物に存在するが、DNAによって直接コードされていない）と[[pyrrolysine/ja|ピロリジン]]（いくつかの[[archaea/ja|古細菌]]と少なくとも1つの[[bacterium/ja|細菌]]にのみ存在する）である。これらの非標準アミノ酸が組み込まれることは稀である。例えば、25のヒトタンパク質がその一次構造にセレノシステインを含み、構造的に特徴付けられている酵素（セレノ酵素）は、その活性部位の触媒[[moiety (chemistry)/ja|部位]]としてセレノシステインを採用している。ピロリジンとセレノシステインは変異コドンを介してコードされている。例えば、セレノシステインは停止コドンと[[SECIS element/ja|SECIS要素]]によってコードされる。

[[N-Formylmethionine/ja|''N''-ホルミルメチオニン]]（細菌、[[Mitochondrion/ja|ミトコンドリア]]、[[chloroplast/ja|葉緑体]]のタンパク質の初期アミノ酸であることが多い）は、一般に、別のタンパク質生成アミノ酸としてではなく、[[methionine/ja|メチオニン]]の一形態として考えられている。自然界には存在しないコドン-[[transfer RNA/ja|tRNA]]の組み合わせも、[[Expanded genetic code/ja|遺伝コードの「拡張」]]に使われ、[[non-proteinogenic amino acid/ja|非タンパク質生成アミノ酸]]を組み込んだ[[alloprotein/ja|アロプロテイン]]として知られる新規タンパク質を形成することができる。

===非タンパク質性アミノ酸===

{{main/ja|Non-proteinogenic amino acids/ja}}

22種類の[[proteinogenic amino acid/ja|タンパク質生成アミノ酸]]以外に、多くの''非タンパク質生成アミノ酸''が知られている。それらはタンパク質に含まれないか（例えば[[carnitine/ja|カルニチン]]、[[Gamma-aminobutyric acid/ja|GABA]]、[[levothyroxine/ja|レボチロキシン]]）、あるいは標準的な細胞機構によって直接かつ単独では生成されない。例えば、[[hydroxyproline/ja|ヒドロキシプロリン]]である。ヒドロキシプロリンは[[proline/ja|プロリン]]から合成される。もう一つの例は[[selenomethionine/ja|セレノメチオニン]]である。）

タンパク質に含まれる非タンパク質原性アミノ酸は、[[post-translational modification/ja|翻訳後修飾]]によって形成される。このような修飾はタンパク質の局在を決定することもある。例えば、長い疎水基の付加はタンパク質を[[phospholipid/ja|リン脂質]]膜に結合させる。例としては

*[[glutamate/ja|グルタミン酸]]の[[carboxylation/ja|カルボキシル化]]は[[calcium in biology/ja|カルシウムカチオン]]の結合をより良くする、

*[[Hydroxyproline/ja|ヒドロキシプロリン]]は[[proline/ja|プロリン]]の[[hydroxylation/ja|ヒドロキシル化]]によって生成され、[[connective tissue/ja|結合組織]][[collagen/ja|コラーゲン]]の主要成分である。

* [[Eukaryotic initiation factor/ja|翻訳開始因子]]の[[hypusine/ja|ヒプシン]][[EIF5A/ja|EIF5A]]は、リジンの修飾を含んでいる。

非タンパク質生成アミノ酸の中には、タンパク質に含まれないものもある。例えば、[[2-aminoisobutyric acid/ja|2-アミノイソ酪酸]]や神経伝達物質である[[gamma-aminobutyric acid/ja|γ-アミノ酪酸]]などである。非タンパク質原性アミノ酸は、標準アミノ酸の[[metabolic pathway/ja|代謝経路]]の中間体として生じることが多い&nbsp;-例えば、[[ornithine/ja|オルニチン]]と[[citrulline/ja|シトルリン]]は、アミノ酸の[[catabolism/ja|異化]]の一部である[[urea cycle/ja|尿素サイクル]]で生じる（下記参照）。生物学におけるα-アミノ酸の優位性に対するまれな例外はβ-アミノ酸[[beta alanine/ja|βアラニン]]（3-アミノプロパン酸）であり、これは植物や微生物において[[coenzyme A/ja|補酵素A]]の成分である[[pantothenic acid/ja|パントテン酸]]（ビタミンB₅）の合成に用いられる。

===哺乳類の栄養===

[[File:Amino acids in food and blood.png|thumb|right|380px|様々なヒトの食事に含まれるアミノ酸の割合と、その結果生じるヒトの血清中のアミノ酸の混合。食品中ではグルタミン酸とグルタミンが10％以上と最も多く、血液中ではアラニン、グルタミン、グリシンが最も多い。|alt=多様な食餌から得られた血清中のアミノ酸の相対的含有量を示す図。]]

{{Main/ja|Essential amino acid/ja}}

{{further/ja|Protein (nutrient)/ja|Amino acid synthesis/ja}}

アミノ酸は食品の典型的な成分ではない。動物はタンパク質を食べる。タンパク質は消化の過程でアミノ酸に分解される。アミノ酸はその後、新しいタンパク質や他の生体分子の合成に使われたり、エネルギー源として[[urea/ja|尿素]]と[[carbon dioxide/ja|二酸化炭素]]に酸化されたりする。酸化経路は[[transaminase/ja|トランスアミナーゼ]]によるアミノ基の除去から始まり、アミノ基はその後[[urea cycle/ja|尿素サイクル]]に供給される。トランスアミド化のもう1つの生成物は[[keto acid/ja|ケト酸]]で、[[citric acid cycle/ja|クエン酸サイクル]]に入る。[[Glucogenic amino acid/ja|糖原性アミノ酸]]はまた、[[gluconeogenesis/ja|糖新生]]によってグルコースに変換される。

20種類の標準アミノ酸のうち、9種類（[[Histidine/ja|His]]、[[Isoleucine/ja|Ile]]、[[Leucine/ja|Leu]]、[[Lysine/ja|Lys]]、[[Methionine/ja|Met]]、[[Phenylalanine/ja|Phe]]、[[Threonine/ja|Thr]]、 [[Tryptophan/ja|Trp]]、[[Valine/ja|Val]]）は、[[human body/ja|人体]]が正常な成長に必要なレベルで他の化合物から[[Biosynthesis/ja|合成]]できないため、食物から摂取しなければならず、[[Essential amino acid/ja|必須アミノ酸]]と呼ばれている。

====準必須アミノ酸と条件付き必須アミノ酸、および幼少期の必要量====

さらに、システイン、[[tyrosine/ja|チロシン]]、[[arginine/ja|アルギニン]]は準必須アミノ酸とみなされ、タウリンは小児では準必須アミノスルホン酸である。一部のアミノ酸は、特定の年齢や病状に[[Essential amino acid/ja#Essentiality in humans|条件付き必須]]である。必須アミノ酸も[[species/ja|種]]によって異なる場合がある。これらのモノマーを合成する代謝経路は完全には発達していない。

===タンパク質以外の機能===

{{Catecholamine and trace amine biosynthesis|align=right|caption=[[Catecholamine/ja|カテコールアミン]]と[[trace amine/ja|微量アミン]]は、ヒトではフェニルアラニンとチロシンから合成される。}}

{{Further/ja|Amino acid neurotransmitter/ja}}

ヒトの場合、アミノ酸は多様な生合成経路においても重要な役割を担っている。[[Plant defense against herbivory/ja|植物の草食動物に対する防御]]では、アミノ酸が使われることがある。例えば、以下のようなものがある：

====標準アミノ酸====

* [[Tryptophan/ja|トリプトファン]]は神経伝達物質[[serotonin/ja|セロトニン]]の前駆体である。

* [[Tyrosine/ja|チロシン]](およびその前駆体のフェニルアラニン)は[[catecholamine/ja|カテコールアミン]][[neurotransmitter/ja|神経伝達物質]]である[[dopamine/ja|ドーパミン]]、[[epinephrine/ja|エピネフリン]]、[[norepinephrine/ja|ノルエピネフリン]]、さまざまな[[trace amine/ja|微量アミン]]の前駆体である。

* [[Phenylalanine/ja|フェニルアラニン]]は、ヒトでは[[phenethylamine/ja|フェネチルアミン]]とチロシンの前駆体である。植物では、植物の代謝に重要な様々な[[phenylpropanoid/ja|フェニルプロパノイド]]の前駆体である。

* [[Glycine/ja|グリシン]]は[[heme/ja|ヘム]]などの[[porphyrin/ja|ポルフィリン]]の前駆体である。

* [[Arginine/ja|アルギニン]]は[[nitric oxide/ja|一酸化窒素]]の前駆体である。

* [[Ornithine/ja|オルニチン]]と[[S-Adenosyl methionine/ja|''S''-アデノシルメチオニン]]は[[polyamine/ja|ポリアミン]]の前駆体である。

* [[Aspartate/ja|アスパラギン酸]]、[[glycine/ja|グリシン]]、[[glutamine/ja|グルタミン]]は[[nucleotide/ja|ヌクレオチド]]の前駆体である。しかし、他の豊富な非標準アミノ酸の機能のすべてではない。

====非標準アミノ酸の役割====

*[[Carnitine/ja|カルニチン]]は[[lipid/ja|脂質輸送]]に使われる。

*[[gamma-aminobutyric acid/ja|γ-アミノ酪酸]]は神経伝達物質である。

*[[5-HTP/ja|5-HTP]]（5-ヒドロキシトリプトファン）はうつ病の実験的治療に用いられる。

*[[L-DOPA/ja|<small>L</small>-DOPA]]（<small>L</small>-ジヒドロキシフェニルアラニン）は[[Parkinson's/ja|パーキンソン病]]の治療に用いられる、

*[[Eflornithine/ja|エフロルニチン]]は[[ornithine decarboxylase/ja|オルニチン脱炭酸酵素]]を阻害し、[[African trypanosomiasis/ja|眠り病]]の治療に用いられる。

*[[Canavanine/ja|カナバニン]](アルギニンの類似体)は多くの[[legume/ja|マメ科]]植物に含まれており、植物を捕食者から守る[[antifeedant/ja|摂食阻害物質]]である。

*いくつかのマメ科植物に含まれる[[Mimosine/ja|ミモシン]]もまた[[antifeedant/ja|摂食阻害物質]]の可能性がある。この化合物は[[tyrosine/ja|チロシン]]のアナログであり、これらの植物を草食する動物を毒殺することができる。

==産業における用途==

{{Anchor|Uses in industry}}

===動物用飼料===

アミノ酸が[[Compound feed/ja|動物用飼料]]に添加されることがあるのは、[[soybean/ja|大豆]]などの飼料の成分には、いくつかの[[essential amino acid/ja|必須アミノ酸]]、特にリジン、メチオニン、スレオニン、トリプトファンのレベルが低いからである。同様に、アミノ酸は、飼料サプリメントからのミネラルの吸収を改善するために、金属陽イオンをキレートするために使用される。

===食品===

[[food industry/ja|食品産業]]はアミノ酸、特に[[flavor enhancer/ja|旨味調味料]]として使用される[[glutamic acid/ja|グルタミン酸]]、[[artificial sweetener/ja|人工甘味料]]として使用される[[aspartame/ja|アスパルテーム]]（アスパルチルフェニルアラニン1-メチルエステル）の主要な消費者である。アミノ酸は、ミネラルの吸収を改善し、無機ミネラルの補給による副作用を軽減することで、貧血などのミネラル不足の症状を緩和するために、メーカーが食品に添加することがある。

===化学的構成要素===

{{further/ja|Asymmetric synthesis/ja}}

アミノ酸は[[chiral pool synthesis/ja|キラルプール合成]]において[[enantiomer/ja||エナンチオマー的に純粋な]]ビルディングブロックとして使用される低コストの[[feedstock/ja|原料]]である。

アミノ酸はいくつかの[[:ja:化粧品|化粧品]]の合成に使われる。

==意欲的な用途==

{{Anchor|Aspirational uses}}

===肥料===

アミノ酸の[[Chelation/ja|キレート化]]能力は、鉄クロロシスなどのミネラル欠乏症を改善するために、植物へのミネラルの供給を促進するために肥料に使用されることがある。これらの肥料はまた、欠乏症の発生を予防し、植物の全体的な健康状態を改善するためにも使用される。

===生分解性プラスチック===

{{further/ja|Biodegradable plastic|Biopolymer/ja}}

アミノ酸は生分解性ポリマーの成分として考えられており、[[:en:environmentally friendly|環境に優しい]]包装材として、また[[drug delivery/ja|薬物送達]]や[[prosthetic implant/ja|人工インプラント]]の構築といった医療分野での応用がある。このような材料の興味深い例として、使い捨て[[:en:diaper|紙おむつ]]や農業への応用が期待される水溶性の生分解性ポリマーである[[polyaspartate/ja|ポリアスパラギン酸塩]]がある。その溶解性と金属イオンを[[chelate/ja|キレート]]する能力から、ポリアスパラギン酸塩は生分解性の[[:en:Fouling|防汚]]剤や[[corrosion inhibitor/ja|腐食防止剤]]としても使用されている。

==合成==

{{Anchor|Synthesis}}

{{Main/ja|Amino acid synthesis/ja}}

[[File:Strecker amino acid synthesis scheme.svg|thumb|400px|right|ストレッカー式アミノ酸合成|alt=反応のステップについては、本文を参照のこと。]]

===化学合成===

アミノ酸の商業的生産は通常、グルコースを炭素源として個々のアミノ酸を過剰生産する変異細菌に依存している。いくつかのアミノ酸は、合成中間体の酵素変換によって生産される。例えば、[[2-アミノチアゾリン-4-カルボン酸]]は[[cysteine/ja|<small>L</small>-システイン]]の工業的合成の中間体である。[[aspartic acid/ja|アスパラギン酸]]は、リアーゼを用いた[[fumarate/ja|フマル酸]]へのアンモニアの付加によって生成される。

===生合成===

植物では、窒素はまずミトコンドリア内でα-ケトグルタル酸とアンモニアから生成される[[glutamate/ja|グルタミン酸]]の形で有機化合物に同化される。他のアミノ酸については、植物は[[transaminase/ja|トランスアミナーゼ]]を用いてグルタミン酸から別のα-ケト酸にアミノ基を移動させる。例えば、アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼは、グルタミン酸とオキサロ酢酸をα-ケトグルタル酸とアスパラギン酸に変換する。他の生物もアミノ酸合成にトランスアミナーゼを使っている。

非標準アミノ酸は通常、標準アミノ酸の修飾によって形成される。例えば、[[homocysteine/ja|ホモシステイン]]は中間代謝産物[[S-adenosylmethionine/ja|''S''-アデノシルメチオニン]]を介した[[トランス硫酸化経路]]またはメチオニンの脱メチル化によって形成され、[[hydroxyproline/ja|ヒドロキシプロリン]]は[[proline/ja|プロリン]]の[[post translational modification/ja|翻訳後修飾]]によって作られる。

[[microorganism/ja|微生物]]や植物は、多くの珍しいアミノ酸を合成する。例えば、[[2-aminoisobutyric acid/ja|2-アミノイソ酪酸]]やアラニンの硫化架橋誘導体である[[lanthionine/ja|ランチオニン]]を作る微生物もいる。これらのアミノ酸はどちらも、[[alamethicin/ja|アラメチシン]]のようなペプチド性の[[lantibiotics/ja|ランティバイオティクス]]に含まれている。しかし植物では、[[1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid/ja|1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸]]は小さな二置換環状アミノ酸であり、植物ホルモン[[ethylene/ja#Ethylene as a plant hormone|エチレン]]の生成の中間体である。

===原始合成===

アミノ酸とペプチドの形成は、[[abiogenesis/ja|地球上の生命の発生]]に先行し、おそらくそれを誘発すると考えられている。アミノ酸は様々な条件下で単純な前駆体から形成される。アミノ酸や非常に小さな化合物の表面化学代謝によって、アミノ酸、補酵素、リン酸ベースの小さな炭素分子が蓄積された可能性がある。アミノ酸や類似の構成要素は、プロト[[peptide/ja|ペプチド]]に精巧化された可能性があり、ペプチドは生命の起源において重要な役割を果たすと考えられている。

有名な[[:en:Urey-Miller experiment|ユーレイ・ミラー実験]]では、メタン、水素、アンモニアの混合物に電気アークを通すと、大量のアミノ酸が生成された。それ以来，科学者たちは，凝縮剤，自己複製ペプチドの設計，アミノ酸が出現してペプチドに精緻化する多くの非酵素的メカニズムなど，ペプチドの潜在的なプレバイオティック形成と化学進化が起こったかもしれない様々な方法と構成要素を発見してきた。いくつかの仮説は、シアン化水素、単純なアルデヒド、アンモニア、水がアミノ酸を生成する[[Strecker synthesis/ja|Strecker合成]]を提唱している。

ある総説によれば、アミノ酸、そしてペプチドさえも、「単純な化学物質から調理された[[primordial soup/ja|様々な実験用スープ]]の中に、かなり規則的に出てくる。なぜなら、[[nucleotide/ja|ヌクレオチド]]はアミノ酸よりも化学的に合成するのがはるかに難しいからである。」 時系列的な順序としては、「タンパク質の世界」か少なくとも「ポリペプチドの世界」があったはずで、おそらくその後に「[[RNA world/ja|RNAの世界]]」と「[[DNA world/ja|DNAの世界]]」が続いたのだろうということを示唆している。[[Codon/ja|コドン]]-アミノ酸のマッピングは、地球上の生命の原初の起源における[[biology/ja|生物学的]]情報システムであったかもしれない。アミノ酸、ひいては単純なペプチドは、実験的に証明されたさまざまな地球化学的シナリオのもとで形成されたに違いないが、無生物世界から最初の生命体への移行は、まだ未解決の部分が多い。

==反応==

{{Anchor|Reactions}}

===ペプチド結合の形成===

{{see also/ja|Peptide synthesis/ja|Peptide bond/ja}}

[[File:Peptidformationball.svg|thumbnail|right|400px|2つのアミノ酸が縮合して[[dipeptide/ja|ジペプチド]]を形成する。2つのアミノ酸''残基''は''[[peptide bond/ja|ペプチド結合]]を介して結合している。一方はカルボキシル基（COOH）から水素と酸素を失い、もう一方はアミノ基（NH2）から水素を失う。この反応により、1分子の水（H2O）と、ペプチド結合（-CO-NH-）で結合した2つのアミノ酸が生成される。結合した2つのアミノ酸はジペプチドと呼ばれる。]]

アミノ酸のアミン基とカルボン酸基の両方が反応してアミド結合を形成することができるため、あるアミノ酸分子が別のアミノ酸分子と反応し、アミド結合を介して結合することができる。このアミノ酸の[[polymerization/ja|重合]]がタンパク質を作り出す。この[[condensation reaction/ja|縮合反応]]によって、新しく形成されたペプチド結合と1分子の水が得られる。細胞内では、この反応は直接起こるのではなく、まずアミノ酸が[[ester/ja|エステル]]結合を介して[[transfer RNA/ja|転移RNA]]分子に結合することで活性化される。このアミノアシルtRNAは、[[aminoacyl tRNA synthetase/ja|アミノアシルtRNA合成酵素]]によって行われる[[Adenosine triphosphate/ja|ATP]]依存的反応で生成される。このアミノアシルtRNAは次にリボソームの基質となり、リボソームは伸長するタンパク質鎖のアミノ基のエステル結合への攻撃を触媒する。このメカニズムの結果、リボソームによって作られる全てのタンパク質は、その''N''末端から始まり、''C''末端に向かって合成される。

しかし、すべてのペプチド結合がこのようにして形成されるわけではない。いくつかの場合、ペプチドは特定の酵素によって合成される。例えば、トリペプチド[[glutathione/ja|グルタチオン]]は、酸化ストレスに対する細胞の防御に不可欠な部分である。このペプチドは遊離アミノ酸から2段階で合成される。最初のステップでは、[[gamma-glutamylcysteine synthetase/ja|γ-グルタミルシステイン合成酵素]]が、グルタミン酸の側鎖カルボキシル（この側鎖のγ炭素）とシステインのアミノ基の間に形成されるペプチド結合を介して、システインと[[glutamate/ja|グルタミン酸]]を縮合させる。このジペプチドは次に[[glutathione synthetase/ja|グルタチオン合成酵素]]によってグリシンと縮合してグルタチオンを形成する。

化学では、ペプチドは様々な反応によって合成される。最もよく使われる[[peptide synthesis/ja|固相ペプチド合成]]のひとつは、活性化ユニットとしてアミノ酸の芳香族オキシム誘導体を使う。固相ペプチド合成では、活性化ユニットとしてアミノ酸の芳香族オキシム誘導体を使用し、成長するペプチド鎖に順番に付加していく。ペプチドのライブラリーは[[high-throughput screening/ja|ハイスループットスクリーニング]]を通じて薬物発見に使われる。

官能基の組み合わせにより、アミノ酸は金属-アミノ酸キレートの効果的な多座配位子となる。

===異化===

[[File:Amino acid catabolism revised.png|thumb|300px|タンパク質生成アミノ酸の異化。アミノ酸はその主な分解産物の性質によって分類することができる：

<br/>* ''糖原性''、生成物は[[gluconeogenesis/ja|糖新生]]によって[[glucose/ja|グルコース]]を形成する能力を持つ。

<br/>* ''ケトジェニック''、グルコースを形成する能力を持たない。これらの生成物はまだ[[ketogenesis/ja|ケトジェネシス]]または[[lipid synthesis/ja|脂質合成]]のために使用されるかもしれない。

<br/>*アミノ酸はグルコース生成とケトン生成の両方に異化される。]]

アミノ酸の分解には、そのアミノ基をα-ケトグルタル酸に移動させ、[[glutamate/ja|グルタミン酸]]を形成する[[deamination/ja|脱アミノ化]]がしばしば関与する。このプロセスにはトランスアミナーゼが関与し、多くの場合、合成時のアミノ化で使われるものと同じである。多くの脊椎動物では、アミノ基はその後[[urea cycle/ja|尿素サイクル]]を通じて除去され、[[urea/ja|尿素]]の形で排泄される。しかし、アミノ酸の分解によって代わりに[[uric acid/ja|尿酸]]やアンモニアが生成されることもある。例えば、[[serine dehydratase/ja|セリンデヒドラターゼ]]はセリンをピルビン酸とアンモニアに変換する。1つ以上のアミノ基を除去した後の分子の残りは、新しいアミノ酸を合成するために使われることもあるし、右の画像に詳しくあるように、[[glycolysis/ja|解糖]]や[[citric acid cycle/ja|クエン酸サイクル]]に入ることでエネルギーとして使われることもある。

===複合化===

アミノ酸は二座配位子であり、[[transition metal amino acid complexes/ja|遷移金属アミノ酸錯体]]を形成する。