2.2 小麦、ライ麦、大麦、オート麦の貯蔵タンパク質

小麦、ライムギ、大麦、およびオートムギのプロラミンおよびグルテリン画分は、部分的に密接に関連する多数のタンパク質で構成されている。この不均一性の理由は、穀物の進化中の遺伝子変異（置換、削除、およびDNA核酸塩基の挿入）であり、アミノ酸配列に多くの変更が生じた。配列の相同性により、多数のタンパク質成分を少数の異なるタンパク質タイプに減らすことができる。
タンパク質分離技術の進歩に伴い、プロラミンモノマーとグルテリンサブユニットの命名法は段階的に開発されてきたため、かなり混乱し、矛盾している。一方で、タンパク質は電気泳動移動度の違いに基づいて命名された（例：ω-、α-、β-、およびγ-グリアジンまたはω-およびγ-セカリン）。一方、用語は分子量の違いに基づいている（例、高分子量グルテニンサブユニット（HMW-GS）と低分子量グルテニンサブユニット（LMW-GS）、またはD-、C- 、およびB-hordeins）。電気泳動またはクロマトグラフィーの移動度に基づく命名法は、後で決定される一次構造（アミノ酸配列）による分類と必ずしも一致しない。例えば、アミノ酸配列の研究により、α-グリアジンとβ-グリアジンが1つのタイプに分類され、ほとんどがαタイプ、時にはα/βタイプと呼ばれることが明らかになった。タンパク質分類の最も重要な基準は、一次構造（アミノ酸配列）である。過去数十年で、ほぼ完全にDNAシーケンスによって決定された穀物貯蔵タンパク質の多数の配列が、出版物またはデータベースのいずれかで公開された。データは、系統発生およびアミノ酸組成に従って、小麦、ライムギ、大麦、および一部のオートムギ（プロラミンのみ）の貯蔵タンパク質は密接に関連しており、他の穀物のものと決定的に異なることを示している。
相同アミノ酸配列と類似の分子量に基づいて、Triticeaeとオートムギ（プロラミンのみ）の貯蔵タンパク質は3つのグループに分けることができる：
1. HMWグループ；
2.中分子量（MMW）グループ；
3. LMWグループ。
各グループには、さまざまなタイプに割り当てることができる多数の関連タンパク質が含まれている。タンパク質は、部分的にモノマーとして、部分的に鎖間ジスルフィド結合によってリンクされたポリマーとして存在する。HMWグループは、（1）小麦のHMW-GS、（2）ライムギのHMW-セカリン、および（3）大麦のD-ホルデインの3つのタイプで構成されている。 このグループにはオートムギはない。 HMW-GSとHMW-セカリンは、分子量と反復単位の数が異なるx型とy型に細分化できる。 HMWグループのタンパク質は、分子量70,000〜90,000に対応する約600〜800のアミノ酸残基で構成されている。 アミノ酸組成は、総アミノ酸残基の約60％を占めるグルタミン（約26〜36％）、グリシン（約16〜20％）、およびプロリン（約10〜15％）の高い含有量によって特徴付けられる。 アミノ酸配列は、3つの構造ドメインに分割できる：（1）約100残基の非反復N末端ドメインA、（2）約500〜700残基の反復中央ドメインB、および（3 ）約40残基の非反復ドメインC。ドメインAおよびCは、ほとんどまたはすべてのシステインと荷電アミノ酸（グルタミン酸、アルギニン）を含む、比較的バランスの取れたアミノ酸組成によって特徴付けられる。ドメインBには、QQPGQGなどの多数の反復ヘキサペプチドがバックボーンとして含まれている。これらは頻繁に変更され、YYPTSPなどのヘキサペプチドやQQPやQPGなどのトリペプチドによって散在している。 HMWグループのサブユニット間の違いは、主に単一の残基の変更と反復の数と配置によるものである。例えば、xタイプは短いドメインAと長いドメインBによってyタイプとは異なる。小麦の製パン品質にとってHMW-GSの重要性のため、単一のサブユニットはコーディングに従って番号が付けられている。ゲノム（1A、1B、または1D）、タンパク質タイプ（xまたはy）、およびSDS-PAGEの移動度（元々は1番から12番）。命名法の例は、HMW-GS 1Ax1、1Bx7、および1Dy10である。一般に、HMWグループのタンパク質はプロラミン画分にモノマーとしては存在しないが、鎖間ジスルフィド結合によって重合され、グルテリン画分に存在する。ジスルフィド結合の還元後、得られたサブユニットはプロラミンのようにアルコールに可溶である。MMWグループは、小麦の同種のω1,2-グリアジン、ライ麦のω-セサリン、および大麦のC-ホルデインで構成される。これらのタンパク質には300〜400の残基が含まれており、約40,000の分子量に相当する。さらに、小麦には、400以上の残基と約50,000の分子量を持つユニークなω5-グリアジンが含まれている。 MMWグループに対応するタンパク質はオートムギには存在しない。 MMWグループのタンパク質は、通常、グルタミン、プロリン、およびフェニルアラニンの含有量が非常に高く、アミノ酸残基全体の約80％を占める非常に不均衡なアミノ酸組成を持っている。それらは主にモノマーとして発生し、水性アルコールに、そして部分的には水にさえ容易に溶解する。それらはほぼ完全に反復配列で構成されており、短い非反復N末端ドメインとC末端ドメイン（最大30残基まで）しかない。中央ドメインには、主にグルタミン、プロリン、フェニルアラニンからなるリピートが含まれている。 ω1,2-グリアジン、ω-セカリン、C-ホルデインの典型的な繰り返し単位は、QPQQPFPなどのヘプタペプチドである。 ω5-グリアジンのものは、リピートの数と組成（QQQPF）が異なる。

LMWグループは、単量体タンパク質と高分子タンパク質に分類できる。単量体タンパク質には、α-およびγ-グリアジン（小麦）、γ-40k-セカリン（ライムギ）、γ-ホルデイン（大麦）、およびアベニン（オートムギ）が含まれる。高分子タンパク質は、LMW-GS（小麦）、γ-75k-セカリン（ライムギ）、およびB-ホルデイン（大麦）である。それらの配列は、γ-75k-セカリン（≒430残基、分子量≈50,000）およびアベニン（≈200残基、分子量≈23,000）を除いて、約28,000-35,000の分子量に対応する約300のアミノ酸残基で構成されている。 アミノ酸組成は、優勢なグルタミン（28〜36％）とプロリン（11〜22に加えて、ロイシン（5〜9％）やバリン（5〜8％）などの疎水性アミノ酸の含有量が比較的高いことを特徴としている。構造的相同性によれば、アミノ酸配列は、セクションIおよびIIを含むN末端ドメインと、セクションIII、IV、およびVを含むC末端ドメインに細分化できる。
N末端ドメインはグルタミンとプロリンに富んでいるが、C末端ドメインは、よりバランスのとれた組成を持ち、グルタミンが少なく、プロリン含有量が大幅に減少しているが、荷電残基（グルタミン酸、リジン、アルギニン）と疎水性側鎖 （ロイシン、イソロイシン、バリン）を持つ。 N末端ドメインは、比較的短い非反復配列（セクションIa）で始まる。これは、最大32残基長で、各タイプに固有である。 セクションIaはBホルデインにはない。 セクションIbは、グルタミン、プロリン、フェニルアラニンが豊富で、QPQPFPPQQPY（α-グリアジン）、QQPQQPFP（γ-グリアジン、γ-75k-セカリン、γ-およびB-ホルデイン）、QQPPFS（LMW- GS）、またはPFVQQQQ（アベニン）。 タンパク質の種類によって、セクションIbの長さは大きく異なり、22残基（アベニン）から273残基（γ-75k-セカリン）の範囲である。 セクションIIは、α-グリアジンとB-ホルデインにのみ存在するため、これらのタンパク質タイプに固有である。

α-グリアジンは最大18残基長のポリグルタミン配列を含んでいるが、B-ホルデインはグルタミンとロイシンが豊富な30アミノ酸残基の配列で構成されている。セクションIIIでは、長さ（68〜73残基）と組成の高い相同性が示される。セクションIVに関して、LMWグループのタンパク質は、長さが異なる（25〜55残基）部分的に相同で部分的にユニークな配列を持っている。セクションVは、相同セクションVaと短い固有セクションVbに分けることができる。それらの長さは類似している（42〜55残基）が、それらの相同性の程度はセクションIIIと比較して低くなっている。
タンパク質のすべてのHMW、MMW、およびLMWグループの最も特徴的な機能は、反復配列であり、これまでに特定されたほとんどのCD活性ペプチド はこれらのセクションから派生している（セクション3.5を参照）。それらの組成は、グルタミン（Q）とプロリン（P）が優勢である。さらに、フェニルアラニン（F）、チロシン（Y）、ロイシン（L）などの疎水性アミノ酸残基が頻繁に発生する。例外は、高グリシン（G）含有量によってさらに特徴づけられるHMWグループタンパク質の反復配列である。反復単位は長さと頻度が異なり、単一のアミノ酸残基の交換、挿入、または削除によって変更される。各タンパク質タイプには、反復単位のユニークなプロファイルがある。ω1,2-およびγ-グリアジンに存在するペプチドモチーフQQPQQPFPは、明らかに反復配列の先祖のモチーフの1つである。これらは、ω5-グリアジンのQQQFPユニットと、α-グリアジンのQPQPFPおよびPQQPYPユニットに変更される。 LMW-GSは、QQQPPFSなどの反復単位により大きく異なる。 HMW-GSは、QQPGQGユニットと、トリペプチド（QPGまたはQQG）およびヘキサペプチド（YYPTSP）の挿入によって形成される骨格によって特徴付けられる。ライムギ（セサリン）およびオオムギ（ホルデイン）の貯蔵タンパク質は、小麦のさまざまなグリアジンおよびグルテニンタイプと相同であり、対応する反復配列を含む。オートムギアベニンには、PFVQQQQおよびQPQLQQVFの2つの反復シーケンスユニットがある。小麦、ライムギ、大麦のタンパク質タイプとは大きく異なる。
プロリンが豊富な反復配列を含むタンパク質の空間的コンフォメーションは、αヘリックスとβシート構造の欠落によって特徴付けられる。それらは、ポリ-L-プロリンIおよびII構造を含む伸びた立体構造を持っている。これらの構造の重要な立体構造上の特徴は、逆回転（βターンまたはβベンド）である。それらは、ペプチド鎖が突然方向を変えるコーナーで発生する。 HMW-GSの場合、このようなコーナーには、主にプロリン、グルタミン、グリシンを含む4つのアミノ酸が含まれる。 Tathamと同僚は、これらのサブユニットの定期的に繰り返されるβターン（QPGQ）は、結合組織タンパク質エラスチン（VPGV）に似たゆるいらせん構造（βらせん）を形成するように組織化することを提案した。両方のらせんは、タンパク質に弾性特性を付与すると考えられている。グルテンタンパク質のプロリンが少ない非反復配列はαヘリックスが豊富で、鎖内ジスルフィド結合によって安定化されたコンパクトな球状構造を形成する。
プロリンが豊富な反復配列で構成されるタンパク質セクションは、消化管での酵素分解に耐性がある。リジンおよびアルギニン残基（K-X、R-X）の後にペプチド結合を切断するトリプシンは、これらのアミノ酸が不足しているため無効である。ペプシンとキモトリプシンの活性は、通常、疎水性アミノ酸残基（例えば、L-X、F-X、Y-X）の後に（ペプシン、前にも）切断される。 L-P、F-P、Y-P、およびこれらの特定のペプチド結合は、ペプシンとキモトリプシンによってほとんど切断されない。このような結合は、穀物の発芽に有効なプロリルエンドペプチダーゼによってのみ切断されるか、特殊な細菌や真菌によって生成されるが、ヒトの消化管には存在しない。反復配列の違いから判断すると、HMWグループとLMW-GSのタンパク質は、Y-Y（HMW-GS）やF-S（LMW-GS）などの切断可能なペプチド結合のため、酵素消化に対して最も感受性が高いようである。頻繁に存在する。
前述のように、貯蔵タンパク質の定量的組成は、遺伝子型と成長条件に強く依存している。それにもかかわらず、いくつかの一定のデータが観察できる。 HMWグループのタンパク質は微量成分に属し、LMWグループのタンパク質は最も豊富である。 LMWグループ内では、小麦の場合のように単量体タンパク質が高分子タンパク質を上回るが、ライムギと大麦は単量体タンパク質よりより重合化タンパク質の方が上回る。 MMWグループのタンパク質の割合は、低範囲のω-グリアジン、中範囲のω-セカリン、および高範囲のC-ホルデインとは大きく異なる。オートムギのグルテリンはグロブリン様タンパク質に対応するため、LMWグループに属するアベニンはオートムギ貯蔵タンパク質の唯一のタイプを表す。