立体配座
概要
立体配座は結合の回転に起因する自由度により、その取りうる状態の数が規定される。したがって、取りうる立体配座の数は低分子から高分子へと分子を構成する単結合が増えるにつれて爆発的に増大する。
生体分子（タンパク質、核酸、脂質、糖etc.）は各結合の立体配座が変化することで立体構造を大きく変化させる。言い換えると、高分子の各結合の立体配座の総体が高分子の立体構造を規定する。それゆえコンフォメーション変化により高分子の取りうる立体構造の特定の一つもコンフォメーションと言い表される。特にタンパク質の場合にこの用語が使用されることが多い。しかしながら、立体構造が重要であるような生体分子の場合には広く適用されている。また、特殊な状態（液相、温度、pHなどの変化）をのぞけば自発的に構造が決定される。また、特定のコンフォメーションを取ることが、タンパク質や核酸の生物学的作用発現に必須でもある。
立体配座が異なるだけの2つの分子の関係は配座異性体（はいざいせいたい）あるいはコンフォーマー (conformer) という。
非常に低温にしたり、立体的に大きな置換基を導入することで、回転や立体反転に要する活性化エネルギーが分子の持つ熱運動のエネルギーを上回るようにすると、配座異性体間の相互変換が不可能になりそれぞれの配座異性体が単離できるようになる。
シクロヘキサン環の立体配座
シクロヘキサン環にはいす形とねじれ舟形の2つの立体配座が極小点として存在する。いす形配座においてはすべてのC-C結合がねじれ型配座を持つのに対し、ねじれ舟形配座においては2本のC-C結合が重なり配座を持つ。そのためいす形配座の方が安定である。
置換基を持つシクロヘキサンにおいてはいす形配座の立体配座の中でも立体的に大きな置換基がエカトリアル位を占める立体配座が特に安定となる。これはアキシアル位に大きな置換基があると他のアキシアル位の置換基と立体的な反発を生じるためである。
孤立電子対を持つ原子の立体反転
3つの異なる置換基を持つアミンの窒素原子はsp3混成をしているため、孤立電子対を含めればピラミッド型の構造をとっており不斉中心となる。しかし、これによって生じる1対の光学異性体やジアステレオマーを単離することは通常はできない。これは窒素原子が速やかに立体反転をしており、これらの光学異性体やジアステレオマーが相互変換しているためである。このことを逆手に取れば、平面構造の遷移状態を取ることが不可能な置換基を持つアミンでは、光学異性体やジアステレオマーを単離することが可能である。
非対称なスルホキシドの硫黄原子も同じような構造をしているが、室温付近では立体反転の速度が非常に遅いため、光学異性体やジアステレオマーを単離することが可能である。しかし高温にするとやはりアミンと同じように相互変換が起こるようになる。
タンパク質溶解度と立体構造
一般に可溶性タンパク質（水に対して親和性の高いタンパク質）は球状構造を取っており、外部には親水性の残基、内部には疎水性の残基が強固に凝集している。また、サブユニット間相互作用においても結合部位は疎水性の残基が集まっている。可溶性タンパクはコンフォメーションの決定が比較的容易であり、数多くの結晶構造が明らかになっている。
また、不溶性タンパク（膜タンパク質が多い）は、生体膜に配置（貫通型、埋没型、付着型など）しているため膜内部に存在している部分は疎水性残基が外側を向いている。膜貫通型の構造はαヘリックスやβシートで構成される。ポーリンタンパク質のような小孔が空いているようなタンパク質では、穴が大きい場合はβシート、あるいは四次構造により穴が開いており、プロトンのような小分子を通す場合はαヘリックスで構成された小孔を用いている。膜タンパク質はコンフォメーションの理解がいまだ少なく、構造の決定されたものは10に満たない。
コンフォメーション変化とフォールディング
タンパク質のコンフォメーションは構造生物学的分野の発展とともに理解が深まってきたが、これはコンピュータの発展によるところが大きいといえる。また、タンパク質は結晶構造のような静的なものではなく、ダイナミックに立体構造を変化させていると言うモデルが明らかになってきており、従来のタンパク質像に新しい知見を与えている。特に機能分子である酵素などはその反応にコンフォメーションの変化が深く関わっていると言われている。
また、タンパク質がリボソームで生産されると同時に立体構造を取り始めるが、その折りたたみ過程（フォールディング）は非常に素早く（エネルギー的に低い準位に移るだけなので）いまだよく理解されていない。コンピューター上で仮想のペプチドをフォールディングさせるシミュレーションが行われているが、現実にそうしたペプチドを作成すると再現できない場合が多い。また、カメレオンペプチドというαヘリックス、βシートどちらでも構成することのできるアミノ酸配列も見つかっているが、なぜそのような現象が起きるかということについても理解が深まっているとはいえない。
こういったフォールディングは、タンパク質の配列によって自発的かつ一義的に折りたたまれると考えられてきた。しかし、生体内ではシャペロンと呼ばれる一群のタンパク質が正しいコンフォメーションをとるようにフォールディングを助けていることが解ってきた。このシャペロンは古細菌から哺乳類まできわめて良く保存されており、生体にとって必須の作用を持つと考えられるようになった。
核酸
DNAについては二重らせん構造、クロマチン構造、染色体を参照。なお、DNAの高次構造は複製、転写、トポロジーなどにきわめて重要であると言われている。
リボザイム
RNAに触媒作用がある事を発見したトーマス・チェックは、テトラヒメナの自己スプライシングを起こすrRNAの二次構造および三次構造を解析したことで有名である。リボザイムの触媒作用にもRNAコンフォメーションが深く関係していると考えられている。
脂質
脂質については低分子のものが多くコンフォメーションは容易に決定できる。しかしながら、膜脂質全体の構造となると流動性や親水基の多様さもあいまって、多分子系の実験にならざるを得ない。また、膜の流動性を発揮するためには疎水基のコンフォメーションが重要であると考えられている（脂質二重層を参照）。
多糖
糖はその種類が多く、タンパク質や核酸のように一本鎖の構造を持たず、分枝しているケースが多い。また、概して膜脂質やタンパク質に結合しており、そのため構造解析の最も難しい生体分子の一つと言われている。いまだ一次構造を理解するための基本的な配列決定法すら確立されていない状況である。
しかしながら、細胞接着や物質輸送に必要な細胞の標識は多糖（糖鎖）が特に重要であると言われており、特異性の高い薬剤の開発には、こうした細胞標識のコンフォメーションを理解することがきわめて重要であると考えられている。