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生体分子

細胞のほとんどは水で、あとは炭素でできた4つの大きな仲間、タンパク質・炭水化物・脂質・核酸でできています。組織を酸ですりつぶすと、小さい分子(酸可溶性画分)と、大きい分子であるタンパク質・多糖類・核酸(酸不溶性画分)に分かれます。タンパク質はアミノ酸がつながった鎖で、4段階の構造に折りたたまれます。多糖類は糖の鎖、脂質はグリセロールに脂肪酸がついたもの、核酸はヌクレオチドの鎖です。酵素はタンパク質でできた触媒で、活性部位に基質をくっつけて活性化エネルギーを下げます。温度、pH、基質の量、阻害物質によって、はたらきが変わります。

🎬 ステップ別ストーリー

  1. 細胞の中には何があるでしょう。棒グラフは、ふつうの細胞の重さの割合です。約70%が水で、次に多いのがタンパク質。酸ですりつぶすと、小さい分子と大きい分子に分かれます。
  2. タンパク質は、アミノ酸というビーズがつながった鎖です。ボタンを押してみましょう。鎖がらせん状に巻き(二次構造)、丸まって玉になり(三次構造)、ほかの鎖と合体します(四次構造)。
  3. 炭水化物は、糖の輪が1個、2個、そして長い鎖へ。巻いたデンプン、まっすぐなセルロース、枝分かれしたグリコーゲンです。輪の数を数えてみよう。
  4. 脂質と核酸。脂肪はグリセロール1個に脂肪酸3個。ヌクレオチドは塩基と糖とリン酸。DNAはねじれた2本の鎖です。
  5. はたらく酵素。基質が活性部位にぴったり入り、生成物に変わって、酵素はまた空きます。阻害物質を加えると、ふさがれてしまいます。
  6. 自由に遊ぼう。温度とpHを変えて、反応速度のバーを見てみましょう。熱すぎると、酵素は形をなくしてしまいます。

ヒント:3Dをドラッグすると回せます。2本指で拡大・縮小できます。

🤔 よくある疑問をスッキリ解決

脂質は小さい分子なのに、なぜ酸不溶性画分に入るのですか。

組織をすりつぶすと、細胞膜がこわれて小さな脂質のベシクルになります。これは大きなかたまりなので、ろ紙を通りぬけません。だから、脂質の分子1つは小さくても、残るのです。

アミノ酸の順番が正しければ、なぜ形が大切なのですか。

順番によって、鎖がどう巻き、どう折りたたまれるかが決まります。最後に折りたたまれた形だけが、仕事に合ったくぼみや表面をもっています。折り方がちがえば、はたらきません。

デンプンもセルロースもグルコースでできているのに、なぜ人はデンプンしか消化できないのですか。

グルコースのつながり方がちがうからです。デンプンは巻いていて、人のアミラーゼで切れます。セルロースの鎖はまっすぐで、じょうぶな束になっており、人にはその結合を切る酵素がありません。

ヌクレオシドとヌクレオチドは、何がちがいますか。

ヌクレオシド = 塩基 + 糖。ヌクレオチド = 塩基 + 糖 + リン酸。ヌクレオシドにリン酸をつけると、ヌクレオチドになります。

酵素は、どうして反応を速くしても、使いきられないのですか。

基質が反応しやすい場所と道すじを用意するだけだからです(活性化エネルギーが下がる)。生成物がはなれたあと、酵素は変わらないままで、つぎの基質を受け入れられます。

寒さで酵素は死んでしまいますか。

いいえ。寒いと、しばらく遅くなったり動かなくなったりするだけです。あたためれば、また動きます。高熱はちがいます。形をずっと元に戻せなくこわしてしまいます(変性)。

細胞の化学組成

生きた組織と土のかたまりには、同じ種類の元素(炭素、水素、酸素、窒素など)が入っていますが、生きた組織のほうが炭素と水素をずっと多くふくんでいます。炭素の化合物を調べるために、かんたんな分析をします。

  1. 生きた組織をトリクロロ酢酸(Cl₃CCOOH)ですりつぶして、どろどろにする。
  2. 布や綿でこす。
  3. 通りぬけた液体が酸可溶性画分(ろ液)。アミノ酸、糖、ヌクレオチドなどの小さい分子です。
  4. 残ったものが酸不溶性画分(残渣)。タンパク質、核酸、多糖類、脂質です。

組織を燃やす(灰にする)と、炭素の化合物はすべてなくなります。残った灰には、無機元素(Ca、Mg)や、硫酸塩・リン酸塩などの化合物が入っています。

低分子は分子量が18〜800 Daで、可溶性画分に入ります。高分子(生体高分子)は10,000 Da以上で、タンパク質、核酸、多糖類です。脂質は800 Da未満ですが、すりつぶすと壊れた膜が不溶性の小さな袋(ベシクル)をつくるので、不溶性画分に入ります。

ふつうの細胞の重さの割合は、水70〜90%、タンパク質10〜15%、核酸5〜7%、炭水化物3%、脂質2%、イオン1%です。

タンパク質: アミノ酸の鎖

アミノ酸は、中心の炭素(α炭素)に4つのグループがついています。水素、アミノ基(–NH₂)、カルボキシ基(–COOH)、そして種類によって変わるR基です。R基でアミノ酸の種類が決まります。R = Hはグリシン、R = CH₃はアラニン、R = CH₂OHはセリンです。アミノ基とカルボキシ基の数によって、酸性(グルタミン酸)、塩基性(リシン)、中性(バリン)に分けられます。芳香族のもの(チロシン、フェニルアラニン、トリプトファン)もあります。水にとけたアミノ酸は、あるpHで+と–の両方の電気をもちます。これを双性イオン(ツヴィッターイオン)といいます。

アミノ酸は水を1分子失いながらペプチド結合(–CO–NH–)でつながり、ポリペプチドになります。タンパク質は、最大20種類のアミノ酸でできた異種重合体(ヘテロポリマー)です。必須アミノ酸は食べ物からとる必要があり、非必須アミノ酸は体の中でつくれます。

4段階の構造

はたらきの例: コラーゲン(動物でいちばん多いタンパク質)、RuBisCO(生物界でいちばん多いタンパク質)、トリプシン(酵素)、インスリン(ホルモン)、抗体(体を守る)、GLUT-4(グルコースを細胞に運ぶ)、受容体(においや味、ホルモンを感じ取る)。

炭水化物(多糖類)

糖はC、H、Oでできています。グルコース(ブドウ糖)とリボースは単糖類です。2つがグリコシド結合でつながると二糖類(スクロース、ラクトース、マルトース)になります。長い鎖は多糖類で、酸不溶性画分に入ります。

多糖類の鎖では、右の端が還元末端、左の端が非還元末端です。

脂質

脂質は水にとけません。脂肪酸は、カルボキシ基に炭素の鎖(R基)がついたものです。パルミチン酸はカルボキシ基の炭素もふくめて炭素16個、アラキドン酸は20個です。二重結合がないものは飽和、1つ以上あるものは不飽和といいます。グリセロール(トリヒドロキシプロパン)には、脂肪酸を最大3つつけられます。つくのが1つ、2つ、3つで、モノ、ジ、トリグリセリド(脂肪と油)になります。油は低い温度でとけます(例: ごま油)。レシチンのようなリン脂質にはリン酸基があり、細胞膜をつくります。神経組織には、もっと複雑な脂質があります。脂質は、厳密には高分子でも重合体でもありません。

核酸

ヌクレオチドは3つの部品でできています。窒素を含む塩基、五炭糖、リン酸です。塩基と糖だけのものはヌクレオシドといいます(アデノシン、グアノシン、チミジン、ウリジン、シチジン)。

核酸では、リン酸が、ある糖の3′炭素とつぎの糖の5′炭素をつなぎます。これがホスホジエステル結合です。ワトソン・クリック(B型DNA)のモデルでは、2本の鎖は逆向き(逆平行)で、1回転に塩基対が10個、塩基対1つ分の上がりは0.34 nm、1回転の長さは3.4 nmです。

酵素: 種類・性質・はたらき

酵素は生体の触媒です。ほとんどがタンパク質ですが、一部の核酸も酵素のようにはたらき、リボザイムとよばれます。反応を速くし、自分は変わらずに残ります。

はたらき方

どの酵素にも活性部位というくぼみがあり、そこに基質がはまります。E + S → ES(酵素・基質複合体) → EP → E + P。どんな反応も、始めるのにエネルギーが必要です。これが活性化エネルギーです。酵素はそれを下げるので、反応がずっと速くなります。例: 炭酸脱水酵素は、CO₂ + H₂O → H₂CO₃ の反応を約1000万倍速くします(1時間に約200分子のところ、1秒に約60万分子)。

酵素のはたらきに影響する要因

6つのクラス

  1. 酸化還元酵素・脱水素酵素 – 2つの基質のあいだで、Hや電子を動かす。
  2. 転移酵素 – 基質のあいだで、(H以外の)基を動かす。
  3. 加水分解酵素 – 水を使って、エステル、エーテル、ペプチド、グリコシド、C–C、P–Nなどの結合を切る。
  4. 脱離酵素(リアーゼ) – 水を使わずに基をはずし、二重結合ができる。
  5. 異性化酵素 – ある異性体を別の異性体に変える。
  6. 合成酵素(リガーゼ) – 2つの化合物をつなぐ(例: C–O、C–S、C–N、P–O結合)。

補因子

タンパク質の部分はアポ酵素です。多くの酵素には、タンパク質でない助っ人が必要です。補欠分子族(しっかり結合。例: ペルオキシダーゼやカタラーゼのヘム)、補酵素(ゆるく結合。多くはビタミンから。例: NADとNADPにはナイアシンがふくまれる)、金属イオン(例: カルボキシペプチダーゼの亜鉛)です。補因子を取りのぞくと、酵素ははたらかなくなります。

やってみよう: 酵素のはたらきを見る

味のついていないごはんやパンを、飲みこまずに2分間かんでみましょう。甘くなってきます。唾液のアミラーゼがデンプンを糖に分けるからです。つぎに熱の影響を調べます。生のジャガイモの切り口にヨウ素を1滴たらします(青黒くなればデンプンあり)。それから、生のジャガイモとゆでたジャガイモを切り、それぞれに過酸化水素(薬局で買えます)を1滴たらします。生のほうは、カタラーゼという酵素がはたらくので泡立ちます。ゆでたほうは、熱で酵素が変性しているので、ほとんど泡立ちません。これを3Dのステップ6と見くらべましょう。

重要な公式と用語

例題

1. 肝臓の組織をトリクロロ酢酸ですりつぶして、ろ過しました。(a) グルコース、(b) DNA、(c) リン脂質は、それぞれどちらの画分にありますか。

(a) グルコースは小さいので、ろ液(酸可溶性画分)。 (b) DNAは高分子なので、残渣(酸不溶性画分)。 (c) リン脂質は小さいが、壊れた膜がベシクルをつくるので、やはり酸不溶性画分に残る。

2. 20塩基対のDNAの断片は、二重らせんで何回転になりますか。また、長さはいくつですか。

1回転 = 10塩基対なので、20 ÷ 10 = 2回転。長さ = 20 × 0.34 nm = 6.8 nm。

3. あるDNA分子のアデニンが30%です。グアニンの割合を求めなさい。

A = T なので、T = 30%。A + T = 60%、よって G + C = 40%。G = C なので、G = 20%。

4. タンパク質の構造の段階を答えなさい。(a) アミノ酸の並ぶ順番、(b) ヘモグロビンの4本の鎖、(c) らせん。

(a) 一次構造、(b) 四次構造、(c) 二次構造。

5. ある酵素が、P–O結合をつくって2つのDNAの断片をつなぎます。この酵素はどのクラスですか。

新しい結合で2つの分子をつなぐので、合成酵素(リガーゼ)(DNAリガーゼ)。

6. ある酵素のVmaxが100単位です。基質濃度がKmと等しいとき、速度はいくつですか。

Kmは、速度がVmaxの半分になるときの基質濃度なので、100 ÷ 2 = 50単位。

よくある間違い

練習クイズ

1. 酸可溶性画分にあるのはどれですか。
2. 生物界全体でいちばん多いタンパク質はどれですか。
3. ヨウ素で青黒くなるのはどれですか。
4. 水を使って結合を切る酵素はどれですか。
5. カタラーゼの中のヘムは、何の例ですか。

練習:自分で答えてみよう

答えを入力するか選んで、「チェック」を押そう。困ったらヒントを見てね。解答は答えたあとに表示されます。

よくある質問

生体分子とは何ですか。

生き物にある炭素の化合物のことです。おもにタンパク質、炭水化物、脂質、核酸で、アミノ酸や糖のような小さい分子もふくみます。

酵素のはたらきに影響する要因は何ですか。

温度、pH、基質の濃度、そして阻害物質や活性化物質があるかどうかです。

補酵素と補欠分子族は、何がちがいますか。

どちらもタンパク質でない助っ人です。補欠分子族はしっかり結合しています(ヘムなど)。補酵素はゆるく結合していて、ビタミンからできているものが多いです(NADなど)。

学ぶ場所

Canada (Ontario)Grade 12B. Biochemistry
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Chemistry and biology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Chemistry and biology
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa II. Chemistry of life
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RomaniaClasa a IX-aThe cell: structural and functional unit of life
Spain2º BachilleratoBiomolecules
Spain2º BachilleratoBiology for the 21st century
Ukraine9 класChemical composition of the cell
Ukraine9 класOrganic substances
Ukraine10 класMetabolism and energy
CBSE (India)Class 11Cell: Structure and Function
CBSE (India)Class 11Molecules of Life
England (GCSE, A level)Year 123.1 Biological molecules
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 10From molecules to organisms: structures and processes
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Chemistry of Life
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Cellular Energetics
South Korea고등학교 2학년Cell structure and function
South Korea고등학교 2학년Metabolism and energy
South Korea고등학교 3학년Cell characteristics
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 10Metabolism and energy in humans
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Food chemistry
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 13Cell metabolism physiology
FrancePremièrePhysics-chemistry for health
FrancePremièreBiochemistry-biology: cross-cutting modules
FrancePremièreBiotechnology (option)
FranceTerminaleChemistry
FranceTerminalePart T: experimental technology
Russia9 классCells and tissues
Russia10 классChemical organisation of the cell
Russia10 классChemical composition and structure of the cell
China高一Comp.1 Ch.2 Molecules of cells
China高一Comp.1 Ch.5 Energy
China高一Ch.7 Organic compounds

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