►代謝(同化と異化)生体内で営まれている物質の変化で,物質代謝ともいう。この変化は,様々な酵素反応が組み合わさった複雑な化学反応である。代謝はエネルギーの変化を伴うので,この面から考えると次の2つに大別できる。(1)自由エネルギーの増大する変化(同化)......光合成等。体外から摂取した物質によって,生体の構成成分の合成を行う反応。(2)自由エネルギーの減少する変化(異化)......呼吸,発酵等。体物質の分解によってエネルギーを発生させる反応。生命現象に伴うエネルギーの出入りと変換のことで,物質代謝のエネルギーの面からの表現である。エネルギー代謝には,次のようなものがある。...生物の電気現象しかし,生物は熱エネルギーを,化学エネルギーや機械エネルギーに変えて利用することはできない。同化の反応では多くは,生体が利用できる自由エネルギーが増加するのでエネルギー吸収反応であり,異化の反応では利用できる自由エネルギーが減少するのでエネルギー発生反応である。tri-phosphate)は,アデニンという塩基,五炭糖のリボース,それにリン酸が3つ結合したものである。アデニンとリボースの化合物はアデノシンとよばれ,これにリン酸が1つ結合したものがアデノシン一リン酸(AMP,アデニル酸)である。アデニル酸は,RNAの4種のヌクレオチドのうちの1つである。リン酸が2つ結合したものは,アデノシン二リン酸(ADP)とよばれている。ATPは,筋肉(ウサギ)1kgから3gとれる白い粉末だが,動物だけでなく,植物や微生物の細胞にも見い出され,エネルギー発生過程のあるところには必ず存在する物質である。►ATPとエネルギーATPの化学塩基の発表は古いが(ローマン,1929年),生体内でのエネルギーの受け渡し物質として注目されるようになったのは,第2次大戦中にリップマンによって唱えられてからである。リップマンはATPの末端および第2のリン酸結合の部分にエネルギーが蓄えられるという高エネルギーリン酸結合の概念を導き出した。ATPがATPアーゼによって分解されるとADPとなり,無機リン酸とエネルギーを遊離する。lmolについて42kJだが,そのうち生体内エネルギーとして利用されるのは33kJである。►ATPの働き細胞には,エネルギーを生成する機能とエネルギーを要求する機能がある。後者が生物によってなされる仕事であり,これは基本的に3つに分けられる。細胞の主要な構成成分であるタンパク質や核酸,脂質,多糖類のような高分子化合物は,絶え間なく,単に生物の成長期だけでなく重量の変化のない成熟期においても,低分子化合物から合成(生合成)されている。細胞はK+イオンやグルコース等,必要な物質を外界から取り入れ,その濃度を外界よりも高くすることができる。細胞内よりも濃度の高いところへ不要物を排出することもできる。このように濃度勾配に逆らう分子の移動を「能動輸送」という。神経細胞や筋肉細胞の興奮や伝達の仕事もここに含まれる。骨格筋の収縮,繊毛,鞭毛の運動等この3つの仕事で,連続的な幾つかの段階によってエネルギーの大部分は,熱エネルギーとして失われていく。全ての生命活動のエネルギーは太陽の光エネルギーに依存しており,その光エネルギーを生物が利用できる有機物中の化学エネルギーへと変換できるのは緑色植物と光合成細菌だけである。細菌の中には太陽の光エネルギーに依存せずに,無機物を酸化する際に生じる化学エネルギーによって,有機物を合成できる化学合成細菌もあるが,地球全体の有機物生産の大部分は緑色植物によって行われている。光合成によって大気中や水中の二酸化炭素が有機物に同化され,この有機物が緑色植物自身の構成成分となるだけでなく,呼吸の基質として使われたり,動物に食物として摂取されて動物体の構成成分となったり呼吸の基質として使われる。呼吸に使われた有機物は最終的には二酸化炭素として排出される。これらの動物や植物の遺体や排出物は,土壌中の細菌や菌類によって分解され,再び二酸化炭素として排出される。一種である葉緑体は,直径5〜10μm,厚さ2〜3μm程の楕円体で,高等植物では1つの細胞に10〜数100個含まれている。原核生物である藍藻類は葉緑体をもたず,原始的な紅藻類では1個の球状の葉緑体が見られるだけである。その他の藻類では,らせん状(アオミドロ)・板状(ヒザオリ)・星状(ホシミドロ)・半球状(コンテリクラマゴケ)等大きな葉緑体を1〜数個含んでいる。多くの高等植物では,葉緑体は内外2枚の膜で包まれ,内部構造としては内膜系(ラメラ構造,チラコイド)・プラスト顆粒とこれらを取り囲んでいる液状空間であるストロマ(基質)で構成されている。内膜系の微細構造の基本となっているのがチラコイド(扁平な袋状の構造)で,チラコイドが積み重なったグラナチラコイドと,それらを連絡する膜系で,ストロマに直接に接するストロマチラコイドとに分化している。葉緑体成分は70%が水だが,水を除いた固形成分のうち,60%はタンパク質で30%が脂質である。クロロフィルやカロテノイド等の色素が7%を占めている。それ以外に葉緑体は独自のDNAやタンパク質合成系をもち,独自に分裂して増殖する。葉緑体は細胞外へ取り出しても光合成を行う等,ある程度の自律性をもっているが,完全な機能を発揮するには核の遺伝情報にも依存している。►細胞の成分とタンパク質タンパク質は,生物の主要な構成物質で,固形物のほぼ半分を占める。細胞の成分で最も多いのは水で70%である。固形物にはタンパク質の他,細胞膜の成分の脂質,エネルギー源の炭水化物,代謝に必要な無機イオン,遺伝に関わる核酸等がある。細胞の成分の分析は,細菌の大腸菌で詳細に行われている。純粋な細胞として容易に集めることができるからである。大腸菌では3000種類のタンパク質が存在する。哺乳類の細胞では10万種類ある。水701814×1010無機イオン*140202.5×108炭水化物**31502002×108脂質**2750502.5×107アミノ酸**0.41201003×107ヌクレオチド**0.43002001.2×107その他の低分子0.21502001.5×107タンパク質154×1043000106核酸DNA12.5×10912RNA65×1051000105*Na+,K+,Mg2+,Ca2+,Fe2+,Cl−,PO43−,SO42−等**前駆物質を含む►タンパク質の用語の由来1838年,オランダのゲラルドス・ムルダーは血清のアルブミン,卵白のアルブミン,血液のフィブリン等の元素分析をして,C40H62N10O12という組成が単位であるという結論に達し,これをプロテイン(protein)とよんだ。プロテインとはギリシア語のプロティオス(もっとも大切なの意味)からとったものである。動物の栄養にとって根源的に大切な物質だからである。のちになって,ムルダーの分析は間違いとわかったが,プロテインの用語は英語,フランス語等にそのまま残った。ドイツ語ではアイワイス(卵白)とよばれ,その漢字訳蛋白質はそのまま日本語となった。タンパク質が物質として一定の構造をもっていることはフレデリック・サンガーによるインスリンのアミノ酸配列の決定によって確立された(1955)。►アミノ酸タンパク質は20種類のアミノ酸からなっている。天然には120種類以上のアミノ酸が存存するが,タンパク質をつくるのには20種類に限られている*。この理由については生命の起源に遡り,判っていない。*ハイドロキシプロリン,メチルヒスチジン等がタンパク質に見られるが,これらはタンパク質がつくられた後-OHや-CH3等が付加されたものである。アミノ酸は炭素化合物で,アミノ基-NH2とカルボキシル基-COOHをもつ。唯一の例外はプロリンでアミノ基の代わりにイミノ基-NH-がある。中心の炭素(α炭素原子,Cα)にはカルボキシル基,アミノ基,水素原子の他,アミノ酸の種類によって異なる側鎖(R基)が結合している。アミノ酸の構造アミノ酸は中性の水溶液でイオン化して,アミノ基は正,カルボキシル基は負に荷電する。その為,アミノ酸は両性電解質とよばれる。アミノ酸の側鎖によって様々な性質がみられる。水になじまない(疎水性)。マイナス電荷をもつ(親水性)。プラス電荷をもつ(親水性)。親水性だが電荷をもたない。Cys►ペプチド結合1つのアミノ酸のアミノ基と他のアミノ酸のカルボキシル基との間の結合(-CO-NH-)をペプチド結合という。ペプチド結合をつくっているアミノ酸はアミノ酸残基とよばれる。mol/L塩酸存在下で110°C,24時間熱すると分解される。タンパク分解酵素は体温,中性pHで分解するが,アミノ酸に特異性がある。ペプチド結合で線状につながったアミノ酸群をペプチドという。►タンパク質タンパク質は,多数のアミノ酸がペプチド結合で重合したもので,ポリペプチドともよばれる。最小のタンパク質はアミノ酸51個が重合した膵臓ホルモンのインスリンである。多くのタンパク質は100〜400個のアミノ酸からなっているが1000個以上からなるものもある。各アミノ酸の配列順序は一定であり,この配列をタンパク質の一次構造という。これはタンパク質の最も基本的な性質である。第一番目の遊離アミノ基をもつアミノ酸をN末端アミノ酸,終りのカルボキシル基をもつアミノ酸をC末端アミノ酸という。タンパク質はN末端からC末端に向けて合成される。タンパク質の多くは,同一タンパク質,あるいは他のタンパク質と結合して複合体を形成する。複合体の個々の構成要素をサブユニットといい,100種類ものタンパク質が複合体を形成して初めて機能する例もある。サブユニットはいつも決まったサブユニットと結合しているわけではなく,多くの種類のタンパク質と様々な複合体をつくることができる。複合体をつくり,構成するメンバー(サブユニット)を変えることで,多様な役割を果たすことができるのである。疎水性のアミノ酸が連なっている部分は,水の中では,水を避けタンパク質分子の内側に入り込む。親水性のアミノ酸の割合が多い部分は,周囲の水と接するようにタンパク質分子の表面に位置する。アミノ酸の電荷はタンパク質の立体構造に大きく影響する。正電荷をもつアミノ酸と負電荷をもつアミノ酸は引き合い,同じ電荷をもつアミノ酸は反発し合う。タンパク質の機能はpHに依存するのは,pHはアミノ酸の電離度に大きな影響を受けるからである。各アミノ酸の電離度が変化すれば,タンパク質の立体構造も変化する。タンパク質の立体構造の形成には,ペプチド結合間に生じる水素結合も重要な役割を果たす。側鎖が比較的小さく極性をもたないアミノ酸が連続している箇所では,それぞれのペプチド結合のN原子と,そこから4番目のアミノ酸のカルボニル基との間で分子内水素結合ができる。その結果,右巻きに1回転3.6アミノ酸のピッチでらせん構造が形成される。同一らせん分子内で水素結合ができるので,比較的しっかりしたらせん状(スプリング様)の構造になる。これをα-へリックスという。ポリペプチド鎖の間で,アミノ基とカルボニル基との間に水素結合が生じてできるプリーツ状の構造をβ-シートという。β-シートは,タンパク質構造の核として機能する場合が多く,球状タンパク質の中央部によく見られる。大規模な平行β-シートは,絹糸のフィブリンや毛髪のケラチン等がある。β-シートはどれも安定な波状構造をとる。タンパク質は1本のポリペプチド鎖だが,分子の認識や結合,触媒等,幾つかの機能単位に分けることができる。この機能単位をドメインという。タンパク質とタンパク質の結合,タンパク質による塩基配列の認識と結合等の機能は,構造が安定なα-へリックスやβ-シート部分が担っている。一定の立体構造をとらない部分をランダムコイルという。システインは分子内の他のシステインとジスルフィド-S-S-結合により分子内架橋をつくる。どのシステインとも架橋できるわけではなく,タンパク質が安定な立体構造をとった後,近くに来る特定のシステインと結合し,立体構造を更に安定化させる働きがある。►タンパク質の立体構造と白濁タンパク質は多くの疎水性アミノ酸を含んでおり,本来は水に対して不溶性である。熱を加えてタンパク質を変性させると白く不溶性になる。タンパク質(蛋白質)の白の由来である。生体内では,タンパク質は疎水性部分を内側,親水性部分を外側にして水分子と安定な水素結合をして溶けている。熱を加えると熱運動エネルギーによりタンパク質の立体構造が乱され,疎水性部分がタンパク質表面に露出し,水分子と安定な水素結合ができなくなる。同時に,疎水性部分でタンパク質同士が結合して,大きな塊をつくり沈殿する。これがタンパク質の熱変性による白濁と凝固である。タンパク質の立体構造の形成には,正または負の電荷をもつアミノ酸の電荷による反発力や引力が関わっており,塩濃度はこれらの静電力に影響を与える。卵白を真水に懸濁すると白く濁る。白くなったのは本来のタンパク質分子の立体構造がとれなくなった(変性した)からである。体液と同程度の濃度の塩水に懸濁すると白濁しない。塩濃度を更に高めると逆に白濁する。生理的なイオン濃度で,タンパク質分子は機能する立体構造をとっているのである。►タンパク質の種類数タンパク質が20種類のアミノ酸100個からできているとすると,重複を許した種類数は20100になり,これは10130に相当する莫大な数である。1兆は1012に過ぎないことを思い出して欲しい。タンパク質の種類は哺乳類では10万であり,理論的にできるタンパク質の種類数に比べ,はるかに少ない。安定的な立体構造をとるアミノ酸配列は少なく,実際に存在するドメインの種類は100種類と推定されている。ドメインの中の1つのアミノ酸を変えてしまうと,全く機能しなくなるタンパク質が多い。進化の選択圧の中で,立体構造が定まらず一定の機能を果たさないドメインは消滅したと考えられる。►シャペロンアミノ酸多数からなるペプチドはその側鎖の化学的性質によって自然に折り畳まれてα-へリックスやβ-シート構造を組み立て(二次構造),全体としての立体構造(三次構造)をつくり上げる。ところが,安定した立体構造を完成させるのに補助役を必要とする場合が見出された。アクチンやチューブリン(微小管タンパク質)ではリボソームでつくられた後,介添役がないと三次構造をつくれない。この補助役は貴婦人の介添役の意味からシャペロンとよばれる。ミトコンドリアや小胞体の膜を通過する際にタンパク質はほどけるが,後で復元するのにシャペロンを必要とする。シャペロンはATPを分解しながら作用する。シャペロンは数十個のタンパク質の集合体をつくっていることが多く,その集合体はシャペロニンといわれる。particle)の略称である。クールー病(ニューギニア原住民)やクロイツェル・ヤコブ病のように長年月かかって脳細胞が萎縮して海綿状になる病気の原因は不明であった。ヒツジで同様な病気(スクレイピー)が知られており,その骨を餌として食べたウシの発病(狂牛病)が社会的問題となった。アメリカのカリフォルニア大学医学部教授スタンレー・プルシナーはスクレイピーの原因がアミノ酸208個からなるPrPSCによることをつきとめた(1985)。ところが健康なヒツジにも同じタンパク質(PrPC)が存在していることが判ったが,その立体構造はα-へリックスが多く,スクレイピーのβ-シートとは違っていた。PrPSCがPrPCに結合して,立体構造をPrPSCに変化させ,PrPSCは互いに集合して繊維状となり,神経細胞を死滅させると考えられている。プルシナーは1997年度のノーベル医学生理学賞を受賞した。►タンパク質の機能タンパク質は文字通り,生物を特徴づける物質である。各生物ごとに異なったタンパク質がそれぞれの生物の形と働きを可能としている。したがって,タンパク質の機能は多種多様である。タンパク質は大きく分けて,生体の構造を形づくるもの,生体内の化学反応に関わるもの,情報を認識したり伝達したりするものがある。ヒトの体内でもっとも多量に含まれているタンパク質はコラーゲンである。コラーゲンは分子量30万の繊維状タンパク質で,3本のサブユニットがらせん状にねじれた長さ300nmの細長い形をしている。繊維細胞によって細胞外に分泌されて多数集合してコラーゲン繊維をつくり,皮膚を支えたり,内臓を覆う。骨細胞から分泌されたコラーゲン繊維の網目は,水酸化カルシウム・リン酸カルシウムを沈着して骨をつくる。細胞膜はリン脂質と様々なタンパク質が50%ずつからなる。タンパク質のあるものは細胞膜下のスペクトリン(分子量43万)の網目構造と結合して細胞膜の裏打ちをする。細胞内には,ミクロフィラメントと微小管があって細胞運動にあずかる共に細胞の形を保ったり変えるのに働く。中間径フィラメントは,核と細胞膜間をつないで細胞の形を維持する。形づくるタンパク質が知られている。細胞内の多くの化学反応を円滑に進行させる酵素はタンパク質である。その種類は3000種類にのぼる。ミトコンドリアや葉緑体で電子伝達にあずかる色素(シトクロム等)の多くはタンパク質である。赤血球内にあって酸素の運搬をするヘモグロビンもタンパク質である。細胞外に分泌され血液中に存在するアルブミンは脂質等を運搬する。免疫に関わる抗体もタンパク質である。遺伝子の発現を調節する転写因子,細胞の外からの情報を受け取る受容体,その情報を核に伝えるシグナル伝達因子もタンパク質である。酵素は,触媒の働きをもつタンパク質を含んだ巨大で複雑な有機分子(複合タンパク質,ホロ酵素)である。酵素は,タンパク質部分(単純タンパク質,アポ酵素)に補酵素(補欠分子族)とよばれる低分子の非タンパク質部分を含む場合があり,基質が酸化される場合には補酵素が還元される等,基質が受ける反応に反応剤として相補的な役割を果たす。生体内の条件「体温・体内のpH(多くは中性付近)・常圧」の下で,基質特異性をもって作用する点を理解させる。►触媒とは何かデンプンの水溶液は,そのままではグルコースに分解しない。これは,ヨード反応による呈色変化で示すことができる。ところが,唾液を加えてしばらくするとヨード反応が消失する。これと同じことは,濃い硫酸(つまり水素イオン濃度を上げる)存在下で100°Cで数時間煮沸すると起こる。これら3本の試験管を予め用意しておき,デモンストレーションをしながら,触媒の説明にかかる。化学反応(物質の分解や合成)には,普通の条件ではなかなか起こり難いものが多い。ところが,何かの物質を入れると,反応が速やかに起こってくることがある。その物質は反応の前後で変化しない。このように,それ自体変化することなく化学反応の速度を調節する物質のことを触媒とよぶ。アンモニアは窒素と水素の化合物だが,両者を混合しただけでは生じない。ところが温度を上昇させ(500°C),圧力を掛け(100気圧),そこに鉄粉(Feに数%のAl2O3,K2OをFe3O4と共に高温で熔融して造った二重促進鉄触媒)を加えるとアンモニアが生じてくる。Al2O3はFeの表面積を拡げ,維持する。鉄の微粒子状態を維持し,またK2OはFeに電子を供与しての活性を数倍に上げる働きをしている。圧力を掛けるのは,気体分子の密度を高めて衝突による反応の機会を増やし,また平衡をアンモニア側に有利にする為である。高温では分子の運動が速くなり,反応が促進される。鉄粉が触媒の作用をする。鉄粉上で窒素と水素分子が反応を起こし,化合してアンモニアとなる。この鉄粉のような触媒を無機触媒と呼ばれる。酵素は生体触媒である。基質に対する酵素作用の選択性が高く,“鍵と鍵穴”に例えられる。一般に下図に示すように,Aという物質とBという物質の間で化学反応が起こる場合,まず,AとBが接触することが必要である。反応の場の温度を上げると,その物質をつくっている分子の運動が活発になるので,接触の機会も増してくる(図a)。AとBの濃度や圧力を増しても,互いに接触する機会が増してくるので,化学反応は起こり易くなる(図b,c)。ある物質の表面にAとBを吸着させれば,AとBとは広い空間よりも接触の機会が増すので,化学反応は起こり易くなる(図d)。このように,反応を促進する作用をもっているものを触媒という。したがって,反応速度を増すためには,物質の濃度・温度・圧力を増したり,触媒を用いたりする。(a)(b)(c)(d)(a)温度を上げる。