生物化学 問題

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タンパク質

タンパク質は、アミノ酸中のカルボキシ基とアミノ基が脱水縮合した高分子である。アミノ酸配列の違いによってタンパク質の物性は異なり、その違いを利用してタンパク質を精製することができる。また、アミノ酸配列は折りたたみ構造にも影響を与え、多様な生物学的な機能が生み出されている。

必須アミノ酸

http://www.jukenmemo.com/chemistry/organic/amino2/#i-6

ジペプチド結合の周りの回転が自由でないのは、共鳴構造でC=N結合が形成されるので回転が自由にならない。

また、ジペプチドに含まれる酸解離指数(\(pK_{a}\))を知るには、

タンパク質の二次構造

αヘリックス

βシート

ミカエリス・メンテンの式

酵素反応がミカエリスメンテンの式で表せるとき、\(v_0\)が[S]に依存しない条件と[S]に対して一次になる条件をそれぞれ答えよ。

$$v_0=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]}$$

(i)\(K_m\)<<[S]の時

\(K_m+[S]={S}\)になるのでミカエリスメンテンの式は$$v_0=V_{max}$$となる。

(ii)\(K_m\)>>[S]の時

\(K_m+[S]=K_m\)になるのでミカエリスメンテンの式は$$v_0=\frac{V_{max}[S]}{K_m}$$となり、一次の式になる。

ミカエリスメンテンの式の導出

$$\frac{d[S]}{dT}=k_{-1}[ES]-k_{+1}[S][E] ①$$

$$\frac{d[E]}{dT}=k_{-1}[ES]-k_{+1}[S][E]+k_p[ES] ➁$$

$$\frac{d[ES]}{dT}=-k_{-1}[ES]-k_p[ES]+k_{+1}[S][E] ③$$

$$\frac{d[P]}{dT}=k_{p}[ES] ④$$

反応は定常状態であると、➁式の左辺は0になるので

$$k_{+1}[E][S]-k_{-1}[ES]-k_p[ES]=0 ➁’$$

ここで、酵素の全濃度\([E_{total}]\)は

$$[E_{total}]=[E]+[ES] ⑤$$

であるから、⑤を➁に代入して[E]の項を消す。

$$k_{+1}([E]_t-[ES])[S]-k_{-1}[ES]-k_2[ES]=0 ⑥$$

$$[ES](k_{-1}+k_{p}+k_{+1}[S])=k_{+1}[E]_t[S] ⑦$$

両辺を\(k_{+1}\)で割ると、

$$[ES](\frac{k_{-1}+k_{p}}{k_{+1}}+[S])=[E]_t[S] ⑧$$

これを変形して[ES]=にすると

$$[ES]=\frac{[E_t][S]}{\frac{k_{-1}+k_{p}}{k_{+1}}+[S]} ⑨$$

反応速度が最も早いのはすべての基質が酵素-基質複合体になった時なので

$$V_{max}=k_p[E]_t  ※[E]_t=[ES]  →[E]=0$$

である。よって、⑨式に\(k_p\)を掛けると

$$v=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]}$$ が成り立つ。

阻害剤の導入

競合阻害

まず、酵素の物質収支を考える。

$$[E]_t=[E]+[ES]+[EI] ①$$

ミカエリスメンテンの式の例題

\(V_{max}\)の0.5倍および0.9倍のvを与える基質濃度を\([S]_{0.5}、[S]_{0.9}\)と書くとき、基質濃度比\(\frac{[S]_{0.9}}{[S]_{0.5}}\)を計算する。

それぞれの場合におけるミカエリスメンテンの式は

$$0.5V_{max}=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]} ①$$

$$0.9V_{max}=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]} ➁$$

以上の式より、基質濃度比は9となる。

飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸

不飽和脂肪酸の方が融点が低い。なぜなら、不飽和脂肪酸はC=C結合部分によってcis型の配置を取るため、飽和脂肪酸よりも分子同士が接近しにくく分子間力が働かないために融点が低くなる。

ホモグリカン

ホモグリカンは一つの糖が20個以上結合しているもので、

キチン、セルロース、デンプン、アミロペクチン、グリコーゲン

脂質の分類

  • 脂肪酸…長い炭素鎖の後にカルボニル基
  • トリアシルグリセロール…グリセリンと3分子の脂肪酸のエステルのこと
  • ろう(wax)…脂肪酸と高級アルコールのエステルのこと
  • グリセロリン脂質…トリグリセリドの3位のアシル基の代わりにリン酸基にアルコール成分が縮合した物
  • ステロイド…3つの6員環と1つの5員環がつながった構造を持つ。
  • カロテノイド…二重結合と単結合が連続して並んでいるもの。
  • テルペノイド…イソプレンがつながったもの??よくわからん
  • エイコサノイド…アラキドン酸(20:4 ω6)から導かれ、酸素原子が種々の化学形で添加された炭素数20の高度不飽和脂肪酸の誘導体の総称である。

ステロイドの役割

  • 生体膜の構成成分→コレステロール
  • ホルモン→テストステロン
  • 界面活性剤→胆汁酸

脂肪酸の特徴

天然に存在する脂肪酸の特徴を5つ

  • 生体内ではエステルとして存在する
  • 炭素数が多く、直鎖である
  • 炭素数は偶数個である
  • 二重結合をもったものはシス型
  • 二重結合を二つ以上持つ場合には必ず、cis,cis-1,4-pentadiene構造をとる

特に、炭素数が少なく、二重結合の数が多いほど融点は低くなる。

脂肪酸と中性脂質の構造

脂肪酸の略記法は18:2(9c,12c)だと18個炭素があって、二重結合が2つある。さらに、カルボニル基末端の炭素から数えて9と12個目の炭素に二重結合がついている。ちなみにリノール酸。

ω6とかω3というのは、メチル基炭素の番号を1番として6番目、3番目の炭素から二重結合が始まる脂肪酸群のことである。n-6,n-3系列ともよぶ。

  • ω6→アラキドン酸、リノール酸
  • ω3→

脂質二重層の形成

グリセロリン脂質によって脂質二重層が形成されるとエントロピーが増大する。

グリセロリン脂質分子が水中で独立で存在すると、グリセロリン脂質分子の疎水基(アルキル基)に隣接する水分子がこれを囲むように規則性の高い籠状の構造を形成する。籠状構造を形成した水分子の動きは束縛されており、ダイナミックなクラスター構造を形成するバルクの水分子よりはエントロピーが小さい状態である。

しかし、このエントロピーの現象の度合いはグリセロリン脂質分子中疎水基と水分子が接触する表面積に比例する。つまり、グリセロリン脂質分子が互いに会合しあって脂質二重膜を形成すれば、水と接する表面積を大幅に減らすことができ、水はより規則性の低い(エントロピーの大きい)状態になることができる。

要するに→グリセロリン脂質分子の疎水基同士を向かい合わせにすることで、疎水基をっていた水分子が自由になって全体の乱雑さが増す。

生体膜の流動モザイクサイクル

生体膜の基本構造は脂質二重層構造であり、その二重層の疎水性内部にタンパク質が埋まっていたり、膜表面に付着していたり、二重層の脂質分子に共有結合していたりする。

脂質二重層構造は流動的であり、これらのタンパク質(二重膜に埋まっているタンパク質、表面に付着しているタンパク質、)は膜内あるいは膜状を水平方向に移動できる。これが流動モザイクモデルである。

生体膜の流動性を支配する主な要因は

  • 温度 →温度が低いと生体膜の流動性
  • 構成脂肪酸のアルキル側鎖の長さ →アルキル基の側鎖が長いと生体膜の流動性は下がる。
  • 不飽和脂肪酸含量 →不飽和脂肪酸含量が高いと流動性が下がる。

生体膜と脂質

  • 脂質二重膜→生体膜中の脂質分子は、切れ目のない約5nmの二重層をなすように配列しているような膜のこと。
  • グリセロリン脂質、スフィンゴ脂質、ステロール化合物→細胞膜中にある主な脂質。
  • 両親媒性→膜中にある脂質分子はすべて、親水性の末端と疎水性の末端を一つずつ持っていてこのような性質のこと。
  • グリセロリン脂質→グリセロリン脂質は親水性の末端は極性の頭部からなり、疎水性の末端には疎水性側鎖からなる2個の尾部がある。
  • ミセル、膜質二重層→両親媒性の分子を水性の環境に置くと、疎水性の尾部を包み込み、親水性の頭部が水槽に面するように集合する。この時、球状に集合するとミセル構造、平面に集合すると脂質二重層である。
  • 膜タンパク質→膜貫通タンパク質、表在性膜タンパク質、脂質アンカー型膜タンパク質に分類される。

膜質二重層はすべての細胞膜に共通している基本的な構造である。

生体膜はグリセロリン脂質の二重層を基本構造とし、この脂質二重層にタンパク質が埋め込まれた形をとる。脂質二重層構造はエントロピー増大によって自発的に形成されるため形成や維持にエネルギーの投入を必要としない。

細胞膜脂質の脂肪酸組成は同じ生物でも生育温度により異なりうる。

生体膜の基本的な構造は脂質二重層によって決まっているが、膜に特異的な機能は主にタンパク質が担っている。

溶血酵素

ホルホリパーゼの基質はグリセロリン脂質である。

グリセロリン脂質のリン酸基とグリセロールを繋いでいるエステル結合を切断する。

赤血球膜の脂質二重層構造の形成と維持にリン脂質の両親媒性構造が必須であり、ホスホリパーゼはその両親媒性構造を破壊してしまうから→リン酸基は極性部位である。

また、脂質二十層構造の形成は脂質分子に依存するがタンパク質には依存しないので、プロテアーゼがタンパク質のペプチド結合を切断されても必要がない。

脂質の消化・吸収と体内動態

トリアシルグリセロールは小腸管内で胆汁酸とミセルを形成し、膵リパーゼにより2-モノアシルグリセロールと脂肪酸に分解されてから小腸上皮細胞に吸収される。同細胞内でこれらの分解産物からトリアシルグリセロールが再合成される。

トリアシルグリセロールは水に溶けないのでリボタンパク質に内蔵された状態で血中に現れる。

小腸上皮細胞であれ脂肪細胞であれ、トリアシルグリセロールが細胞に入る際には、まず細胞内外で分解されてから細胞内に入り再合成されるという点は共通である。

脂肪細胞に入る際は脂肪組織の血管内皮細胞に存在するリボタンパク質による分解も受ける。

酸化的リン酸化

解糖系はグルコースからATPを作る経路であるが、しかし、酸化的リン酸化ではプロトンの勾配を利用した電子伝達系でのATP合成経路であること。が違う。

嫌気性生物(活性酸素種を除去できない)

現在の地球環境問題は\(CO_2\)濃度の上昇であるが、太古の昔にラン藻が現れたときには酸素濃度上昇が環境問題であった。嫌気性生物は地球の片隅に追いやられることになった。

化学合成独立栄養独立細菌は、\(O_2\)以外の最終電子受容体を用いて電子伝達系による\(H^+\)駆動力を形成する。この時最終電子受容体は、フマル酸レダクターゼによるエネルギー生産ではフマル酸が最終電子受容体である。また、硫酸呼吸では硫酸イオンが、硝酸呼吸では硝酸イオンが受容体になる。

嫌気呼吸のほかにも、発酵(アルコール発酵など)がある。

いずれにしても、好気呼吸にくらべてATPの生産効率が悪く、増殖速度も小さい。

脱窒

脱窒菌の生体エネルギー生産法は、NADHが電子供与体になり、硝酸が電子受容体となって電子を運び、ATPシンターゼでATPが合成される。

好気性生物

太古の昔に酸素濃度が上昇したときに、好気性生物の生存範囲が拡大して好気性細菌を取り込んだ生物も出現した。

好気性生物は効率的にATPを生産する。例えば、人のミトコンドリアにおける1molグルコースから作られるATPのmol数を考える。

好気性生物の細胞内に存在するミトコンドリアでは、解糖系の最終産物であるピルビン酸を酸化することでエネルギーを得る。

まず、1molのグルコースは解糖系で

$$グルコース+2ADP+2NAD^+2P_i→2ピルビン酸+2ATP+2NADH+2H^++2H_2O$$

2ATPと2NADHが生成される。

複合体\(\Delta G^0 (kJ/mol)\)
複合体Ⅰ-69
複合体Ⅱ-2
複合体Ⅲ-35
複合体Ⅳ-116
各複合体の反応で解放される標準ギブスエネルギー

解糖系で生じたNADHがすべてグリセロール3-リン酸デヒドロゲナーゼで酸化される場合

グリセロール3-リン酸デヒドロゲナーゼでは、1NADHから1.5ATPが生成される。

よって、合計で5ATP

グリセロール3-リン酸シャトルでは、複合体1を経由せずに反応が進行する。

そのため、上の表から最終的に得られる生体分子エネルギーは

$$-35-116=-153 (kJ/mol)$$

解糖系で生じたNADHがすべてリンゴ酸-アスパラギン酸シャトルで酸化される場合

リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルで、1NADHから2.5ATPが生成される。

よって、合計で7ATP

リンゴ酸アスパラギンシャトルでは、複合体1を経由してから反応が進行する。

そのため、上の表から最終的に得られる生体分子エネルギーは

$$-69-35-116=-222 (kJ/mol)$$

複合体Ⅰ(すべての複合体で鉄が含まれる)

Fe-S中心はシステイン、ヒスチジンと配位結合している。複合体Ⅰでは6回の電子伝達が

複合体Ⅱ

複合体Ⅱでは3回の電子伝達があった。

複合体Ⅲ

シトクロムCは、両親媒性で生体膜表面を移動する。複合体Ⅲで電子を受け取り、複合体Ⅳへ電子を渡す。

シトクロムCが含有する電子伝達物質はヘムで、金属元素はFeである。

Qサイクル

Qはユビキノンのことである。これの還元体である\(QH_2\)はユビキノールである。

ユビキノンの特徴としては、キノンとイソプレノイド側鎖で構成されていて、イソプレノイド側鎖の疎水性の効果で生体膜内を移動するという特徴がある。

複合体Ⅰ、Ⅱから電子を受け取ったユビキノール(Q)は複合体Ⅲへ電子を渡して、その際に プロトンをマトリックスから膜間腔へ放出する。この一連の反応経路をQ回路と呼ぶ。

複合体Ⅳ

他の複合体に見られない、銅(Cu)が存在している。2つのCu(\(Cu_A\))とヘム\(a_3\)のFeと\(Cu_β\)がそれぞれ二核中心という特殊な形態をとる。

二核中心では

$$1/2O_2+2H^++4e^-→H_2O$$

の反応が起きている。

ATPシンターゼ

ATPシンターゼは構造的特徴から酵素反応を触媒とする\(F_1\)部分と生体膜に貫通する\(F_0\)部分に大別できる。ミトコンドリアのにマトリックス面に\(F_1\)部分が面している。(DNAがある方に面すると考えるのもあり)

アデニンヌクレオチドトランスロカーゼとリン酸トランスロカーゼ(リン酸輸送体)もATPとともに機能している。この3つの輸送体でATPシンタソームを構成している。

ATPシンターゼのアデニンヌクレオチドトランスロカーゼ、リン酸トランスロカーゼの二つの輸送体の存在理由はATPシンターゼでのATP合成のためのADP、リン酸をミトコンドリアマトリックスへ輸送させるためである。また、生成されたATPをへ膜間腔へ輸送する役割も持つ。

ATPシンターゼは、α3、β3、γ、δ、εのサブユニットで形成されていて、3個のαは\(F_1\)部分である。

電子伝達系で、内膜に形成されたプロトン駆動力を用いてATPシンターゼでATPを合成される。この反応は、

$$ADP+P_i→ATP$$

となる。1ATPが生成されると3\(H^+\)がマトリックスへ移動する。

ATPシンターゼの\(F_0\)部分は、抗生物質のオリゴマイシンで阻害される。

\(F_0\)サブユニットと\(F_1サブユニット\)の2つのサブユニットで構成される。

ATPの合成は\(F_1\)サブユニットで行われる。

プロトンの膜輸送は\(F_0\)サブユニットで行われる。

阻害剤

呼吸鎖の阻害剤は、電子伝達系の解析にも利用される。

睡眠薬のアミタールは複合体Ⅰを阻害する。しかし、複合体Ⅱやグリセロール3-リン酸シャトルを経る経路が動くため、若干のATP生産が行われる。

マロン酸は、複合体Ⅱを阻害する。しかし、グリセロール3-リン酸シャトルを経る経路が働くため、若干のATP生産が働く。

アンチノマイシンはAによって複合体Ⅲが阻害されると電子伝達系が機能せずATPの生成は行われない。

ミトコンドリア

ミトコンドリアDNAにコードされているタンパク質は、電子伝達系のタンパク質がほとんどである。新生児のミトコンドリアDNAは均一であり、加齢とともに変異が蓄積し不均一となる。

これは\(O_2\)に由来する反応性の高い活性酸素種(ROS)が生産されることが原因の一つである。ROSは、スーパーオキシドジスムターゼ(SOD)(\(H_2O_2\)へ変換)、カタラーゼ(\(H_2O_2→H_2O+1/2O_2\))、ペルオキシダーゼといった酵素で分解される。

カタラーゼが多く発現するということは過酸化水素の処理が多いということであるので、ガンの原因である過酸化水素をたくさん処理して安全ということにつながる。

ミトコンドリアにDNAがあるわけは、ミトコンドリアはもともとは独立に生きていたバクテリアで、細胞内に取り込まれて共生するうちに細胞のオルガネラとして進化したからである。

その証拠に、独自のDNAを持っているためである。また、内膜と外膜を有する点である。

また、好気呼吸を可能にするミトコンドリアDNAは核の染色体DNAよりも変異率が高く、このことは細胞・個体の生存を脅かす。この危険性を下げるために、細胞内共生後に進化上でミトコンドリアDNAの一部を核へ移した。

ミトコンドリアDNAと核DNAの違いは

核DNAは真核生物の細胞核内に存在し、通常1細胞に2コピー存在する。一方ミトコンドリアDNAはミトコンドリア内に存在し、1細胞に100から1000コピー存在する。核DNAの染色体は両端を持つ線形の構造をしており、ヒトでは約30億個のヌクレオチドを含む46本の染色体からなる。一方ミトコンドリアDNAの染色体は通常閉じた円形構造で、ヒトでは16,569ヌクレオチドが含まれる[5]。核DNAは二倍体であり、父親と母親の両方からDNAを受け継ぐが、ミトコンドリアDNAは一倍体であり、母親由来のDNAのみを受け継ぐ。核DNAの変異率は0.3%以下であるが、ミトコンドリアDNAの変異率は一般的にはそれよりも高い[6]

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8DNA

ミトコンドリアのタンパク質の細胞内輸送

タンパク質がミトコンドリアの内膜やマトリックスに移行する際に、TOM/TIMというミトコンドリア膜透過装置を経由する。

核がオルガネラを制御するために送るシグナルが順行シグナルと呼ばれるのに対して、

核が一方的に発現調節がなされるのではなく、核遺伝子発現とミトコンドリアDNAにコードされる遺伝子発現は協調している。ミトコンドリアから核への指令をレトログレードシグナルとよぶ。

脱共役

プロトン勾配がATP生産に使われずに、その勾配を脱共役タンパク質を用いて熱発生をさせる系。

脱共役タンパク質

脱共役タンパク質とは、サーモニゲン、褐色脂肪細胞、白色脂肪細胞、筋組織などにある。

脱共役系とは、外気温を察知して交感神経から分泌されるノルアドレナリンが褐色脂肪細胞の受容体を活性化して、熱産生を担う分子の(脱共役タンパク質)の発現量を増加させる。そして、脂肪細胞の脂肪を分解して遊離脂肪酸を産生して、UCP1を活性化して熱を産生する。この一連の流れを熱産生という。

低酸素時

低酸素になるとHIF-1という転写因子が、様々な遺伝子発現の調製やタンパク質の機能調製を行い、解糖系と活性化し、クエン酸回路や電子伝達系を抑制する。

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