高校生物基礎 酵素のはたらき—対照実験とグラフから反応条件の違いを説明する｜武蔵野個別指導塾

温度やpHを変えた資料と対照実験を読みます。反応の速さと変性を考える鍵は酵素です。

よくあるのは、定期テスト前の高校生が、温度を上げると酵素による反応がいつまでも速くなり続けると読む場面です。グラフの左側では温度とともに値が上がっていても、右側まで同じ向きとは限りません。軸と各点を確かめ、さらに酵素を入れない対照と比べると、温度による変化と酵素の作用を分けて考えられます。ここでは温度とpH、基質特異性を扱い、反応速度式には立ち入りません。

問われ方を先に見る

1つ目は、酵素と基質の関係を語で答える型です。酵素が反応させる物質を基質と呼ぶこと、酵素ごとに作用する基質が限られることを区別します。酵素そのものが反応の材料として使い切られる、という説明には注意します。

2つ目は、温度やpHと反応の速さを表す資料を読む型です。横軸の条件と縦軸の量を確かめてから、指定された範囲で増加か減少かを読みます。測った点のうち最大の値と、あらゆる条件を含む最適値を混同しないことが必要です。

3つ目は、対照実験を設計し、結果の理由を説明する型です。比べる組では、調べたい条件以外をそろえます。酵素の有無を比べれば酵素の効果を調べられますが、同時に温度も変えると、差の原因を一方に決められません。

酵素が反応にかかわるとき

酵素は生体内で化学反応を促進する触媒です。触媒は反応の前後でそれ自身が消費されず、反応を起こりやすくします。多くの酵素はタンパク質でできており、特定の基質に作用します。この性質を基質特異性と呼びます。酵素がどの物質にも同じように作用するわけではありません。

図1は、酵素と基質の対応を簡略化した模式図です。矢印は反応の進行を示し、酵素自体が生成物になるという意味ではありません。合う基質が酵素に結び付き、反応によって生成物ができます。酵素は反応後にも残り、再び基質に作用できます。

図1のように、形の対応は基質特異性を考える手掛かりです。ただし実際の分子の形や反応の全過程をそのまま描いたものではありません。基質と生成物は反応の前後で別の物質として整理し、酵素は作用する側に置きます。

温度が低い範囲では、温度の上昇とともに反応が速くなることがあります。一方、温度が高すぎると酵素の立体構造が変化して、はたらきが低下することがあります。この構造の変化を変性と呼びます。温度を上げた結果は、速くなる傾向と酵素のはたらきが失われる影響を含むため、右上がりと決め付けず資料を読みます。

pHにも酵素がよくはたらく範囲があり、その範囲は酵素によって異なります。強い酸性や強い塩基性などの条件で酵素の構造が変わり、はたらきが低下する場合もあります。温度とpHの両方が変化した資料から、どちらが差を生んだかを単独で結論することはできません。

実験で生成物を測るときは、測定した量が何を表すかも大切です。同じ時間の生成物の増加量なら、その時間内の平均的な反応の進み具合を比べられます。時間が違う場合に合計量だけを比べると、長く反応させた組が多く見えることがあります。開始時に生成物がある場合は、終了時の量から開始時の量を引いて増加量を求めます。

反応が途中で遅くなる場合もあるため、長い時間の平均値から最初の瞬間の速さを断定することはできません。条件を変えた影響を読み取る際には、基質の量や酵素の量、液量も確認します。どれかが異なれば、温度やpHだけの影響として扱えなくなるためです。

温度の表を読む基本例題

次は学習用に作った資料です。同じ酵素液と同じ基質液を同量ずつ混ぜ、pHと反応時間をそろえて温度を変えました。反応開始から2分間にできた生成物の量を示します。生成物は開始時にないものとします。平均の生成量を1分当たりの値で求め、小数で答えてください。また、測定した温度の中で平均の生成量が最大の温度を答え、酵素が関係したことを確かめる対照を1つ説明してください。

図2はこの資料を棒の長さで表した模式図です。横の各列は温度、縦の値は2分間の生成物の量です。棒は温度ごとの量を示し、矢印は物質の移動を示すものではありません。

まず比較する時間はどれも2分です。開始時の量が0 mgなので、表の値がそのまま2分間の増加量です。平均の生成量は増加量を時間で割って求めます。

20℃では4 mg ÷ 2分 = 2.0 mg/分です。30℃では8 mg ÷ 2分 = 4.0 mg/分です。40℃では12 mg ÷ 2分 = 6.0 mg/分、50℃では6 mg ÷ 2分 = 3.0 mg/分です。平均値であって、各瞬間に同じ速さで生成したと決めた値ではありません。

図2のように、生成物は20℃から40℃へ増え、50℃では減っています。測定した4温度の中では40℃が最大です。40℃と50℃の間や、測定範囲の外を調べていないので、40℃をこの酵素の厳密な最適温度と断定することはできません。減少の理由として高温による変性が考えられますが、表の量だけで構造変化が実際に起きたと証明したことにはなりません。

酵素の効果を調べる対照は、例えば40℃で、酵素液の代わりに同量の水を入れる組です。基質液、pH、温度、反応時間などは40℃の元の組とそろえます。対照でも生成物ができる可能性を調べ、酵素を含む組との差を比べます。酵素液に水以外の成分がある場合は、その成分の影響にも注意が必要です。

答えを条件へ戻すと、各平均値に2分を掛けた量は順に4、8、12、6 mgで、表と一致します。対照についても、酵素の有無以外をそろえたかを条件に戻して確認します。単に「何も入れない」とすると液量まで変わるため、比較の目的があいまいになります。

条件が2つあるときの分かれ目

別の自作資料では、同じ酵素と基質を使い、各組を3分間反応させました。各組で酵素の量、基質の量、液量をそろえ、温度とpH以外の条件も共通にします。生成物の増加量は、Aが30℃・pH 6で9 mg、Bが30℃・pH 8で15 mg、Cが50℃・pH 8で6 mgでした。各組の平均の生成量を整数で、単位を付けて答えてください。さらにpHの違いを調べる組と温度の違いを調べる組をそれぞれ選び、AとCの比較から言える範囲を説明してください。

Aは9 mg ÷ 3分 = 3 mg/分、Bは15 mg ÷ 3分 = 5 mg/分、Cは6 mg ÷ 3分 = 2 mg/分です。それぞれに3分を掛け直すと9、15、6 mgに戻ります。これで時間の割り方と単位を元の資料に照らせます。

pHを調べるにはAとBを比べます。温度はともに30℃で、pHは6と8です。この条件ではpH 8のBの平均生成量が大きいと読めます。pH 8がどの酵素にも最適という意味ではありません。温度を調べるにはBとCを比べます。pHが8で共通し、温度が30℃と50℃で異なります。この資料では50℃の方が平均生成量は小さいと答えます。

AとCでは温度もpHも違います。Cの量がAより少ないことは表から言えますが、この差を温度の影響だけ、あるいはpHの影響だけと特定できません。値を引き算する前に、何をそろえた比較かを確認するのが分かれ目です。途中の温度や別のpHの結果も、この3組だけでは決まりません。

誤答を条件に戻して直す

誤答の例は「温度が上がれば酵素は必ず速くはたらくので、50℃の方が40℃より生成物が多い」です。原因は、温度が上がると反応が速くなる範囲の説明を、すべての温度に広げたことです。基本例題では40℃が12 mg、50℃が6 mgなので、表の値自体も逆に読んでいます。

図3は、温度を上げたときに増加だけを予想する誤りから、測定値を確認する手順への修正を示す模式図です。矢印は考え方の修正を示します。

図3のように、まず隣り合う値を読み直します。次に高温では変性によって酵素のはたらきが低下しうると考えます。修正した答えは「この資料では40℃から50℃へ上げると生成物は減る。高温による酵素の変性が原因の1つとして考えられる」です。資料にない構造の観察結果まで書き加えないようにします。

別の誤答に「AとCの差は温度によるものです」があります。pHも違うことを見落としたのが原因です。温度を比べるならpHが同じBとCを選ぶ、と組の条件から修正します。生成物が少ないことと、酵素が完全に失活したことも同じではありません。測定値が小さいだけでは、活性が全くないとまでは言えません。

自分で試す4問

いずれも学習用の自作資料です。各問の条件以外は同じとし、生成物の開始時の量は0 mgとします。数値の答えには単位を付け、指定がなければ整数で答えてください。

1. 酵素Xは基質Pに作用します。Pと、Xが作用しない物質Qを別々の試験管に入れ、それぞれにXを加えました。この性質の名称を用語で答え、QにXを加えてもXによる反応が進まない理由を1文で書いてください。
2. 同じ酵素と基質を用いた実験で、ある温度では4分間に生成物が20 mgできました。別の温度では同じ4分間に12 mgできました。それぞれの平均生成量を1分当たりで求め、どちらが大きいか答えてください。
3. 同じ酵素と基質を用い、温度を25℃に保った組DとEを比べます。DのpHは5、EのpHは7で、他の条件は同じです。Dでは5分間に10 mg、Eでは5分間に25 mgの生成物ができました。比べて調べる条件と、この2組から言える結果をそれぞれ1文で答えてください。
4. 酵素を入れた組Fは35℃、酵素を入れない組Gは55℃で反応させました。Fの生成物はGより多くなりました。酵素の有無による差を調べるには、Gをどう変えるべきか、温度とその他の条件に触れて1文で答えてください。元の比較だけで酵素の効果を特定できるかも答えてください。

答えと確かめ方

1. 名称は基質特異性です。理由は「酵素Xは特定の基質Pに作用し、Qには作用しないため」です。条件へ戻すと、Pには作用しQには作用しないという区別を説明しています。Xがすべての物質に作用するという答えでは、Qの結果に合いません。
2. 前者は20 mg ÷ 4分 = 5 mg/分、後者は12 mg ÷ 4分 = 3 mg/分で、前者が大きいです。それぞれ4分を掛けると20 mgと12 mgに戻ります。生成物の量を時間で割らずにmgのまま答えると、求められた1分当たりの量になりません。
3. 調べる条件はpHです。「25℃のこの実験では、pH 7のEの方がpH 5のDより5分間の生成物が多い」と答えます。温度と時間が共通であることを条件へ戻し、10 mgと25 mgの大小も確かめます。これだけで他のpHを含む最大値や、他の酵素の性質までは決められません。
4. 「Gを35℃にし、酵素の有無以外の液量、基質量、pH、反応時間などをFにそろえる」と答えます。元の比較では温度も異なるため、酵素の効果を特定できません。変更後は温度の条件が両方35℃に戻り、調べたい酵素の有無を比較できます。酵素液の代わりに同量の水を加えるなど、液量もそろえます。

手元に残す要点

• 酵素は反応を促進する触媒で、基質特異性があります。
• 温度やpHによって酵素のはたらきは変わり、高温では変性することがあります。
• 資料の範囲と単位を確かめ、対照では調べる条件以外をそろえます。

説明が止まる場所を見つける

図を見て基質と生成物のどちらが反応前か言えないときは、矢印の前後を指しながら、酵素が反応後にも残ることを言葉にします。表の値は読めるのに対照を選べないときは、各組の温度、pH、酵素の有無を縦に並べ、違う条件に印を付けます。2つ違えば、一方の効果を切り出せないことが見えてきます。

個別指導では、グラフの減少を見てすぐ「酵素が完全になくなった」と言っていないか、観察した量と考えられる原因を分けて説明できるかを確かめます。平均生成量の問題では、割った答えに時間を掛け、元の生成物の量に戻るかも一緒に点検します。条件に戻る習慣が、酵素のグラフを読み違えないための手掛かりです。