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高校化学ペプチドの部分加水分解—断片の重なりから配列の候補を絞る｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴化学を掘り下げる高分子化合物

同じ残基が2回現れる鎖を例に、断片の重なりと組成を照合し、候補を絞る鍵は部分加水分解です。

よくあるのは、部分加水分解で得た断片に同じアミノ酸残基が現れると、それらを元の鎖の同じ1か所に重ねてしまう場面です。ところが、元の鎖に同種の残基が2個あれば、見かけが同じ文字でも別の位置を指すことがあります。断片をつなぐ前に、完全加水分解で得た残基の個数を手元に置き、向きと重なりを両方調べます。

問題文から先に拾う条件

出方は大きく3つあります。完全加水分解の組成と複数の部分断片から配列を求める型、複数の候補が残ることを示す型、切断位置が与えられた条件で断片を予測する型です。いずれも、何が観測されたかと、何が観測されなかったといえるかを分けて読みます。

完全加水分解の結果は、鎖に含まれる残基の種類と個数を示します。ただし、それだけでは並び順は決まりません。部分断片は連続する区間について順序を教えます。断片の集合が「得られたものの一部」なら、書かれていない断片が存在しないとはいえません。逆に、切断が完全で全生成物を漏れなく回収したという与件があれば、生成物の個数も制約になります。

各設問で鎖は枝分かれや環のない単一の直鎖とします。断片の配列はN末端からC末端に向かって示し、記号は残基を表します。異なる分子の鎖を同一条件で別々に切った断片どうしは、元の鎖の同じ位置を共有してもかまいません。1回の切断で同時に生じた断片なら、互いに重ならず、全体を区分することに注意します。

切れた結合と重なりの意味

アミノ酸どうしがつながる部分はペプチド結合です。直鎖の隣り合う残基間に1個ずつあり、加水分解で結合1個が切れると水1分子が反応に使われます。部分加水分解では一部の結合が切れ、残った連続区間が断片になります。完全加水分解では全結合が切れ、元の残基の種類と個数がアミノ酸の種類と個数に対応します。

例えば Gly-Ala-Gly は、グリシン残基が2個とアラニン残基が1個という意味です。左のGlyと右のGlyは同種ですが、同じ位置ではありません。略号の横のハイフは残基間のつながりを表し、化学結合の原子をすべて描いた構造式ではありません。以下では Gly、Ala、Ser、Val、Leu をそれぞれ異なるアミノ酸残基の略号として使います。

図1のように、Gly-AlaとAla-Glyの共通部分をAlaで重ねるとGly-Ala-Glyになります。両端のGlyは別の残基です。全体の組成にGlyが1個しかないなら、この重ね方は条件に合いません。一方、断片が同じ試料の別の分子から得られたなら、中央のAlaを共通位置として読むことはできます。

図1の各段は別の分子から得た断片の位置を模式的に示します。重ねた文字の前後も元の鎖と一致する必要があります。断片の片端を逆向きにして一致させることはできません。例えばAla-GlyはGly-Alaとは別の向きです。

長さ5の直鎖ならペプチド結合は4個です。完全加水分解に必要な水は鎖1分子あたり4分子で、生成するアミノ酸は5分子です。途中で2か所が切れれば3断片になり、各断片の残基数の合計は5のままです。切れた結合数と断片数の差が1になることも、図を描き直す際の点検になります。

基本例題：重なりと組成を同時に使う

長さ5の直鎖を完全加水分解すると、Glyが2個、Alaが2個、Serが1個に対応するアミノ酸が得られました。別々の分子の部分加水分解から、配列が Gly-Ala-Gly と Ala-Gly-Ser の断片が得られました。断片はN末端側から書いてあります。条件を満たす元の配列をすべて、N末端から示してください。

図2のように、まず前者の末尾のAla-Glyと後者の先頭のAla-Glyを重ねます。その結果は Gly-Ala-Gly-Ser です。これにはGlyが2個、Alaが1個、Serが1個あります。残るAlaを置く位置を調べます。

残るAlaをこの4残基の間に入れると、少なくとも一方の断片の連続性が壊れます。両端に置く場合はどちらも連続性を保ちます。そこで候補を順に書きます。

左に置く: Ala-Gly-Ala-Gly-Ser
右に置く: Gly-Ala-Gly-Ser-Ala

この2つはどちらもGlyを2個、Alaを2個、Serを1個含みます。前者では両断片が2〜4番目と3〜5番目にあります。後者では1〜3番目と2〜4番目にあります。元の条件へ戻して、どちらも2断片と組成を再現すると確認できます。

重ね方の網羅性も確かめます。2つの長さ3の断片を重なりなしに置くと6残基が必要で、長さ5に収まりません。1残基重ねるには前者末尾のGlyと後者先頭のAlaが一致せず、逆順でも後者末尾のSerと前者先頭のGlyが一致しません。2残基重なる場合は上のAla-Glyの一致だけです。3残基全体は一致しません。よって答えは上の2候補で、一意には決まりません。

別解では、Gly-Ala-Glyを固定します。Ala-Gly-SerにあるAla-Glyは、固定した断片の2〜3番目と重なるか、別の位置に現れます。後者ならAlaとGlyを追加する必要があり、残る2枠にはさらにSerも必要ですから入りません。前者を採れば、Serを続けた後に余るAlaを両端に置くことになります。重なりの一覧と残基数による考え方は同じ条件を別の方向から検査しています。

標準例題：末端条件を追加する

長さ5の直鎖の組成はGlyが2個、Alaが1個、Serが1個、Valが1個です。部分断片 Gly-Ala、Ala-Gly、Gly-Ser、Ser-Val がそれぞれ別の分子から得られました。N末端はGlyです。条件を満たす配列をすべて書き、その個数を整数で答えてください。

まずAlaは1個です。Gly-AlaとAla-GlyはそのAlaの両隣を指定し、Gly-Ala-Glyとなります。ここでGlyを2個使い切ります。次にSerも1個なので、Gly-SerとSer-Valは同じSerを介してGly-Ser-Valとなります。

2つの3残基の並びを長さ5に収めるには重なりが必要です。Gly-Ala-Glyの末尾のGlyとGly-Ser-Valの先頭のGlyを重ねれば、Gly-Ala-Gly-Ser-Valとなります。逆方向に重ねるにはValとGlyが一致せず、これ以外の長さ2の重なりも一致しません。したがって候補は1個です。

Gly-Ala-Gly + Gly-Ser-Val
→ Gly-Ala-Gly-Ser-Val

得られた鎖の1〜2、2〜3、3〜4、4〜5番目は与えられた4断片に順に一致します。N末端はGlyで、残基の個数も元の条件に戻ります。末端条件が一致することと、組成を使い切ることを最後に別々に確かめます。

発展例題：切断条件を使った照合

長さ6の直鎖のN末端からの配列は、次の2候補に絞られています。各候補のGlyは2個、Ala、Ser、Val、Leuは各1個です。ある処理は、この問題の条件として、C末端に位置しないGlyの直後のペプチド結合をすべて切り、ほかの結合は切りません。処理後の全断片を完全に回収し、配列が Gly、Ala-Gly、Ser-Val-Leu の3種で各1個得られました。候補のうち適合するものを記号で答え、切断位置を示してください。

候補P: Gly-Ala-Gly-Ser-Val-Leu 候補Q: Gly-Ser-Val-Gly-Ala-Leu

Pでは1番目と3番目のGlyの直後が切れます。Qでは1番目と4番目のGlyの直後が切れます。規則を現実の酵素一般の性質として覚える必要はありません。この問題で与えた切断規則として扱います。

P: Gly / Ala-Gly / Ser-Val-Leu
Q: Gly / Ser-Val-Gly / Ala-Leu

Pの断片は観測された3種と一致し、各残基を足すと元の6残基へ戻ります。QはSer-Val-GlyとAla-Leuを生じるので不適合です。答えはPです。どちらも2か所切れるため3断片になるという情報だけでは、PとQを区別できません。断片の中身まで照合する必要があります。

処理が不完全であったり、回収が一部に限られたりする場合は、書かれていない断片が生成しなかったとは結論できません。Pで見込む断片が見えなかったときにも、直ちに配列を捨てず、切断や回収の条件を調べます。異なる条件で別試料を処理し、重なる断片の位置を確かめる設計なら、欠けた情報を補えます。実験は学校の指導の下で行い、試料量や反応条件、回収方法を比較の間でそろえます。

例えば、横軸を処理時間、縦軸を検出された断片の相対量として示す場合、ある断片が減ったことだけで元の配列を決めることはできません。さらに短い断片へ切れた可能性や回収の損失も考えられます。処理しない対照と複数の時間点を比較し、残った元の鎖と生成物を合わせて調べます。検出の限界より少ない断片は、グラフ上で見えなくても存在しないとは限りません。

誤答から配置を直す

基本例題で、Gly-Ala-GlyとAla-Gly-SerのGlyをすべて1か所に重ね、Gly-Ala-Serとする誤答を考えます。図3のように断片の中の最初と最後のGlyは異なる位置です。1つに畳むと、最初の断片に必要な3残基が失われます。

誤りの原因は、同じ略号を同じ残基と決めたことです。まず各断片の文字を隣接する枠に入れ、順序を固定します。次に重ねる候補の位置を線で結び、重なりが連続した文字列として一致するか見ます。最後に元の組成の個数と比べます。

逆に、別々の分子から得た断片を必ず別々の位置に置くのも誤りです。両者が同じ区間を含むことはあります。重なりを許すかどうかは、断片が別の分子から得られたのか、同じ分子の一度の切断で生じたのかによって判断します。条件が記されなければ勝手に補わず、その解釈で答えが変わることを明示します。

練習問題

以下の断片は、特に断りがなければ別々の分子から得られたものの一部です。配列はすべてN末端からC末端の向きに示します。各鎖は単一の直鎖で、指定された組成を持ちます。

長さ4の鎖はAla、Ser、Val、Leuを各1個含みます。断片Ala-Ser、Ser-Val、Val-Leuが得られました。元の配列をすべて書き、候補の個数を整数で答えてください。
長さ4の鎖はGlyを2個、SerとValを各1個含みます。断片Gly-SerとGly-Valが得られ、N末端はGlyです。元の配列をすべて書いてください。
長さ5の鎖はAlaを2個、Gly、Ser、Leuを各1個含みます。断片Ala-Gly-AlaとGly-Ala-Serが得られました。C末端がLeuなら元の配列をすべて書いてください。
長さ6の鎖を一度の部分加水分解で3か所切りました。生じた断片の個数と、元の鎖1分子について反応に使った水の分子数をそれぞれ整数で答えてください。さらに残ったペプチド結合数を答えてください。
長さ5の鎖はSerを2個、Ala、Val、Leuを各1個含みます。配列はSer-Ala-Ser-Val-LeuかSer-Val-Ser-Ala-Leuのどちらかです。この問題ではC末端にあるSerだけを除き、Serの直後の結合をすべて切り、ほかは切らず、生成物を完全に回収します。Ser、Ala-Ser、Val-Leuが各1個得られた場合、元の配列を選び、もう一方が不適合な理由を断片で示してください。

練習の解答と解き方

答えはAla-Ser-Val-Leuの1候補です。Serが1個なのでAla-SerとSer-ValはSerを共有します。同様にValが1個なのでVal-Leuを続けます。得られた鎖に3断片が隣接区間としてあり、4種類が各1個という元の組成に戻ります。
答えはGly-Ser-Gly-ValとGly-Val-Gly-Serです。異なる2つの後続残基SerとValは、同じGlyの直後に同時には置けません。したがって2個のGlyを別々に使い、Gly-SerとGly-Valの2組を作ります。長さ4なので、この2組を並べた2通りです。どちらもN末端はGlyで、2断片と組成を再現します。
答えはAla-Gly-Ala-Ser-Leuです。Ala-Gly-AlaとGly-Ala-SerをGly-Alaで重ねると、4残基のAla-Gly-Ala-Serが得られます。組成から残るLeuは1個で、C末端に置きます。重なりなしでは6残基必要で、逆向きの重なりも一致しません。完成した鎖の1〜3番目と2〜4番目を読むと両断片へ戻ります。
答えは4断片、水3分子、残った結合2個です。元の結合は6 − 1 = 5個で、3個が切れて2個残ります。断片は切断のたびに1個増えるので1 + 3 = 4個です。水は切れた結合1個につき1分子使います。残った2結合と切れた3結合の和は元の5結合で、分子数の収支も合います。
答えはSer-Ala-Ser-Val-Leuです。1番目と3番目のSerの直後で区切ると、Ser / Ala-Ser / Val-Leuとなり、与件へ戻ります。もう一方はSer / Val-Ser / Ala-Leuとなり、観測断片と一致しません。両者は組成も切断数も同じなので、断片の配列が判定の鍵です。