高校生物 代謝の反応場所—細胞質と小器官の膜を反応のつながりから整理する｜武蔵野個別指導塾

ピルビン酸の移動と膜を隔てたH⁺の流れから、呼吸と光合成を結ぶ鍵は細胞の区画です。

代謝の経路は、反応名を覚えるだけではつながりません。細胞質基質でできたピルビン酸がミトコンドリアに移るように、反応が別の区画にあれば物質の受け渡しが必要です。膜上の反応では、膜の両側を分けること自体がATP合成に役立ちます。

よくあるのは、回路の名前は言えるのに、細胞の模式図のどの区画に書くかで手が止まる場面です。まず区画と膜を描き、次に反応を書き、最後に物質が境界を越える矢印を足します。名前と位置を対応させるだけでなく、隣の反応に何が渡るかまで追うと、図が説明に変わります。

問題では何を置き、何を追うか

出方の1つは、細胞の模式図に解糖系、クエン酸回路、電子伝達系、カルビン・ベンソン回路を配置する問題です。液状の区画で進む反応と、膜に組み込まれた反応を分けて考えます。ミトコンドリア全体を1つの箱として塗るだけでは、内膜とその両側を区別できません。

2つ目は、ある場所の生成物が次の反応に利用されるまでの移動を問う問題です。たとえばピルビン酸は細胞質基質からミトコンドリア内へ移ります。区画の境界を越える物質、そこで変化する物質、エネルギーを受け渡す物質を、同じ矢印にまとめずに書きます。

3つ目は、細胞を分けた画分や膜の状態を変えた資料から反応場所や膜の役割を推定する問題です。活性が検出された画分と、その画分に残った構造を対応させます。画分には混入や破損がありうるので、結果だけから酵素の正確な位置まで決められるかも確かめます。

区画と境界から反応を読む

真核細胞の細胞質基質は、細胞内で小器官などを除いた液状の部分です。解糖系はここで進み、グルコースからピルビン酸を生じます。解糖系が細胞質基質にあるということは、呼吸の全段階が同じ場所にあるという意味ではありません。

図1のように、ピルビン酸は細胞質基質からミトコンドリアの内膜を越えてマトリックスに運ばれます。そこでアセチルCoAへの変化とクエン酸回路が進み、還元型の補酵素が生じます。反応の場が離れていても、生成物が移動すれば次の反応の出発物質になれます。

図1では、呼吸側の矢印はピルビン酸の移動、光合成側の矢印は膜上の反応で得られたATPとNADPHがストロマの回路に利用される関係を示します。両者は別々の物質の流れです。矢印の長さは量や速度を表しません。

ミトコンドリアの内膜には呼吸の電子伝達系とATP合成酵素があります。電子伝達に伴ってH⁺がマトリックス側から膜間腔側へ運ばれ、その偏りができます。H⁺がATP合成酵素を通ってマトリックス側へ戻るとき、その流れを利用してATPが合成されます。電子そのものとH⁺は別の粒子であり、電子の受け渡しとH⁺の膜を越える移動を区別します。

葉緑体では、光を受ける反応に関わる装置とATP合成酵素がチラコイド膜にあります。H⁺はチラコイド内腔側に多くなり、ATP合成酵素を通ってストロマ側へ移動する流れがATP合成に利用されます。ストロマではカルビン・ベンソン回路がCO₂を取り込み、光を受ける反応で得たATPとNADPHを使って有機物の材料をつくります。

両小器官で似ているのは、膜がH⁺の偏りを保ち、その両側をつなぐ酵素が偏りを利用する点です。一方、H⁺が多くなる側は、ミトコンドリアでは膜間腔、葉緑体ではチラコイド内腔です。小器官の外側という曖昧な記憶では向きを間違えるので、対象の膜の名前と両側の名前を必ず添えます。

膜は壁として分けるだけでなく、特定の物質の通り道となるタンパク質を持ちます。たとえばピルビン酸は移動後に別の反応へ入りますが、どんな物質も膜を自由に通ると考えてはいけません。細胞質基質で生じたNADHについても、分子そのものが内膜を通過すると決めず、電子が別の仕組みを介して伝えられると整理します。

基本例題：入口を越える量を数える

次は自作の条件です。真核細胞の細胞質基質でグルコース 3.0 mmol が解糖系に入り、そのすべてからピルビン酸が生じました。グルコース 1 mol からピルビン酸 2 mol が生じるとします。生じたピルビン酸のうち 4.0 mmol がミトコンドリアのマトリックスに運ばれ、残りは細胞質基質にあります。この時点での各区画のピルビン酸量を mmol で小数第1位まで求め、移動量を図に置いてください。ピルビン酸の生成後からこの時点まで、移動以外による増減はないものとします。

図2のように、最初にできた量を細胞質基質にまとめて置き、そこから移動分を引きます。4.0 mmol は生成量ではなく境界を越えた量なので、生成量に足しません。

生成量 = 3.0 mmol × 2 = 6.0 mmol
細胞質基質に残る量 = 6.0 mmol - 4.0 mmol = 2.0 mmol
マトリックスに移った量 = 4.0 mmol

答えは細胞質基質 2.0 mmol、マトリックス 4.0 mmol です。図2の生成量と2区画の量を比べると、2.0 mmol と 4.0 mmol の合計は 6.0 mmol となり、条件に戻ります。どちらも負ではありません。移動後に酸化が起きる時間まで考えるなら残存量は変わりますが、ここでは増減がないと条件を付けているので引き算で求まります。

別の見方として、移動した割合は 4.0/6.0 であり、残る割合は 2.0/6.0 です。割合を先に求めても同じ結果になります。ただし、割合はこの問題の条件から計算したもので、実際の細胞に共通する値ではありません。場所を問う問題では、式の数字だけでなく「何の量をどの時点で数えたか」を式の左に書くと混同を防げます。

標準例題：画分から場所を推定する

次の値は、自作の資料です。同じ種類の細胞を同じ量ずつ用い、細胞をこわして分けた画分AとBを調べました。画分Aには主に細胞質基質、画分Bには主にミトコンドリアが含まれます。各画分に同じ条件で基質を加え、一定時間の反応でできた生成物量を測りました。画分Aでは解糖系の反応による生成物が 8.0 μmol、画分Bでは 2.0 μmol でした。さらに顕微鏡による確認で、Bには細胞質由来の成分も少し混じるとわかりました。解糖系の主な場所を推定し、その理由と限界を書いてください。量は小数第1位、割合は整数の百分率で表します。

まず観測値は各画分で生じた生成物量です。AとBの合計に対するAの割合は次のようになります。測定時間と細胞の投入量をそろえているので、この問題では2画分の値を足して比較できます。

生成物量の合計 = 8.0 μmol + 2.0 μmol = 10.0 μmol
Aの割合 = 8.0/10.0 = 0.80 = 80%
Bの割合 = 2.0/10.0 = 0.20 = 20%

主な場所は細胞質基質と推定します。細胞質基質を主に含むAに、測定した活性の大部分があるからです。逆にBに 20% の活性があっても、直ちにミトコンドリア内にも同じ経路があるとは言えません。混入した細胞質成分がBの反応に寄与する可能性があるためです。割合を元に戻すと、合計 10.0 μmol の 80% は 8.0 μmol、20% は 2.0 μmol で、観測値と一致します。

仮説は「解糖系に関わる活性の主な所在は細胞質基質」です。競合する説明として、Bに本来の活性がある場合と、Bの活性が混入だけで生じる場合を考えられます。両方に成分が混じる可能性もあるので、この資料だけでBの活性の内訳は決まりません。さらに、細胞をこわす操作で酵素が失活したり、画分ごとの回収率が異なったりすると、測定割合は元の細胞内の分布と一致しない場合があります。

確かめるには、分画条件を変えて独立に調製した画分を比較し、細胞質とミトコンドリアをそれぞれ示す目印の分布も測ります。基質を加えない対照を用意して、基質以外に由来する測定値を見積もります。細胞量、反応時間、温度、基質濃度をそろえ、変える条件は画分とします。値のばらつきも調べますが、目印の混入が減ってもBの活性が残るかどうかを見ない限り、Bに本来の活性があるかは判断できません。こうした実験は学校の指導の下で行います。

発展例題：膜の状態と時間変化を分ける

以下も自作資料です。光を受ける装置を含むチラコイドの膜小胞について、膜が保たれたAと、H⁺を通しやすくしたBを同量用意しました。どちらも光を受ける電子伝達装置とATP合成酵素は働き、H⁺が通りやすくなる変更以外の条件は同じと仮定します。光、温度、測定時間と膜量も同じです。外側に対する内腔側のH⁺の偏りを示す測定値を、測定装置で定めた単位を用いて記録しました。値は単位膜量当たりです。

横軸を時間（分）、縦軸をH⁺の偏り（任意単位/単位膜量）とするグラフを考え、0〜2分の平均増加量を各条件について求めます。答えは整数で、単位を添えてください。また、4分時点の結果から膜とATP合成の関係を説明し、ATP量について資料から言える範囲を述べてください。

Aの平均増加量 = (6 - 0)/2 = 3 任意単位/(単位膜量・分)
Bの平均増加量 = (2 - 0)/2 = 1 任意単位/(単位膜量・分)

グラフではAの点は (0, 0)、(2, 6)、(4, 8)、Bは (0, 0)、(2, 2)、(4, 2) です。各点を結べば、Aは後半も増え、Bは2分から4分まで変化しません。平均増加量に2分を掛けると、それぞれ 6 と 2 となって2分時点の値に戻ります。傾きは偏りの変化を示しますが、H⁺の通過量そのものやATPの生成速度を直接示すものではありません。

H⁺が戻りやすいBでは、4分後の偏りがAより小さいという結果です。膜がH⁺の偏りを保つ役割を持つという仮説に合います。偏りはATP合成酵素を通るH⁺の移動に使われるため、他の条件が同じならBで合成が低下する可能性を考えられます。しかしATP量は測定していないので、この表だけで低下の大きさやATP量そのものは決められません。

別の説明として、膜への処理が電子伝達装置を損なってH⁺を送り出す働きを弱めた可能性もあります。問題の仮定ではその影響を除きましたが、実際の資料を解釈するときは仮定を実測で確かめる必要があります。膜の状態以外をそろえた対照を取り、偏りとATP生成量を別々に測り、電子伝達の指標も調べます。小胞の向きや膜量の見積もりの違い、光の当たり方のむらも誤差の原因です。観測した偏りと、そこから推定したATP合成を区別して書くことが資料問題の要点です。

間違えた場所から考え直す

誤答1は「解糖系もクエン酸回路もミトコンドリア内」です。どちらも呼吸につながるため、反応を一括して小器官の中に入れてしまったことが原因です。図3のように細胞質基質に解糖系を置き、ピルビン酸の移動を描いてからマトリックスにクエン酸回路を置くと、2つの反応をつなげられます。

誤答2は「呼吸の電子伝達系は膜間腔に浮かんでいる」です。膜間腔にH⁺が多くなることと、装置の位置を取り違えています。図3で電子伝達系を内膜に置き直し、H⁺がマトリックスから膜間腔へ移る向きを別に示します。ATP合成酵素を通る戻りの向きは反対です。

誤答3は「光を受ける反応とカルビン・ベンソン回路は両方ともチラコイド内腔で進む」です。小器官名だけを覚えて内部の膜と液状部分を分けていないことが原因です。前者に関わる装置はチラコイド膜、後者はストロマに置きます。内腔はH⁺の偏りを考えるときに必要な区画であり、回路の場所と同じではありません。

資料の誤答としては「B画分にも活性があるから、その小器官内に経路があると確定する」があります。画分名を純粋な中身の名前と思い込むと、混入の可能性が消えます。観測されたのは画分の活性であり、細胞内での厳密な位置は推定です。目印による純度の確認と、複数の分け方で得た結果を照合してから判断します。

練習：場所、移動、資料を結びつける

次の5問はすべて自作です。計算は指定された形で答えてください。各問題の条件を別々に扱います。

1. 真核細胞で、解糖系、クエン酸回路、呼吸の電子伝達系を、それぞれ細胞質基質、マトリックス、ミトコンドリア内膜のいずれかに置いてください。解糖系の生成物が次の場所へ移る例を1つ挙げてください。

2. 葉緑体のチラコイド膜を挟んで、光を受ける反応によりH⁺が多くなる側と、ATP合成酵素を通ってH⁺が移る先をそれぞれ答えてください。カルビン・ベンソン回路が進む場所も答えてください。

3. 自作の細胞モデルで、細胞質基質にあるピルビン酸 9.0 mmol のうち 5.5 mmol がマトリックスへ移りました。移動以外の増減はありません。各区画にある量を mmol で小数第1位まで求め、合計を確かめてください。

4. 細胞を分けた画分CとDに同じ基質を加え、同時間にできた生成物を測ると、それぞれ 3.0 μmol と 9.0 μmol でした。Cは主に細胞質基質、Dは主に小器官を含み、Dにも細胞質成分の混入があります。合計に対するDの割合を整数の百分率で求めてください。また、Dの小器官内部に反応があると確定できるか、理由を添えて答えてください。

5. 同じ量の膜小胞を使った自作資料で、H⁺の偏りを表す値が0分で 1、3分で 7、6分で 10 でした。横軸は時間（分）、縦軸は偏り（任意単位/単位膜量）です。0〜3分と3〜6分の平均増加量を整数で求め、どちらの区間が急か答えてください。この値からATP生成量を直接決められるかも答えてください。

解答と考え方

1. 解糖系は細胞質基質、クエン酸回路はマトリックス、呼吸の電子伝達系はミトコンドリア内膜です。解糖系でできたピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスへ移り、その後の反応につながります。膜上の装置と、膜に囲まれた液状部分を同じ名前で表さないことが判断の手がかりです。

2. H⁺が多くなるのはチラコイド内腔側で、ATP合成酵素を通って移る先はストロマ側です。カルビン・ベンソン回路もストロマで進みます。膜を挟む2つの側をまず書き、偏りを利用する向きと偏りが生じる向きを区別します。

3. 細胞質基質は 9.0 − 5.5 = 3.5 mmol、マトリックスは 5.5 mmol です。元の場面に戻すと、残った 3.5 mmol と移動した 5.5 mmol の合計は 9.0 mmol です。両方とも負ではなく、移動以外の増減がない条件に合います。

4. 合計は 3.0 + 9.0 = 12.0 μmol、Dの割合は 9.0/12.0 = 75% です。合計の 75% は 9.0 μmol、残りの 25% は 3.0 μmol となり測定値に戻ります。Dには混入があるため、小器官内部に反応があるとは確定できません。混入成分が活性の一部または全部を担う可能性があり、画分の純度や回収率を追加で調べる必要があります。

5. 0〜3分は (7 − 1)/3 = 2 任意単位/(単位膜量・分)、3〜6分は (10 − 7)/3 = 1 任意単位/(単位膜量・分) です。前の区間の方が急です。各平均増加量を3分に掛け、前の値に加えると 1 + 6 = 7、7 + 3 = 10 となります。偏りの値はATP生成量の直接測定ではないため、ATP量はこの資料から決められません。

手元に残す要点

解糖系は細胞質基質、クエン酸回路はマトリックスです。
呼吸の電子伝達系はミトコンドリア内膜にあります。
光を受ける反応の装置はチラコイド膜、炭素を固定する回路はストロマにあります。
H⁺の偏りをつくる向きとATP合成酵素を通る向きを分けます。
画分の測定値と、そこから推定した細胞内の位置を区別します。

どこで迷ったかを見分ける

白紙に細胞質基質、ミトコンドリア内膜とその両側、チラコイド膜とその両側を書き込み、反応名を置いてみてください。反応名は言えても膜の内側と外側が逆なら、名称の暗記より境界の描き直しが先です。場所は正しくても矢印がつながらない場合は、生成物と次に使われる物質を1つずつ読み直します。

個別指導では、ピルビン酸が境界を越える図を生徒自身が説明できるか、次にH⁺の移動と電子の受け渡しを別の矢印で表せるかを確かめます。画分の問題では、測定した値に印を付け、推定した位置と混入の可能性を口に出して区別します。反応場所を問う答案は、区画と境界を結ぶ物質の名前まで示すと筋道が通ります。