高校生物 葉緑体のATP合成—チラコイド膜の内外とプロトンの向きを対応させる｜武蔵野個別指導塾

水の分解、電子伝達、ATP合成を膜の両側に置き、実験資料から追う鍵はプロトン勾配です。

葉緑体ではチラコイド内腔にプロトンが蓄積し、その一部がATP合成酵素を通ってストロマへ戻るとき、ATPが合成されます。よくあるのは、葉緑体にも膜間腔へプロトンがたまると描く場面です。呼吸で覚えた名称をそのまま持ち込むと、正しい矢印を引いていても、異なる膜の両側を結んでしまいます。

どの膜を横切る問いか

出題の1つ目は、葉緑体の断面に水分解、プロトンの移動、ATP合成の場所を書き込む型です。葉緑体を包む膜と、その内部のチラコイド膜を区別してから、矢印の始点と終点を指定します。膜の名前がない「内側」「外側」だけでは、どちらの場所か定まりません。

2つ目は、膜を隔てたプロトン量の収支を数える型です。電子伝達に伴う移動と水分解による供給を足し、ATP合成酵素を通る流出や漏れを引きます。与えられた量が濃度なら、区画の体積も必要です。分子数と濃度は同じ量ではありません。

3つ目は、光の有無や膜の状態を変えた資料から、ATPの増え方を説明する型です。光の効果と膜を隔てた差の効果は、実験の条件によって切り分けられます。ただし、ATPが増えないという結果だけで、膜の破損、酵素の不活性、材料不足のどれかに原因を決めることはできません。

内腔とストロマに線を引く

葉緑体を囲む外膜と内膜の間には膜間腔があります。一方、葉緑体の内部にある袋状のチラコイドは、その膜によって内腔とストロマを隔てています。光合成の電子伝達とATP合成に注目するときに描く境界はチラコイド膜です。葉緑体の膜間腔とチラコイド内腔は、異なる2つの空間です。

図1のように、水の分解は内腔側にプロトンを供給します。また、光を受けて進む電子伝達に伴い、ストロマ側から内腔側へプロトンが移ります。これらが差を作る向きです。内腔からストロマへATP合成酵素を通って戻る向きは、差を利用する向きです。図の2本の矢印は同じ種類の粒子を示しますが、役割は逆です。

水の分解では、水から取り出された電子が光化学系Ⅱに補給され、酸素も生じます。電子は伝達体を経て光化学系Ⅰへ渡り、最終的にNADP⁺の還元につながります。電子の移動とプロトンの移動はつながっていますが、電子そのものが内腔にたまるという説明にはなりません。水の分解と、膜を横切る移動も区別します。前者は内腔側での供給であり、後者はストロマから内腔への移送です。

内腔側にプロトンが相対的に多くなると、膜を隔てた差にエネルギーが蓄えられます。膜がその差を保つため、プロトンはどこからでも自由に往復できるわけではありません。ATP合成酵素を通る戻りと、ADPと無機リン酸からのATP合成が結び付きます。この仕組みを化学浸透といいます。ATPはストロマ側で作られ、炭素固定に必要な反応にも使われます。

厳密には膜の両側の電気的な差も関わりますが、以下の問題は、与えられたプロトン量と移動方向に着目する単純化したモデルです。プロトンが1個戻るたびにATPが何個できるかは、問題で与える条件です。生物の種類や測定条件を超えて、固定値として暗記しません。

呼吸との比較でも、膜の名前を先に書きます。ミトコンドリアでは内膜を隔てて膜間腔側にプロトンが蓄積し、ATP合成酵素を通ってマトリックス側へ戻ります。葉緑体ではチラコイド内腔側からストロマ側へ戻ります。「小器官の外へ出る」といった大まかな図では対応を判定できません。

基本例題：内腔に残る量を数える

次の数値は学習用に作った条件です。あるチラコイドのモデルでは、初め内腔にプロトンが20 nmolあります。一定時間に、水の分解で内腔に6 nmolが加わり、電子伝達に伴いストロマから18 nmolが移動しました。同じ時間にATP合成酵素を通って内腔からストロマへ12 nmolが移り、それ以外の出入りはありません。ATP合成酵素を通ったプロトン4 nmolにつきATPが1 nmol合成されると仮定します。時間の終わりの内腔のプロトン量と、合成されたATPの量を、それぞれ整数でnmol単位まで求めてください。

図2のように、初めの量を出発点にし、内腔に入るものを足して、出ていくものを引きます。水の分解による供給は、ストロマからの移動量には含めません。ATP量は、内腔に残った量ではなく、酵素を通過した量から求めます。

内腔の最終量 = 20 nmol + 6 nmol + 18 nmol - 12 nmol
内腔の最終量 = 32 nmol
ATP合成量 = 12 nmol / 4
ATP合成量 = 3 nmol

答えは内腔のプロトン32 nmol、ATP 3 nmolです。元の条件に戻すと、内腔への供給は合計24 nmol、流出は12 nmolですから、初めより12 nmol増えています。酵素を通る量も3 nmolのATPに4を掛ければ12 nmolに戻ります。両方が一致するかを調べると、流入の合計をそのままATP量にする誤りを見つけられます。

この計算は期間中の出入りを集計したものです。終点の量が32 nmolであっても、ストロマ側の量や区画体積を与えられていなければ、両側の濃度差を数値で求めることはできません。また、初めに内腔にあった20 nmolのうち何割が酵素を通ったかも、混ざった粒子の区別がないため求められません。

標準例題：一定時間の変化を比べる

同じ量のチラコイドを含む2つの試料A、Bについて、自作の測定資料を考えます。どちらも膜は保たれ、ADPと無機リン酸は十分にあります。Aは光を当て、Bは暗所に置きます。開始時から2分後までのATP量の増加は、Aが8 nmol、Bが2 nmolでした。光以外の条件は同じで、測定中の増加はそれぞれ一定の割合だったとします。1分当たりの増加量と、AからBを引いた値を、小数第1位までnmol/分で求めてください。

Aの増加速度 = 8 nmol / 2分 = 4.0 nmol/分
Bの増加速度 = 2 nmol / 2分 = 1.0 nmol/分
差 = 4.0 nmol/分 - 1.0 nmol/分 = 3.0 nmol/分

答えはAが4.0 nmol/分、Bが1.0 nmol/分、差が3.0 nmol/分です。それぞれに2分を掛けると8 nmolと2 nmolに戻ります。別の見方では、2分間の差6 nmolを2分で割っても3.0 nmol/分です。グラフにするなら横軸は開始後の時間、単位は分、縦軸は開始時からのATP増加量、単位はnmolです。各直線の傾きが増加速度であり、縦軸の値そのものとは異なります。

暗所でも増加がある条件なので、光を当てた側の8 nmolをそのまま光による増加分とするのは誤りです。一方、差3.0 nmol/分はこの条件での差であって、光による電子伝達だけの速度を直接測った値ではありません。暗所でも初めから存在する差が一時的に使われる可能性があります。時間を延ばしたとき同じ速度が続くとも、この2点だけでは言えません。

対照を置く意義は、光を変えない場合にも起こる変化を比較できることです。試料の量、温度、測定時間、出発時のATP量と基質の供給をそろえます。測定器の背景値が違えば差に見かけの偏りが生じるため、試料を含まない測定や繰り返しで誤差を調べます。差が小さく測定のばらつきと同程度なら、数字の大小だけで効果を断定できません。試料を扱う実験は学校の指導の下で行います。

発展例題：差があっても合成できない場合

次も自作の条件です。3つの試料には同じ量のチラコイドと十分なADP、無機リン酸を用意します。開始時の内腔側のプロトン濃度がストロマ側より高い試料PとQ、両側が等しい試料Rを、すべて暗所に置きます。PとRの膜とATP合成酵素は正常です。Qは膜が差を保つ一方、ATP合成酵素が働かないとします。ほかのATP生成やプロトンの漏れは無視します。短時間のATP増加量はPが6 nmol、Qが0 nmol、Rが0 nmolでした。どの比較が何を示し、0という結果からどこまで言えるでしょうか。答えは文章で示してください。

PとRは酵素の条件が同じで、開始時の濃度差が異なります。PではATPが増え、Rでは増えていないので、このモデルでは開始時の差がATP合成に使われたと解釈できます。光がなくても、あらかじめ作られた差が残っていれば短時間の合成は可能です。これは光が差を作る際の役割を否定するものではありません。

PとQは開始時に差があり、酵素の働きが異なります。Qの増加が0という条件は、差があってもATP合成酵素が働かなければ、このモデルではATPが増えないことを示します。Qの0だけを見て、差がなかったと結論してはいけません。別の実験で0が出た場合も、基質不足や膜の損傷、ATPの消費が同時に起こった可能性を考える必要があります。

実測で同じ設計を検討するなら、ATP量に加えて膜を隔てた差を独立に調べることが大切です。差の測定が不安定ならATPの変化と対応づけることができません。測定開始までの時間差、試料ごとの膜の状態、試薬の影響をそろえ、複数回の測定でばらつきを見ます。もしRにもATPの増加が見られれば、ほかの生成経路を無視する仮定や開始時の差の測定を再検討します。都合の悪い値を消さず、どの条件が崩れたかを調べます。

誤答の矢印を直す

図3のように、「葉緑体の膜間腔へ蓄積」と書いた答案は、膜を取り違えています。原因は、呼吸の図にあった膜間腔という名称を、葉緑体のチラコイドにも移したことです。葉緑体の外膜と内膜、さらにチラコイド膜を描き分け、チラコイド内腔を蓄積側として書き直します。

「ATP合成時にストロマから内腔へプロトンが流れる」も逆向きです。差を作る移送と、差を使う酵素を通る戻りを同じ矢印にしたことが原因です。ATP合成酵素の位置を膜上に置き、内腔からストロマへの矢印を別に引きます。電子伝達に伴う移送は反対向きに残します。

「水の分解でできた電子が内腔にたまる」という答案では、電子とプロトンが混ざっています。水由来の電子は伝達の経路に入り、プロトンは内腔側に供給されます。粒子の記号を矢印ごとに書けば、何が移動し、何が供給されるのかを区別できます。なお、水分解は膜の片側にプロトンを生じさせる過程であり、ストロマからの膜を横切る移動ではありません。

自分で確かめる5問

以下はすべて自作の条件です。計算結果は指定した単位と形で答えてください。

1. チラコイド内腔へ電子伝達に伴いプロトンが移動する向きと、ATP合成酵素を通る向きを、各々の始点と終点で答えてください。
2. 内腔の初めのプロトン量が15 nmolで、水分解により4 nmolが加わり、ストロマから11 nmolが移動し、酵素を通って7 nmolが出ました。ほかの出入りはありません。終わりの量を整数のnmolで求めてください。
3. あるモデルでATP合成酵素を通るプロトン5 nmolにつきATPが1 nmolできるとします。酵素を通ったプロトンが35 nmolなら、ATPは何nmolできますか。整数で答えてください。
4. 開始時から3分間のATP増加量が、光を当てた試料で21 nmol、暗所の対照で6 nmolでした。各々の増加速度とその差を、nmol/分で小数第1位まで求めてください。試料量と他の条件は同じで、増加速度は一定とします。
5. 内腔とストロマの間に開始時の濃度差がある暗所の試料で、ATP量が増えませんでした。差が存在したことは独立に確認されています。ATP合成酵素が正常かどうかは未確認です。この結果に両立する原因を2つ挙げ、それらを区別するために何を確かめるか答えてください。

解答と考え方

1. 電子伝達に伴う移動はストロマから内腔へ向かいます。ATP合成酵素を通る移動は内腔からストロマへ向かいます。2つの始点と終点を入れ替えているか、膜にまたがる矢印で確かめます。

2. 15 nmol + 4 nmol + 11 nmol − 7 nmol = 23 nmolです。終わりの量は23 nmolです。増加分は8 nmolであり、供給15 nmolから流出7 nmolを引いた結果と一致します。与えられた量は非負で、流出後の残量も負になりません。

3. 35 nmol / 5 = 7 nmolです。ATPは7 nmolできます。7 nmolに仮定の係数5を掛けると、通過した35 nmolに戻ります。この係数はこの設問の条件であり、すべての葉緑体に使える数値ではありません。

4. 光を当てた試料は21 nmol / 3分 = 7.0 nmol/分、対照は6 nmol / 3分 = 2.0 nmol/分です。差は5.0 nmol/分です。それぞれに3分を掛ければ21 nmol、6 nmolに戻り、差も15 nmolに戻ります。測定されたのはATPの増加量で、差は対照から計算した値です。

5. ATP合成酵素が働かない場合と、ADPまたは無機リン酸が不足する場合が考えられます。酵素の働きと基質の量をそれぞれ別に確かめます。また、ATPの合成と消費が同じ量だけ同時に進めば、合成があっても正味の増加は0です。増加量だけではこれらを区別できません。確認後も原因が残る場合は、測定誤差や膜の状態など別の条件を調べます。

覚えておくこと

チラコイド膜は内腔とストロマを隔てます。 水分解と電子伝達は内腔側へのプロトン蓄積に寄与します。 ATP合成酵素を通る戻りは内腔からストロマへの向きです。 収支は初めの量に供給を足し、流出を引きます。 ATP量への換算と実験の結論には与えられた条件が必要です。

図を描き直すときの確認

個別指導では、葉緑体の外形から描いてもらい、チラコイド膜の両側に内腔とストロマを置けるかを確かめます。膜間腔を書いた場合は、どの2枚の膜に挟まれた空間かを指でたどり、チラコイド内腔との差を説明してもらいます。次に、電子伝達に伴う移動とATP合成酵素を通る戻りを別々に描き、その始点と終点を言葉にします。

計算で止まる場合は、内腔の初めの量、加わる量、出る量を3欄に分けます。答えを出した後、差し引きした増加量が元の供給と流出に戻るかを確認します。実験の読み取りで止まる場合は、測定したATP量と、そこから推定した原因を別に書きます。プロトンの居場所と矢印がそろえば、ATP合成の説明は筋道を持ちます。