高校生物 カルビン回路の炭素—固定と還元と受容体の再生を分子数で追う｜武蔵野個別指導塾

CO₂を3分子取り込む収支と標識資料を手がかりに受容体の再生を考えます。焦点はカルビン回路の炭素です。

カルビン回路でCO₂を3分子固定すると、炭素3個分が正味で回路の外へ出ます。その間にもともとあった受容体の炭素15個分は、受容体の再生に必要です。よくあるのは、回路でできた3炭糖リン酸をすべて糖の合成に回してしまう場面です。生じた量と、回路を続けながら取り出せる正味の量を分ければ、間違いをほどけます。

何を数える問題か

出方の1つは、CO₂の固定量から3炭素の化合物の生成量と、再生に戻る量を求める問題です。各物質の分子数を数える前に、1分子に炭素が何個あるかを確認します。単位がmolなら、炭素原子の物質量もmolで数えられます。

2つ目は、回路から取り出す量や受容体の増減が与えられ、炭素収支が成立するかを判断する問題です。入口と出口が一致しないときは、不足分を勝手に補わず、蓄積や別の経路など条件の不足を指摘します。

3つ目は、標識したCO₂を与えた後の資料から炭素の移動を考える問題です。標識の量、物質そのものの量、単位時間当たりの移動量は別の測定対象です。時点ごとの量が増えても、その物質が最初の固定産物だと単独で確定できるとは限りません。

炭素の入口と、回路を回し続けるための取り分

植物の葉緑体では、カルビン回路の反応はストロマで進みます。CO₂は炭素1個を含む無機物です。炭素固定とは、CO₂由来の炭素が有機物に組み込まれることです。受容体のリブロースビスリン酸をRuBPと呼び、その1分子は炭素を5個含みます。

固定を触媒する酵素はルビスコです。RuBP 1分子とCO₂ 1分子から生じる不安定な6炭素の化合物は、3炭素の3-ホスホグリセリン酸、略して3-PGAの2分子になります。固定前の炭素は5 + 1 = 6個、固定後は3・2 = 6個です。3-PGAが2分子できたからといって、炭素が2倍に増えたわけではありません。

続く還元では、ATPとNADPHを使って3-PGAから3炭糖リン酸がつくられます。ここではその代表をグリセルアルデヒド3-リン酸、G3Pと呼びます。還元とは電子を受け取る変化です。この段階で炭素骨格の個数は3個のままです。ATPは反応を進めるエネルギーを供給し、NADPHは還元に必要な電子を供給します。ATPやNADPHを、CO₂に代わる炭素の入口として数えてはいけません。

図1のように、3分子のCO₂を基準にすると、3分子のRuBPから6分子のG3Pに至ります。そのうち5分子を再生に回すと、3分子のRuBPを再び用意できます。1分子分が正味で回路の外に出て、糖などの材料になります。回路の外に出ることと、ただちにグルコース1分子ができることは同じではありません。

固定前はRuBPに15個、CO₂に3個の炭素があり、合計18個です。還元後のG3P 6分子にも18個あります。再生に使うG3P 5分子には15個、取り出す1分子には3個があり、18個の行き先が決まります。これは出入り以外の炭素の蓄積がなく、受容体量が元に戻る収支モデルです。現実の葉で常に分子がきっちり6個ずつ一斉に移動するという意味ではありません。

光反応でつくられたATPとNADPHを回路が利用するため、光が直接反応物にならないことと、光の影響を受けないことは違います。暗くした直後も蓄えがある間は反応が進む可能性がありますが、長く同じ速度で続くとは限りません。炭素の出入りを追うときは、エネルギー供給が十分かという条件も横に書き添えます。

基本例題：18分子のCO₂を受け取る

自作のモデルで、回路ははじめと終わりに同じ量のRuBPをもち、固定した炭素はG3Pの取り出しに使われるとします。18分子のCO₂を固定するとき、生成する3-PGA、還元後に生じるG3P、RuBPの再生に回るG3P、正味で取り出すG3Pはそれぞれ何分子ですか。答えは整数で示します。固定以外の出入りや蓄積はないものとします。

まず、CO₂ 1分子がRuBP 1分子と反応して3-PGA 2分子になるので、18分子なら3-PGAは36分子です。還元で3炭素の骨格を保つため、G3Pも36分子になります。ここで36分子を全部取り出すと、RuBPの再生に使う炭素が残りません。

図2では3分子のCO₂を1組として、6組に拡大しています。1組につきG3P 5分子が再生に必要で、1分子が正味で取り出されます。式は次のとおりです。

18/3 = 6 組
3-PGAの生成量 = 2・18 = 36 分子
G3Pの生成量 = 36 分子
再生に使うG3P = 5・6 = 30 分子
取り出すG3P = 36 - 30 = 6 分子

答えは順に36分子、36分子、30分子、6分子です。検算では、再生に回る炭素は30・3 = 90個で、18分子のRuBPに含まれる18・5 = 90個と一致します。取り出した炭素も6・3 = 18個で、入ったCO₂の炭素18個に戻ります。再生分と取り出し分を合わせた36分子は、生成したG3Pの総数にも一致します。

別の解き方では、固定したCO₂の炭素18個が正味の取り出しに回るので、18/3 = 6分子と先に求めます。36分子から差し引けば再生分は30分子です。この方法は受容体量が元に戻り、ほかの出入りと蓄積がないという条件があって初めて使えます。

標準例題：再生が足りない収支を見抜く

自作資料として、ある区間にCO₂ 12 mmolが固定され、生成した3-PGAはすべてG3Pになったとします。そのうちG3P 5 mmolを回路から取り出し、残りをすべてRuBP再生に使いました。回路内のほかの炭素の蓄積・流出入はなく、再生に使った炭素はすべてRuBPになります。区間の最初と最後でRuBPの炭素量は何mmol増減しますか。整数と増減の方向で答えます。

12 mmolのCO₂が固定されるとG3Pは24 mmolです。5 mmolを取り出したので、再生に回るのは19 mmol、炭素は57 mmolです。固定に使われたRuBPは12 mmol、炭素は60 mmolですから、再生されたRuBPに含まれる炭素は固定に使った分より3 mmol少なくなります。

G3Pの生成量 = 12・2 = 24 mmol
再生に回るG3P = 24 - 5 = 19 mmol
RuBPの炭素の変化 = 19・3 - 12・5 = -3 mmol

答えは3 mmolの減少です。初めに反応に使う12 mmolのRuBPが存在するという条件の下では、区間末の炭素量は負になりません。物質量で考える場合も、物質量そのものが負にはならず、負号は変化量の減少を表します。再生されたRuBPは57/5 = 11.4 mmolです。物質量は個々の分子を分割した数ではありません。

結果を条件へ戻すと、最初のRuBP由来60 mmolとCO₂由来12 mmolの合計72 mmolが、取り出し15 mmolと再生57 mmolに分かれます。合計は72 mmolなので整合します。RuBP量が一定だと誤って仮定すると、正味で取り出せるのは4 mmolとなり、問題で与えられた5 mmolと食い違います。一定かどうかは計算の前提であって、回路という名前から自動的に決まる条件ではありません。

発展例題：標識の時間変化を読む

自作の資料です。同じ種類・量の光合成細胞を用い、照度、温度、CO₂濃度を一定に保ちます。炭素の一部を標識したCO₂を与え、別々の試料について一定の時刻に反応を止めて各物質を分離し、標識された炭素の量を測りました。横軸は標識開始からの時間、単位は秒です。縦軸は試料1個当たりの標識炭素量、単位は任意単位です。以下の値は説明用に作ったもので、実測値ではありません。

2秒から5秒の区間で、それぞれの標識炭素量の平均増加を1秒当たり何単位と読めますか。小数第1位まで示し、この資料が反応経路について支持することと、これだけでは決められないことを1つずつ答えます。

3-PGAは3秒間に7単位増えるので7/3 = 約2.3単位/秒です。G3Pは同じ区間で5単位増えるので5/3 = 約1.7単位/秒です。検算すると、丸める前の増加率に3秒を掛けた値はそれぞれ7単位と5単位で、表の差に戻ります。これは各物質に蓄積した標識の平均増加率であり、固定や反応を通過する全炭素の速度を直接測った値ではありません。

早い時点で3-PGAに多くの標識が見られ、後にG3Pにも標識が増える結果は、CO₂由来の炭素が3-PGAを経てG3Pに移る経路と整合します。ただし3-PGAの標識が多いことだけでは、ほかの物質を経由しなかったことや、反応の順番を一意に証明できません。物質ごとの総量、分離・回収の効率、各時点のばらつきも必要です。標識割合と標識の総量を取り違えれば、物質量が変化した場合に誤った比較をします。

仮説は「固定された炭素が3-PGAを経てG3Pに移る」です。比較には標識を与えない対照を置き、背景の信号を見積もります。変えるのは標識を与えてから反応を止めるまでの時間で、試料量、照度、温度、CO₂濃度、分離と測定の条件はそろえます。各時刻で複数の試料を測ってばらつきを確かめ、回収率も調べます。反応停止の遅れや分離の不完全さは短い時間の比較をゆがめます。こうした実験は設備と安全管理を備えた学校の指導の下で扱います。

測定が途中で失敗した試料を0として扱うと、グラフは実際には不明な点まで下がります。測定失敗は欠測と記録し、再測定の可否を確認します。2点を直線で結んでも途中の経過を直接観測したことにはならず、区間平均から瞬間の速度を断定できません。

誤答の原因を炭素の行き先から直す

基本例題で「36分子できるので、36分子すべてを糖の材料にできる」と答えたとします。原因は、還元で生じた総量を正味の取り出し量と混同したことです。図3のように、生成したG3P 36分子のうち30分子を再生に回さなければ、使用した18分子のRuBPに相当する炭素を戻せません。残る6分子が取り出し量です。

別の誤りは、3分子のCO₂から3分子のG3Pが正味で得られるとすることです。分子数はどちらも3ではなく、炭素3個をもつG3Pが1分子です。CO₂ 1分子とG3P 1分子には、それぞれ炭素が1個と3個あります。分子数を直接等しくせず、炭素の個数を経由して換算します。

一方、固定量と取り出し量の差が必ず再生不足になるとも限りません。ほかの中間体が蓄積したり別の経路に炭素が出入りしたりすれば、差の行き先は変わります。問題文にそれらを無視する条件があるか確認してから、不足をRuBPの増減に結び付けます。条件が欠ける場合の答えは「一意には求められない」です。

練習：数と条件の両方を確かめる

次の5問は自作です。物質量については与えた値を正確な値とし、指定の形で答えてください。各問の後半には、条件が異常または不足している場合を置きます。問題を先に解いてから、下の解答と照らします。

1. 受容体量が一定で、ほかの出入りと蓄積がないモデルで、CO₂を0.30 mol固定しました。正味で取り出すG3Pをmol単位、小数第2位まで求めます。別の資料に取り出し量0.20 molと書かれている場合、同じ条件と両立するかも答えます。
2. 同じ収支モデルでG3Pを正味0.40 mol取り出しました。固定されたCO₂と、再生に用いたG3Pをそれぞれmol単位、小数第2位まで求めます。固定量の記録が負の値だった場合の扱いも答えます。
3. CO₂ 9 mmolを固定してG3P 18 mmolを生じ、そのうち4 mmolを取り出しました。残りをすべてRuBP再生に使い、ほかの出入りや蓄積はありません。固定に使ったRuBPは9 mmolです。RuBPの炭素量の増減をmmol単位の整数で求めます。もし残りの一部が別の物質として蓄積するなら、同じ答えに決められるかも述べます。
4. 標識CO₂を与えた自作資料では、ある物質の標識炭素量が3秒で4単位、7秒で14単位でした。試料量は各時刻で同じです。3秒から7秒の平均増加率を単位/秒で小数第1位まで求めます。7秒の測定が失敗し、14単位という値が得られていなかった場合はどう扱いますか。
5. 2分子のG3Pから6炭素の糖1分子をつくると仮定します。受容体量が一定でほかの出入りや蓄積がない条件で、CO₂を24分子固定したとき、糖を最大何分子つくれますか。整数で答えます。別途、固定したCO₂が同じ24分子で正味G3Pが10分子と記録された場合、この収支モデルで成立するかを答えます。

練習の答えと解き方

1. 0.10 molです。固定された炭素は0.30 molで、G3P 1 molに炭素は3 molあるため、0.30/3 = 0.10 molです。逆に0.10・3 = 0.30 molの炭素となり、固定量に戻ります。0.20 molのG3Pには炭素が0.60 mol含まれるので、受容体量一定かつ他の出入りと蓄積がないという条件とは両立しません。実験そのものが不可能と決めるのでなく、記録やモデルの条件を確かめます。

2. CO₂は1.20 mol、再生に用いるG3Pは2.00 molです。正味のG3P 0.40 molは3炭素をもつので、固定炭素は0.40・3 = 1.20 molです。生成するG3PはCO₂の2倍の2.40 molで、そこから0.40 molを引くと2.00 molです。逆に再生分2.00 molの炭素6.00 molは、固定に使ったRuBP 1.20 molの炭素6.00 molと一致し、全生成量も2.00 + 0.40 = 2.40 molに戻ります。負の固定量はこの問題の物質量として不適切です。減少を表す符号との混同や記録の誤りを確認します。

3. 炭素3 mmolの減少です。再生に回るG3Pは18 − 4 = 14 mmolなので炭素42 mmol、固定に使ったRuBPには9・5 = 45 mmolの炭素があります。42 − 45 = -3 mmolです。取り出しの12 mmolと再生の42 mmolを足すと54 mmolで、固定前の45 mmolとCO₂由来の9 mmolに戻ります。残りの一部が別の物質に蓄積するなら、再生に実際に使われた量が不明になるため、RuBPの増減をこの値に決められません。

4. 2.5単位/秒です。増加は14 − 4 = 10単位、経過時間は7 − 3 = 4秒です。10/4 = 2.5単位/秒で、2.5・4 = 10単位と元の差に戻ります。7秒の測定に失敗した場合は欠測です。0や推測値を代入して傾きを出さず、必要な値を測り直せるか確認します。

5. 4分子です。固定された炭素は24個なので、正味のG3Pは24/3 = 8分子です。その2分子から糖1分子ができる条件より、8/2 = 4分子です。糖4分子の炭素は4・6 = 24個となり、固定量に戻ります。G3P 10分子なら炭素は30個となり、固定された24個を6個上回ります。受容体量一定かつほかの出入りと蓄積がないモデルでは成立しません。

覚えておくこと

• CO₂の炭素は固定でRuBPに組み込まれ、3-PGAに移ります。
• CO₂ 3分子につき、G3P 6分子のうち5分子分がRuBP再生に回ります。
• 正味で出るG3P 1分子の炭素3個は、固定したCO₂ 3分子分です。
• 正味の式は受容体量が一定で、ほかの出入りや蓄積がない条件で使います。
• 標識量の増加率は、そのまま反応全体を流れる炭素の速度ではありません。

答えのどこで立ち止まるか

答えが合わないときは、まず物質の分子数と炭素の個数を別の行に書いてみます。生成量と正味の取り出し量が同じになっていれば、再生に必要な分を戻していない可能性があります。収支が合うのに資料の結論を誤る場合は、測定した標識量と推定した反応速度を区別できているかを確認します。

個別指導では、CO₂ 3分子を基準とした図に、各矢印の分子数と炭素数を自分で書き込んでもらい、受容体量が増減する条件へ変えたときにどの式が使えなくなるかを確かめます。生成物の行き先まで追えば、回路が続く条件を数字で説明できます。