高校生物 ペプチド結合—アミノ酸の連結条件から結合数と水分子数を求める｜武蔵野個別指導塾

直鎖が複数ある場合の水分子数や環状鎖との違いから数えるペプチド結合です。

鎖の本数を見落とさない

よくあるのは、複数の鎖を一本として結合数を引くという場面です。アミノ酸残基の総数が与えられると、そこから1を引きたくなります。しかし、その1は「鎖全体に共通して1個」ではありません。両端をもつ直鎖では、鎖ごとに1個ずつ引く必要があります。

問いの出方には、残基数から結合数を求める型、鎖を切った後の断片数から切れた結合数を求める型、結合数から生成または消費した水の数を求める型があります。いずれも最初に、何本の鎖があり、どの結合が作られたり切れたりしたかを描くと整理できます。数えた対象が分子なのか、分子中の結合なのかも区別しましょう。

ここでの数値は説明と練習のために設定した条件です。特定のタンパク質の実測値ではありません。また、側鎖の反応や立体構造の変化は数えず、問題文で指定したペプチド結合に注目します。

つなぐ場所と端の数

アミノ酸はアミノ基とカルボキシ基をもちます。一方のカルボキシ基と他方のアミノ基が反応して結びつくと、ペプチド結合ができます。このとき水1分子が取り除かれます。こうした水を生じる結合の形成を脱水縮合といいます。結合後、鎖の一部となったアミノ酸の単位をアミノ酸残基と呼びます。

図1の丸は残基、丸を結ぶ線はペプチド結合の模式図です。線は残基どうしの結合を表し、物質の移動を示すものではありません。3個の残基を直鎖に並べると、隣り合う場所は2か所です。結合1個の形成につき水1分子が生じるので、2か所の形成では水2分子です。

図1のように、最初の残基には先行する残基との結合がなく、その後の各残基を1個ずつつなぐたびに結合が1個増えます。したがって残基が n 個の直鎖1本には、n − 1 個のペプチド結合があります。単独のアミノ酸を残基1個の鎖として数えれば、結合は0個です。

直鎖が複数あるなら、それぞれについて1を引いてから足します。残基総数を N、直鎖の本数を C とすると、結合総数は N − C 個です。C 本の各鎖に少なくとも1個の残基があり、鎖の間に数えるべき別のペプチド結合がないという条件が必要です。各鎖の長さが異なっても、この足し算は成立します。

例えば長さが p、q の2本なら、結合数は (p − 1) + (q − 1) で、p + q − 2 です。引く2は端のある鎖が2本あることを反映します。端を数えて式を点検すれば、残基の総数だけを見て1を引く誤りを避けられます。

逆にペプチド結合を加水分解すると、1結合につき水1分子が消費されます。直鎖の途中を1か所切ると、その鎖は2つに分かれます。ただし、水の数は切れた結合の数に対応します。切断後の断片の総数そのものではありません。最初から複数の鎖がある場合、元の本数も差し引きます。

基本例題：1本を作る

遊離したアミノ酸5分子が、側鎖の反応を伴わず、1本の直鎖を作ります。すべての連結がペプチド結合の脱水縮合によるとき、できる結合と生じる水はそれぞれ何個、何分子ですか。個数は整数で答えてください。

図2のように5個を並べると、結合を置く隣接箇所は4か所です。5個の丸の間を指でたどり、間を数えます。端の外側にはもう1個の残基がないので、結合を加えません。

結合数 = 5 - 1 = 4 個
水分子数 = 4 分子

別の考え方では、最初の1分子に残りの4分子を順につなぎます。1回つなぐごとに結合1個と水1分子が生じるため、やはり4個と4分子です。答えを元の場面に戻すと、5分子から1本にまとめるには4回の連結が必要で、余分な結合はありません。

この答えは、出発物が遊離アミノ酸であり、他の水を生じる反応を数えないという条件に依存します。既に結合をもつ断片同士をつなぐ問題では、最初から存在した結合数と新しく形成した結合数を分けてください。

標準例題：長さが違う3本

残基数がそれぞれ4、7、9の直鎖が1本ずつあります。鎖間のペプチド結合はありません。3本の結合総数を整数で求め、これらを遊離アミノ酸から作ったときに生じる水分子の総数を答えてください。ほかの反応は起こらないものとします。

各鎖の結合数を別々に数えます。4残基の鎖には3個、7残基の鎖には6個、9残基の鎖には8個です。

結合総数 = 3 + 6 + 8 = 17 個
水分子の総数 = 17 分子

残基総数は4 + 7 + 9 = 20個で、直鎖は3本です。別解として20 − 3 = 17個とも求められます。逆に結合17個と直鎖3本を合わせると残基20個になり、元の3本の残基数の和に戻ります。結合ごとに水が1分子生じるため、水も17分子です。

総数20から1を引くと19個になり、鎖と鎖の間を2か所、存在しない結合でつないだ計算になります。別解の式を使う前に、3本が別々であることを図や括弧で示すと誤りが見えます。

発展例題：切断と環状の比較

直鎖2本に含まれる残基の合計は18個です。これらのペプチド結合を重複なく5か所加水分解し、それ以外の結合は変化しません。切断後の断片数、残ったペプチド結合数、消費した水分子数を整数で求めてください。切断で生じた単独のアミノ酸も1断片と数えます。

初めの結合は18 − 2 = 16個です。直鎖の結合を1か所切るたびに断片が1個増えるので、2本から5回切ると断片は7個です。残る結合は16 − 5 = 11個、水は5分子です。

初めの結合数 = 18 - 2 = 16 個
切断後の断片数 = 2 + 5 = 7 個
残る結合数 = 16 - 5 = 11 個
消費した水 = 5 分子

確かめとして、切断後も残基の総数は18個です。7断片のそれぞれを直鎖として見ると、残る結合は18 − 7 = 11個です。切断前の16個に戻すには11個に切った5個を加えればよく、水5分子との対応も合います。

ここで同じ残基数の直鎖と環状鎖を比べます。例えば6残基の直鎖は5結合ですが、両端がペプチド結合でつながり、ほかに分岐のない6残基の環状鎖は6結合です。輪には端がなく、最後の残基と最初の残基の間にも結合があります。直鎖にしか成立しない「残基数 − 鎖数」を、そのまま環状鎖へ適用してはいけません。

環状鎖を1か所切ると、輪が開いて1本の直鎖になります。初めの1回は断片数を増やさず、2か所目から断片が増えます。直鎖の場合との違いは、切る前に端があるかどうかです。複数の輪や分岐を含む場合は、この単純な式に代入する前に構造を描きます。

間違いを図で直す

図3は、残基3個の鎖と残基4個の鎖を別々に数える模式図です。誤答は、合計7個から1を引いて6結合とするものです。正しくは、左の鎖に2結合、右の鎖に3結合があり、合計5結合です。

図3のように2本の間には線を引けません。7 − 1 = 6が正しいのは、7残基が実際に1本の直鎖につながっている場合です。2本をさらにペプチド結合で1か所つなげば、そこで初めて6結合の1本になります。その追加の連結では水1分子が生じます。

「加水分解後に6断片だから水6分子」とする誤答も、出発時の本数が抜けています。例えばもとの直鎖が2本なら、6断片に増えるために切ったのは4か所で、水は4分子です。もとが1本なら5か所です。断片の総数ではなく増加分が切断数に当たります。

ただし、途中で他の反応や回収損失がある実験では、この数え方を測定値へ無条件に当てはめられません。どの結合が切れたと問題が定めているか、得られた断片が全部回収されたと扱うかを先に確かめます。

資料から考える：切断の条件と測定

加水分解の条件を変えると断片の数がどう変わるかを調べる場面を考えます。同じ種類・同量の直鎖試料を分け、切断を促す処理の有無を比較します。処理の有無が独立変数、一定時間後に検出された断片の量が従属変数です。温度、時間、液量、測定方法はそろえ、処理を加えない対照も置きます。実際の実験は学校の指導の下で行います。

測定値をグラフにするときは、横軸に処理条件、縦軸に断片量とその単位を示します。個数を直接数えたのか、検出信号を換算したのかも確認します。仮に処理群の値が対照群より大きくても、検出効率が条件によって変わる可能性があります。観察した差と、ペプチド結合の切断が原因だという仮説を分けて書きましょう。

同じ条件の試料を繰り返してばらつきを見ること、装置の背景を差し引くための試料を用意することも有用です。回収しにくい小断片があると、検出された断片数は実際の断片数を下回りえます。測定の範囲外にある断片や、別の結合の切断がないと確かめられなければ、検出値だけから切断箇所を断定できません。

例えば教材条件として、同じ量の試料で対照の検出値が3、処理群が8という相対値を得たとします。観察事実は処理群の値が5高いことです。切断によって断片が増えたという説明は候補ですが、この値だけでは結合が5個切れたと結論できません。相対値は分子数そのものとは定められておらず、測定誤差も与えられていないからです。

同じ試料でも、測定前に分解が進めば条件の比較が難しくなります。試料の採取から測定までの時間をそろえ、処理以外の違いを減らします。結果の差が再現しても、それだけで切断位置までは特定できないため、別の方法で断片を調べる必要があります。

練習：まず条件を図にする

各問の数は教材の条件です。個数は整数で答え、断片は単独のアミノ酸を含むものとします。他の反応は起こらず、指定された切断は重複しません。

1. 遊離アミノ酸8分子から直鎖1本を作ります。ペプチド結合と生じる水をそれぞれ何個、何分子ですか。
2. 直鎖2本の残基数はそれぞれ6個と10個です。結合総数と、それらを遊離アミノ酸から作る際の水分子総数を求めてください。
3. 直鎖1本の12残基について、結合を3か所加水分解します。断片数、残る結合数、消費した水分子数を求めてください。
4. 直鎖4本の残基総数は25個です。結合を6か所加水分解した後の断片数と残る結合数を求めてください。
5. 分岐のない環状鎖1本が9残基からなり、隣接する残基はすべてペプチド結合でつながっています。2か所を加水分解した後の断片数と残る結合数、水分子の消費数を求めてください。

練習の答えと戻し方

1. 結合7個、水7分子です。8 − 1 = 7で、7回の連結によって8分子が1本になります。結合7個に鎖1本を加えると8残基へ戻ります。
2. 結合14個、水14分子です。各鎖は5個と9個の結合をもちます。残基総数16個から鎖2本を引いても14個で、14 + 2 = 16と元の総数へ戻ります。
3. 初めの結合は12 − 1 = 11個です。3か所切るので、断片4個、残る結合8個、水3分子です。残基12個から断片4個を引くと8個となり、残存結合と一致します。
4. 初めの結合は25 − 4 = 21個です。6か所切ると断片は4 + 6 = 10個、結合は21 − 6 = 15個です。切断後の残基25個から断片10個を引くと15個です。切った6個を戻せば初めの21個にも戻ります。
5. 環状鎖の初めの結合は9個です。最初の切断で輪が開いて1本となり、次の切断で2断片になります。残る結合は9 − 2 = 7個、消費する水は2分子です。切断後は直鎖2本なので、9 − 2 = 7個とも確かめられます。

手元に残す4行

直鎖の結合数は、残基総数から直鎖の本数を引きます。 結合1個の形成では水1分子が生じ、加水分解では水1分子を消費します。 直鎖の切断では、切った結合数だけ断片数が増えます。 環状鎖には端がなく、最初の切断で輪が開きます。

つまずいた場所を特定する

数が合わないときは、まず残基を丸、結合を線で表し、鎖ごとに囲んでみてください。式が書けても鎖の間に線を描いていれば、引く本数の意味を確認する必要があります。逆に図は正しいのに水の数だけ違うなら、形成または切断された結合と水を1対1で対応させます。

個別に確かめる場面では、同じ残基総数で1本の場合と2本の場合を描き、どの線が増減したかを説明してみます。さらに切断前後の断片数を比べ、増加分と水分子数を結びつけます。端と結合を順に数えれば、式の適用条件まで自分の言葉で説明できます。