高校化学 アミノ酸とタンパク質—定期テストで電離とペプチド結合から性質と反応を説明する｜武蔵野個別指導塾

ペプチドの末端から結合と水の数を数え、アミノ酸の電離形やタンパク質の呈色反応も確かめられます。

学校の範囲表でアミノ酸とタンパク質の位置を確かめ、授業ノートの構造式と小テストの訂正を並べてみてください。よくあるのは、アミノ酸が4個つながった鎖を見て、ペプチド結合も4個と答えてしまう場面です。部品の数と部品の間をつなぐ箇所の数は異なります。鎖の両端を描いて数えると、結合と水の数が見えてきます。

学習指導要領の化学には有機化合物と高分子化合物が含まれますが、学校で今回どこまで学ぶかは範囲表で確かめます。ここでは両性と電離、ペプチド、タンパク質の構造と検出を扱います。核酸は構成単位の概略にとどめます。

問題文で探す3種類の手掛かり

1つ目は、酸性や塩基性の条件でアミノ酸がどのような電荷を帯びるかを問う型です。カルボキシ基とアミノ基の両方に目を向け、どちらが水素イオンを受け取るか、放すかを追います。電気泳動なら、粒子の電荷と電極の符号を対応させます。

2つ目は、鎖を作るアミノ酸の数からペプチド結合や脱離した水の数を求める型です。直鎖なのか環状なのか、完全に加水分解するのかという条件が分かれ目です。質量を求める場合は、出発物質の質量を足した後、鎖の外へ出た水の質量を引きます。

3つ目は、呈色反応や変性からタンパク質の性質を説明する型です。試薬と観察された色を結び付ける際には、反応する部分も記します。色の名前だけを覚えると、別の反応と取り違えた理由が残ります。

電荷と結合を構造式で追う

アミノ酸にはアミノ基 -NH₂ とカルボキシ基 -COOH があり、両者が同じ炭素に結び付くものをα-アミノ酸といいます。側鎖を R とすると、非電離形は H₂N-CH(R)-COOH と表せます。アミノ基は水素イオンを受け取り、カルボキシ基は水素イオンを放すことができます。酸としても塩基としても振る舞う性質を両性といいます。

水溶液中では、カルボキシ基から放された水素イオンをアミノ基が受け取った形、H₃N⁺-CH(R)-COO⁻ のような双性イオンとして存在します。正と負の電荷が同じ粒子内にあり、合計の電荷は0です。電荷が0ということと、電荷を持つ部分が存在しないことは別です。

図1のように、側鎖が電離しないアミノ酸について、酸性側ではカルボキシ基が -COOH となり、全体として正に帯電しやすくなります。塩基性側ではアミノ基が -NH₂ となり、全体として負に帯電しやすくなります。実際には複数の形が共存するため、図は各条件で主になる形を示しています。

等電点は、アミノ酸などの平均の正味電荷が0になるpHです。その条件では電場中での移動は原則として見られません。等電点より酸性側では正に帯電し、負極へ向かいます。塩基性側では負に帯電し、正極へ向かいます。側鎖にも電離する基があるアミノ酸では、その電荷も数え、等電点の値を一律に決めないでください。

アミノ酸同士では、一方のカルボキシ基と他方のアミノ基が反応し、水を失って -CO-NH- というペプチド結合を作ります。これを縮合といいます。逆に水を加えて結合を切るのが加水分解です。鎖の並び順が異なれば、同じ種類と個数のアミノ酸からできても別のペプチドになりえます。

タンパク質の一次構造はアミノ酸の配列、二次構造はらせんなどの局所的な形、三次構造は鎖全体の立体的な形です。複数の鎖から成る場合、その組み合わせを四次構造と呼びます。加熱などによる変性では立体構造が変わって性質や働きが変化しますが、ペプチド結合が必ず切れるという意味ではありません。

検出では、アルカリ性で銅(II)イオンを加えるビウレット反応による赤紫色と、濃硝酸によるキサントプロテイン反応の黄色を区別します。前者は複数のペプチド結合を持つ物質で見られ、後者は芳香族アミノ酸残基を含むタンパク質などで見られます。反応が陰性だったときも、どの構造が必要かを確認します。核酸は糖、リン酸、塩基からなるヌクレオチドを構成単位とする高分子です。

基本例題：鎖の隙間から水を数える

側鎖が電離しないグリシンとアラニンを合わせて4分子、順に縮合させ、枝分かれや環のない1本の鎖を作ります。グリシン2分子とアラニン2分子を使い、途中で生じる水はすべて分離します。グリシンのモル質量を75 g/mol、アラニンを89 g/mol、水を18 g/molとします。ペプチド結合と水の分子の数、および生成物1 molの質量を整数で求めてください。

まず4個の部品を横一列に置きます。隣り合う部品の間は3か所なので、図2のように結合は3個です。両端は結び合わないという条件が、この数え方の根拠です。結合1個の生成につき水1分子が出るため、水も3分子です。

グリシン2 molの質量は 75 × 2 = 150 g、アラニン2 molの質量は 89 × 2 = 178 gです。これらから1 molの鎖を作ると、水は3 mol生じます。その質量は 18 × 3 = 54 gです。

出発物質の合計は 150 + 178 = 328 g です。水を分離した後の生成物は 328 − 54 = 274 g なので、求める値は274 gです。部品4個からできた1分子を1 mol集めた場合として、係数と単位をそろえました。

逆向きに確かめると、274 gの生成物と54 gの水を合わせて328 gになり、出発物質の質量に戻ります。結合を3か所すべて切るには水が3分子必要で、4分子のアミノ酸へ戻ります。配列はここで問われていないため、同じ個数を使う配列の違いを数える必要はありません。

この計算で 328 g をそのまま答えると、生成物の外に出た水を含めた値になります。逆に水を4分子分引くと、存在しない4番目の結合を数えたことになります。図の端に線を足していないか、計算する前に見直してください。

条件が変わる例題：直鎖と環状

同じアミノ酸Aを5分子使い、それぞれ水を失ってペプチドを作ります。Aのモル質量は100 g/mol、水は18 g/molです。場合Iは枝分かれのない直鎖1分子、場合IIは5個のAが輪になった環状ペプチド1分子とします。各場合のペプチド結合数と、生成物1 molの質量を整数で求めてください。いずれも各結合の形成で水1分子が出るものとします。

場合Iでは、5個の部品を直線上に並べると隣の間は4か所です。生成物1 molに対し、Aは5 mol、水は4 molです。出発物質は 100 × 5 = 500 g、水は 18 × 4 = 72 g なので、生成物は 500 − 72 = 428 g です。答えは結合4個、428 gです。

場合IIでは、直鎖の両端をさらに結ぶため、結合は5個です。5 molのAから水は5 mol生じ、その質量は 18 × 5 = 90 g です。生成物は 500 − 90 = 410 g、答えは結合5個、410 gです。

元に戻して検算すると、直鎖では 428 + 72 = 500 g、環状では 410 + 90 = 500 g です。完全加水分解に必要な水もそれぞれ4分子と5分子で、いずれもAを5分子回収します。環状の切れ目を1か所切った時点では直鎖になるだけで、5個の部品には分かれません。最後まで切るには、残る結合も数えます。

「アミノ酸数から1を引く」という方法は直鎖で有効ですが、環状にはそのまま使えません。問題文に両端が結ばれる条件があるかを先に読み、模式図に線を入れてから式に移します。部分加水分解なら切る結合数だけ水を使い、必ずしも単体のアミノ酸には戻らない点も区別します。

誤答を直すときの観察点

図3は、4個の部品から結合を4個と数えた答案の直し方です。誤りの原因は、部品の印を数える操作と、隣同士の間を数える操作を混同したことです。両端の間に線を引かない直鎖を描き、部品の間にある線を1本ずつ指で追えば3個になります。

別の誤りは、等電点で「プラスもマイナスもない」と書くことです。正味電荷が0であることは、正電荷と負電荷が打ち消し合う双性イオンの存在と矛盾しません。双性イオンの2つの符号を囲み、合計が0と書き添えて修正します。

また、ビウレット反応の結果を「どのアミノ酸でも赤紫色」とするのも誤りです。着目するのは個々のアミノ酸名よりペプチド結合の存在です。呈色が見られた記録からは結合に関する手掛かりを得られますが、それだけでアミノ酸の配列は決まりません。検出反応と配列の決定を混同しないでください。

変性を「加水分解で必ず単体のアミノ酸になる」と説明した場合は、熱などによる立体構造の変化と、結合を水で切る反応を別の矢印で描きます。変性後も一次構造が保たれる場合があるため、観察された変化から切断まで断定しないことが必要です。

自分で確かめる4問

次の問題は答えをまとめて後に置いています。構造を描いてから、条件と答えの単位を確認してください。

1. 側鎖が電離しないアミノ酸Bについて、酸性側で主となる形を H₃N⁺-CH(R)-COOH とします。この形の正味電荷を整数で答え、電気泳動で向かう電極を正極か負極から選んでください。
2. 異なるアミノ酸C、D、Eの各1分子を、この順に縮合して枝分かれのない直鎖を作ります。C、D、Eのモル質量をそれぞれ80、90、110 g/mol、水を18 g/molとします。生成物1 molの質量を整数で求めてください。
3. 同じアミノ酸Fが6個つながった直鎖のペプチドを完全加水分解します。必要な水の分子数と、得られるFの分子数をそれぞれ整数で答えてください。
4. あるタンパク質を含む試料でビウレット反応に赤紫色が現れました。手掛かりになる結合名を答え、この結果だけでアミノ酸配列まで決められるか説明してください。

解答と確かめ方

1. 正味電荷は +1、向かうのは負極です。アミノ基の +1 と電離していないカルボキシ基の0を足します。正に帯電した粒子は負の電極に引かれます。電荷を元の構造に戻して数えても +1 です。

2. C-D-Eの間には2か所の結合があり、水が2分子出ます。1 molの鎖について、出発物質は 80 + 90 + 110 = 280 g、水は 18 × 2 = 36 g です。生成物の質量は 280 − 36 = 244 g です。244 gに水36 gを戻すと280 gとなり、3種類の出発物質の合計に一致します。CとDの順を入れ替えると配列は別ですが、この質量は変わりません。

3. 結合は 6 − 1 = 5 個です。各結合に水1分子を使うので、水は5分子、得られるFは6分子です。逆にFを6分子並べて5か所を縮合すると、元の鎖と5分子の水に戻ります。5個という答えをアミノ酸の個数に使わないようにします。

4. ペプチド結合です。ビウレット反応は複数のペプチド結合の存在を示す手掛かりですが、並んでいるアミノ酸の種類や順序を個別に示しません。そのため、この結果だけでは配列を決められません。反応が陽性という条件へ答えを戻すと、複数の結合があるという説明と整合します。

解き終えたら、質量の問題では生成物に分離した水を足して出発物質へ戻し、電荷の問題では構造式の符号を足してください。合計が合っていても配列が合っているとは限らないため、順序を指定された問題では鎖そのものも見直します。

手元に残す要点

直鎖の結合数はアミノ酸数から1を引き、環状では閉じた箇所も数えます。
結合を作る水の数と、切るときに必要な水の数を対応させます。
等電点では平均の正味電荷が0で、双性イオンの各符号は残ります。
変性と加水分解、ビウレット反応とキサントプロテイン反応を区別します。

どこで止まったかを見分ける

水の数は合うのに質量が合わないときは、出発物質を足す式と水を引く式を分けて書いてみてください。水の数自体が合わなければ、鎖の端と結合の線に印を付け直します。図が正しく式だけ違う場合と、輪を直鎖と取り違えた場合では、直す箇所が異なります。

電気泳動の向きに迷う場合は、まず各基の電荷を数え、その合計を書いた後で電極の符号と照合します。個別指導で確認するなら、正解の電極名だけでなく、どの基の符号を足したかを本人の構造式で確かめます。結合の線と電荷の符号を残せば、答えに至る道筋を自分で点検できます。