共通テスト生物基礎の酵素と代謝｜対照実験から反応が変わった条件を絞る｜武蔵野個別指導塾

温度と試料量が異なる表を読み直し、対照実験とATPの役割から条件を絞る酵素の見方を育てます。

よくあるのは、温度も試料量も違う実験を比べた表の前で、「反応が大きいのは温度が高いから」と結論を書きかける場面です。温度が影響した可能性はありますが、試料量の違いも結果に関わり得ます。どちらの条件が効いたかを絞るには、比べる行の選び方が必要です。酵素の名前を覚えるだけでなく、何を変え、何をそろえたかを表に戻って確認しましょう。

比較する行を探す

資料の読み取りには、主に3つの型があります。1つ目は、酵素を含む試料の量や基質の量をそろえ、温度だけが異なる組を探す型です。反応時間や液の性質もそろっていれば、その組の差を温度の違いと結びつけて考えられます。

2つ目は、酵素を加えた試料と加えない試料を比べる型です。酵素を加えない側は、酵素以外の条件でも生成物が生じるかを見る対照になります。対照を設けても、試料の量や温度が異なれば、その差を酵素の有無に限って説明できません。

3つ目は、反応前に加熱した試料と加熱していない試料を、同じ温度に戻してから比べる型です。反応中の温度と、前処理としての加熱を区別します。加熱後に反応が小さくても、その結果だけで酵素の分子が消えたと決めることはできません。加熱によって立体構造が変化し、働きを失った可能性を考えます。

表の数値が大きい行を選ぶ前に、単位と測定時間を見ます。生成物の量が多いことと、単位時間あたりの生成量が多いことは同じではありません。以下の値は考え方を確かめるための自作データです。

酵素が働く場所と条件

生物の体内で起こる化学反応の集まりを代謝といいます。物質を合成する反応も分解する反応も代謝に含まれます。酵素は反応を進みやすくする触媒で、多くはタンパク質です。反応する物質を基質と呼び、酵素には作用する基質を選ぶ性質があります。図1のように、酵素と基質の組み合わせを確認してから、生成物の変化を読みます。

酵素は反応の前後で触媒として働きますが、基質は反応によって別の物質に変わります。試験管に入れた物質が何か、測定したのが残った基質か生成物かを取り違えると、増減の意味も逆になります。生成物の量が増えたという記録から、基質が増えたと読むことはできません。

温度は酵素が働く速さに影響します。温度が低いと反応が遅くなることがあり、一定の範囲では温度の上昇に伴って速くなることもあります。一方、高温によって酵素の立体構造が変化すると、働きを失う場合があります。これを失活といいます。冷やして反応が遅い状態と、加熱によって失活した状態は同じではありません。失活が起きる温度や、最もよく働く温度は酵素や条件によって異なるため、表にない値を一般化しません。

基質の量も反応に関わります。酵素量が一定のとき、基質を増やすと反応が速くなる範囲がありますが、十分に基質がある条件では、さらに増やしても速さがほとんど変わらない場合があります。これは与えられた資料の範囲で判断します。基質が多ければどんな場合も必ず反応量が比例して増える、と決めてはいけません。

ATPは、細胞内でエネルギーの受け渡しに使われる物質です。ATPが分解されるときに放出されるエネルギーは、物質の合成などに利用されます。呼吸などで得られるエネルギーを利用してATPがつくられ、そのATPを別の反応に使うことができます。酵素は反応を進みやすくする役割であり、ATPそのものを意味しません。ATPがあるから酵素が不要になるという関係でもありません。

基本例題：温度をそろえる行と変える行

ある酵素を含む液について、同じ基質の溶液を用い、各条件で5分間に生じた生成物の量を測りました。液の性質と全体の体積は同じです。酵素液の量が異なるときは、水を加えて全体の体積をそろえました。加熱などの前処理はありません。次の表は自作の測定値です。

温度だけの違いを調べる組を選び、生成物の差を整数のmgで求めます。また、酵素液の有無を比べる組を選びます。なお、酵素液の有無に伴って水の量は変わりますが、全体の体積は同じです。

図2のように、AとBでは酵素液と基質液の量、反応時間、全体の体積、液の性質が共通です。変えている条件は温度です。BとCでは温度は共通ですが、酵素液の量が異なります。AとCでは温度と酵素液の量の両方が異なり、温度の効果を単独では絞れません。

AとBを選び、差は次のように求めます。

10 mg − 6 mg = 4 mg

したがって、この条件では30 ℃のBが20 ℃のAより4 mg多く生成しました。差を元の表に戻すと、Aの6 mgに4 mgを加えてBの10 mgになります。5分間という測定時間は両方で同じですから、この組では生成量の大小をそのまま比較できます。ただし、この2温度の結果から、30 ℃がこの酵素にとって最もよい温度だとは言えません。他の温度を測っていないからです。

酵素液の有無はBとDで比べます。温度、基質液、時間などが同じで、酵素液はBに2 mL、Dに0 mLです。Dにも1 mgの生成物があるため、酵素を含まない条件でも測定値が0とは限らないと読みます。Bとの差は10 mg − 1 mg = 9 mgです。この差は、与えられた条件で酵素液を加えた場合の増加を表します。酵素液に酵素以外の成分が含まれる可能性まで厳密に調べるなら、別の対照も必要です。

一段進める：前処理と反応中を分ける

同じ酵素液を2 mLずつ分け、片方は加熱せず、もう片方は高温で一定時間加熱しました。両方をその後25 ℃にそろえ、同じ量の基質液を加え、その他の条件も同じにして4分間の生成物を測りました。自作データは、加熱なしが12 mg、加熱後が2 mgです。酵素液と基質液を含まない対照の値は、同じ測定方法で0 mgでした。差を整数のmgで求め、結果から言えることを述べます。

12 mg − 2 mg = 10 mgです。戻して確かめると、加熱後の2 mgに差の10 mgを加えれば加熱なしの12 mgです。反応中は両方とも25 ℃なので、測定時の温度の違いを原因とはできません。前処理の加熱によって酵素の働きが低下したと考えられます。

ただし、対照には基質液も入っていません。測定の背景値を知る手がかりにはなりますが、基質液を加えた場合に酵素なしでどの程度生成物が生じるかは示していません。また、この結果だけで、残りの2 mgのすべてが失活を免れた酵素によると断定できません。基質液は含むが酵素液を加えない対照を用意すると、その点をさらに調べられます。

前処理後の試料を同じ温度に戻さず、高温のまま測ったならどうでしょうか。加熱による失活と、反応中の温度の違いが同時に変わるため、結果の差をどちらか一方に絞れません。比較できない表に出会ったときは、答えを無理に選ぶのではなく、追加すべき組を考えます。

間違いをほどく

「AとCでは生成物が12 mg違うので、20 ℃から30 ℃への上昇で12 mg増えた」という答えは、数の引き算自体は18 mg − 6 mg = 12 mgで合っています。しかし原因の結びつけ方が誤りです。図3のように、この2行は温度と酵素液の量が違います。温度の比較には、酵素液の量が同じAとBを選び直します。

別の誤りは、5分間の生成物10 mgを「1分間に10 mg」と読むことです。5分間全体の平均を求めるなら、10 mg ÷ 5分 = 2 mg/分です。ただし、平均が2 mg/分でも、各1分で必ず2 mgずつ生じたとは限りません。時間ごとの変化が示されていないためです。

また、生成物が少ない結果を見て「基質がなかった」と決めるのも早すぎます。基質の有無は条件欄で確認し、あった場合は酵素の量、温度、前処理などを検討します。表に記載がなければ、基質があったともなかったとも言い切れません。原因の候補と、資料から確定できることを分けて書きます。

条件が欠けた表では、反応が大きかった理由を1つに決められないことがあります。たとえば反応時間が不明なら、長く反応させたために生成物が多くなった可能性を除けません。試料を取り違えたときも、結果を都合よく修正せず、条件をそろえて測り直す必要があります。測定器の故障や記録の欠落があれば、その値を使って差を計算する前に、正しい測定値が得られているか確かめます。資料が示さない条件を自分で補わず、結論を保留することも読み取りの一部です。

自分で選ぶ4問

次の問題はそれぞれ独立した自作の条件です。液の性質と全体の体積は各問の中で共通で、指定した条件以外は同じとします。量の答えは整数と単位で示し、理由を短く添えます。

問1

同じ酵素液3 mLと基質液5 mLを用い、6分間に生じた生成物を測りました。15 ℃では9 mg、25 ℃では15 mgでした。温度を比べる組として適切かを答え、生成物の差を求めます。

問2

同じ基質液を用い、反応温度と時間をそろえました。酵素液を入れた容器では生成物が14 mg、酵素液を入れず水で体積をそろえた容器では2 mgでした。2つの測定値の差を求め、後者を設ける目的を述べます。

問3

同じ酵素液を分け、一方を加熱し、他方は加熱しませんでした。加熱後、両方を同じ温度にそろえてから、同じ量の基質液を加えました。3分間の生成物は加熱した方が3 mg、加熱しなかった方が11 mgです。差を求め、加熱の影響として考えられることを述べます。

問4

酵素液の量と反応時間を一定にして、基質液の量を変えました。基質液1 mL、2 mL、3 mLのとき、生成物はそれぞれ4 mg、7 mg、7 mgでした。この範囲で基質液を2 mLから3 mLに増やしたときの生成物の差を求め、表から言えることを述べます。基質液の不足分は水で補い、全体の体積をそろえました。

答えと戻し方

問1は適切です。温度以外の条件がそろっているためです。差は15 mg − 9 mg = 6 mgです。15 ℃の9 mgに6 mgを加えると25 ℃の15 mgに戻ります。この2点の比較であり、測っていない温度での生成量は決まりません。

問2の差は14 mg − 2 mg = 12 mgです。酵素液を入れない容器は、酵素液なしでも生じる測定値を調べる対照です。2 mgに12 mgを加えると14 mgに戻ります。差を計算するときは、対照を0 mgと決めつけず、与えられた2 mgを使います。

問3の差は11 mg − 3 mg = 8 mgです。加熱した方の3 mgに8 mgを加えると、加熱しなかった方の11 mgです。反応中の温度がそろっているので、前処理の加熱によって酵素の働きが低下した可能性を考えます。加熱後の3 mgの由来を確かめるには、酵素液を加えない対照も役立ちます。

問4の差は7 mg − 7 mg = 0 mgです。2 mLと3 mLの値はともに7 mgなので、元の表へ戻しても差は0 mgです。この範囲では基質液を増やしても生成物は増えませんでした。1 mLから2 mLでは4 mgから7 mgへ増えているため、表全体を「基質量に関係なく一定」と読むこともできません。別の量や別の酵素量でどうなるかは、この表だけでは決まりません。

手元に残す要点

• 比較する2行は、調べる条件以外をそろえます。
• 基質か生成物か、測定時間と単位を確認します。
• 加熱の前処理と反応中の温度を区別します。
• ATPはエネルギーの受け渡しに使われ、酵素は反応を促します。

どこで判断が止まったか

個別指導で確かめるなら、まず答案の結論を隠し、表の2行に印を付けてもらいます。その2行の温度、酵素液、基質液、時間を順に指し、違いが何項目あるかを言葉にできるかを見ます。2項目違う組を選んだ場合は、計算をやり直す前に、1項目だけ違う組を探します。

差の計算で止まる場合は、何の量を引くかと単位を書き、答えを小さい方の値に加えて大きい方へ戻します。失活の説明が曖昧なら、加熱前、加熱後、反応中の温度を時間順に並べます。ATPについては、エネルギーを受け渡す物質と、反応を進みやすくする酵素を別の欄に書き分けます。条件をそろえる視点が、表から言える範囲を決めます。