高校化学 ペプチド結合と配列—末端の向きと縮合で生じる水を数える｜武蔵野個別指導塾

同じアミノ酸を含む鎖の順序と末端を比べ、結合数と脱離水の関係からペプチド配列を読み解きます。

よくあるのは、同じ種類と個数のアミノ酸からなる鎖を見て、順序を入れ替えても同じペプチドと考える場面です。両端の役割を定めてから読むと、どちらの残基が先に並ぶかを区別できます。結合の数と生じる水の数も、鎖のつながりを図にすると一緒に見えてきます。

問いの型と最初に置く条件

典型的な問いは、構造式からN末端とC末端を見つけて配列を書く型、決められた組成から異なる配列の数を数える型、縮合で生じる水やペプチドの質量を求める型です。どの型でも、まず鎖が直鎖か、環状か、側鎖が結合に参加するかを確認します。以下では特に断らなければ、側鎖は結合に参加せず、αアミノ基とαカルボキシ基でつながる有限の直鎖を扱います。環化や枝分かれはありません。

配列はN末端からC末端へ書きます。組成が同じでも、残基の並びが異なれば別の配列です。一方、同種の残基に目印をつけて入れ替えても、目印を外した構造は変わりません。並べ方を数えた後、同じ文字の入れ替えによる重複を除きます。

水の問題では、何本の鎖ができたかも必要です。残基の総数から生じる水の分子数を引くと、直鎖の本数が残ります。1本にまとまった場合と複数の鎖が残る場合を混ぜずに考えます。以下の物質量の計算は与えた条件を完全に満たし、損失がないものとします。

末端と結合を構造から読む

αアミノ酸は、同じ炭素にアミノ基とカルボキシ基が結合した構造をもちます。側鎖をRで表せば、中性の形をH₂N-CH(R)-COOHと書けます。実際の水溶液中では電荷をもつ形もありますが、ここでは結合の位置を見やすくするため中性の形で示します。Rはアミノ酸の種類によって異なります。

一方のカルボキシ基と他方のアミノ基から水が取れる形で、カルボニル炭素と窒素が結合します。このつながりをペプチド結合と呼び、-CO-NH-と表します。COの炭素とNの間が新しい結合です。水の酸素はカルボキシ基のOHに由来し、水素はそのOHとアミノ基に由来すると形式的に数えます。これは原子収支の表現であり、実際の合成操作を示すものではありません。

図1のように、左端には結合に使われていないαアミノ基があり、右端には結合に使われていないαカルボキシ基があります。それぞれの端をN末端、C末端と呼びます。溶液の液性で末端の電荷や水素の付き方が変わっても、鎖のどちら側かという区別は保たれます。図は側鎖を省いた模式図で、箱はアミノ酸残基、線は隣り合う残基のペプチド結合を示します。

「残基」は、鎖の一部として数えるアミノ酸由来の部分です。遊離アミノ酸の式を残基ごとにそのまま足すと、結合形成で失った水を二重に数えることになります。残基の種類を読むときは側鎖を手がかりにし、質量を出すときは元のアミノ酸の総質量から水の質量を引きます。

残基がn個の直鎖には、隣り合う組がn − 1組あります。初めの1個には結合がなく、そこへ残基を1個ずつ足すたび結合が1個増えるからです。したがって、遊離アミノ酸から1本の鎖を作る収支では、水もn − 1分子生じます。逆に完全加水分解では結合1個につき水1分子を消費します。この関係は末端を無視しない有限の鎖で成り立ちます。

基本例題：3残基の鎖を読む

問題：グリシンをG、アラニンをAと表します。N末端からG、A、Gの順につながった直鎖1分子を考えます。残基数、ペプチド結合数、遊離アミノ酸からこの鎖1分子を作るときの水の分子数を整数で答え、両端の残基も示してください。側鎖は結合に参加しません。

図2のように、GとAの間、AとGの間にそれぞれ結合があります。端に同じGがあっても、両端の位置はN末端とC末端で区別します。

解き方：左から右へ残基と隣接箇所を数えます。

残基数 = 3
結合数 = 3 - 1 = 2
脱離する水の分子数 = 2
N末端の残基 = G
C末端の残基 = G

答えは残基3個、結合2個、水2分子、両末端はともにGです。逆に、この鎖の2か所の結合を完全に加水分解すると水2分子を使い、Gが2分子とAが1分子に戻ります。元の残基数3個と一致するので、数え落としがありません。

この配列は両端から読んでも文字列が同じですが、それは両端の残基がたまたま同じだからです。N末端とC末端が交換可能という意味ではありません。たとえばG-AとA-Gは、N末端を左にそろえたときに並びが違うため別の配列です。

標準例題：同種残基の重複を除く

問題：Gを2個、Aを1個、バリンをVと表して1個使い、側鎖を使わず直鎖のテトラペプチドを作ります。立体異性は考えず、N末端からC末端への残基の並びが異なるものを別とします。配列は何種類ですか。整数で答えてください。

解き方：4か所のうちGを置く2か所を選び、残った位置にAとVを並べます。Gに番号をつけて別物として数えると同じ配列を重複して数えるため、Gの位置の組で考えます。

Gの位置の組 = 4・3 ÷ 2 = 6
残り2か所へのAとVの並べ方 = 2
配列の種類 = 6・2 = 12

答えは12種類です。別解では4個をいったん区別して並べると4・3・2・1 = 24通りです。2個のGの入れ替えは同じ配列なので、24 ÷ 2 = 12種類です。どの配列にもGが2個、AとVが各1個あり、N末端からの順序を固定して比べています。

逆順が必ず同じ配列になるわけではありません。また、逆順が必ず異なるとも限りません。両端からの文字列が一致する配列もあるので、一律に2で割る操作はできません。今回の数え方は、向きを定めた文字列を初めから1回ずつ数えています。

発展例題：質量を水から戻す

問題：グリシンGのモル質量を75 g/mol、アラニンAを89 g/mol、水を18 g/molとします。Gを2 mol、Aを1 mol用いて、それぞれの残基がG-A-Gの順に入った直鎖を1 mol作るとします。完全に反応し、他の生成物や損失はないものとします。生じる水とペプチドの質量をそれぞれg単位の整数で答えてください。値は計算のための条件です。

解き方：1分子に含まれる結合は2個なので、1 molの鎖には2 molの結合があり、水は2 mol生じます。材料の質量から水の質量を引けば、ペプチドの質量を得ます。

Gの質量 = 2 mol・75 g/mol = 150 g
Aの質量 = 1 mol・89 g/mol = 89 g
反応前の合計質量 = 150 g + 89 g = 239 g
水の物質量 = 1 mol・2 = 2 mol
水の質量 = 2 mol・18 g/mol = 36 g
ペプチドの質量 = 239 g - 36 g = 203 g

答えは水36 g、ペプチド203 gです。反対方向に、生成物の合計を求めると203 g + 36 g = 239 gで材料の合計と一致します。また、鎖1 molの完全加水分解に水2 molを加えれば、Gが2 mol、Aが1 molに戻ります。質量と残基数の両方から確認できます。

この計算は鎖が1種類で、与えた物質量の材料がすべてその鎖になるという条件に依存します。反応が途中で止まり、複数の長さの鎖が混ざる場合、残基数の合計だけから1本の長さを決めることはできません。未反応のアミノ酸も1残基の鎖として数えれば、直鎖全体の結合数は残基の総数から鎖の総数を引いて求められます。

鎖の本数と水を表で読む

同じ数の遊離アミノ酸から直鎖を作るとき、結合が増えるほど鎖の本数は減ります。たとえば残基の総数を5個に固定し、環化がないとすると、鎖が5本、3本、1本のとき、結合数は順に0個、2個、4個です。対応する水の分子数も0、2、4です。横軸を鎖の本数、縦軸を水の分子数にした図では、与えられた整数の点が右下がりに並びます。点の間には分子の端数に相当する条件があるため、単一の分子集団の数としてはそのまま読みません。

この関係を観察で検討する場合は、出発物質の量をそろえ、結合の進行に伴う鎖の本数と水の量をそれぞれ独立に調べる設計を考えます。反応させない対照を置けば、もともと含まれる水や測定系の背景を区別する助けになります。実際の測定では水の混入や回収漏れが問題になり、混入は水の量を大きく、回収漏れは小さく見せます。水の量だけでは残基の順序までは決まらず、配列については別の情報が必要です。危険のある実験は学校の指導の下で行います。

誤答から結合と向きを修正する

誤答の例は「G-AとA-GにはGとAが1個ずつあるから同じ」というものです。種類と個数は組成を表しますが、どの残基のアミノ基がN末端に残るかは表しません。図3のように、両方ともN末端を左に置いて比較すると、左端の残基が異なります。

図3の上ではGがN末端、下ではAがN末端です。紙を回転して向きを変えても、それぞれの末端の化学的な役割は変わりません。向きを示さず文字列だけを逆に読むのと、N末端から書き直して別の鎖を比べるのは別の操作です。

もう一つの誤答は、残基が3個だから水も3分子とする数え方です。鎖の左端から順に境界を指さすと境界は2か所で、両末端の外側に結合はありません。残基の数から1を引き、加水分解に必要な水の数で逆算すれば修正できます。環状の鎖や枝分かれを含む場合は、この直鎖の図をそのまま使わず、実際の結合を数え直します。

練習：先に5問を解く

以下では、Gをグリシン、Aをアラニン、Vをバリン、Sをセリンとし、側鎖は結合に参加しないものとします。配列はN末端から書き、立体異性は考えません。数値は問題のための条件です。

1. 直鎖V-S-A-Gについて、N末端とC末端の残基、結合数、遊離アミノ酸から鎖1分子を作るときの水の分子数を答えてください。数は整数で示します。
2. Aを2個、Vを2個使う直鎖の配列は何種類ですか。整数で答えてください。
3. Gを3個、Sを1個使う直鎖で、Sが末端にある配列は何種類ですか。整数と配列を答えてください。
4. 遊離アミノ酸6分子が、環化せずに直鎖2分子となりました。途中で生じた水は何分子ですか。整数で答え、その理由を示してください。
5. Gのモル質量を75 g/mol、Vを117 g/mol、水を18 g/molとします。GとVを各1 mol使って直鎖G-Vを1 mol作ります。完全反応し損失がないとき、水とペプチドの質量をg単位の整数で答えてください。

練習の答えと考え方

1. N末端はV、C末端はGです。4残基の間に結合は3個あり、水は3分子です。V-S、S-A、A-Gの3か所を数え、加水分解で水3分子を消費して4残基に戻ることも確かめます。

2. Aの位置を4か所から2か所選ぶと、4・3 ÷ 2 = 6種類です。残りはVで埋まります。各配列にはAとVが2個ずつ入り、同種残基の入れ替えは別に数えていません。

3. SがN末端またはC末端にあるので、S-G-G-GとG-G-G-Sの2種類です。どちらもGが3個、Sが1個であり、N末端からの並びが異なります。中央の2か所にSを置いた配列は条件から外れます。

4. 水は4分子です。6分子がそれぞれ独立した状態から結合が1個できるたびに直鎖の本数は1本減るので、6 − 2 = 4個の結合ができます。これらを加水分解で切れば、水4分子を使って2本から6分子に戻ります。長さの内訳が与えられなくても、この本数の差は同じです。

5. 水は18 g、ペプチドは174 gです。2残基なので結合と水は1 molずつです。材料の質量は75 g + 117 g = 192 gであり、192 g − 18 g = 174 gです。逆に174 g + 18 g = 192 gとなり、加水分解後には各アミノ酸1 molに戻ります。

覚えておくこと

• 配列はN末端からC末端へ記します。
• 直鎖のn残基にはn − 1個のペプチド結合があります。
• 結合1個の形成に対応する水は1分子です。
• 同じ残基どうしの入れ替えは新しい配列を作りません。
• 組成、末端、質量収支をそれぞれ元の条件に戻して確かめます。

つまずいた箇所を見つける

配列数が合わないときは、まずN末端の位置を固定し、同種残基に付けた仮の番号を外して重複を探します。結合数が合わないときは、残基ではなく隣り合う2個の間に印を付けます。個別指導で確かめるなら、答案に鎖の本数と末端を描き、どの境界が水1分子に対応するかを言葉で説明すると、式の誤りを見つけやすくなります。

質量が合わない場合は、反応前のアミノ酸の合計と、反応後のペプチドと水の合計を左右に書きます。途中で鎖が複数残る条件なら、その本数を確かめてから水を数えます。末端をそろえて読むことが、ペプチド配列の違いを見分ける出発点です。