高校生物 タンパク質と酵素—立体構造と反応速度のグラフを対応させる｜武蔵野個別指導塾

温度やpH、基質濃度と阻害の資料を比べます。立体構造と測定条件が読み解く鍵となる酵素です。

よくあるのは、酵素の反応速度のグラフを見て、温度を上げれば必ず速くなると読み取ってしまう場面です。上昇する部分ではその読み方が当てはまっても、最高点を過ぎた部分まで同じとは限りません。縦軸が何を表し、どの条件で測ったのかをたどると、速さの変化と酵素の立体構造を結び付けて考えられます。

学校の範囲表と授業ノートでタンパク質と酵素の箇所を確認し、ここでは構造、基質特異性、温度・pH・阻害による反応速度を扱います。学習範囲としては「生命現象と物質」に当たります。式の導出に進む前に、比較できる条件と観察から言える範囲を整理しましょう。

どんな問いで差がつくか

1つ目は用語をつなぐ問いです。アミノ酸の配列、折りたたまれた立体構造、酵素が働く部分を別々に暗記するのではなく、構造の変化が働きにどう影響するかを説明します。基質が酵素に結合しやすい理由も、形や化学的な性質に着目します。

2つ目はグラフや表を読む問いです。温度、pH、基質濃度のうち、横軸で変えたものをまず特定し、縦軸の反応速度を比較します。一定時間にできた生成物の量が与えられる場合は、測定時間で割って速さに直します。生成物の量そのものと、単位時間当たりの量は区別します。

3つ目は実験を考察する問いです。阻害物質を加えた系と加えない系の差を見るとき、酵素量や温度なども同時に変わっていれば原因を切り分けられません。差が見えない場合にも、阻害が絶対にないとは限らず、測定の条件や精度を調べる必要があります。

配列から働く形へ

タンパク質はアミノ酸がペプチド結合でつながったものです。アミノ酸の並びを一次構造といい、その鎖の一部がらせん状などになった構造を二次構造といいます。さらに鎖全体が折りたたまれた形を三次構造、複数の鎖が組み合わさった状態を四次構造といいます。すべてのタンパク質が四次構造を持つわけではありません。

鎖の各部分の相互作用によって立体構造が保たれ、形と働きが結び付きます。酵素は生体内の化学反応を促進する触媒です。反応に必要な活性化エネルギーを下げますが、反応前後の物質のエネルギー差そのものを変えるわけではありません。反応の前後で酵素自体は消費されず、条件が保たれれば繰り返し働けます。

図1のように、酵素の活性部位に基質が結合して酵素と基質の複合体ができ、その後、生成物が離れます。図は流れを簡略化した模式図です。結合は形が合うことに加え、活性部位と基質の化学的な性質にも関係します。酵素が特定の基質に働きやすい性質を基質特異性といいます。

図1では、生成物が離れた後にも酵素が残っています。ただし、酵素が永遠に同じ状態を保つという意味ではありません。強い加熱や極端なpHなどで立体構造が変わる変性が起こると、活性部位の形や性質も変わり、働きが低下することがあります。変性しても一次構造のペプチド結合が必ず切れるわけではありません。また、変性から元の形に戻れる場合と戻れない場合があります。

温度を上げると分子の運動が活発になり、ある範囲では反応が速くなる傾向があります。一方、高温による変性の影響が大きくなると速度は低下しえます。測定された速度が最も大きい温度を、その測定条件での最適温度と呼びます。酵素の種類や測定時間によって結果は変わりうるため、どの酵素にも共通する温度として覚えないでください。

pHも活性部位や基質の状態、タンパク質の立体構造に影響します。ある範囲で速く働き、それより酸性側や塩基性側で遅くなることがあります。低下の原因が常に不可逆的な変性であるとは限りません。温度やpHを元に戻したときの活性を測らなければ、元に戻るかどうかは判定できません。

基質濃度を上げると、酵素と基質が出会いやすくなり、初めの反応速度は増加する傾向があります。酵素量を一定にして基質を十分に増やすと、活性部位が基質で占められる割合が高くなり、速度の増加は小さくなります。この頭打ちは、酵素が消えたという意味ではありません。最初の短い時間に測った速度と、長時間後に残った生成物の量も同じものではありません。

温度の資料を速度に直す

次は説明用に作ったデータです。酵素液と基質液の量、pH、測定時間をそろえ、反応液の温度をそれぞれ一定にして比較しました。反応開始から2分間に生成した物質の量を測定し、この間は平均速度を比べられるものとします。単位は任意の量の単位です。

問いは、各温度の平均反応速度を「量の単位/分」で求め、この4条件のうち最大となった温度を答えることです。さらに、40℃から50℃で減少した理由として考えられることを、断定を避けて説明します。図2のように横軸の温度と縦軸の速度を対応させてください。

まず、平均反応速度は生成物量を測定時間で割った値です。したがって、次のように1条件ずつ求めます。

20℃: 4 ÷ 2 = 2 量の単位/分
30℃: 10 ÷ 2 = 5 量の単位/分
40℃: 16 ÷ 2 = 8 量の単位/分
50℃: 6 ÷ 2 = 3 量の単位/分

測った4条件では40℃の8量の単位/分が最大です。答えを時間に戻すと、8量の単位/分 × 2分 = 16量の単位となり、表の値に一致します。他の3条件も速度に2分を掛けると4、10、6に戻ります。

40℃から50℃に上げたとき、酵素の立体構造が変化して働きが低下した可能性があります。ただし、ここで測ったのは生成物量であり、構造そのものではありません。50℃に置いた後、両方の酵素液を同じ温度に戻し、同じ条件で残った活性を測るなどして考えを確かめます。例えば元の温度に戻しても活性が低ければ、加熱後にも残る変化が示唆されますが、それだけで変化の詳しい仕組みまで特定はできません。

この表から40℃と50℃の間にある温度の最大値は決められません。4条件での最大と、連続した温度範囲での最適温度を区別します。また、2分間の平均速度は開始直後の速度と必ずしも等しくありません。基質が減ったり生成物が蓄積したりする場合は、経過時間ごとの量も測って考えます。

阻害を見分ける比較

酵素の働きを低下させる物質を阻害物質といいます。競争的阻害では、阻害物質が基質と同じ活性部位への結合を競います。一般に、基質濃度を十分に高めると阻害物質の影響が小さくなり、同じ酵素量なら阻害物質なしの場合に近い最大速度へ達しえます。非競争的阻害の代表的なモデルでは、阻害物質が活性部位とは別の場所に結合して働きを低下させ、基質を増やしても最大速度は回復しません。現実の阻害にはほかの型もあるので、条件を示さずに二択で決めないことが必要です。

自作の比較を考えます。酵素量、温度、pHを同じにし、基質濃度の異なる3条件で反応初期の速度を測りました。速度は任意の単位です。阻害物質なしでは濃度の低い順に2、6、9、物質Xありでは1、4、8でした。最高濃度での値は近づいていますが、基質をさらに増やしたときの上限は与えられていません。

この結果から、測定した各濃度でXを加えると速度が低いことは言えます。また、差は低い順に1、2、1で、最高濃度で速度が近いことは読み取れます。しかし、この3点だけでは同じ最大速度に達するか、競争的阻害かを確定できません。より高い濃度を含めて比較し、測定のばらつきも調べる必要があります。逆に、差が小さい点があるだけで「阻害がなくなった」とも言えません。

対照としてXを加えない系を設け、Xを溶かすための液体を使う場合は、対照にも同量を加えます。温度や酵素量まで変えると、速度の差がXによるものか判断しにくくなります。測定値が得られなかった条件を0と記録するのも誤りです。測れなかった理由を確かめて再測定し、欠けた点を使った結論は保留します。

誤った答えを直す

誤答「温度を上げると分子の運動が活発になるので、酵素の速度は必ず上がる」。原因は、反応を速める傾向と、高温によって酵素の構造が変化する影響を片方ずつ考えていないことです。図3のように、上昇部分と低下部分を分けて読みます。修正するなら「この資料では40℃までは上がり、50℃では低下する。高温による構造変化が一因の可能性がある」と書きます。

別の誤答は「生成物が多い条件ほど、反応開始時の速度も必ず大きい」です。原因は、ある時間までの蓄積量と、その時点での速さを混ぜたことです。測定時間が異なると量をそのまま比較できません。同じ時間でも、初めに速く後に止まる反応と、一定の速度で進む反応が同じ量に達することがあります。修正時は、比較する時間区間をそろえ、その区間の量の増加を時間で割ります。

さらに「基質を増やして速度が頭打ちになったから酵素が使い切られた」という答えも見直します。酵素は触媒として反応後にも残ります。一定量の酵素の活性部位が働いている割合が高くなるため、基質を追加しても速度が大きく増えにくい、と説明します。酵素の変性や失活が生じたかは、別の測定なしに決めません。

自分で試す4問

以下はすべて学習用に作った条件と値です。各問の条件を先に整理し、4問を解いてから解答を確認してください。

問1

同じ酵素量と基質量を用い、温度だけを変えました。反応開始から3分間の生成物量は、15℃で9、25℃で18、35℃で24、45℃で12です。各条件の平均速度を量の単位/分で求め、測定した条件で最大の温度を答えてください。また45℃の低下の原因を確定できるか、「構造」「測定」を使って1〜2文で述べてください。

問2

ある酵素について、酵素量と温度を同じにし、pHだけを変えたところ、初期速度はpH 4で2、pH 6で7、pH 8で3でした。速度の単位は共通です。この3条件で最も速いpHを答え、pH 8の酵素が元のpHに戻しても働かないと断定できるか、「活性」を使って1〜2文で述べてください。

問3

酵素量、温度、pHを一定にし、阻害物質を加えない条件で基質濃度を低・中・高と変えました。初期速度は順に3、8、10です。物質Yを加えると同じ順に1、5、10でした。速度は任意の単位です。測った各濃度の速度の差を整数で求め、これらの値だけで競争的阻害と確定できるかを「上限」を使って1〜2文で述べてください。

問4

同じ温度、pH、酵素量、基質量で、物質Zを加える系と加えない系を比べます。Zを加える系では反応開始の時刻を記録できず、生成物量を得た時点までの時間が不明でした。Zを加えない系では時間と量を記録できました。この結果から速度の差を結論できるか、再試行でそろえる条件を含め、「時間」「対照」を使って2文程度で答えてください。

解答と考え方

問1の答え

順に3、6、8、4量の単位/分で、最大は35℃です。計算は9 ÷ 3 = 3、18 ÷ 3 = 6、24 ÷ 3 = 8、12 ÷ 3 = 4です。これらに3分を掛け直すと元の9、18、24、12になり、量と速度の単位も対応します。

記述例「構造の変化が原因の可能性はありますが、この量の測定だけでは確定できません。処理後に同じ条件で活性を測り、構造についても別に調べます。」45℃の結果だけでは、それまでの変化の仕組みや回復の有無は決まりません。15℃から35℃で速度が増えたという事実と、45℃での低下をそれぞれ表の数で確かめます。

問2の答え

測った中ではpH 6です。記述例「pH 8で速度が低いことだけでは、元のpHに戻した後の活性は断定できません。処理後にpHをそろえ、活性を測って比べます。」表の7は2、3より大きいため、選んだ条件に矛盾しません。pH 6があらゆる条件における厳密な最適値だとも限りません。

問3の答え

差は低・中・高の順に2、3、0です。計算は3 − 1 = 2、8 − 5 = 3、10 − 10 = 0です。各差をYありの速度へ足すと、Yなしの3、8、10に戻ります。

記述例「高濃度で同じ速度ですが、測定点だけでは速度の上限が同じか十分に確かめられないため、競争的阻害と確定できません。」測定誤差や、さらに高い濃度での変化も考慮します。高濃度の1点が同じという観察と、阻害の仕組みの結論は別です。

問4の答え

記述例「Zを加えた系の時間が不明なので、その速度を求められず、対照との差も結論できません。再試行では開始時刻と同じ測定時間を記録し、Z以外の条件をそろえます。」測れなかった時間を0分と置いたり、生成物量をそのまま速度としたりしてはいけません。再試行でも時刻の記録が失われた場合は同じ結論保留になり、記録方法を直す必要があります。

覚えておくこと

アミノ酸の並びと立体構造が酵素の働きに関係します。
速度は、比較する時間と単位をそろえて求めます。
温度やpHによる低下の原因と回復の有無は別に確かめます。
阻害の型は、対照と複数の基質濃度で検討します。

答案のどこを確かめるか

グラフを読めないと感じたら、答案に横軸の条件、縦軸の単位、比較した2点を記してみてください。数値は合っていても、最大値を「測定した条件の中」と限定できない場合があります。記述では、観察した低下と推測した構造変化を別の文に分けると、根拠の飛躍を見つけやすくなります。

個別指導で確かめるなら、生徒が描いた活性部位と基質の図を見ながら、結合、生成物の離脱、酵素の残存を順に説明してもらいます。続いて表から速度を計算した式と単位をたどり、対照で何を同じにしたかを確認します。数値が欠けた実験では、埋め合わせて答えを作るのではなく、何を再測定すれば判断できるかを話し合います。測定の範囲と酵素の構造を結び付ければ、グラフの形を根拠のある言葉にできます。