第１節　生物体を構成する物質

●第１項　生体構成成分と水　

　　原子・・・・　Ｃ　Ｈ　Ｏ　Ｎ
　　　　　　　　　Ｓ　Ｐ

　　分子・・・・　Ｈ_２Ｏ

　　マウスの肝臓細胞の構成

　　水の重要性

　　　　　多くの物質の溶媒となる　←　極性が大きいから
　　　　　反応がおだやかに起こる
　　　　　比熱が１である　

単糖類　　ブドウ糖（グルコース）　ショ糖より甘みが少ない。主に六角形。
　　　　　　　　　　　　　　　　脳はグルコースのみ利用可能

　　　　　　果糖（フルクトース）　　干し柿の白粉。ショ糖甘味の1.7倍。主に五角形。

二糖類　　ショ糖（スクロース）＋　水→　ブドウ糖＋果糖

　　　　　　麦芽糖（マルトース）＋　水→　ブドウ糖＋ブドウ糖
　　　　　（デンプンに麦芽を作用させてできた糖．麦芽にはマルターゼがあるため）
　　　　　（麦芽はオオムギの幼根・幼芽を取って乾燥させたもの）

　　　　　　乳糖（ラクトース）＋　水→　ブドウ糖＋ガラクトース

多糖類　　デンプン（アミロース，アミロペクチン）＋水→　麦芽糖＋水→αブドウ糖

　　　　　　セルロース　→　βブドウ糖。植物の細胞壁の成分。

　　　　　　グリコーゲン→　ブドウ糖。動物の肝臓や筋肉に貯蔵される。

第３項　脂質　　 lipid ・・・・・油脂 oil、リン脂質 phospholipid、ステロイド steroid など

　　水に溶けず，エーテルやアセトンに溶ける物質。
　　単純脂質と複合脂質がある。
　　　　　脂肪や油脂は単純脂質。脂肪酸とアルコールのエステル化合物で、CHOから成る。
　　　　　複合脂質にはリン脂質と糖脂質がある。分子中にP、S、N、糖を含む。極性をもつ。
　　　　　
　　エネルギー源であり、貯蔵可能。

　　
　　油脂を加水分解すると，脂肪酸とグリセリン（３価のアルコールなのでグリセロール）になる。
　　
　　【図：油脂の加水分解（模式図）】

▲脂肪の一種　トリステアリン

▲脂肪酸の一種　ステアリン酸　　長くのびた分子と折れ曲がった分子

▼脂肪酸の一種 　　リノール酸 　　炭素原子鎖に二重結合２個

▼脂肪酸の一種 　　オレイン酸 　　炭素原子鎖に二重結合が１個 　　その部分で折れ曲がっている

　　油脂は、常温で固体のものを脂肪（ fat）、液体のものを脂肪油（ oil） という。　

▲グリセリンは３価の アルコール	▲酢酸も 脂肪酸の一種
▲乳酸　ＯＨ基を２つ持つ	▲エタノールは１価 のアルコール

【コメント】脂肪のうち、油脂は光で酸化が促進される。スナック袋が銀色なのは光を遮断するためである。


●第４項　タンパク質
　protein　←　proteios（ギリシャ語で“第一の”という意味）
　　　体内で水に次いで２番目に多い物質。体重の６分の１を占める。


　　　タンパク質　→[加水分解]→　ポリペプチド→[加水分解]→　アミノ酸（２０種類）

アミノ酸の構造　＝炭素を中心として，アミノ基（塩基性基）とカルボキシル基（酸性基）を持つ。
　　側鎖部分はアミノ酸の種類によって異なる。

『生物汎用図録』より
▲グリシン 光学異性体がない	▲ロイシン
▲アラニン

２０種類のアミノ酸の特徴　　　側鎖によるアミノ酸の分類

　　　A　炭化水素アミノ酸
　　　　　　　グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン
　　　B　含水アミノ酸
　　　　　　　セリン、トレオニン
　　　C　含硫アミノ酸
　　　　　　　システイン、メチオニン
　　　D　酸性アミノ酸
　　　　　　　アスパラギン酸、グルタミン酸
　　　E　塩基性アミノ酸
　　　　　　　アスパラギン、グルタミン、リシン、アルギニン、ヒスチジン
　　　F　イミノ酸
　　　　　　　プロリン
　　　G　芳香族アミノ酸
　　　　　　　フェニルアラニン、チロシン、トリプトファン

▲正の電荷をもつ親水性の側鎖　　塩基性アミノ酸（アルギニン、ヒスチジン、リシン）

▼負の電荷をもつ親水性側鎖 　酸性アミノ酸 　（アスパラギン酸 　　グルタミン酸） 　　水溶液が中性付近の 　　場合の電荷を 　　示している

▲電荷を持たず極性のある側鎖をもつアミノ酸　 （セリン、トレオニン、アスパラギン、グルタミン、チロシン） 親水性

▼特別なアミノ酸 　　システイン 　　（ペプチド鎖間Ｓ-Ｓ結合 　　　を作る側鎖にＳＨを 　　　持つ） 　　グリシン 　　（側鎖に極性もない 　　　もっとも簡単なアミノ酸） 　　　プロリン 　　（アミノ基とカルボキシル基 　　　が他とは異なる角度で 　　　曲がっているアミノ酸）

▼非極性の親水性の 　側鎖をもつアミノ酸 　　　炭化水素基 　　　（アラニン、 　　　　イソロイシン、 　　　　ロイシン）

▲非極性の親水性の側鎖をもつアミノ酸（続き）　（メチオニン、フェニルアラニン、トリプトファン、バリン）

D型アミノ酸の役割とは？　　池田記　 　　　 　　　　読売新聞2008年12月7日科学欄　陰の存在，実は「主役」？ 　アミノ酸には左手型（L型）と右手型（D型）がある。これまではタンパク質に利用されているアミノ酸はすべてL型だったため、D型アミノ酸はあまり注目されてこなかった。しかし、2008年、近年注目が集まって来た。 　 　（１）　老化と関連する　 　白内障の水晶体内部のアスパラギン酸がL型からD型に変化していた。 　紫外線が当たる顔の皮膚のエラスチンにD体が増えていた。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（京都大学藤井紀子教授）　 加齢とともに、顔の皮膚にはDアミノ酸を含むタンパク質 （点線部分）が増える。 aは9歳、bは59歳、cは86歳、藤井教授提供 　（２）　脳の機能低下と関連する 　哺乳類の脳にセリンのD体が発見された。 　　（東京医科歯科大学　西川徹教授） 　脳の神経伝達を担うグルタミン酸受容体の機能を調整する働き。 　ラットの大脳皮質ではセリンの30％以上がD体。 　統合失調症はグルタミン酸受容体の機能低下と関連している。 　（３）　ホルモン分泌の調整 　　ラットの精巣でテストステロン合成促進ホルモンの分泌を調整 　　　　　（北里大学　本間浩教授） 　（４）　真正細菌は細胞壁にDアミノ酸を利用 　　　　（分解されにくいように） 　　納豆のネバネバした糸にはD体が多い 　（５）　体内の浸透圧の調整 　　　 　（６）　味覚への影響 　　（６a）アラニンのD体はL体と異なるさわやかな甘味がある。 　　　北海道根室市では花咲ガニを濃い塩水に浸けてから出荷する試み 　　（６b）　発酵食品にはD体が多い 　　　発酵の熱でD体に変化する 　　　熟成したチーズや焙煎したコーヒーは多くのDアミノ酸を含む。 　　（６c）　日本酒にはアラニンやアスパラギン酸のD体が多い。 　　　D体が多いと濃いと感じる。

　アミノ酸とアミノ酸の結合＝ペプチド結合

　２個のアミノ酸を結合した化合物はジ(di-)ペプチド，３個ならトリ(tri-)ペプチド，４個ならテトラ(tetra-)ペプチド，５個はpenta-、６個はhexa-、７個はhepta-、８個はocta-、９個はnano-、１０個はdeca-。
　多数ならポリ(poly-)ペプチド。

　例：オキシトシン（子宮収縮ホルモン＝乳汁分泌促進に作用）のアミノ酸配列
　　　N末端−Gly-Leu-Pro-Cys-Asn-Gln-Ile-Tyr-Cys-C末端
　　　　　（CysどうしはS−S結合する）

　インスリンは、サンガー博士が世界で最初に配列を決定したタンパク質で，アミノ酸51個，
　２本のポリペプチド鎖から成っていた。
　　Sanger, F. and E.O.P.Thompson, 1953. The amino-acid sequence in the glycyl chain of insulin. Biochemical Journal. 53(3):353-374.

▲浜島書店「生物図表」1980年代の旧版より

【参考】　　　サンガーの10年にわたる苦闘 　最初にすべてのアミノ酸の配列が解明されたタンパク質はインスリンである。イギリスのサンガー（1918〜）は、特定のアミノ酸どうしの結合を選択的に加水分解する酵素を数種類用いて，タンパク質をペプチド片に分解し，ひとつひとつ配列を決めていった。 　1944年にサンガーがインスリンに焦点を当てて構造を決めようとしたのには、いくつかの理由があった。まず第一に、インスリンは純粋な形で得られる数少ないタンパク質だったこと、第二に原子構成が正確に予測できたこと（炭素、水素、窒素、酸素、そしてイオウである）。第三にホルモンとして働くことが分かっており、特異なふるまいをするような特殊な成分は含まれていないことであった。 　ウシのインスリンは777個の原子からできていた。その割合は254個の炭素、377個の水素、65個の窒素、75個の酸素、6個のイオウであった。これはドイツのエミール・フィッシャーと仲間の仕事である。 　24種のアミノ酸のうちインスリンに使われているのは17種、アミノ酸の数は51個だった。サンガーの目的はアミノ酸配列を決定することだったが、この種類でこの数のアミノ酸の順序は無限に近い。 　サンガーはまずペプチド鎖をアミノ酸に加水分解することにした。24時間以上、酸またはアルカリで強熱すると、ペプチド鎖は分解する。サンガーが成功のカギを握ったのはアミノ基末端に特異的に結合するマーカーを見つけたからであった。この物質はDNP（ディニトロフェニル基）で、トリペプチドの端のアミノ基末端のアミノ酸を黄色に染める。 　ジグソー・パズルを解くもうひとつの技術はクロマトグラフィーである。アーチャー・Ｊ・Ｐ・マーティンがろ紙上でアミノ酸どうしを分離する分配クロマトグラフィー技術を確立していた（マーティンはこの技術の開発を評価され、1952年にノーベル化学賞を受賞した）。ろ紙上に40個以上のペプチドの点が分離した。マーカーをつけては分離し、黄色い色のついたアミノ酸を次々と同定していった。 　サンガーは全体が１本の長いペプチド鎖ではなく、システインが６個含まれていることから、２本の鎖があると見当をつけた。そしてDNP法を使って一方がグリシンで始まり、もう片方はフェニルアラニンで始まることを明らかにした。グリシン鎖を切断して調べると、グリシン-イソロイシン、グリシン-イソロイシン-バリン、グリシン-イソロイシン−バリン-グルタミン酸、グリシン-イソロイシン−バリン-グルタミン酸-グルタミン酸といったペプチド断片が得られた。このようにしてグリシン鎖の最初の５個が決まった。フェニルアラニン鎖も同様にして最初の４個が決められた。 　さらに、サンガーはまずフェニルアラニン鎖の分析を手がけた。鎖を加水分解するといろいろなペプチド鎖ができた。サンガーとタピーは最初、電気泳動や炭への吸収、イオン交換などの分離法を試みたが、結局ペーパー・クロマトグラフィ法で簡単な化合物断片を分析した。こうして二人は、22個のジペプチド、14個のトリペプチド、12個のより長い断片を分離することに成功した。これらの化合物は顕微的な量しか得られなかったけれども、彼等は特別な技術で同定し、配列を決定していった。 　ジグソー・パズルを組み立てて絵を作るときには、いくつか鍵になるピースがある。例えばこの場合、アスパラギン（酸）はこのペプチド鎖中に１個しか含まれていないことが分かっていた。これが鍵になるピースである。このアミノ酸を含むペプチドは6個得られていた。バリン-アスパラギン酸、アスパラギン酸-グルタミン酸、バリン-アスパラギン酸-グルタミン酸、フェニルアラニン-バリン-アスパラギン酸-グルタミン酸、フェニルアラニン-バリン-アスパラギン酸-グルタミン酸-ヒスチジンの6個である。これらをお互いに比べて、配列が分かった。同様の方法を使って5本の長い鎖までは再構成できた。しかし、そこでつまった。ミッシング・リンクを発見するには別の方法が必要だった。 　サンガーとタピーは、酸で加水分解する方法に代えて、酵素で分解する方法を選んだ。より敏感で特異的な分解が可能な方法である。使われた酵素はペプシンやキモトリプシン、トリプシンである。例えばトリプシンはリシンやアルギニンのような正の電荷をもつ塩基性アミノ酸のカルボキシル側を分解する。約一年間の集中的な研究でフェニルアラニン鎖が分析できた。 　サンガーはグリシン鎖の分析にたち返った。グリシン鎖は短いものの、厄介な問題があった。手がかりとなるアミノ酸が少ないのだ。面倒な問題もあった。酸で加水分解すると、グルタミンがグルタミン酸に変化してしまう。アスパラギンも同じだ。こういった問題をクリアしなければならなかった。 　しかし、1952年の末には、２本の鎖はほぼ読み終えていた。残った難問はこの２本がどうつながってインスリン分子を作り上げているかということだった。言うは易く、行なうは難しい。サンガーとトンプソンはシステインに注目し、この分子は両端の結合が対称形になっていることで、３つのシステイン・ユニットが鎖どうしをつなげていると考察した。早速、インスリン分子をバラバラに分解し、システインを含む断片を得て、ブリッジ結合を持つ個所を分析した。こうして、タンパク質のアミノ酸配列が初めて判明したのだ。 　アイデアと根気が必要な、研究の成果であった（1953年）。サンガーはこの研究で、1958年にノーベル化学賞を受賞した。 　そのためケンブリッジ大学の教授になったが、恥ずかしがり屋で研究一筋のサンガーは、授業を持つことを免除してもらった。そして、彼が次に取り組んだのはＲＮＡの塩基配列決定法だった。基本的な手法はアミノ酸配列の決定法と同じだったが、アミノ酸ほどヌクレオチドの移動速度が大きくなかった。そこで電気泳動やリンの放射性同位体を用いて塩基の種類を決定していった。そしてＲＮＡの塩基配列が決定する直前にホーリーが転移ＲＮＡの塩基配列を決定してしまった。サンガーは二番手になってしまったのである。 　続いて、サンガーはDNAに関してもウイルスを用いて最初にそのヌクレオチドの全配列を決定して，２度目のノーベル賞を受賞した（1980年）。ＤＮＡは塩基の種類に特異的な切断酵素など無かった。切断できないならば、逆にＤＮＡを鋳型として切断片と同じ物を酵素を使って合成し、それを分析しようと考えた。断片の分離にはろ紙ではなく、寒天を使った。このサンガー法は改良され、現在もマキシム＝ギルバート法とともに使われている。 　現在はタンパク質もＤＮＡもシークエンサーという配列決定機械が仕事をしている。　 　切断酵素によるアミノ酸配列の分析 　　　パパインはシスチン同士のジスルフィド（-S-S-）結合を切断 ■文献資料　Thompspn, E.O.P., 1955. The Insulin Molecule. Sci.Amer., 192(5):36-41. 　石田寅夫，2009．ちっとも偉くなかったノーベル賞科学者の素顔．講談社α文庫.

　タンパク質の種類はアミノ酸の配列順序で決まる。

タンパク質の構造　　　　構造を成立させる結合の種類に注目してみよう

グッドセル博士のタンパク質の図　Newton　2008年2月号より

『生物汎用図録』より

一次構造　　アミノ酸の配列　　【一次構造が高次構造を決定する】

アミノ酸どうしのペプチド結合とシステインどうしのＳ-Ｓ結合（ジスルフィド結合）が基本を作る

二次構造　　αらせん構造と、βシート構造

　　　　　　　　ふたつの二次構造は、ペプチド鎖内水素結合とペプチド鎖間水素結合による違いで
　　　　　　　　構成アミノ酸の種類により決まる。アラニンなど炭化水素アミノ酸が多いとβ構造。
　　　　　　　　αらせん構造は20世紀の中ごろ、化学者ポーリングにより決定された。

　　　　　　　　たとえばケラチンというタンパク質がある。髪の毛を作るケラチンはα−ケラチンで
　　　　　　　　アミノ酸はグリシンとロイシンを中心にほかに6種類ほどのアミノ酸から成り、αらせん
　　　　　　　　構造を取っている。
　　　　　　　　これに対して絹はβ-ケラチンでできており、おもにグリシンとアラニンからできている。
　　　　　　　　ごく少量、セリンとチロシンが含まれている。βケラチンはβシート構造をしている。

▼ライナス・ポーリング（1901〜1994）とαらせん。 　ポーリングはヘモグロビン分子の構造に1937年 から取り組んだ。三次元構造を決定しようと努力 したものの、1937年には誰も成功しなかった。 　1948年にポーリングはタンパク質が取るα構造 とβ構造を発見した。 　「11年もの間、この仕事を誰も成し遂げなかった ことに、私は驚いた。ある意味では1937年に私が 発見しなかったことにも驚いた。当時の私のアイデア はすべて正しかったのに、それほど懸命にやらなか っただけだった」と彼は回想している。 　1954年に化学結合に関する功績で彼はノーベル 化学賞を受賞した。ポーリングの活動は科学だけに 留まらなかった。1963年には核実験禁止に関する 貢献でノーベル平和賞を受賞している。

三次構造　　ポリペプチド鎖の立体構造
　　　　　　　　　　ミオグロビン　　１５１個のアミノ酸が結合
　　　　　　　　　　（プロリンのある場所では折れ曲がる）

▼タンパク質と 他の分子との間 の共有結合でな い相互作用 ★イオン結合は 荷電した側鎖 間で起こる ★２つの非極性 基は疎水的な 相互作用をする ★水素結合は２ つの極性基の間 にできる

【参考】　　一次構造が三次構造を決めることの証明　　　池田博明 　アミノ酸を配列させたペプチドを人工合成すれば、自然に折りたたまれ、立体的な 構造を取り。機能を生じるに違いないというのが、アンフィンゼンの仮説だった。 　1963年にハーバード大学からNIHに戻ったアンフィンゼンは十年をかけて アミノ酸が149個並んだリボヌクレアーゼ（RNA分解酵素）を人工合成した。 　そのタンパク質は抗原性も活性部位も一致していた。 　掛札堅『NIHの生命科学戦略』（講談社ブルーバックス）より

四次構造　　複数のポリペプチド鎖の集合による構造
　　　　　　　　　

　　　　　　　　　例　ヘモグロビンは４個のポリペプチド鎖から構成
　　　　　　　　　　　α鎖＝１４１個のアミノ酸が結合
　　　　　　　　　　　β鎖＝１４６個のアミン酸が結合

▼三次構造は外的な条件 により、たやすく変性する。 　変性するとタンパク質の 正常な機能は失われて しまう。 　変性は通常は可逆的 である。 　卵を加熱させて変性させ てしまうような場合は 非可逆的だ。

▲シャペロンはポリペプチド鎖の正しい高次構造形成（フォールディング） を助ける分子。間違ったリガンドの結合を阻止するタンパク質である。

　　
第５項　核酸

　　　核にある核酸　　　　DNA（デオキシリボ核酸）　染色体を構成
　　　細胞質にある核酸　RNA（リボ核酸）　　　タンパク質合成に働く


　　　核酸に関する詳しい内容は「遺伝と変異」や「分子遺伝学」の項目にて。

● 第６項　無機質（ミネラル）

　鉄 Fe は１日に　10mg摂取することが必要（成人男性）。成人女性は12mg。
　　　ヘモグロビン，ミオグロビン，チトクロムの主成分である。
　　　ヒジキに多い。ほうれん草、玉子、レバーにも多い。
　　　鉄瓶やフライパンを通しても摂取可能である（吉里1989）。
　　　ただし過剰摂取は有害。特に６歳以下の幼児には悪影響を及ぼす場合があります。
　　　
　　　銅なべも銅が溶出するのかという生徒の質問がありました。｢銅なべ　銅　食品｣で
　　　ネット検索すると、銅なべからも溶出するとあります。銅は一般には毒。少量必要なミネラルの一つです。
　　　

　マグネシウムMg　歯や骨に含まれる。
　　　　　　　　　　　　クロロフィルの成分でもある。不足すると植物の葉は白化。

　カリウム　　K　　細胞内に多い。バナナはカリウム分を摂取しやすい食物で、スポーツ選手が
　　　　　　　　　　　　競技の合間に取る。

　ナトリウム　Na　　細胞外に多い。神経興奮に重要な役割をする。

　カルシウム　Ca　骨や筋肉に多く，細胞同士の結合に働く（Ｃａのうち99％は骨や歯に存在）。
　　　　　　　　　　　　ビタミンＤと同時に摂取しないと吸収されない。
　　　　　　　　　　　　老人の過剰なカルシウム摂取は血管を硬化させ、
　　　　　　　　　　　心臓に負担をかけるので有害という。
　　　　　　　　　　　　過剰摂取を防ぐためサプリは利用しないこと。

　亜鉛 Zn　　　　　鉄に次いで多い。細胞分裂が盛んな組織に多い。100種類以上の酵素を助けている。
　　　　　　　　　　　カキと海苔に豊富、ワカメ、昆布、レバー、カニ、スルメなどにも多い
　　　　　　　　　　　不足すると発育や味覚に障害。過剰摂取は銅の吸収を妨げる。
　　　　　　　　　　　（銅はノルアドレナリン生成、ＡＴＰ生産に有用など重要なミネラル）　　　　
　　　　　　　　　　　　油絵の具の白はＺｉｎｃ　Ｗｈｉｔｅというが，zincとは亜鉛のこと。

　　　　　→　食事のバランスについて　”海のものと山のもの”｢窓ぎわのトットちゃん｣より

▲『からだとミネラルの話』（オーム社，1998）
▲杉田浩一『｢こつ｣の科学』（柴田書店，1971）
▲生田哲『人気サプリメントのウソとホント』（講談社α文庫，2006）

▲グッドセル『人体の分子の驚異』（青土社，1998）

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