生命の化学

第1章 · 生命の化学

生命を動かす分子たち

生物は、数種類の原子からできていて、それが数種類の大きな分子に組み上げられ、そのすべてが水に浸されています。

図は液体の水です。分子はそれぞれ、酸素1個（赤）と水素2個（白）でできています。青い線は水素結合で、ある分子の水素と隣の分子の酸素のあいだにはたらく弱い引力です。分子が転がり動くにつれて、絶えず形成と切断をくり返します。

この結合のおかげで、水は水どうしや表面にくっつき、温度変化に抵抗します。

この章は水から始まり、次に生命の元素、そして小さな分子を大きな分子につなぐ反応へと進みます。最後に、生体高分子の4つの分類、炭水化物、脂質、核酸、タンパク質を扱います。どの分類でも、部品の並び順と形が分子のはたらきを決めます。

1.1 · 水は極性分子

そして水素結合が水をまとめている

酸素は共有電子を水素よりも強く引きつけます。この偏った共有が水を極性分子にし、極性が水素結合を生みます。

水の O–H 結合はそれぞれ共有結合で、原子どうしが電子対を共有しています。酸素は電気陰性度が大きく（ポーリングの尺度で 3.44、水素は 2.2）、共有電子は酸素の近くにいる時間が長くなります。この結合が極性共有結合です。

その結果、酸素には部分的な負電荷（δ−）、各水素には部分的な正電荷（δ+）が生じます。分子は 104.5° に曲がっているので電荷は打ち消し合わず、水は極性分子になります。

水素結合とは、δ+ の水素と、別の分子（または同じ大きな分子の別の部分）の δ− の原子（酸素や窒素）とのあいだの引力です。共有結合よりずっと弱い結合です。水分子はそれぞれ最大4個の隣の分子と水素結合できます。液体中では、結合は1ナノ秒に満たない時間しか続かず、すぐにまた形成されます。

大きさが似た分子なのに、沸点は大きく違います。水の沸点はメタンより 261.5 °C 高く、これは沸騰するには水素結合を切らなければならないからです。水素結合は DNA の2本の鎖をつなぎとめ、タンパク質の折りたたみも助けます。

1.1 · 凝集力と付着力

水は水を引き、表面も引く

隣り合う水分子のあいだの水素結合が、水の凝集力、付着力、表面張力を生みます。

凝集力は水が水にくっつく力で、水素結合が分子どうしをつなぎとめます。付着力は、ガラスや植物の細胞壁のような、別の極性または電荷をもつ表面に水がくっつく力です。表面張力は表面での凝集力で、最上層の分子が内側と横方向に引かれるため、表面は張った膜のようにふるまいます。そのおかげでアメンボは水面に浮かべます。

図では、3本のガラス管が水の中に立っています。付着力が水をガラスに沿って引き上げて表面を湾曲させ（メニスカス）、凝集力が残りの水柱を後から引き上げます。管が細いほど、水1gあたりの壁面が多くなり、水は高くのぼります。

半径を半分にすると、高さは2倍になります。この上昇が毛管現象です。

植物では。水は葉から蒸発し、道管の中の水柱がその後から引き上げられます。水柱は凝集力でまとまり、付着力で道管の壁にくっつくので、木はポンプなしで水を数十メートルも持ち上げられます。

1.1 · 水は熱をためる

大きい比熱、大きい蒸発熱

熱は、水分子を速く動かす前に、まず水素結合を切らなければなりません。そのため水は温まりにくく、蒸発するときには大量の熱を持ち去ります。

比熱は、物質 1 g の温度を 1 °C 上げるのに必要なエネルギーです。水の比熱は 4.18 J/(g·°C) で、液体としては大きな値です。図では、同じ 50 W のヒーターを 120 s 動かし、100 g の水と 100 g のエタノールを加熱します。どちらも初めの温度は 20 °C です。

例題。どちらの液体も 50 W × 120 s = 6000 J の熱を受け取ります。水では ΔT = q/(mc) = 6000/(100 × 4.18) = 14.4 °C です。同じ熱でエタノールは 24.6 °C 温まります。

比熱が大きいと、生物も湖も海岸地方も、周囲の空気の温度が大きく変わっても温度を安定に保てます。これは恒常性を保つはたらきの一部です。

蒸発熱は、液体 1 g を蒸発させるのに必要なエネルギーです。水の蒸発熱は体温で 2.41 kJ/g です（エタノールは 0.84 kJ/g）。逃げていく分子がその熱を持ち去ります。これが気化冷却です。体重 70 kg の人が汗を 100 g 蒸発させると、100 × 2.41 = 241 kJ の熱を持ち去り、体をおよそ 1.0 °C 冷やすのに十分な量になります。

1.2 · 生命の元素

環境から取り込まれた原子が、新しい分子に組み込まれる

生物は、取り込んだ原子から自分の分子をつくります。生体分子の大部分は炭素、水素、酸素でできています。窒素、リン、硫黄は、含まれる分類と含まれない分類があります。

* リンは膜をつくる脂質であるリン脂質に含まれます（その頭部には窒素も含まれることが多い）。脂肪とステロイドは C、H、O だけでできています。

• 窒素はタンパク質（どのアミノ酸にもアミノ基があります）と核酸（どの塩基にも含まれます）に含まれます。
• リンは核酸（すべてのヌクレオチドのリン酸）とリン脂質に含まれます。タンパク質と炭水化物には含まれません。
• 硫黄はタンパク質（2 種類のアミノ酸の R 基）に含まれますが、核酸には含まれません。

この違いは道具として使えます。放射性の硫黄をトレーサーにすると、細胞のタンパク質は標識されますが DNA は標識されません。放射性のリンは DNA と RNA を標識し、タンパク質は標識しません。

原子は環境からやってきます。植物は炭素を CO₂ から、水素と酸素を水から、窒素、リン、硫黄を土壌中のイオンから得ます。動物は食物として取り込みます。質量で見ると、ヒトは 65% O, 18.5% C, 9.5% H, 3.3% N です。

1.3 · 高分子の合成と分解

脱水縮合と加水分解

大きな生体分子は高分子（ポリマー）です。小さな単位である単量体（モノマー）が共有結合でつながった鎖です。結合は水分子を 1 つ取り除いてつくられ、水を 1 つ加えて切れます。

脱水縮合。一方のモノマーからヒドロキシ基（–OH）が、もう一方から水素が取り除かれます。2 つのモノマーは共有結合でつながり、OH と H は一緒に 1 つのH₂Oとして離れます。この方法で多くのモノマーをつなぐことを重合といいます。

加水分解（「水による分解」）はその逆です。2 つのモノマーの間の結合に水が加わります。H は一方のモノマーへ、OH はもう一方へ移り、共有結合が切れます。消化は加水分解です。

図では同じ映像を順方向（水が出ていく）と逆方向（水が入る）で再生します。n 個のモノマーの鎖には n − 1 個の結合があるので、できるときに n − 1 個の水分子を放出し、分解されるときに n − 1 個を取り込みます。

例題。グルコースのモル質量は 180.16 g/mol、水は 18.02 です。グルコース 2 個がつながると、2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol です。図の 6 個の鎖では、6 × 180.16 − 5 × 18.02 = 990.86 g/mol です。

細胞は酵素を使って、どちらの反応も速めます。高分子をつくるにはエネルギーが必要で、加水分解はエネルギーを放出します。

1.4 · 炭水化物

糖と、糖がつながった鎖

単糖はグルコースやフルクトースのような単純な糖で、炭水化物のモノマーです。共有結合でつながると、直鎖状または枝分かれした複雑な炭水化物である多糖になります。

単糖 2 個で二糖（スクロース、ラクトース、マルトース）ができます。数百から数千個で多糖になります。炭水化物は C、H、O だけでできています。

形は機能に対応します。

図では、どちらの鎖も 1 ステップごとに伸びる末端 1 つにつき糖が 1 個ずつ付加されます。直鎖には末端が 1 つしかありません。枝分かれした鎖はすべての枝に末端があるので、同じ時間でずっと多くの糖が付加され、酵素も同じ速さで外せます。だから高度に枝分かれしたグリコーゲンは、動物が急いで使う貯蔵物質なのです。

モノマーのつながり方がわずかに違うだけで、分子は変わります。ヒトはデンプンを消化できますが、セルロースを加水分解するヒトの酵素はありません。

1.5 · 飽和脂肪と不飽和脂肪

尾の折れ曲がりが脂肪を融けやすくするしくみ

脂質の多くは無極性の疎水性分子で、水と混ざりません。脂質のはたらきは、各部分がどう組み合わさっているかで決まります。

多くの脂質は脂肪酸からできています。脂肪酸は、一方の端にカルボキシ基をもつ長い炭化水素鎖です。脂肪（トリグリセリド）は、3 つの脂肪酸が脱水縮合でグリセロールにつながったものです。

飽和脂肪酸は、炭素間が単結合だけです。できるだけ多くの水素をもち、鎖はまっすぐです。不飽和脂肪酸は、炭素間二重結合を少なくとも 1 つもち、そこで鎖が折れ曲がります。二重結合が多いほど不飽和度が高くなります。

まっすぐな鎖は密に詰まり、全長にわたって引き合うので、飽和脂肪は室温で固体です（バター、ラード）。折れ曲がった鎖は詰まらないので、不飽和脂肪は液体です（オリーブ油）。炭素数 18 の 4 つの脂肪酸を見てみましょう。

脂質は不飽和であるほど、同じ温度でより液体に近くなります。不飽和の尾部が多い膜は、寒さの中でも流動性を保ちます。

1.5 · 脂質のはたらき

エネルギーを蓄え、信号を伝え、膜をつくる

脂肪、ステロイド、リン脂質はどれも脂質で、それぞれ別のはたらきをします。

脂肪はエネルギーを蓄え、細胞の機能を支えます。哺乳類では皮膚の下で断熱もします。脂肪 1 g から約 37 kJ が得られ、炭水化物 1 g の 17 kJ の 2 倍以上です。1000 kJ を蓄えるには、脂肪なら 27 g ですみますが、炭水化物では 59 g 必要です。

ステロイドは、4 つの炭素環が融合した脂質です。多くはホルモン（テストステロン、エストロゲン、コルチゾール）で、成長と発達、エネルギー代謝、恒常性を調節します。

コレステロールはステロイドの一つで、動物細胞膜の尾部の間に入り（図の青色）、膜の構造を安定させます。

リン脂質は 2 本の脂肪酸の尾部と、リン酸基をもつ頭部からなります。頭部は極性で親水性、尾部は無極性で疎水性です。両方の性質の端をもつ分子は両親媒性といいます。

水の中でリン脂質は脂質二重層をつくります。2 枚のシートの頭部が両側の水に向き、尾部は間に隠れます。すべての細胞の細胞膜と、細胞小器官の膜は、このような二重層です。小さな無極性分子は内部を通り抜けられますが、イオンや大きな極性分子は通れません。

1.6 · 核酸

ヌクレオチドの鎖で、2 つの異なる末端をもつ

DNA と RNA は、ヌクレオチドと呼ばれる単量体（モノマー）の配列として生物の情報を保存しています。

どのヌクレオチドにも3つの部分があります。

• 炭素5個の糖：DNA ではデオキシリボース、RNA ではリボース。
• リン酸基。
• 窒素を含む塩基：アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、そして DNA ではチミン（T）、RNA ではウラシル（U）。

共有結合が、あるヌクレオチドのリン酸と次のヌクレオチドの糖をつなぎ、塩基が突き出した糖－リン酸骨格をつくります。この骨格に沿った塩基の並び順が情報です。

鎖には方向があります。糖の炭素には番号がついていて、2つの末端は異なります。5′ 末端（「ファイブプライム」）は糖の 5′ 炭素に遊離のリン酸をもち、3′ 末端は糖の 3′ 炭素に遊離のヒドロキシ基をもちます。

核酸がつくられるとき、新しいヌクレオチドは、図のように伸びていく鎖の3′ 末端に結合します。そのため鎖は常に 5′ → 3′ の向きに伸び、配列もその向きに書きます：5′-ATGCCGTA-3′。

1.6 · 二重らせん

逆平行の鎖と塩基対

DNA は2本の鎖が二重らせんを巻いたもので、互いに逆向きに走り、塩基どうしの水素結合で結びついています。

2本の鎖は逆平行です。一方はらせんを上向きに 5′ → 3′、もう一方は下向きに 5′ → 3′ に走ります。糖－リン酸骨格は外側にあり、塩基は中央で対をつくります。

対のつくり方は決まっています。アデニンはチミンと対をつくり（A–T）、水素結合は2本です。グアニンはシトシンと対をつくり（G–C）、水素結合は3本です。したがって、一方の鎖の配列がもう一方の配列を決めます。2本は相補的です。RNA では、アデニンはウラシルと対をつくります（A–U）。

A は必ず T と、G は必ず C と対をつくるので、二本鎖 DNA では A と T の量が等しく、G と C の量も等しくなります。シャルガフはヒトの DNA を測定しました。

例題。DNA 試料の 30% が A なら、T も 30% です。残りの 40% は G と C で、同じ割合の 20% ずつです。

図の12の塩基対 ATGCGCATTAGC は、50.0% が G–C で、30本の水素結合で結ばれています。G–C 対が多いほど水素結合が多くなり、鎖を引き離すのに必要な温度が高くなります。

1.7 · タンパク質：アミノ酸の鎖

ペプチド結合と R 基

タンパク質は、共有結合であるペプチド結合でつながったアミノ酸の直鎖が1本以上集まったものです。1本の鎖をポリペプチドといいます。

どのアミノ酸も、中心の炭素に4つのものが結合しています。水素、アミノ基（–NH₂）、カルボキシ基（–COOH）、そして種類によって異なる R 基（側鎖）です。20種類のアミノ酸は、R 基だけが異なります。

ペプチド結合は、あるアミノ酸のカルボキシ基と次のアミノ酸のアミノ基の間で脱水縮合によってでき、H₂Oが1分子放出されます。鎖にはN 末端（遊離のアミノ基）と C 末端（遊離のカルボキシ基）があり、図のように C 末端で伸びます。

R 基は化学的性質により3種類に分けられます。

R 基どうしの相互作用が、タンパク質の各領域の形、つまりはたらきを決めます。

例題。300個のアミノ酸からなるポリペプチドには299個のペプチド結合があります。残基の平均がおよそ 110 ダルトンなら、質量はおよそ 300 × 110 = 33 kDa です。

1.7 · タンパク質の4つの構造レベル

一次、二次、三次、四次

アミノ酸の配列が鎖の折りたたまれ方を決め、折りたたまれた形がタンパク質のはたらきを決めます。

一次構造は、ペプチド結合で保たれたアミノ酸の配列です。これより上のすべての段階を決めます。

二次構造は、主鎖（R 基ではない）の原子どうしの水素結合で保たれる局所的な折りたたみで、コイル状の α ヘリックスと折りたたまれた β シートがあります。

三次構造は、鎖全体の立体的な形で、R 基どうしの相互作用で保たれます。水素結合、疎水性相互作用（無極性の R 基が水を避けて内側に集まる）、電荷をもつ R 基どうしのイオン結合、そして2つのシステインの間の共有結合であるジスルフィド結合（図の赤）です。

四次構造は、1つのタンパク質の中での2本以上のポリペプチドの配置です。ヘモグロビンには4本あり、141個のアミノ酸からなる2本の α 鎖と、146個からなる2本の β 鎖です。

4つの段階がそろって、タンパク質のはたらきが生まれます。熱、極端な pH、ある種の化学物質は、上位の段階の弱い結合を壊し、タンパク質は広がってはたらきを失います。これが変性です。一次構造のペプチド結合は残ります。

アミノ酸が1つ変わるだけで、折りたたみが変わることがあります。鎌状赤血球のヘモグロビンでは、電荷をもつ R 基が1つ無極性のものに置き換わり、タンパク質が隣のものとくっつきます。