生化学 平成 18 年度（2006） 前期 試験問題 2 年生本試験＋再々試験 平成18 年 7 月 26 日（水 I 第一講義室） 解説 20060728 金 番号 X 氏名 生化 一郎 点 問題 1 （初版 Essential 問題 7-19，第２版 Essential 問題 7-17 の改変） 菌を数種類分離し，ある遺伝子の塩基配列を調べたところ，次のような変異を持 った菌株a∼eが得られた．これらのアミノ酸について調べたところ（１）∼（４） のようになった．（１）∼（４）はa∼eのどの菌株の解析結果と考えられるか．相 当する菌株の記号を［ ］の中に記せ．なお，DNAの5’側（コード領域の最初の方） がタンパク質に翻訳された時にアミノ基側になる．（3点×4=12点） 菌株ａ．コード（翻訳）領域の末端近くにヌクレオチドが１個挿入されていた． 菌株ｂ．コード（翻訳）領域の最初の方にヌクレオチドを１個欠失していた． 菌株ｃ．コード（翻訳）領域の中央付近に連続した３個のヌクレオチドが欠失 していた． 菌株ｄ．コード（翻訳）領域の中央付近に連続した４個のヌクレオチドが欠失 していた． 菌株ｅ．コード（翻訳）領域の中央付近で１個のヌクレオチドが置きかわって いた． （１） 野生株（変異のない元の菌群のこと）とアミノ酸配列に違いはなかった． ［ e ］塩基が変化してもアミノ酸としては変化しないことがあることを思い 出そう！ （２） 野生株に比べてアミノ酸１個の欠失があったが，それ以外の配列は同じだっ た．［ c ］アミノ酸１個の欠失が意味するものは。アミノ酸１個とヌクレオ チド３個が対応。 （３） アミノ基側の数個のアミノ酸配列以外は野生株と全く異なっていた． ［ b ］全く異なる配列になる可能性が高いのはフレームシフト。アミノ基側 にそれが起こるということはコード領域の最初の方に変化が起きている可能 性あり。 （４） 菌株 b と比べて，アミノ基側の配列とカルボキシル基側の配列が同じだった が，中間の配列はかなり異なっていた．アミノ酸総数は菌株 b よりも１個少 なかった．［ d ］ちょっと難しかったかな、と思ったけれど、予想以上にで きていてうれしかった。１個の欠失と４個の欠失は３の倍数＋１でフレーム シフトが同じようにずれる。欠失の起こった部位の違いで上のように複雑な ことになるが。ただ、４個欠失では１個のアミノ酸が少なくなるけれど。
問題２ エネルギー産生のための糖代謝について（ ）に適当な語を入れ説明文を完 成せよ．（2 点ｘ5=10 点） １ 余剰のグルコースは血糖値維持にすぐに利用できるように肝臓において（グリコ ーゲン）として貯蔵されている．およそ１日分の消費量がストックされている． このシステムは血糖値維持に重要な機構です。 ２ （好気的）環境では１分子のグルコースは２分子のピルビン酸になりミトコンド リアに運ばれてアセチルCoA となる． 好気的環境でクエン酸回路およびその後の電子伝達系がスムーズに流れるとアセ チル CoA ができ、ミトコンドリアに移行しますが、嫌気的条件ではピルビン酸から 乳酸生成に向います。乳酸は血中にでます。酸欠が続くと疲労する原因です。 ３ （グルコース）は解糖系のほか，ペントースリン酸回路でも酸化される．ペント ースリン酸回路は，核酸生合成に必要なリボース５-リン酸の供給に重要である． グルコースの解糖系から ATP 産生に至る経路の他に、もう一つ重要な役割をして いる経路がペントースリン酸回路です。高分子合成に重要です。 ４ 乳酸，ピルビン酸，アミノ酸などの糖質以外の物質から，グルコースやグリコー ゲンを合成する過程を（糖新生）という． この経路の大部分は，解糖系の逆の反応 である． これも血糖値維持に重要な機構です。またグルコースはエネルギー産生以外にもいろいろな生体 機能維持に重要な働きに使われます。栄養の過剰摂取や逆に飢餓状態ではこの機構が稼動します。 術前に体力を検査するのもこのことを踏まえてのことです。 ５ クエン酸回路で生じた還元型補酵素(NADH, FADH2)は，電子伝達系で最終的に 酸素に電子を供与して水にするが，この際に（ATP）を産生する． 少し漠然とした問題でした。テキストの“まとめ”の一文章からの引用です。ここ では NADH → H+(プロトン)勾配 → ATPase（ポンプ） → ATP 産生（ 実際,産生とは ADP→ATP のこと）を理解していることを尋ねています。
問題3 ミトコンドリアに関する説明文の（ ）に適当な語を入れ完成させよ． （2 点ｘ4=8 点）
ってできるアンモニアの処理機構である（尿素回路 または オルニチン回路）をも つ． アンモニアを無毒な尿素として排泄している重要な機構です。肝細胞にのみある機 構でアルギニン、シトルリン、オルニチンのサイクルでCO2 を取り込んで尿素にし ます。 ２ ヒトの進化やルーツの解明に，ミトコンドリアの（DNA）の情報が特に有用で ある． 最近、ミトコンドリアゲノムがいろいろな疾患と関係していることも分かってきて います。日本人のルーツ、稲、イヌ、マンモスなどのデータもミトコンドリア DNA を利用して発表されています。「遺伝子」の答えもOK です。 ３ 脂肪がエネルギーとして利用される場合はミトコンドリアのマトリックスで行 われる（ β酸化 ）が重要である． 脂肪のエネルギーといえば、 脂肪→脂肪酸→β酸化→アセチル CoA→ATP を連 想して下さい。脂肪酸の生合成では炭素２個づつ伸長していくことと関連して分解も また炭素２個づつであること（β酸化）これが多量のアセチル CoA をつくり、ATP を産生します。脂肪がエネルギー価の高い理由です。s ４ 細菌などの（原核）生物は，ミトコンドリアを持たない． ここでは文章的にはいろいろな語句が可能かもしれませんが「ミトコンドリアを持つこと」に 着目して分類して下さい。生化学を学んだ人はよくわかっているようです。 問題4 以下の設問に答えよ．（3 点 x4=12 点） A． グルコースの血中濃度が血糖値であり基準値は 60-109 mg/dl である．今，血糖 値を100 mg/dl として，これをモル濃度に換算せよ．dl（デシリットル）は 1/10ｌ（リ ットル）．グルコースの分子量は180． 答 デシリットルは今でも臨床検査では使われるので敢えて用いた。桁間違えは、惜しい と同情するが、0 点。生命を扱う場合、桁の違いは致命的。 B． 純水のモル濃度を求めよ．水素の原子量は１．酸素は 16． 答 1000/18＝--- A、B をあわせると、血糖グルコース分子に対して水分子（血液中も純水とそんなに 変らない濃度で存在する）は 10000 倍と大量に存在することがわかる。Glucose ： H2O= 1 : 10000
C． 0.1M 酢酸，0.2M 酢酸イオンという状態の溶液がある．この溶液の pH を求め よ．酢酸のpK は 4.8 である．必要ならば log2＝0.3 を使用せよ． （M＝mol/l） 答 pH は基本。 HA → H+ + A- 酢酸 酢酸イオン K=［H+］［A-］/［HA］ 酢酸 HA より酢酸イオン A-の方が多い状態で平衡に達しているということは、その 溶液はH+が酢酸のｐK 点よりも H+濃度が低い状態、すなわちｐK よりも高いｐH になっていると予想できる。だから、エイヤッと4.8+0.3 という手もないではない。 実際にはヘンダーソン ハッセルバッハの式 ｐH=ｐK+log（［A-］/［HA］） を用いて求める。 ところでこの式は、実は簡単に得られる。つまり、 HA → H+ +A- この平衡定数K は定義より K=［H+］［A-］/［［HA］ ここで、両辺の-1ｘ（log）をとってもイコールは不変
-logK= - log(［H+］［A-］/［［HA］) ＝ - log［H+］- log（［A-］/［［HA］)
pK=-logK、ｐH=-log[H+] なので ｐK＝ ｐH - log（［A-］/［［HA］) 移項して ｐH=ｐK+log（［A-］/［［HA］) ヘンダーソン ハッセルバッハの式である。 D． 0.01M 酢酸，0.04M 酢酸イオンの溶液であればその pH はいくらか． 答 C の応用問題。ヒント log 4 = log22=2 log 2
が予想できる。) 問題5 以下の文章の（ ）に適切な語を入れよ．（2 点ｘ2＝4 点） アミノ酸であるグリシンはアミノ基とカルボキシル基を持つ．酸性条件（例えばpH 3）では，グリシンの（ ）基は荷電しており，一方，（ ） 基は荷電していない． 前問同様 HA → H+ + A -を理解していればできる。 水素イオン濃度が高くても（＝ｐH 低い）、平衡定数 K は不変なのだから、この系 は［HA］>［A-］となってつりあっているはず。だから［-COOH］＞［-COO-］。つ まりカルボキシル基は解離していない状態。 アミノ基（-NH2）も、カルボキシル基や酢酸などの酸と同様に考えてよい。つま り、-NH2がA-に、-NH3+が AH に相当する。その結果、アミノ基は荷電（-NH3+） していることになる。 アミノ酸のカルボキシル基のｐK＝５程度。つまりｐH５では１/２が解離している。 ｐH４では［−COOH］/［−COO-］＝10 に、ｐH３では［−COOH］/［−COO-］ ＝100 になっている。 問題6 以下の 6 種類のアミノ酸（ここではアミノ基とカルボキシル基はペプチド結 合している形で描かれている）のうち，（１）−（４）の条件に合うものをそれぞれ ひとつあげよ． (3 点 x 4=12 点)． （１） 極性アミノ酸 答 （２） 非極性アミノ酸 答 （３） アミノ酸ではなく本当はイミノ酸 答 （４） 塩基性アミノ酸 答 グルタミン酸やアスパラギン酸のカルボキシル基とは異なり、グルタミンやアスパラ ギンのアミド基（といいます。アミノ基でもありません）は極性を持ちますが、解離 はしません。
問題7 大腸菌のゲノム DNA の大きさは 4.7 x 106塩基対で約4,800 個の遺伝子を有 することが明らかになった．以下の設問に答えよ．（3 点 x 5 = 15 点） ①DNA は逆向きの２重らせん構造をとる，②G-C, A-T の組合せを「塩基対」と呼ぶ， ③３塩基配列（コドン）が１アミノ酸に対応する等の「遺伝情報の伝達」に関する基 本中の基本が理解されているかどうかを問う問題．これらが分かれば，式と答えはヒ ントにより簡単に出せる．「計算だ！」と思って思考が停止してはいけません．「工夫 する」や「ちょっと考えてみる」ことが大切です．考えた人はほぼできていました． （分子量やモルを知っていることは長大歯学部生として当然かな？） a) １モルのゲノム DNA の重量はいくらか．1 塩基対の平均分子量を 660 Da（ダル トン）とし，概数を計算せよ．（ヒント：NaCl の分子量は 58.44 Da で，NaCl 1 モ ルの重量は58.44 g である） 式 答 b) 大腸菌１個が持つゲノム DNA の重量はいくらか．アボガドロ数（ある物質１モ ルの中に含まれる構成要素の総数）を 6.0 x 1023として計算せよ．（ヒント: ゲノム DNA 1 モルは 6.0 x 1023個の大腸菌から得られたDNA 量に相当する） 式 答
c) 1 遺伝子の平均塩基対数はいくらか． 式 答 d) 1,200 塩基対からなる遺伝子は何残基のアミノ酸からなるタンパク質をコードす るか． 式 答 e) DNA 配列 5’-GCTGCTCA-3’に対応する相補鎖の配列を方向が分かるように記せ． 答 問題8 （計 16 点） 8A カッコ内に適当な語を補い，DNA 複製についての下記の文を完成せよ．(2 点 x 6 = 12 点) Essential 2 版 p201 第２段落参照．穴埋め問題は用語を知らないとできないの で，”all or nothing”の感がありますが，以下の文章は DNA 複製についての「まとめ」 に相当する重要箇所です．授業や教科書中の「重要ポイントを見抜く力」も（短期決 戦？には）必要です．臨床でも要求されます． 複製装置の中心となる酵素は（ ）で，元の鎖を鋳型として新 しいDNA 鎖を合成する．この酵素は DNA 鎖の（ ）末端にヌクレオチ ドの 5’-リン酸基が( ）結合でつながる反応を触媒し， DNA 鎖の末端に次々にヌクレオチドを付加していく．この酵素はエネルギーに富ん だ（ ）を基質とし，縮合反応で基質のリン酸結合が 加水分解され（ ）が遊離する．この際のエネルギー放出を重合 反応と共役させる．DNA 重合反応は事実上（ ）反応である． 章末問題6-10（2 版）の応用問題, 図 6-9, 6-14, 6-17（複製フォーク関係）参照．計 算問題のようではありますが，細胞で起こっている「DNA 複製のダイナミズム」が 頭の中に浮かんでくる良い問題だと思います． 8B ゲノム DNA が 4 x 109塩基対である細胞がある．この細胞では，DNA 複製フォ ークでの複製速度は，毎秒約100 ヌクレオチドである．DNA を 48 時間に 1 回複製
するためには，この細胞には最低何個の複製起点が必要か． （4 点） 式 答 問題9 （2 点ｘ2＝4 点） 9A 細胞内に A の分子 1000 個と B の分子 1000 個があるとする．濃度は共に 10-9 M である．さて, A+B→AB の反応が進み，平衡状態になったとき，A 分子 250 個， B 分子 250 個になっていた．このとき AB 分子は細胞内に何個あるか．（M＝mol/l） 答 1000 個ある状態で 10-9（M）なのです。 9B この反応の平衡定数はいくらか． 答 A は 1000 個ある状態で 10-9（M）なのです。 ですから、250 個ある状態であれば、その濃度は （250/1000）ｘ10-9（M） K=［AB］/(［A］[B])＝｛（750/1000）ｘ10-9）｝/｛（250/1000）ｘ10-9（M）｝2 あとは計算。 ただし、1/（10 - 9）＝10 9 です。間違えないように。ここでも桁の間違いは致命的なので部分点はなし。 ちなみに、K の単位は（M-1）。 K＝［AB］/(［A］[B])なので必然的にそうなる。つまり平衡定数の単位はそれぞれの 反応によって変る。 A→B (無単位) A+B→AB （M-1）
A+B+C→ABC （M-2） 問題10 酵素 E の基質（Ｓ）の関係と反応速度（v）を測定して以下の結果を得た． （2 点ｘ4＝8 点） [S] mg・ml-1 0.05 0.1 0.2 0.5 1 v mg・ml-1・min-1 2.5 3.9 5.6 7.1 8.1 10A 酵素 E の基質濃度と反応速度の関係を示す図１を描け． 図１ １． 反応速度＝ｖ なので、図のｙ軸の説明に両者を書いても意味はない。どちら か一方と、反応速度単位を書くべき。ｘ軸も同じ。 ２． 測定した各点を直線でつなぐより滑らかに書いたほうがよい。真の線は滑らか なはずだから。 ３． 測定してはいないが、基質濃度０［（0,0）］まで線を伸ばすべきである。［S］= ０のときｖ＝０のはずだから。 ４． 問題では敢えて要求してはいないが、Km のｙ軸切片に、（1/2）Vmax を入れ るべきである。 10B １/ｖと１/[S]の関係のグラフ（図２），すなわち二重逆数プロットを描け． １． 図１とは違い、ここでは（０，０）に線を伸ばすことはタブー。もしそうした なら、基質濃度無限大（１/［S］→0）で反応速度無限大(1/v→0)であるといっ ていることになる。 ２． -1/Km はマイナスの値になる。そのことを考えて図を作成すべきである。つま りｘ＝0（ｙ軸）を左端でなく、真ん中付近に移動すべき。 ３． すべての点を書き入れたら、すべてを考慮して１直線を引くこと。ここで各点 1 個 1 個を結んだ折れ曲がりのある線では、Vmax や Km は得られない。 ４． ３で述べたことと同じだが、二点の組み合わせだけで、連立二次方程式を解く のはタブー。データは誤差を含むものであるから全体を考慮にいれて最良の値 を得るべき。正確には最小自乗法を使う。
10C 酵素 E の VmaxとKmはいくらか． 答 単位も必要。図２より算出。 10D 図１に Vmax，Ｋｍを，図２に−1/Kmと1/Vmaxを適切な位置に書き入れよ． 図2 の解答例 直線の元となったポイントを明確に示す。 以下は練習用のグラフ用紙 （略）
