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細胞と分子（知識）の問題

難易度 3共通テストレベル高校生物細胞と分子（知識）

ある酵素 X の反応について、次の実験 1・2 を行った。

実験 1　酵素 X の量・温度（ $37^{\circ} C$ ）・pH（酵素 X の最適 pH）を一定にした。そのうえで、基質の濃度を変えて、反応開始直後の反応速度を測定した。測定は、(a) 阻害物質を加えない場合、(b) 物質 P を一定濃度加えた場合、(c) 物質 Q を一定濃度加えた場合の 3 通りで行った。結果は次の表のようになった。反応速度は、(a) で基質濃度を十分に高くしたときに近づく最大反応速度を $100$ としたときの相対値で示してある。

基質濃度（相対値）	1	2	5	20	50	100
(a) 阻害物質なし	33	50	71	91	96	98
(b) 物質 P を加えた	14	25	45	77	89	94
(c) 物質 Q を加えた	17	25	36	45	48	49

実験 2　実験 1 の (b)・(c) で用いた酵素 X を含む液を透析し、物質 P・物質 Q を取り除いた。その後、基質濃度 $100$ で反応速度を測定すると、どちらも $98$ であった。一方、酵素 X を含む液を $80^{\circ} C$ で 10 分間加熱してから $37^{\circ} C$ に戻し、同じ条件で測定すると、どの基質濃度でも反応速度は $0$ であった。

実験 1・2 の結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

ア　物質 Q は、基質濃度を十分に高くすると、阻害の効果がほとんど見られなくなる。
イ　物質 P を加えると、基質濃度をいくら高くしても、反応速度は阻害物質なしのときの約半分までしか上がらない。
ウ　物質 P は基質と立体構造が似ていて、酵素 X の活性部位をめぐって基質と競合して結合すると考えられる。
エ　物質 Q は酵素 X の活性部位に結合し、基質と競合することで反応を阻害すると考えられる。
オ　物質 P・物質 Q はどちらも、加熱したときと同じように酵素 X を失活させ、取り除いてもその活性は元に戻らない。

この問題で使うもの

酵素の活性部位と阻害（説明と入口の問題）
酵素の性質（説明と入口の問題）

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ヒント

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ヒント 1

酵素の阻害の 2 つのしくみ（競争的阻害・非競争的阻害）が、基質濃度を高くしたときの反応速度にどう表れるかを思い出そう。

ヒント 2

基質濃度を高くすると、阻害物質なしのときの反応速度に近づくか、それとも最大反応速度そのものが下がったままかに注目する。実験 2 で阻害物質を取り除いたときに活性が戻るかどうかも確かめよう。

ヒント 3

物質 P は基質濃度 100 で 94 まで回復し、物質 Q は約 50 で頭打ちになる。また、透析で P・Q を除くと活性は 98 に戻る。これでア・イ・オはデータと合わないので、残りの 2 つのうち、P・Q それぞれの性質と合っている記述を選ぶ。

答えと解説

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ウ

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解説を読む

考え方　阻害物質には 2 種類ある。基質と構造が似ていて活性部位をめぐって基質と競合する競争的阻害の物質と、活性部位以外の部位に結合して酵素の立体構造を変える非競争的阻害の物質である。競争的阻害では、基質濃度を高くすると基質が活性部位に結合する機会が増える。そのため阻害の効果は小さくなり、反応速度は阻害物質なしのときの最大反応速度に近づく。非競争的阻害では、基質濃度を高くしても阻害の効果は小さくならず、最大反応速度そのものが低下する。

データの読み取り
- (a)：基質濃度を高くすると $91$ 、 $96$ 、 $98$ と増え方が小さくなり、 $100$ に近づいていく。すべての酵素が基質と結合した状態に近づくためである。
- 物質 P：基質濃度 $1$ では $14$ で、(a) の $33$ の半分以下である。しかし基質濃度 $100$ では $94$ となり、(a) の $98$ にほぼ近づいている。基質濃度を高くすると阻害が見られなくなっていくので、物質 P は競争的阻害を行う物質と考えられる。
- 物質 Q：基質濃度 $20$ で $45$ 、 $50$ で $48$ 、 $100$ で $49$ となり、約 $50$ で頭打ちになる。最大反応速度が (a) の約半分に下がり、基質濃度を高くしても回復しない。よって物質 Q は非競争的阻害を行う物質（活性部位以外に結合する物質）と考えられる。
- 実験 2：透析で P・Q を取り除くと、基質濃度 $100$ での反応速度は (a) と同じ $98$ に戻ったので、P・Q による阻害は取り除けば元に戻る。一方、加熱した酵素は、温度を戻しても活性が $0$ のままである。熱によってタンパク質の立体構造が変わり（変性）、元に戻らなくなった（失活した）と考えられる。

各選択肢の検討
- ア：誤り。物質 Q を加えたときは、基質濃度 $100$ でも $49$ で、(a) の $98$ の約半分のままである。基質濃度を高くしても阻害は弱まっていない。
- イ：誤り。基質濃度に関係なく最大反応速度が約半分になるのは物質 Q の場合である。物質 P では基質濃度 $100$ で $94$ まで上がる。
- ウ：正しい。基質濃度を高くすると阻害の効果が小さくなり、反応速度が阻害物質なしの最大反応速度に近づく。これは競争的阻害の特徴であり、基質と立体構造が似た物質が活性部位をめぐって基質と競合していると考えられる。
- エ：誤り。活性部位をめぐって基質と競合するなら、基質濃度を高くすると阻害は弱まるはずである。物質 Q ではそうなっていない。物質 Q は活性部位以外の部位に結合して阻害していると考えられる。
- オ：誤り。実験 2 で P・Q を透析で取り除くと活性が $98$ に戻っている。加熱による変性のように元に戻らない失活ではない。

したがって、答えはウである。

別解

データの読み取り:(a) は Vmax≒100、反応速度が 50 になる基質濃度（Km）は 2。(b) 物質 P は基質濃度 100 で 94、基質濃度を上げると最大反応速度に近づく（Vmax はほぼ変わらず、Km が大きくなる）。これは競争的阻害の特徴。(c) 物質 Q は基質濃度を上げても 49 付近で頭打ち（Vmax がおよそ半分に低下）。基質濃度を上げても阻害は解消されない。これは非競争的阻害の特徴で、活性部位以外に結合すると考えられる。

実験 2:透析で P・Q を除くと活性は 98 に戻る。したがって P・Q による阻害は可逆的で、酵素は失活していない。加熱では活性が 0 になり、酵素のタンパク質が変性して失活したと考えられる。

各選択肢:
ア誤。Q を加えた場合は基質濃度 100 でも 49 で、阻害は解消されない。
イ誤。P を加えた場合は基質濃度を高くすると 94 まで上がり、約半分で頭打ちになるのは Q のほう。
ウ正。P は基質濃度を上げると阻害が小さくなる（Vmax はほぼ同じで、同じ反応速度を得るのに必要な基質濃度が大きい）。競争的阻害として説明でき、基質と構造が似て活性部位に結合すると考えられる。
エ誤。Q は Vmax を下げる非競争的阻害で、活性部位以外に結合すると考えられる。
オ誤。透析で除くと活性が戻るので、失活させてはいない。

検算:(b) では基質濃度 1 で 14、2 で 25 と、(a) の 33、50 より低い。濃度 100 では 94 で (a) の 98 にほぼ近づく。(c) は 1 で 17、2 で 25 と、頭打ちが 50 の半分程度。よって答えはウ。

経過時間（分）	0	10	30	60	90
条件 A	0	3.0	7.0	10.0	10.0
条件 B	0	0.6	1.0	1.0	1.0

	実験 1（原形質流動）	実験 2（体細胞分裂）
物質 X	止まった	染色体は両極に分かれて核が 2 個できたが、細胞質分裂が起こらず、核を 2 個もつ細胞ができた
物質 Y	物質を与えないときと同じように起こった	紡錘体が見られず、凝縮した染色体は両極に分かれなかった

標識アミノ酸を与えてからの時間	放射能が多く見られた場所
3 分後	リボソームが表面に付着した小胞体（粗面小胞体）
20 分後	扁平な袋状の膜構造が何層にも重なった細胞小器官 X
40 分後	X の近くにある、膜に包まれた多数の小さな粒（分泌顆粒）
120 分後	細胞の外（分泌された消化酵素の中）

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