卵白の水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えて塩基性にしたあと、薄い硫酸銅(II)水溶液を少量加えると、溶液が赤紫色になった。この呈色は、分子中にペプチド結合を 2 つ以上もつ(トリペプチド以上の)ペプチドやタンパク質で見られ、 が錯イオンをつくることによって起こる。この反応を何というか。
タンパク質の構造・変性・検出反応
ペプチド結合、一次〜四次構造、熱や酸・塩基・重金属イオンによる変性(一次構造は壊れない)、ビウレット反応・キサントプロテイン反応・硫黄の検出反応がそれぞれ何を示すかを判定できる
前提
- アミノ酸の性質と等電点 (高校化学 高分子化合物(知識))
- 高分子化合物の特徴と重合の種類 (高校化学 高分子化合物(知識))
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説明
タンパク質は、多数の -アミノ酸がペプチド結合でつながった高分子化合物です。この技能では、ペプチド結合のでき方、タンパク質の一次〜四次構造、熱や酸・塩基・重金属イオンによる変性、そしてビウレット反応・キサントプロテイン反応・硫黄の検出反応がそれぞれ何の存在を示すかについての文が正しいかどうかを判定できるようにします。卵白などの試料にどんな反応が起こるかを判断するときに使います。
なぜそうしてよいのか
アミノ酸のカルボキシ基 と、別のアミノ酸のアミノ基 から水 1 分子がとれると、 という結合ができます。アミノ酸どうしのこの結合をペプチド結合といい、この反応を繰り返して多数のアミノ酸がつながったもの(ポリペプチド)がタンパク質の骨格です。水がとれながら単量体がつながるので、これは縮合重合にあたります。アミノ酸 2 分子からなるものをジペプチド、3 分子からなるものをトリペプチドといい、トリペプチドにはペプチド結合が 2 つあります。
タンパク質の構造は段階に分けて考えます。一次構造は、アミノ酸がどの順番でつながっているか(配列)です。二次構造は、ペプチド結合の と別の位置の の間の水素結合によってできる、らせん状の -ヘリックスや、ひだ状の -シートなどの部分的な立体構造です。三次構造は、側鎖どうしの間の相互作用(システインの側鎖どうしがつくるジスルフィド結合 、イオンどうしの引き合い、水素結合など)によって、ポリペプチド鎖全体が折りたたまれてできる立体構造です。四次構造は、三次構造をもつポリペプチド鎖(サブユニット)が複数集まってできる構造で、例えばヘモグロビンは 4 つのサブユニットからなります。タンパク質のはたらきは、この立体構造によって決まります。
二次〜四次構造を支えているのは、水素結合などの比較的弱い結びつきです。そのため、加熱したり、酸・塩基、重金属イオン(、、 など)、エタノールなどの有機溶媒を加えたりすると、立体構造がくずれて凝固・沈殿し、もとのはたらきを失います。これを変性といいます。変性では強い共有結合であるペプチド結合は切れないので、一次構造(アミノ酸の配列)は変わりません。検出反応は、タンパク質のどの部分に注目するかで区別します。ビウレット反応(水酸化ナトリウム水溶液と少量の硫酸銅(II)水溶液を加えると赤紫色)は、ペプチド結合が 2 つ以上ある(トリペプチド以上の)ことを示し、ジペプチドやアミノ酸では起こりません。キサントプロテイン反応(濃硝酸を加えて加熱すると黄色、冷却後アンモニア水で塩基性にすると橙黄色)は、ベンゼン環をもつアミノ酸(チロシン・フェニルアラニンなど)を含むことを示します。硫黄の検出反応(水酸化ナトリウムの固体または濃い水溶液を加えて加熱し、酢酸鉛(II)水溶液を加えると黒色の が沈殿)は、システインなどの硫黄を含むアミノ酸を含むことを示します。
手順
ペプチド結合の文なら、 と から水がとれてできる であり、 個のアミノ酸からなる鎖状のペプチドにはペプチド結合が 個あることに照らす
構造の文なら、一次構造=アミノ酸の配列、二次構造= と の水素結合による -ヘリックス・-シート、三次構造=側鎖間の相互作用( など)による全体の折りたたみ、四次構造=複数のサブユニットの集合、のどれにあたるかを確認する
変性の文なら、原因(熱・酸・塩基・重金属イオン・有機溶媒)と、壊れるのは二次〜四次の立体構造で、ペプチド結合と一次構造は壊れないことに照らす
検出反応の文なら、反応名と「何を示すか」・色を対応させる:ビウレット反応=ペプチド結合 2 つ以上(赤紫色)、キサントプロテイン反応=ベンゼン環(黄色→塩基性で橙黄色)、硫黄の検出=硫黄を含むアミノ酸( の黒色沈殿)
例題
タンパク質に関する記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア タンパク質を加熱して変性させると、ペプチド結合が切れてアミノ酸の配列(一次構造)が変わる。
イ キサントプロテイン反応は、タンパク質中に硫黄を含むアミノ酸があることを示す。
ウ ビウレット反応は、ペプチド結合を 2 つ以上もつペプチドで起こり、赤紫色を呈する。
エ -ヘリックスは、側鎖どうしのジスルフィド結合だけによってつくられる構造である。
例題の解答
ア(手順 3):変性で壊れるのは水素結合などで支えられた二次〜四次の立体構造であり、ペプチド結合は切れないので一次構造は変わらない。誤り。
イ(手順 4):キサントプロテイン反応はベンゼン環をもつアミノ酸を含むことを示す。硫黄を含むアミノ酸を示すのは、水酸化ナトリウムと加熱したあと酢酸鉛(II)水溶液で黒色の が沈殿する硫黄の検出反応である。誤り。
ウ(手順 1・4):ビウレット反応はペプチド結合が 2 つ以上ある(トリペプチド以上の)ときに起こり、赤紫色を呈する。正しい。
エ(手順 2):-ヘリックスは二次構造で、ペプチド結合の と の間の水素結合でできる。ジスルフィド結合は主に三次構造にかかわる。誤り。
よって正しいものはウである。
答え: ウ
よくある誤り
変性によってペプチド結合が切れ、一次構造も壊れる、としてしまう誤り。正しくは、変性で壊れるのは水素結合などで保たれた二次〜四次構造であり、共有結合であるペプチド結合 は切れないので、一次構造は変わらない。
ビウレット反応はアミノ酸やジペプチドでも起こる、としてしまう誤り。正しくは、ペプチド結合が 2 つ以上必要で、トリペプチド以上( 個のアミノ酸からなる鎖でペプチド結合 )で赤紫色を呈する。
キサントプロテイン反応と硫黄の検出反応を取り違える誤り。正しくは、キサントプロテイン反応(濃硝酸で加熱して黄色、アンモニア水で橙黄色)はベンゼン環を、酢酸鉛(II)水溶液で黒色の が沈殿する反応は硫黄を含むアミノ酸を示す。
二次構造を「アミノ酸の配列」、一次構造を「らせん構造」のように段階を取り違える誤り。正しくは、一次構造がアミノ酸の配列、二次構造が の水素結合による -ヘリックス・-シート、三次構造が鎖全体の折りたたみ、四次構造が複数のサブユニットの集合である。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
酵素は、生体内ではたらくタンパク質を主成分とする触媒である。酵素の性質に関する記述として正しいものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア 酵素が特定の物質(基質)にだけ作用する性質を、最適温度という。
- イ 胃液に含まれるペプシンは、中性付近の pH で最もよくはたらく。
- ウ 酵素の主成分はタンパク質であり、ある程度以上の高温にすると変性してはたらきを失う。
- エ 酵素は触媒としてはたらくが、反応の前後で自身が変化し、反応のたびに消費される。
アミノ酸およびタンパク質に関する記述として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア アミノ酸の結晶は双性イオンどうしが静電気的な引力で結びついているため、融点が比較的高く、ジエチルエーテルなどの有機溶媒によく溶ける。
- イ グルタミン酸のような酸性アミノ酸の等電点は、グリシンやアラニンのような中性アミノ酸の等電点よりも大きい値を示す。
- ウ トリペプチド以上のペプチドやタンパク質の水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加え、さらに少量の硫酸銅(II)水溶液を加えると、赤紫色を呈する。
- エ タンパク質の水溶液に濃硝酸を加えて加熱すると黄色になり、冷却後にアンモニア水を加えると橙黄色になるのは、タンパク質に硫黄原子を含むアミノ酸が含まれているためである。
- オ タンパク質を加熱すると凝固して元に戻らなくなるのは、ペプチド結合が切断されて一次構造が壊れるためである。
酵素に関する記述として正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。
- ア 酵素の主成分はタンパク質であるため、高温にすると変性して触媒としてのはたらきを失い、その後温度を下げてもふつうはたらきは戻らない。
- イ 胃液に含まれるペプシンは、pH 7 付近の中性の条件で最もよくはたらく。
- ウ 酵素は、活性部位にうまく結合できる特定の物質(基質)にしか作用しない。
- エ 酵素は反応の活性化エネルギーを小さくするので、酵素を用いると反応熱も小さくなる。
- オ すい液に含まれるトリプシンは、弱塩基性の条件で最もよくはたらく。
- カ マルターゼは、デンプンを加水分解してマルトースを生じさせる酵素である。
酵素のはたらきと性質に関する記述として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア 酵素がかかわる反応では、無機触媒を用いた反応と同じように、温度を高くすればするほど反応速度が大きくなり続ける。
- イ 胃液に含まれるペプシンは、強い酸性(pH 2 付近)で最もよくはたらき、タンパク質を加水分解する。
- ウ すい液に含まれるトリプシンは、弱い塩基性(pH 8 付近)で最もよくはたらき、タンパク質を加水分解する。
- エ だ液に含まれるアミラーゼはデンプンを加水分解するが、同じ多糖でもセルロースには作用しない。
- オ 酵素は反応の活性化エネルギーを小さくして反応を速めるが、酵素自身は反応の前後で変化しない。
この技能の次に学べること
- ペプチドの分子量と加水分解 (高校化学 高分子化合物)
- タンパク質の窒素の定量 (高校化学 高分子化合物)
- 酵素の性質 (高校化学 高分子化合物(知識))
- 細胞でのタンパク質の立体構造とはたらき (高校生物 細胞と分子(知識))