平成 25 年度Ｍ１「代謝生化学Ａ」再試験(1)・田原担当（1 枚目／全 2 枚）解答 14. 代謝整理番号 2014.2.13 氏名答案作成にあたっては、誠実で丁寧な記述を心がけること。記述問題において明らかに無関係な事実や創作とみなした不誠実な答案は配点分を減点する。１．細胞内区画は、細胞内の代謝を構成する要素の一つである。区画の存在が自由エネルギーの観点からも有利であることを計算によって確かめてみよう。体積 2 の細胞が体積１ずつの２つの区画に区切られ、反応 A→ C と反応 B→ C が別々の区画で起こるとする。それぞれの濃度は a,b,c とする (右図 )。（１）反応 A→ C、 B→ C の標準自由エネルギー変化をそれぞれ ∆G0'A→ C A→C B→C a, c b, c と ∆G0'B→ C として、右図のように区画化された細胞における両反応の自由エネルギー変化 ∆G(1)A→ C と ∆G(1)B→ C を R, T, a, b, c を使って表せ。等しい体積に区画化された細胞において、反応 A→ C の自由エネルギー変化： ∆G ( 1 ) A → C ＝ ∆G 0 A→ C 反応 B→ C の自由エネルギー変化： ∆G ( 1 ) B → C ＝ ∆G 0 B→ C ＋ RT ln(c/a) ＋ RT ln(c/b) （２）区画がなくなった一様な細胞質で同じ反応が起こるとする（右れぞれ a/2、 b/2 となるが、生成物 C の濃度は c で変わらない。この A→C B→C 区画のない細胞での反応 A→ C と B→ C の自由エネルギー変化 ∆G(2)A→ C a/2, b/2, c 図）。このとき、 A と B の濃度は体積 2 の細胞全体にひろがるのでそと ∆G (2) 0 B→ C 0 を前問同様に ∆G 'A→ C , ∆G 'B→ C , R, T, a, b, c を使って表せ。区画化されていない細胞において、反応 A→ C の自由エネルギー変化： ∆G ( 1 ) A → C ＝ ∆G 0 A→ C 反応 B→ C の自由エネルギー変化： ∆G ( 1 ) B → C ＝ ∆G 0 B→ C ＋ RT ln(2c/a) ＋ RT ln(2c/b) （３）区画化されているときの 2 反応の自由エネルギー変化の和 ∆G(1)と区画がないときの 2 反応の自由エネルギー変化の和 ∆G(2)の差を計算し、その意味するところを考察せよ。 R=8.315J/mol･K、 T=37℃ （ 0℃ ＝ 273.1K）を用いて有効数字 3 桁で計算すること。 ∆G ( 1 ) ＝ ∆G ( 1 ) A → C ＋ ∆G ( 1 ) B → C ＝ ∆G 0 A → C ＋ RT ln(c/a)＋ ∆G 0 B → C ＋ RT ln(c/b) ∆G ( 2 ) ＝ ∆G ( 2 ) A → C ＋ ∆G ( 2 ) B → C ＝ ∆G 0 A → C ＋ RT ln(2c/a)＋ ∆G 0 B → C ＋ RT ln(2c/b) から、両者の差 ∆G ( 2 ) ∆G ( 1 ) を計算すると ∆G ( 2 ) ∆G ( 1 ) ＝ RT ln4＝ 3573 (J/mol) つまり、区画化されている場合、1 モルずつの A、B から C への化学変化で約 3.6kJ 余分に自由エネルギーが解放される。有利である。したがって、細胞内を区画に分けて別々の反応に特化するとエネルギー的には有利となる。平成 25 年度Ｍ１「代謝生化学Ａ」再試験(1)・田原担当（2 枚目／全 2 枚）解答 14. 代謝整理番号 2014.2.13 氏名２．代謝経路には「調節反応は経路の始めにある」という特徴がある。もし調節反応が経路の終わりにあったとするとどのような不具合が生じるか想像して述べよ。調節段階に負の制御（阻害）がかかったとすると、経路の終わりの方にあるこの段階に至る全ての反応の中間代謝物が細胞内あるいはその反応の起こる細胞小器官内に蓄積することになり、その分基質を浪費する。３．細胞内の代謝で得たエネルギーは、最終的に AD P をリン酸化して AT P 合成するために使われる。動物の AT P 合成には｢基質レベルのリン酸化｣｢酸化的リン酸化｣がある。問基質レベルのリン酸化は、解糖系とクエン酸回路にそれぞれ 2 反応、1 反応含まれる。 a. 解糖系第 7 反応： 1,3ビスホスホグリセリン酸 → 3ホスホグリセリン酸 b. 解糖系第 10 反応：ホスホエノールピルビン酸 → ピルビン酸 c. クエン酸回路第５反応：スクシニル CoA→ コハク酸上記左辺から右辺への変化はいずれも大きな負の ∆ G が伴い、それによって AD P リン酸化が起こる。次の記述は生体反応で大きな負の ∆G が得られる反応ついて述べたものである。該当する反応 a , b , c を冒頭の ( ) に入れよ（複数の場合あり）。該当しない場合は ( c ) チオエステル結合の解離に伴う ∆G ( X ) 隣接するリン酸基同士の静電反発が解消することによる ∆G を入れよ。 ( a,b ) 不安定なリン酸化合物からリン酸基を切り離すことによる ∆ G ( ( ( a a b ) カルボニル酸素とリン酸基の静電反発が解消することによる ∆G ) 脱リン酸化により、カルボキシ基の電子が非局在化することによる ∆G ) ケト･エノール平衡において、ケト側へ強く偏ろうとすることによる ∆G ４．オキサロ酢酸の N AD H による還元（リンゴ酸酵素反応）の ∆ G 0 ' を有効数字 3 桁で求めよ。ファラデー定数 F＝ 96485 J/mol･V とする（ ∆G0'＝ nF∆E0'って何だっけ？）オキサロ酢酸＋ 2H＋＋ 2e→ リンゴ酸（ E0' = 0.166 V） N AD ＋＋ H ＋＋ 2 e → N AD H （ E 0 ' = 0 . 3 1 5 V ）還元剤（電子供与体）が NADH、酸化剤（電子受容体）がオキサロ酢酸となる反応を書くと、オキサロ酢酸＋ NADH＋ H + → リンゴ酸＋ NADH + この反応の ∆E 0 'は ∆E 0 '＝ E 0 ' 受 E 0 ' 供＝ 0.166(0.315)＝ 0.149 したがって、この反応の標準エネルギー変化 ∆G 0 'は ∆G 0 '＝ n F∆E 0 '＝ 2 96485 0.149 ＝ 28752.… （ J/mol） ∆G 0 '＝ 28.8 kJ/mol