「身近な生化学」　放送大学面接授業。（20260418-20260419）

【シラバス抜粋】
生命の営みは、身体の中で生体を構成する分子が働いて生じる一連の化学反応。その化学反応を明らかにしていく学問が生化学です。生体を構成する物質やそれらの物質が起こす化学などを学びます。

【目標】身近なことについて、科学的に理解できるようになること。

【参考書】
・ストライヤー基礎生化学（J. L. Tymoczko , J. M. Berg , Jr. G.J. Gatto, L. Stryer／東京化学同人／¥7,700／ISBN=9784807920105）
・酒と酵母のはなし（大内弘造／技法堂出版／¥1,900／ISBN=4765544117）
・生化学　鈴木鉱一著（東京化学同人）

先生について・・・分子生物学、酵母などを研究している、スイスト株式会社、発酵シロップ。酵母ハンター（野生酵母を採取する）→酵母活用商品の開発につながる。「家康」由来の土地から採取した酵母でビールをつくる。→家康公クラフト。たくさんの酵母が集まったので「発酵シロップ」

生化学→生命の化学→生命現象を生体を構成する分子の動きとして理解する学問である。生化学は酵母から始まっている。

酵母こそ、生化学歴史をつくった生物。酵母が微生物であると認識されたのは17世紀。顕微鏡が開発されて細胞が動いているのが発見された。19世紀・パスツール→発酵とは生物体の代謝と発見。ブッフナー→すり潰した発酵液でも発酵が起きると発見。「酵母の無細胞抽出液でアルコール発酵が起きる」生命活動は化学反応である。この発見が生化学が始まるきっかけ。
酵素→enzyme（エンザイム）

 

第1回細胞の構造と生命を構成する分子

生物体の元素は、水素63％、酸素25.5％、炭素9.5％、窒素1.4％。ＨＯＣＮだけで99.4％を占めている。
その他、カルシウム、リン、塩素、カリウムなど微量のものも大切。
「炭素」→生化学で扱うほとんどの分子は「有機化合物」であり、炭素は単結合、二重結合、3重結合など、便利な元素である。

生体分子は、主に４種類。タンパク質／核酸／脂質／糖質。主な役割は下記

・タンパク質（多用途）････アミノ酸
・核酸（遺伝情報、ＤＮＡ、ＲＮＡ）････ヌクレオチド
・脂質（膜、エネルギー貯蔵体、情報分子）････リン脂質
・糖質（燃料、生体構成成分、情報分子）････単糖、グリコース

ヒト→臓器→組織→細胞→細胞内小器官（核・ミトコンドリア・葉緑体､ＤＮＡ）→タンパク質／核酸／脂質／糖質→→→元素

セントラルドグマ（Central dogma）とは複製。細胞が分裂していくしくみ。
DNAの情報がRNAに転写されたうえ翻訳されて、タンパク質がつくられる。このことをセントラルドグマという。
レトロウイルスは転写を逆向きにする「逆転写酵素」をもっている。（有名なのは､HIVウイルス）宿主の細胞を利用してレトロウイルスを増殖させる働きがある。レトロウイルスの逆転写酵素は人にはないものなので、生薬のターゲットになる。

生物は、原核生物と真核生物に分けられる。
・原核細胞･･･核膜、細胞内小器官がない。（細菌・古細菌）Prokaryote、39億年前に誕生
・真核生物･･･核膜、細胞内小器官がある。Eukaryote、21億年前に誕生
27～23億年前に「酸素革命（地球上の酸素濃度が濃くなった）」を機に酸素を利用できるバクテリアが他の細胞に入り込み（細胞内共生説→ミトコンドリアになったと考えられている）真核生物が誕生した。多細胞の真核生物は5億7500万年前に誕生した。

発酵に使われる微生物は、主にカビ（麹菌・青カビ→多細胞真核生物）、酵母＝イースト（単細胞真核生物）、細菌（乳酸菌、枯草菌･･･原核生物）

真核生物にある細胞内小器官を分解すると、核／ミトコンドリア／葉緑体／小胞体／ゴルジ体。

最新研究では、細胞内小器官は相互作用しあっている（オルガネラ相互作用）

“水”分子は折れ曲がっている。ＯとＨが結合しているが、その結合角が105度ある特性（極性構造）で、ＯとＨの電気陰性度の差が大きくなりＯがＨよりも電子を強く引き寄せるため、部分的に電荷を帯びる（極性）。
水素結合（原子のなかの電子の偏りによりおきる結合）した水は、水分子の極性により互いに引き合うようになり、高沸点であり、大きな蒸発熱、比熱大で急激な温度変化が生じない。
優れた溶媒となる特性がある。これらにより、生物にとって欠かせない物質。

原子の周辺のちょっとした電荷の偏りで起きる分子間や原子間の結合力をファンデルワールス相互作用････ヤモリの足はファンデルワールス結合である。

疎水分子は凝集する

疎水性効果：水に溶けにくい分子（疎水性分子）が水中で互いに集まり、水との接触面積を最小にしようとする現象。水分子が構造化（アイスバーグ構造）してエネルギー的に不安定になるのを避けるため、疎水基同士が凝集し、生体内のタンパク質構造維持や脂質膜形成の根幹を成す。
生体での重要性: 私たちの体の中でも不可欠な役割を果たす。
タンパク質の折りたたみ: タンパク質が正しい立体構造へと折りたたまれる（フォールディング）過程で、疎水性効果は最大の原動力として働く
細胞膜の形成: リン脂質が集まり、脂質二重層（細胞膜の基本構造）を作る原動力となります。
両親媒性分子（りょうしんばいせいぶんし）により水の存在下で膜を形成できる・ミセル（Micelle）は、界面活性剤などの両親媒性分子が水中で親水基を外側、疎水基（親油基）を内側にして集合した球状の微粒子（約10～100分子）。汚れを包み込む「乳化・可溶化」作用で洗剤の洗浄力（石鹸水など）の主役となる。

タンパク質のフォールディング

第2回アミノ酸の性質

アミノ酸とは

・タンパク質を組み立てている分子
・アミノ基とカルボキシ基をもつ分子
・タンパク質のアミノ酸は20種類である

アミノ酸の一般構造

・α炭素
・カルボキシ基
・アミノ基
・側鎖（タンパク質を構成するアミノ酸では、中央の炭素に結合したR基が側鎖と呼ばれ、20種類のアミノ酸それぞれに固有の構造がある）

 

鏡像異性体・・・鏡像異性体（エナンチオマー）とは、互いに鏡に映したような関係（鏡像）にありながら、立体的にどう回転させても重ね合わせることができない、一対の分子構造のこと。L異性体とD異性体。

グリシン以外のアミノ酸は、鏡像異性体が存在し、L方のみがタンパク質の構成成分である。

↓

2. …L方のみがタンパク質の構成成分である
自然界にはL体とD体のアミノ酸が存在しますが、地球上の生物が体内でタンパク質を作る際に使うアミノ酸は、L体のみ。D体は、特定の細菌の細胞壁や、一部の生理活性物質（脳内の神経伝達物質など）には見られますが、筋肉や酵素などのタンパク質を構成するアミノ酸としては使われない。

3. なぜL型だけなのか？
この現象は「生命のホモキラリティー」と呼ばれる。
タンパク質は、アミノ酸が複雑に折れ曲がって機能的な立体構造を作る。L型とD型が混ざってしまうと、正しく折れ曲がることができず、生体内で機能するタンパク質を安定して作ることができなくなるため、進化の過程でL型のみが選ばれたと考えられている。

アミノ酸の種類は、20種のなかで、非必須アミノ酸と、必須アミノ酸に分かれている。

側鎖の性質は、タンパク質の構造と機能を決める重要な決定因子である。

疎水性が強いと、タンパク質の内部、親水性が強いとタンパク質の外側に折り畳まれる

第3回　タンパク質の構造と働き

【機能に着目した分類】
酵素・enzymes
構造タンパク質
防御タンパク質
運動タンパク質
貯蔵タンパク質
シグナルタンパク質
輸送タンパク質
受容タンパク質　など
【局在からの分類】
分泌タンパク質
細胞膜タンパク質
細胞質タンパク質
核内タンパク質　など
【形状からの分類】球状、繊維状

【多様な役割】消化酵素アミラーゼ、ケラチン、コラーゲン、アクチン、抗体、ミオシン（筋肉の収縮）、カゼイン（ぼにゅう）、ホボアレブミン（卵白）､インスリン、ヘモグロビン（ｏ2の運搬）インスリン受容体。タンパク質が多様な役割を果たせるのは、いろいろな形をとれるから。

 

アンジオテンシン（Angiotensin）は、体内で血圧や体液量、電解質のバランスを調節する重要なホルモン（ペプチド）です。特にアンジオテンシンIIは、強力な血管収縮作用を持ち、血圧を上昇させる働きをする。

ACE（アンジオテンシン変換酵素）は、主に血圧の調節に関わる重要な酵素。

プラジキニン（Bradykinin）は、組織の損傷や炎症時に産生される9個のアミノ酸からなるペプチドで、強力な血管拡張、血管透過性亢進（浮腫）、および発痛作用（痛み）を持つ物質

ACE阻害作用が期待される主な食品・成分
食品が消化される過程で「ACE阻害ペプチド」が生成され、血圧上昇を抑える働きを助ける。

乳製品:発酵乳（ヨーグルト・チーズなど）: 特定の乳酸菌で発酵した乳に含まれる「ラクトトリペプチド」には ACE 阻害作用があることが知られている。
カゼイン由来ペプチド: 牛乳のタンパク質が分解される際に生成される。
大豆・発酵食品:納豆・味噌・しょうゆ: 大豆タンパク質が発酵によって分解される際に、ACE 阻害作用を持つペプチドが豊富に作られる。
魚介類:いわし（サーデンペプチド）: いわしのタンパク質から作られるペプチドは、特定保健用食品（トクホ）の関与成分としても利用。
海藻（のり）: 「MAA」という天然成分に ACE 阻害作用があることが確認。
植物由来:アブラナ科野菜（高菜・かつお菜など）: 乳酸発酵させることで高い ACE 阻害能を示すことが報告。
オリーブ: オリーブに含まれる特定の成分（オレアノール酸など）にも阻害効果があることが示唆。
その他: 燕龍茶ポリフェノールや GABA（ギャバ）なども、ACE 阻害や血圧抑制に関わる成分として挙げられる。

 

タンパク質の構造を決める４つの階層

一次構造はアミノ酸配列･･･極性アミノ酸側鎖はタンパク質の外面、非極性アミノ酸側鎖は内側に折り畳まれやすい。

二次構造は主鎖による局所的な構造パターン･･･アミノ酸の主鎖が部分的に形成する規則的な立体構造で、主に水素結合によって安定化される。代表的な構造はらせん状のα-ヘリックスと、シート状のβ-シート（βストランド）の2種類。これらの構造は、タンパク質が三次構造へ折り畳まれる前の中間段階として自発的に形成。

三次構造はαヘリックスやβシートなどの二次構造が、アミノ酸側鎖間の相互作用によりさらに折りたたまれた、1本のポリペプチド鎖全体がとる独自の三次元的立体構造。これは球状タンパク質の機能的な完成形であり、疎水性相互作用やジスルフィド結合などで安定化

四次構造は複数の独立したポリペプチド鎖（サブユニット）が結合して機能的な複合体を形成する構造。三次構造（単一の鎖の立体構造）が複数集まったもので、ヘモグロビンや抗体などが代表例。サブユニット間の相互作用によって、安定した複合体として働く。

第4回タンパク質の一生：合成から分解まで

【アンフィンセンの実験】
アンフィンセンの実験（1950-60年代）は、尿素と還元剤で変性（構造破壊）したリボヌクレアーゼA（RNase A）から変性剤を除去すると、自発的に元の酵素活性と立体構造を取り戻すことを実証したものです。この実験は、「タンパク質の3次元構造は、そのアミノ酸配列（一次構造）によって一意に決定される」という「アンフィンセンのドグマ」を確立し、クリスチャン・アンフィンセンは1972年にノーベル化学賞を受賞
「アンフィンセンのドグマ」①アミノ酸配列が立体構造を決める②タンパク質はエネルギー最小のただひとつの構造をとるには、問題がある。→試験管内の実験結果→しかし、細胞内では、①他のタンパク質と結合したり、凝集してしまう、また、分子シャペロンが折り畳みを助けている。②他の分子と半，脳すると、複数のと異なる構造をとることがある→プリオン（正常方と異常方の異なる立体構造）

細胞内では、タンパク質が正しく折りたたまれる（フォールディング）のを助ける「分子シャペロン」というタンパク質が機能している。

分子シャペロンは「タンパク質の世話係（介添人）」という機能の総称であり、HSPはそのグループに属する具体的なメンバー。

具体的には以下のような関連があります。
1. タンパク質の「形」を整える･･･タンパク質は正しい立体構造（形）にならないと正常に機能しないため、分子シャペロン（HSP）は、新しく作られたタンパク質が正しく折りたたまれる（フォールディング）のを手助けをする。
2. 「ゴミ」になるのを防ぐ（修復）･･･ストレス（熱、酸化、紫外線など）を受けると、タンパク質は形が崩れて「変性」し､凝集して「ゴミ」になり、病気の原因となる。
HSPは、この壊れかけたタンパク質を見つけて元の形に修復したり、修復不能なものを分解へと誘導したりする「検品・修理工場」として機能。
3. 適材適所へ運ぶ
タンパク質が細胞内の正しい場所へ移動するのをエスコートする

細胞が熱などのストレスを受けると、タンパク質が壊れやすくなるため、それを守るために「分子シャペロン」である「HSP」が急増する。

HSP（ヒートショックプロテイン）の後に付く数字は、そのタンパク質の「重さ（分子量）」を表す（例：HSP70は約70kDa）。
HSP70：広範囲をカバーする「修理屋」細胞内で最も一般的で、数も多いHSPです。
主な役割: 新しく作られたタンパク質や、ストレスで形が崩れたタンパク質を広範囲に見つけ出し、正しい形に整え直します（リフォールディング）。
がん細胞では生存のためにHSP70が過剰に作られており、これを阻害することでがん治療につなげる研究がある。難病: 肺線維症などの疾患で、細胞の老化を抑え症状を改善させる可能性が注目。

HSP90：専門性の高い「安定化のエキスパート」特定の重要なタンパク質（クライアントタンパク質）だけをターゲットにする、専門性の高いHSPです。
主な役割: 細胞の成長やシグナル伝達に関わる重要なタンパク質（受容体やキナーゼなど）を捕まえ、その「活性がある状態」を安定化。
疾患との関連:
がん治療（分子標的薬）: HSP90を阻害することで、がんの増殖に必要なタンパク質をまとめて機能不全にする。世界初のHSP90阻害薬として「ピミテスピブ」が承認。
神経変性疾患: アルツハイマー病などの原因となる異常タンパク質（タウなど）の沈着にも関与していると考えられ、治療の標的として研究。

タンパク質の一生

1. 誕生（翻訳）
設計図である「DNA」からコピーされた情報（mRNA）をもと(メチオニン）に、細胞内のリボソームという場所でアミノ酸がつなぎ合わされる。この時点ではまだ一本のヒモのような状態。
2. 成人（フォールディング）
タンパク質は正しい立体構造（形）になって初めて機能します。この「折りたたみ」を助けるのが、分子シャペロン（HSPなど）。ここでシャペロンの助けを借りて、一人前のタンパク質としてデビュー。
3. 活動（仕事）
筋肉を作ったり、消化酵素として働いたり、ホルモンとして情報を伝えたりと、それぞれの持ち場で一生懸命働く。
4. 老化（変性・損傷）
熱、ストレス、酸化などによって、タンパク質の形が崩れてしまいます。これを「変性」と呼び、軽度なダメージなら再びHSP（分子シャペロン）がやってきて修理してくれるが、修復不能になることもある。
5. 寿命（最期）とリサイクル（分解）
タンパク質の寿命は、タンパク質によって異なる。構造タンパク質は寿命が長く、調節タンパク質は短い傾向がある。古くなったり壊れたりしたタンパク質は、細胞にとって有害なゴミ（凝集体）になる前に処分される。ユビキチン・プロテアソーム系: 異常なタンパク質に「ゴミ出し標識（ユビキチン）」を貼り、シュレッダーのような装置（プロテアソーム）でバラバラに。
オートファジーは、細胞内にある「古くなったタンパク質や壊れた部品（ミトコンドリアなど）を、自分自身で回収して分解し、新しい材料としてリサイクルする仕組み」

1. 隔離膜の出現: 細胞の中に「隔離膜」という平たい膜が現れます。
2. ゴミの封じ込め: この膜がパックマンのように不要物を包み込み、「オートファゴソーム」という袋状の球体になる。
3. 分解工場との合流: 分解酵素が詰まった「リソソーム」という器官と合体。
4. リサイクル: 強力な酵素によってゴミがバラバラ（アミノ酸など）に分解され、新しいタンパク質を作る材料として再利用される。

バラバラになったアミノ酸は、また新しいタンパク質を作るための材料として再利用される。

タンパク質の構造と病気

タンパク質はその「形」が機能そのものなので、形が崩れると単に働かなくなるだけでなく、細胞にとって猛毒の「ゴミ（凝集体）」へと変貌し、深刻な病気を引き起こす。これらを総称してコンフォメーション病（構造病）と呼ぶ。
ミスフォールディングと疾病の主な関係性は以下の3パターンに分けられます。
1. 毒性のある「塊」が細胞を殺す（神経変性疾患）
本来なら水に溶けるはずのタンパク質が、ミスフォールディングによってベタベタした不溶性の塊（アミロイド）になります。これが細胞内に居座り、神経細胞を死滅させる。
アルツハイマー病: アミロイドβやタウのミスフォールディング。
パーキンソン病: α-シヌクレインのミスフォールディング。
筋萎縮性側索硬化症（ALS）: TDP-43やSOD1のミスフォールディング。

2.本来の機能が失われる（機能喪失疾患）
正しい形になれなかったタンパク質は、細胞内の検品システム（分子シャペロンやプロテアソーム）によって「不良品」と見なされ、すぐに壊されてしまいます。その結果、体に必要なタンパク質が足りなくなって発症します。
嚢胞性線維症（のうほうせいせんいしょう）: 肺などで粘液の調整をするタンパク質（CFTR）が、わずかなミスフォールディングのために細胞から排除されてしまい、機能しなくなります。
がん（一部）: 細胞の増殖を抑える「p53」というタンパク質がミスフォールディングを起こすと、ブレーキが効かなくなり、がん化が進みます。
3. 他のタンパク質にも「異常」を伝染させる（プリオン病）
最も特殊なのが、ミスフォールディングしたタンパク質が、隣にある正常なタンパク質までも同じ異常な形に変えてしまう現象。
クロイツフェルト・ヤコブ病: 異常化したプリオンタンパク質が、まるで感染症のように次々と正常なタンパク質を異常な形に作り替えてしまい、脳がスポンジ状になる。

なぜミスフォールディングが起きるのか？

通常、HSP（分子シャペロン）やオートファジーがこれらを防いでいますが、以下の理由でバランスが崩れると発症しやすくなる。
加齢: 品質管理システムの能力が低下。
遺伝: タンパク質の設計図そのものに変異があり、最初から崩れやすい。
環境ストレス: 過度な熱、酸化、化学物質など。

 

プリオン病について

1. プリオン病におけるミスフォールディングの仕組み

2. 「伝染」のメカニズム（自己増殖）

3. 脳への影響と疾病

 

---

第5回　脂質と生　体膜

【脂質とは】

有機溶媒に溶けるが、水にはほとんど溶けない化学組成や構造が異なる化合物の総称。働き→三体膜、エネルギー源、生理活性物質、シグナル伝達、脂溶性ビタミン、消化補助、断熱材

１．脂肪酸は、炭化水素鎖＋カルボシキ基からなる。炭化水素鎖は水に溶けにくく、カルボシキ基は水に溶けやすく、脂肪酸は、両親媒性である。

脂肪酸は、いろいろな脂質（エステルの形）の一部分として存在することが多い。飽和脂肪酸（炭素の２重結合がない・動物性に多い）と不飽和脂肪酸（炭素の２重結合がある・植物性が多い）に分かれる。炭素の数が少なく、不飽和度（２重結合の数）が高いほど融点が低い。→生体膜の流動性が増加する。

２．トリアシルグリセロール（triacylglycerol）

トリアシルグリセロールは、グリセロールと脂肪酸のエステル結合したもの。エネルギーの貯蔵や、断熱効果の役割を担う。

これにより作り出される、飽和脂肪は、飽和脂肪酸でできている脂肪で、動物に多く、ラードやバターなど。融点が低いので、室温で固体。一方不飽和脂肪は、植物や魚に多く、オリーブ油や肝油で室温で融点が低いので室温で液体。

【脂肪滴】･･･脂肪滴（しぼうてき、Lipid droplet）は、細胞内に中性脂肪などの脂質を蓄える細胞小器官（オルガネラ）の一種
単なる「油の塊」としての貯蔵庫ではなく、必要に応じてエネルギーを取り出したり、細胞内の脂質バランスを調整したりする動的な代謝センターとしての役割を担う

３．リン脂質（グリセロリン脂質とスフィンゴリン脂質がある）

細胞を包む「細胞膜」の主な材料となる脂質の一種。最大の特徴は、一つの分子の中に「水になじみやすい部分（親水性）」と「油になじみやすい部分（疎水性）」の両方を持っていること（両親媒性）。この性質により、細胞の内外を仕切る重要なバリアとして機能する。

･･･グリセロリン脂質（グリセロール（グリセリン）を骨格に持つリン脂質の総称です。生体膜（細胞膜など）を構成するリン脂質の大部分を占める、非常に重要な分子、結合するアルコールによって区別）

･･･スフィンゴリン脂質　「グリセロリン脂質」が全身の細胞膜のベースだとすれば、スフィンゴリン脂質は特に脳や神経組織に多く含まれ、高度な働きをサポートするスペシャリストのような脂質。グリセロールの代わりに、スフィンゴシンという細長い分子が土台になっている。

• 骨格: スフィンゴシン
• 足: 1本の脂肪酸（スフィンゴシン自体が長い足のような形をしているため、全体として2本の足があるように見える）
• 頭: リン酸 ＋ コリン（などの親水基） 

. ニオイが発生するメカニズム

トランス脂肪酸

1. 細胞壁におけるセルロースの構造

2. 「細胞壁をほぐす」ことで生まれるCNF

3. なぜ細胞壁の構造が「夢の素材」になるのか

第7回　エネルギーを得るしくみ・発酵と微生物の利用

イースト、Yeast、酵母

酵母の弱み。

エールビールとラガービールは酵母がちがう。エール（上面発酵酵母）ラガー（下面発酵酵母・近縁種のハイブリッド）･･･

 

Saccharomyces eubayanus（サッカロミセス・ユーバヤヌス）を巡る「謎」

 

まとめ。

発酵製品は微生物によって作られる
発酵によって、食品の旨味や香りが増す。
アルコール飲料を作る微生物は酵母である。
アルコール発酵は、酵母が嫌気下でATPを作るために行っている。
地球上にはさまざまな酵母があり、それらの活用は期待される。
微生物を深く知ると、優れた発酵食品が作れる。