D14  生物の構成



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技術士試験の問題からは必要最小限の引用にとどめる。(問題)が記されている部分はその引用である。

問題および解答は日本技術士会のホームページより必要に応じて入手してください。

  技術士第一次試験の問題       技術士第一次試験の正答(答え)  



問題番号が赤字のものは、ボーナス問題


生物の元素組成

H26年 Ⅰ-4-6 


植物に必要な元素

H19年 Ⅰ-4-4


アミノ酸

H25年 Ⅰ-4-5


タンパク質

H28年 Ⅰ-4-5   H17年 Ⅰ-4-6


ホルモン

H18年 Ⅰ-4-5




生物の元素組成



H26年 Ⅰ-4-6

H26年度問題 

正答: ① 

(解答)

「細胞を構成する総原子数の99%を主要4 元素(水素、酸素、リン、炭素)が占める。」は誤り。

主要元素は水素60.3%、酸素25.5%、炭素10.5%、窒素2.4%、リン0.1%、イオウ0.1%。アミノ酸(タンパク質)や塩基(DNA)に含まれる窒素を忘れています(人間の体を作る元素)。水素+酸素+炭素+窒素で98.9%です。

元素の組成比はすべての生物で同様で、生物体中の総原子数の60%以上が水素原子である。

水は細菌細胞の質量の約70%を占める。

細胞内の主な有機小分子は、糖、アミノ酸、脂肪酸、ヌクレオチドである。

ヌクレオチドは核酸の構成単位である。



(参考)

細胞(Wikipedia)

細胞は約17種類の元素が含まれる[13]。重量比64%の酸素有機化合物の他に、呼吸で取り込んだ酸素ガスに含まれる。同18%の炭素は有機化合物の他に、呼吸で排出する二酸化炭素中にも存在する。同10%の水素は水や有機化合物に使われる。同3%の窒素アミノ酸塩基の原料となる[14]。ここまでの4種類は主要四元素と呼ばれる[13]

これに続き、神経細胞や細胞調整に使われるカルシウム・染色体やリン酸として使われるリンナトリウムカリウム塩素マグネシウムなどが続き、さらに微量元素と呼ばれる亜鉛マンガンヨウ素フッ素などがある[13][14]

※ 重量%で水素:酸素:端個:窒素=10:64:18:3です。これを原子比(atom%)が99%となるように割り振ると、63.0:25.2:9.5:1.4となります。



アミノ酸



H28年 Ⅰ-4-5

H28年度問題 

正答: ① 

(解答)

64-20=44のコドンのほとんどは20種類のアミノ酸に振り分けられる。1種類のアミノ酸に対していくつものコドンが存在する。

たとえば下図の左上では、UUUでもUUCでもフェニルアラニンが、UUAでもUUGでもロイシンが生成してくる。
なお、DNA鎖とRNA鎖では構成塩基が少し違っている(T→U)。

DNA(wikipedia)より
DNA はデオキシリボース(五炭)とリン酸塩基 から構成される核酸である。塩基はプリン塩基であるアデニン(A)とグアニン(G)、ピリミジン塩基であるシトシン(C)とチミン(T)の四種類ある。

RNA(Wikipedia)より
RNAの核酸塩基はアデニン (A)、グアニン (G)、シトシン (C)、ウラシル (U) の4種で構成されている。アデニン、グアニン、シトシンは DNA にも同じ構造が見られるが、RNAではチミン (T) がウラシルに置き換わっており、相補的な塩基はアデニンとなる。チミンとウラシルは共にピリミジン環を持つ非常に似た塩基である。

コドン(Wikipedia)より




H25年 Ⅰ-4-5

H25年度問題 

正答: ① 

(解答)

一部の特殊なものを除き、天然のタンパク質を加水分解して得られるアミノ酸は20種類である。

アミノ酸のα炭素原子には、アミノ基とカルボキシ基、そしてアミノ酸の種類によって異なるR基が結合している。

R基に脂肪族炭化水素鎖や芳香族炭化水素鎖を持つロイシンやフェニルアラニンは疎水性アミノ酸である。

グリシン以外のアミノ酸には光学異性体が存在するが、天然に主に存在するものはL体である。




植物に必要な元素



H19年 Ⅰ-4-4

H19年度問題 

正答: ③ 

(解答)

16元素のうち炭素、酸素、水素は、光合成の原料になる二酸化炭素と水から取り込まれるので、補給の必要はない。

肥料とは、農作物の収量を増やしたり、成長に不足しがちな元素を植物に補給するために与える物質である。

「天然肥料を施すと、含まれている有機物の酸化反応によって二酸化炭素を生じるが、土壌を酸性化させることはない。」は誤り。
二酸化炭素が水に溶けると酸性を示します。

化学肥料には、窒素、リン、カリウムのどれかを主成分とした無機化合物が多い。

微量元素は、植物体内の酵素の成分として含まれるものや、酵素の活性化、光合成などに必須なものが多い。




タンパク質



H17年 Ⅰ-4-6

H17年度問題 

正答: ④

(解答)

「タンパク質を構成するアミノ酸はほとんどがD体である。」は誤り。

ほとんどがL体である。

「タンパク質は、アミノ酸同士がエステル結合によってつながったものである。」は誤り。

ペプチド結合(酸アミド結合、-NH-CO-)によってつながったものである。

「α-ヘリックス(らせん)は特定のタンパク質に見られる二次構造である。」は誤り。

二次構造は多くのタンパク質に見られる。

疎水性相互作用は、タンパク質の立体構造の維持にとても重要である。

「電荷を持たないアミノ酸の側鎖はタンパク質の表面に分布していることが多い。」は誤り。
カルボン酸などの電荷をもつアミノ酸の側鎖(水との親和性大、親水性基)はタンパク質の表面に分布している個尾が多い。一方、フェニル基などの親水性でない基(疎水性基)はタンパク質の内部に分布していることが多い。



(参考)

タンパク質(Wikipedia)

一次構造

タンパク質はアミノ酸のポリマーである。その基本的な構造は2つのアミノ酸のカルボキシル基 (−COOH) と別のアミノ酸のアミノ基(−NH2)が水分子を1つ放出する脱水縮合ペプチド結合)を起こして酸アミド結合(−CO−NH−)を形成することでできる鎖状である[2]。また、システイン残基がしばしばジスルフィド結合(S−S)の架橋構造をつくることもある。一列のアミノ酸の脇には側鎖が並ぶ事になり、この配列の数や順序を指してタンパク質の一次構造とよぶ[2]

二次構造

鎖状のポリペプチドは、それだけではタンパク質の機能を持たない。一次構造で並んだ側鎖が相互作用で結びつき、ポリペプチドには決まった2種類の方法で結びついた箇所が生じる。1つはαヘリックス(螺旋構造)と呼ばれ、あるアミノ酸残基の酸素と、4つ離れた残基の水素の結びつきを基礎に、同じ事が順次起こってポリペプチドにらせん構造をつくる[7]。もう1つのβシートとは、ポリペプチドの一部が折り畳まれ、それぞれの水素と酸素残基が結合してつくるシート状の構造である[7]。これらは二次構造と呼ばれる[8]水素結合ファンデルワールス力などによるこの畳み込みはフォールディング(folding)とも呼ばれる[9]。結合エネルギーが比較的低いため、簡単な処理によって構造を変性させやすい[8]

三次構造

リゾチームのリボンモデル。αヘリックスが赤、βシートは黄色で表される。

四次構造

ヘモグロビンのリボンモデル。2種2個ずつのグロビンサブユニットが計4つ集まり、四次構造を作っている。

タンパク質の中には複数(場合によっては複数種)のポリペプチド鎖が非共有結合でまとまって複合体(会合体)を形成しているものがあり、このような関係を四次構造と呼ぶ[11]。各ポリペプチド鎖はモノマーまたはサブユニットと呼ばれ、複合体はオリゴマーと言う[11]。各サブユニットには疎水結合や水素結合またはイオン結合が広い領域に多数存在し相補的に働くために方向性があるため、サブユニットは全体で特定の空間配置(コンホメーション)を取る[11]。例えば、ヒトの赤血球に含まれ酸素を運ぶヘモグロビンは、α・β2種類のグロビンというサブユニットがそれぞれ2つずつ結びつく四次構造を持ったタンパク質の一種である[7]




ホルモン



H18年 Ⅰ-4-5

H18年度問題 

正答: ③ 

(解答)

インスリンが何者かを知っていますので、この問題はかろうじて解けますが、この様な問題が出題された場合、自信がない限りパスでしょうね。エストロゲン、カテコールアミン、チロキシン、パラトルモンは間違っていることはわかるが、どこがどのようにといわれると難しい。

(解答)

エストロゲンは精巣から分泌されるペプチドホルモンで,男性の第二次性徴の発現やタンパク質の合成促進などに関与する。」は誤り。

カテコールアミンは副腎皮質から分泌されるステロイドホルモンで,血圧降下,グリコーゲン分解の抑制などに関与する。」は誤り。

インスリンは膠臓ランゲルハンス島β細胞から分泌されるペプチドホルモンで,筋肉や肝臓においてグリコーゲン合成酵素の活性化に関与する。

チロキシンは甲状腺から分泌されるステロイドホルモンでフッ素を含み,脂肪分解や糖新生の抑制などに関与する。
ヨウ素です。」は誤り。


パラトルモンは脳下垂体中葉から分泌されるアミノ酵誘導体ホルモンで,腸からのナトリウム吸収の促進に関与する。」は誤り。


(参考)

ステロイドホルモン(Wikipedia)

ステロイドホルモン (steroid hormones) とは脊椎動物節足動物[1]などに作用するホルモンである。脊椎動物のステロイドホルモンは結合する受容体により以下のように分類することができる。

  1. アルドステロン(鉱質コルチコイド)
  2. 糖質コルチコイド
  3. アンドロゲン(男性ホルモン)
  1. エストロゲン
  2. 黄体ホルモン

である。


ペプチドホルモン(Wikipedia)

ペプチドホルモン (peptide hormone) またはペプチド型ホルモンは、血流へ分泌され、内分泌機能を持っているペプチド類である。他のタンパク質のように、細胞内のDNAの鋳型から作られるmRNAの鋳型によって、ペプチドホルモンはアミノ酸を組み合わせて作られる。 次に、ペプチドホルモン先駆体(プレ・プロホルモン)はいくつかの段階で処理され、通常、小胞体では、N末端シグナル配列の取り外しや時に糖鎖付加が行われて、プロホルモンが結果として出来る。




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