生体分子

生物体は4つの主要な生物学的分子から構成されています：炭水化物、脂質、タンパク質、および核酸です。簡単な化学試験を使用して、サンプルに含まれる種類の分子を特定できます。

*ベネディクト反応：還元糖が増えるにつれて、青→緑→橙→レンガ赤に変化する

半定量ベネディクト反応

通常のベネディクト反応は「あり／なし」しか判別できない。半定量反応は概算の量を示す。まず、テストを標準化する：既知の濃度の溶液でテストを行い、それぞれの結果を記録する。そうすれば、未知のものを次のいずれかで推定できる：

• 初回の変化までの時間（糖が多いほど速く変化する）、または
• 最終的な色を色の標準セットと比較する。

標準液と未知液に対して、サンプルと試薬の体積、水浴温度、および色変化の終点を同一に保ちます。水ブランクを使用し、读数を繰り返し、推定値付近により近い標準液を使用してください。時間は濃度に比例すると仮定しないでください。

非還元糖の検出

スクロースのような一部の糖は非還元糖であり、ベネディクト反応では陰性となる。これらを検出するには：

1. まず通常のベネディクト試験を行ってください。溶液は青色のままです（この条件下では還元糖は検出されません）。
2. 新たなサンプルを取り、希釈塩酸を加えて加熱する。この酸加水分解により、糖がより小さな還元糖に分解される。
3. 冷やしてから、炭酸水素ナトリウムで酸を中和する。
4. ベネディクト試薬を加え、水浴中で加熱します。初期の陰性試験後に有色の沈殿物が生じれば、糖を含むことが既知のサンプルに非還元糖が存在することを裏付けますが、スクロースを具体的に同定するものではありません。

*非還元糖の検出：まず酸で加水分解し、2回目のベネディクト反応で赤色になる

** worked example.** 溶液中には1種類の溶解した糖が含まれており、デンプンは含まれていません。ある部分分はベネディクト試験で陰性でした。別の新鮮な部分分を希塩酸と加熱し、冷却後、中和してベネディクト試薬で再テストしたところ、水浴中で橙色の沈殿物が得られました。これは非還元糖であることを支持します：加水分解により還元単糖が遊離し、中和によって試験に必要なアルカリ性条件が回復するためです。この結果だけでは、糖がスクロースであると特定できません。サンプルの文脈がない場合、加水分解により還元糖を放出する他の炭水化物も考慮する必要があります。初期の陽性試験に続く別の陽性試験のみでは、追加の非還元糖が存在することは証明されません。

モノマー、ポリマー、マクロモルキュール

• モノマーとは、単一単位である小さな分子のこと。
• ポリマーとは、多くのモノマーが結びついた長い分子のこと。
• マクロモルキュールとは、非常に大きい分子のこと。

糖は3つのサイズに分かれる：

• 単糖とは、単一の糖単位であり、グルコースやフルクトースなどがある。
• 二糖は、2つの単糖が結合したものであり、麦芽糖やスクロースなどがこれに該当する。
• 多糖は、多数の単糖が結合して形成されるポリマーである。

ブドウ糖、フルクトース、麦芽糖は還元性糖である。スクロースは非還元性糖である。

ブドウ糖の2つの環状構造

ブドウ糖は炭素原子を6個持ち、環状構造をとる。その環状構造には2種類存在し、それらは炭素1番目の位置でのみ異なる：

• α-ブドウ糖では、炭素1番目にある–OH基が下向き（環の下側）を向いている。
• β-ブドウ糖では、炭素1番目にある–OH基が上向き（環の上側）を向いている。

このわずかな違いが、どの多糖を形成できるかを決定する。

糖の結合と分解

Monomers are joined by strong covalent bonds. When two sugars join, a glycosidic bond forms between them. This happens by condensation: a molecule of water is removed each time a bond forms.

その逆反応は加水分解である：水分子を加えることでグリコシド結合が切断される。そのため、非還元性糖の検出には酸と熱が必要であり、これによりスクロースがグルコースとフルクトースに加水分解される。

貯蔵多糖：デンプンとグリコーゲン

デンプンは植物におけるエネルギー貯蔵物質である。それは2種類のα-ブドウ糖のポリマーから構成される：

• アミロース — 長く鎖状で分岐しない鎖が螺旋状に巻いたもの。
• アミロペクチン — 多くの側鎖分岐を持つ鎖。

グリコーゲンは動物におけるエネルギー貯蔵物質である。アミロペクチンに似ているが、さらに多くの分岐を持つため、エネルギーが必要な時に速やかに分解できる。

これらの貯蔵物質はその機能に適しており、コンパクトであること、不溶性であること（細胞内から漏れ出さない）、そして細胞の浸透圧を変化させないこと（浸透によって水を引き寄せて膨張しない）という点で優れている。多くの分岐があるため末端が多く、ブドウ糖の付加や除去が速い。

セルロース

セルロースはβ-ブドウ糖から作られる。β型であるため、隣接するブドウ糖が反転して配置され、鎖は長くまっすぐになる。多くのまっすぐな鎖が横並びになり、水素結合によって強力な束であるマイクロフィブリルとして結びつく。これらが植物の細胞壁に強さを与え、細胞破裂を防ぐ。

トリグリセリド

トリグリセリドは主要な脂肪または油である。それは非極性で疎水性（水と混ざらない）である。1つのグリセロール分子が3つの脂肪酸とエステル結合によって結合して形成される。各エステル結合は脱水縮合によって形成されるため、水分子3つが除去される。

脂肪酸には2種類ある：

• 飽和脂肪酸 — カボン-カボン間の二重結合がない；これらの脂質は通常固体である。
• 不飽和脂肪酸 — 1つ以上の二重結合がある；これらの油は通常液体である。

Triglycerides make a good long-term energy store: they release about twice as much energy per gram as carbohydrates, they are insoluble, and they store little extra mass because they hold no water. Under the skin they also give insulation and protect the organs.

ホスホリピド

ホスホリピドはトリグリセリドに似ているが、1本の脂肪酸がリン酸基に置き換わっている。これにより、分子は異なる性質を持つ2つの端を持つようになる：

• 親水性（「水を好む」）極性リン酸ヘッド。
• 2本の疎水性（「水を嫌う」）脂肪酸尾。

この両面性が、ホスホリピドが細胞を取り囲む膜を形成する理由である。

アミノ酸とペプチド結合

タンパク質はアミノ酸のポリマーである。すべてのアミノ酸は、中心炭素原子の周囲に同じ一般的な構造を持ち、アミノ基（–NH₂）、カルボキシル基（–COOH）、水素原子、および可変的な側鎖（R基）を持つ。R基は各アミノ酸ごとに異なる。

2つのアミノ酸が縮合反応によって結合する。あるアミノ酸のアミノ基と次のアミノ酸のカルボキシル基の間に形成される結合はペプチド結合と呼ばれ、この際に水分子が1つ除去される。このような形で多くのアミノ酸がつながったものをポリペプチドという。加水分解（水を加えること）によってペプチド結合は切断される。

タンパク質の4段階構造

第三構造の折りたたみは、R基を伴う複数の相互作用によって安定化されます。

• 疎水性相互作用（非極性R基が水から遠ざかって集まる）。
• 水素結合。
• イオン結合（帯電したR基間）。
• 共有結合、特に強いジスルフィド結合。

球状タンパク質と線維状タンパク質

• 球状タンパク質は丸みを帯びた形状に折りたたまれ、通常は水溶性であり、体内で機能を持つ（例：酵素やヘモグロビン）。
• 線維状タンパク質は長い糸状になり、通常は不溶性であり、構造的役割や支持を提供する（例：コラーゲン）。

ヘモグロビン — 球状タンパク質

ヘモグロビンは赤血球内で酸素を運搬します。4つのポリペプチド鎖からなる四級構造を持っています：2本のアルファ（α-グロビン）鎖と2本のベータ（β-グロビン）鎖です。各鎖はヘム基を含んでいます。各ヘム基の中心には鉄イオンがあり、ここに1つの酸素分子が結合します。4つの鎖があるため、1つのヘモグロビン分子は最大4つの酸素分子を運搬できます。

コラーゲン — 線維状タンパク質

コラーゲンは皮膚、腱、骨、および血管壁に強さを与えます。1つのコラーゲン分子は、3本のヘリカルポリペプチド鎖が水素結合によって互いに安定化されながら密に巻き合わさった三重らせん構造をしています。グリシンは約3番目の位置に存在し、その小さな側鎖により密な詰まりが可能になります。これらの分子が多数横並びになり、わずかにずれた配置で分子間に共有結合による架橋結合を持ち、太い線維を形成しています。このずれた配置と架橋結合により、コラーゲンは引っ張られた際に非常に強い力を持ちます。

水は小さな分子ですが、2つのO–H結合は極性を持っており、酸素側の端がわずかに負電荷、水素側の端がわずかに正電荷を帯びています。そのため、1つの水分子は周囲の分子を引き寄せ、それらの間に弱い水素結合を形成します。これらの水素結合が水の有用な性質 explains しています：

• 溶媒作用 — 水は優れた溶媒であるため、多くの物質が溶解します。これにより反応が起こりやすく、体内での物質輸送が可能になります。
• 比熱容量が高い — 水は加熱するために多くのエネルギーを必要とするため、温度が安定しています。これにより生物体は急激な温度変化から守られます。
• 蒸発潜熱が高い — 水が蒸発するには多くのエネルギーが必要です。したがって、水が蒸発する際（例：汗が乾くとき）、多くの熱を奪って体を冷却します。

よくある間違い。

• 縮合反応が「水を加える」あるいは加水分解が「水を除去する」と書く。縮合反応は結合形成時に水分子を除去し、加水分解は結合を切断するために水分子を使う。
• セルロースがα-グルコースでできている、またはデンプンに水素結合したマイクロフィブリルがあると言う。セルロースはβ-グルコース: 交互単位が反転しているため、鎖は直線状になり隣接して並び、水素結合によって保持される。
• グリコゲンが「可溶性であるため」良い貯蔵物質だと言う。それは不溶性であるため、細胞の水分ポテンシャルを変化させず、多くの分岐により多くの末端があり、グルコースの速やかな放出が可能となる。
• トリグリセリドがポリマーだと言う。1つのグリセロールに結合する3つの脂肪酸は繰り返し単量体の鎖ではないため、脂質はポリマーではない。
• 二次構造がR基間の結合によって保持されると言う。αヘリックスとβ折り畳みシートは骨格基の水素結合によって保持され、R基は三次構造を保持する。
• ジスルフィド結合が任意の二つのアミノ酸間で形成されると言う。それは二つのシステインR基間でのみ形成され、これら硫黄を含んでいる。
• 水素結合が強固だと言う。各水素結合は弱い; その数が多いため、合わせて強度（セルロース）や高い比熱容量（水）を与える。

• 各食品試験を試薬＋陽性結果＋色の変化として学びます（ベネディクト→有色沈殿物、必ずしもレンガ赤とは限らない；ヨウ素→青黒色；ビュレット→紫色；エマルション→白色）。
• ベネディクトは還元糖を検出します。非還元糖の場合、新鮮な部分分を酸と加熱し、冷却・中和してから、水浴中で再テストする必要があります。
• 結合名を正確に述べる：グリコシdic結合（炭水化物）、エステル結合（脂質）、ペプチド結合（タンパク質）— これらはすべて縮合反応（脱水）によって形成される。
• 構造と機能を結びつける：セルロース（直鎖、水素結合 → 強靭）、グリコーゲン/デンプン（分岐/螺旋 → コンパクトな貯蔵）。
• タンパク質については、各段階における結合名を述べる：一次（ペプチド）、二次（水素）、三次（R基間の相互作用）、四次。