高分子

生体分子

生物には、これらの分子の化学構造と特性に依存する多数の機能を持つ多種多様な有機分子が含まれています。すべての有機分子には、炭素骨格と水素原子が含まれています。炭素原子は、サイズ、形状、複雑さの異なる多種多様な有機分子の形成において中心的な役割を果たしています。一方、無機分子は一般的に構造が単純です。遊離炭素原子の最も外側の殻は8つの電子を収容できますが、4つの電子のみが占められているため、4つの共有結合を形成し、最大4つの原子と結合できます。あるいは、二重結合または三重結合を形成することにより、より少ない原子で結合することもできます。この炭素原子の多様性により、有機分子は鎖、枝、環などの複雑な構造を示すことができます。

生物に自然に存在する有機分子を生体分子といいます。生体分子には、炭素と水素の他に、酸素、窒素、リン、硫黄などの他の元素も含まれています。一般に、生体分子の小さな単位は、反復配列として集まり、より大きな生体分子を形成します。これらの生体分子の小さなモジュール単位は、モノマーと呼ばれます。通常、2つのモノマーは、一方のモノマーから水素原子を、他方のモノマーからヒドロキシル(^OH-)イオンを除去するだけで、2つのモノマーを共有結合で結合させながら排出される水分子を生成する脱水合成として知られるプロセスを通じて、互いに結合して二量体を形成します。このプロセスの逆は加水分解と呼ばれ、分子が元のモノマーに戻り、水分子が一方のモノマーに水素原子を、もう一方のモノマーにヒドロキシルイオンを提供します。多くのモノマーは、脱水によって一緒に結合してポリマーを形成することができます。時には、異なるポリマーが集まって、生体高分子として知られるさらに大きく複雑な分子を形成することがあります。

生体分子は、生体分子を構成する元素や、生体内の構造や機能によって分類されます。ほとんどすべての生体分子は、炭水化物、脂質、タンパク質、核酸の4つの一般的なカテゴリのいずれかに分類できます。

炭水化物

炭水化物は、これらの分子が炭素原子、水素原子、酸素原子からほぼ1:2:1の比率で構成されているため、単に「炭素水」を意味します。炭水化物モノマーは単糖類として知られており、単糖とも呼ばれます。グルコース(C₆H₁₂O₆)は、生物で最も一般的な単糖類であり、多くの多糖類のサブユニットです。また、多くの生物が、グルコースと同じ化学式で、フルクトースやガラクトースなど、わずかに異なる構造を持つ他の6炭素単糖類も合成しています。2つの単糖類が結合すると、二糖類が形成されます。たとえば、ショ糖はブドウ糖と果糖で構成されていますが、乳糖にはブドウ糖とガラクトースが含まれています。これらの単糖類や二糖類は、生体内での短期的なエネルギー貯蔵に利用されています。 マルトースは、2つのグルコース分子で構成され、通常、デンプンやグリコーゲンなどの多糖鎖が消化中に分解されるときに形成される別の二糖類です。デンプンは、植物のエネルギー貯蔵分子として機能する多糖類であり、アミロースとアミロペクチンの2種類のグルコースポリマーで構成されています。アミロースはデンプンの10〜20%を構成し、グルコースのらせん状ポリマーです。アミロペクチンはデンプンの大部分を占め、グルコースの分岐ポリマーです。グリコーゲンはデンプンと実質的に同じですが、動物の肝臓や筋肉組織で合成、保存、使用されます。

炭水化物は、エネルギー貯蔵庫として機能するだけでなく、生物内で他の機能も持っています。炭素数5個の単糖類であるリボースとデオキシリボースは、核酸構造に統合されており、すべての生細胞に存在します。さらに、グルコースで構成された長いポリマーである多糖類セルロースは、植物の硬質構造材料として機能します。人間には、食物繊維とも呼ばれる食品中のセルロースを分解する消化酵素がありません。しかし、食物繊維の摂取は健康な腸内細菌叢を維持するのに役立ち、それがひいては消化器系と免疫系の健康に貢献します¹。植物と同様に、一部の動物や菌類は、構造分子として別の多糖類であるキチンを使用しています。節足動物はキチンを使用して外骨格を構築および維持しますが、菌類はキチンを細胞壁に組み込んで剛性を維持します。

脂質

生体高分子の2番目のクラスは脂質であり、これには脂肪、油、ワックスが含まれます。脂質は、ほぼ全体が炭素原子と水素原子でできている疎水性分子です。多くの場合、脂質は3つの主要なカテゴリーに分類されます。トリグリセリド、リン脂質、ステロイド。

脂質の最も一般的なタイプはトリグリセリドで、これには動物由来の脂肪や植物由来の油脂が含まれます。トリグリセリドは、植物と動物の両方で防水物質として代わりに使用されている難消化性ワックスを除いて、一般に長期エネルギー貯蔵分子として機能します。トリグリセリドには、グリセロール分子に結合した飽和または不飽和の3つの脂肪酸鎖が含まれています。飽和脂肪酸鎖は、水素原子の数が最大である直鎖状分子で、鎖内のすべての炭素が単一の結合で結合しています。一方、不飽和脂肪酸鎖は、少なくとも1つの二重結合が存在するため、ねじれがあります。さらに、不飽和脂肪は、二重結合の周りの水素が互いに対立する場合、「トランス」脂肪になる可能性があります。トランス脂肪酸は自然に発生しますが、水素を含む飽和植物油の工業生産中に生成されます。飽和脂肪酸と同様に、トランス脂肪はその相対的な直線性により非常によく積み重なります。しかし、トランス脂肪酸は、動脈の内壁を損傷したり、消化時に炎症を引き起こしたりするなど、人間の心臓の健康に問題を引き起こします²。

リン脂質はトリグリセリドに似ていますが、脂肪酸鎖の1つがリン酸含有極性基に置き換えられています。したがって、リン脂質は親水性の頭部と2つの疎水性脂肪酸の尾部を持っています。リン脂質のこれらの特性は、細胞膜の構造と機能にとって非常に重要です。

ステロイドは、さまざまな官能基を持つ融合炭素環で構成される脂質です。コレステロールはステロイドの一種で、細胞膜の成分でもあります。さらに、コレステロールは、エストロゲンやテストステロンなどの性ホルモンを含む他のステロイドを合成するために使用されます。コレステロールは細胞膜の構造やホルモン合成に必須ですが、血漿コレステロールが高いと血管内にプラークが蓄積し、冠状動脈疾患を引き起こすことが関係しています³。

タンパク質

生体高分子の3番目のクラスはタンパク質であり、これはアミノ酸の鎖で構成されています。20種類のアミノ酸があり、すべて似たような塩基構造を持っていますが、それぞれに「R基」と呼ばれる独自の側鎖があります。単一のアミノ酸には、アミノ基であるN末端(NH₃⁺)とカルボキシル基であるC末端(-COOH)があります。これらの基は、ペプチド結合によって結合された鎖で、N末端からC末端に結合します。タンパク質は、酵素、ホルモン、構造成分、輸送分子などの身体機能を維持するために重要であり、筋肉の収縮性、免疫、血液凝固に重要な役割を果たしています。しかし、タンパク質の構造や機能に問題が生じることがあり、その問題は遺伝的なものであることが多いです。例えば、正常な赤血球は丸いですが、鎌状赤血球貧血の人では、ヘモグロビンSと呼ばれるタンパク質の突然変異により、細胞は湾曲した形状をしており、疎水性領域が露出しています。この形状は、酸素を運ぶ能力を低下させ、細胞が血管に詰まる原因となります。これにより、突然変異を持つ人に多くの有害な症状がもたらされ、鎌状赤血球遺伝子の2つのコピーを受け継ぐ人々は、病気の細胞が酸素を輸送する能力が低下するため、しばしば悪影響を及ぼしたり、場合によっては死亡したりすることさえあります。ひねりの効いたことに、遺伝子のコピーを1つだけ持っている人はマラリアの感染に耐性があるため、マラリア感染のレベルが高い国でも病気が伝染し、持続する可能性があります⁴。

核酸

生体高分子の4番目のクラスは核酸であり、ヌクレオチドとして知られるモノマーで構成されています。これらのモノマーは、リン酸基、リボース糖、窒素塩基の3つの部分で構成されています。ヌクレオチドは、窒素塩基と含まれるリボースの種類によって互いに異なります。 単一ヌクレオチドは、一般に細胞内でエネルギーキャリアとして作用するだけでなく、メッセンジャー分子としても機能します。しかし、デオキシリボ核酸(DNA)やリボ核酸(RNA)などのヌクレオチドポリマーや核酸は、細胞産物を構成するための遺伝情報を含む遺伝分子です。

高分子検出

食品やその他の物質中の生体高分子は、その特定の化学的性質を利用して検出できます。例えば、単糖類は遊離アルデヒド基(-CHO)やケトン基(-C=O)を持っており、他の化合物を還元することができるため、他の分子が電子を失う原因となる物質であるため、単糖類は還元糖とも呼ばれています。この特性は、ベネディクト試薬と呼ばれるインジケーターで単糖の存在を検出するために使用されます。 このインジケーターには銅イオン(Cu²⁺)が含まれており、溶液の色が青から赤みがかったオレンジに変化すると観察されるように単糖類によって還元されますが、色の強度は還元糖の元の濃度によって異なります。そのため、緑色の観察は、溶液中に少量の還元糖しか存在しないことを意味します。デンプン中のアミロースは、ポリマー鎖の結合角のためにコイル状に存在します。ヨウ素の指示薬であるヨウ素-ヨウ化カリウム(IKI)は、これらのコイル状の分子と反応し、溶液を暗い青みがかった黒色に変えてアミロースの存在を示します。ただし、デンプンアミロースが存在しない場合、反応は起こらず、溶液は黄褐色のままになります。 スーダンIVテストは、脂質の存在をテストするために実行されます。この色素は親油性であり、脂質が存在すると可溶化するため、脂質の存在下でも赤色が保持されます。タンパク質の存在の指標であるビウレット試薬には、銅イオン(Cu²⁺)が含まれており、銅イオンがペプチド結合と反応して溶液を青色から濃い紫色に変えます。この試薬は、期待される紫色を生成するために十分な数のこれらのペプチド結合と反応する必要があるため、アミノ酸鎖が十分に長くないとピンクがかった色になります。

参照

1. ラスニック・K・シン、シンウェン・チャン、ディ・ヤン、クリスティーナ・M・リー、デリア・ウクマック、キルステン・ウォン、マイケル・アブローク、ベンジャミン・ファラニク、中村澪、ティアン・ハオ・ジュー、ティナ・ブータニ、ウィルソン・リャオ。腸内細菌叢に対する食事の影響と人間の健康への影響。J Transl Med. 2017年、Vol.15、73 doi:10.1186 / s12967-017-1175-y。
2. Siri-Tarino PW、Sun Q、Hu FB、Krauss RM。飽和脂肪と心血管疾患との関連を評価する前向きコホート研究のメタアナリシス。アムJクリンニュートラ。 2010年、第91巻、3(535-46)。
3. ジョセフ・L・ゴールドスタイン、マイケル・S・ブラウン。コレステロールと冠動脈の世紀:プラークから遺伝子、スタチンまで。セル。 2015年、第161巻、1(161-72)。
4. マイケル・アイドゥー、ダイアン・J・ターロウ、マーガレット・S・コルザック、ピーター・D・マッケルロイ、フェイコ・オ・テル・クイル、サイモン・カリウキ、バーナード・L・ナーレン、アルタフ・A・ラル、ヴェンカタチャラム・ウダヤクマール。マラリアの罹患率および死亡率に対する鎌状赤血球遺伝子の保護効果。刃針。 2002年、第359巻、9314(1311-1312)。