ジャガイモのカタラーゼ活性と温度による失活
高校2年のSさんは、ジャガイモの切り口に含まれるカタラーゼの働きを調べるため、同じ大きさのジャガイモ片を5個ずつ試験管に入れ、pH 7.0の緩衝液2.0 mLと1.0%過酸化水素水5.0 mLを加え、発生する酸素の体積を水上置換で60秒ごとに測った。温度は20℃、40℃、60℃、80℃に設定し、それぞれの温度で60秒間に発生した酸素量は12 mL、28 mL、9 mL、0.5 mLであった。ジャガイモ片はあらかじめ各温度で5分間保温してから基質を加えた。80℃では気泡がほとんど見られなかったが、反応液を20℃に戻すと再び少量の気泡が発生した。Sさんは、温度による反応速度の変化と、酵素の立体構造の関係を考察する。過酸化水素の自然分解は無視できるものとし、ジャガイモ片の大きさと酵素量はそろえてある。盲検としてジャガイモ片を加えない試験管では気体は発生しなかった。
1. 各温度での酸素発生速度をmL/分で求め、最も高い温度を答えよ。また、20℃と40℃の速度比を求めよ。
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60秒間の発生量をそのまま1分間の速度としてよい。20℃は12 mL/分、40℃は28 mL/分、60℃は9 mL/分、80℃は0.5 mL/分である。最も高いのは40℃で28 mL/分。20℃と40℃の比は 28/12 ≈ 2.33 倍である。盲検で気体が出ていないことから、発生した気体は酵素反応による酸素とみなせる。ただし、40℃付近が最適温度であると断定するには、30℃や50℃などの中間温度も測る必要がある。
2. 40℃から60℃で速度が大きく低下する理由を、酵素の立体構造と活性部位の観点から説明せよ。80℃で反応後に20℃へ戻すと少量の気泡が出たことから、何が言えるか。
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温度上昇で分子運動が激しくなると、酵素の水素結合や疎水結合などによる立体構造が崩れ、基質が結合する活性部位の形も変化する。そのため40℃から60℃にかけて基質との結合が難しくなり、反応速度が低下する。80℃では大部分の酵素が変性してほとんど活性を失う。しかし20℃に戻すと少量の気泡が出たことは、すべての酵素分子が瞬時に完全に変性したわけではなく、一部は活性を保っていたか、部分的に構造を回復した可能性を示す。ただし回復量は小さく、不可逆的な変性が主体であることも示している。
3. もしジャガイモ片をすりつぶして酵素を抽出し、同じ条件で80℃に5分保った後20℃に戻してから基質を加えると、気泡はほとんど見られなかった。この結果から、先の80℃の実験で見られた少量の気泡の原因として最も考えられるものを述べよ。
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抽出した酵素では80℃でほぼ完全に失活したのに、ジャガイモ片では少量の気泡が出た。この違いは、ジャガイモ片の内部では熱が伝わりにくく、すべての酵素が同じ温度に達していなかった可能性を示す。また、細胞内や組織内に保護された酵素が一部残り、20℃に戻した後に働いた可能性もある。つまり、少量の気泡は酵素の完全な復活というより、加熱むらや組織による保護のために生き残った酵素の寄与が大きいと考えられる。均一にすりつぶして抽出すると、この保護効果が失われるため気泡がほとんど見られなくなると説明できる。