3.1 生体高分子の合成
このセクションを読み終える頃には、あなたは次のことができるようになるでしょう。
- 高分子の合成について理解できる。
- 脱水（または縮合）反応と加水分解反応を説明できる。
すでにご存知のように、生体高分子は生命に不可欠な大きな分子であり、より小さな有機分子から作られています。生体高分子には主に4つのクラス（炭水化物、脂質、タンパク質、核酸）があります。それぞれが細胞の重要な構成要素であり、非常に多様な機能を果たしています。
これらの分子を合わせると、細胞の乾燥質量の大部分を占めます（細胞全体の質量の大部分は水であることを思い出してくださいね）。生体高分子は有機物であり、炭素を含んでいることを意味します。さらに、水素、酸素、窒素、そして他の微量元素を含むこともあります。
脱水合成
ほとんどの高分子は、モノマー (monomer) と呼ばれる単一のサブユニット、つまり構成要素から作られています。モノマーは互いに共有結合を使って結合し、ポリマー (polymer) として知られるより大きな分子を形成します。その際、モノマーは副産物として水分子を放出します。このタイプの反応を脱水合成 (dehydration synthesis) と呼びます。これは文字通り「水を失いながら結合する」という意味です。
脱水合成反応（図3.2）では、一方のモノマーの水素原子が、もう一方のモノマーのヒドロキシル基（OH基）と結合し、水分子を放出します。同時に、モノマーは電子を共有し、共有結合を形成します。さらにモノマーが結合していくと、この繰り返されるモノマーの鎖がポリマーを形成します。さまざまな種類のモノマーが多くの構成で組み合わさることができ、多様な高分子群を生み出します。たとえ一種類のモノマーであっても、さまざまな方法で組み合わさって、いくつかの異なるポリマーを形成することができます。たとえば、グルコースのモノマーは、デンプン、グリコーゲン、セルロースの構成要素なのです。
加水分解
ポリマーは、加水分解 (hydrolysis) によってモノマーに分解されます。水分子を結合部に挿入する際に化学反応が起こります。これは、化合物中の共有結合をこの水分子で切断することによって達成されます（図3.3）。これらの反応中、ポリマーは2つの成分に分解されます。一方の部分は水素原子（H$^+$）を獲得し、もう一方の部分は分裂した水分子からヒドロキシル基（OH$^-$）を獲得します。
脱水反応と加水分解反応は、特定の酵素 (enzyme)（化学反応を助けるタンパク質）によって触媒される、つまり「速められます」。脱水反応は新しい結合の形成を伴い、エネルギーを必要としますが、加水分解反応は結合を壊し、エネルギーを放出します。これらの反応はほとんどの高分子で類似していますが、各モノマーとポリマーの反応はそのクラスに特有です。たとえば、消化器系の触媒酵素は、私たちが摂取した食物を加水分解、つまり小さな分子に分解します。これにより、私たちの体の細胞は腸内で栄養素を容易に吸収できるようになります。特定の酵素が各高分子を分解します。たとえば、アミラーゼ、スクラーゼ、ラクターゼ、またはマルターゼは炭水化物を分解します。ペプシンやペプチダーゼなどのプロテアーゼと呼ばれる酵素、および塩酸はタンパク質を分解します。リパーゼは脂質を分解します。これらの分解された高分子は、細胞活動のためのエネルギーを提供します。
学びへのリンク
脱水合成と加水分解の視覚的な表現をご覧ください。
3.1 Glossary
- Enzyme: 酵素
- Dehydration synthesis: 脱水合成
- Hydrolysis: 加水分解
- Monomer: モノマー
- Polymer: ポリマー
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