化学

生物学科の授業では、生命のしくみを分子の反応として説明する場面がたくさんあります。日本学術会議の参照基準も、生体高分子などの化学物質に大きく依存する生命活動の基礎は、物理学と化学の法則で説明できるとしています。

高校の生物の学習指導要領にも、化学とのつながりを示す一文があります。「生命現象と物質」の単元では、生命現象を分子のレベルで捉えるために必要な、最小限の化学の知識にも触れる、というものです。千葉大学の生物学科では、2 年に生理化学 I・II が並びます。

高校の生物で学ぶ DNA・タンパク質・ATP は、化学の目で見ると、どれも有機化合物です。DNA は糖とリン酸と塩基がつながった高分子、タンパク質はアミノ酸がつながった高分子です。化学の「高分子化合物」の単元で学ぶつくりが、生物の教科書の図の中身になっています。

下の図は、高校の化学の単元と、生物学での使い道の例です。どれも、2 年からの授業でくり返し出てきます。科目の名前や学ぶ時期は、大学によって異なります。

化学では、分子どうしを結びつける力として水素結合を学びます。DNA の 2 本の鎖は、塩基どうしの水素結合で結びついています。A(アデニン)と T(チミン)は 2 本、G(グアニン)と C(シトシン)は 3 本の水素結合でペアをつくります。

1950 年、オーストリア出身の生化学者シャルガフは、DNA の A と T、G と C の量がほぼ等しいことを報告しました。ただ、その理由は本人にも分かりませんでした。1953 年、ワトソンとクリックは、厚紙で塩基の形を切り抜き、机の上でパズルのように組み合わせて構造を考えました。

2 人ははじめ、チミンとグアニンの原子のつながり方を誤って考えていて、うまく組み合いませんでした。アメリカの化学者ドナヒューの助言で形を描き直すと、A と T、G と C がぴったり組み合い、シャルガフの規則も説明できました。化学の知識が、二重らせんの決め手になったのです。

この規則を使うと、1 つの塩基の割合から、ほかの割合を計算できます。G と C の組は水素結合が 3 本なので、G と C が多い DNA ほど、2 本の鎖を離すのに高い温度が要ります。大学の分子生物学の実験では、こうした性質を考えて温度を決めます。

化学基礎では、酸化還元反応が電子の受け渡しであることを学びます。呼吸は、ブドウ糖から電子を取り出して、最後に酸素に渡す反応です。光合成はその逆向きで、水から電子を取り出し、二酸化炭素を糖に変えます。大学の生化学では、解糖系・クエン酸回路・電子伝達系の反応を 1 つずつたどり、電子がどこへ渡るかを追います。

酸化数を使うと、受け渡す電子の数を数えられます。下の図のように、ブドウ糖 1 個が二酸化炭素になると電子が 24 個出て、それを酸素 6 個が受け取ります。反応式の「6O₂」は、電子の数から決まっているのです。

生物では、電子が電子伝達系を流れると水素イオンの濃度の差ができ、その差を使って ATP がつくられることを学びます。このしくみを 1961 年に唱えたのが、イギリスのミッチェルです。体調をくずして大学を離れたあと、古い屋敷を自ら修理して研究所にし、所長の自分を含めて 3 人までの研究員で研究を続けました。1978 年には、ノーベル化学賞を受けています。

光合成で水から電子を取り出すのは、光化学系 II という大きなタンパク質の集まりです。その形を原子のレベルで明らかにしたのが、岡山大学の沈建仁さんと大阪市立大学の神谷信夫さんたちです。兵庫県の SPring-8 で調べ、2011 年に発表しました。米国の科学誌 Science は、この成果を「ブレークスルー・オブ・ザ・イヤー 2011」の 1 つに選んでいます。