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- 作成者：Germán Fernández
- カテゴリー: 生化学の基礎
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生化学は、生きている細胞の化学的構成要素や、それらが経験する反応やプロセスの研究に関わる科学と定義されます。また、生化学は生命の起源を説明することも目的としています。これはまだ初期段階にある魅力的なテーマです。
生命は約30億年前に、有機化合物、無機化合物、さらには太陽光からエネルギーを取得できる微生物の形で地球上に現れました。このエネルギーと地球上の化合物は、適切に結合されることで、複雑な有機分子の合成につながり、生物の複雑な特性を生み出しました。
生物の化学組成
生物は、有機および無機のさまざまな分子から構成されています。最も豊富な物質は水であり、細胞の重量の50％から95％を占めています。ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどの陽イオンは最大で1％を占めることがあります。生物の重量の残りは、主に炭素、水素、酸素、窒素、リン、硫黄からなる高分子で構成され、少量の他の金属および非金属元素も含まれています。
ほとんどの生体分子は、特性と反応性を持つ異なる基礎を結合させる炭素骨格を持っています。糖にはカルボニル基とヒドロキシル基があります。アミノ酸にはアミノ基とカルボン酸基があり、その鎖に他の基礎が含まれる場合もあります。
主要な生体分子の種類
細胞内には、分子量が10,000ダルトン（D）未満の小さな分子が多数存在し、アミノ酸、糖、脂肪酸、ヌクレオチドの4つのファミリーに分類されます。これらの小さな分子の1つの機能は、大きな分子（ポリマー）の合成においてモノマーとして機能することです。アミノ酸はタンパク質の基本構成要素であり、ヌクレオチドは核酸（DNAおよびRNA）を構成し、小さな糖分子はグリコーゲンなどの炭水化物の長い鎖を形成します。
アミノ酸とタンパク質
アミノ酸は、アミノ基とカルボン酸基の位置によってα、β、またはγに分類されます。α-アミノ酸は、アミノ基がカルボン酸基の隣にあり、その位置から側鎖も出ています。タンパク質は20のα-アミノ酸で構成されていますが、グリシンやグルタミン酸などの一部のアミノ酸は、神経伝達物質としての機能も持っています。
ただし、生物の一部を構成するアミノ酸はすべてα-アミノ酸ではありません。γ-アミノ酪酸（GABA）は脳内に存在する神経伝達物質であり、β-アラニンはパントテン酸（ビタミンB5）の前駆物質です。
アミノ酸はペプチド結合と呼ばれるアミドタイプの結合によって結合し、可変長の鎖を形成します。50個未満のアミノ酸の場合、ペプチドと呼ばれ、より長いポリペプチドはタンパク質と呼ばれます。タンパク質は細胞内で様々な機能を果たし、構造的、酵素的、輸送などの機能を持っています。
糖と炭水化物
糖は、その構造にカルボニル基とアルコール基を含む有機化合物です。アルデヒド基を持つものはアルドース、ケトン基を持つものはケトースと呼ばれます。最もよく知られた糖であり、細胞の主要なエネルギー源の1つであるのはグルコースです。グルコースは、1位にアルデヒド基を持つ6つの炭素原子から構成されています。
これらの小さな糖分子（グルコース、フルクトース、ガラクトース、リボースなど）はモノサッカリドと呼ばれ、長い鎖またはポリサッカリドとして形成されるモノマーです。ポリサッカリドは、数千のモノサッカリド単位から構成される重合体です。
グリコーゲンは、動物がエネルギーの貯蔵として使用するグルコース単位から構成されるポリサッカリドであり、グルコース単位が抽出され、エネルギーを得るために「燃やされます」。他のポリサッカリドには、セルロース（木材の繊維を構成する）やキチン（甲殻類の保護殻を形成する）などの構造的な機能があります。
糖は、リボースやデオキシリボースなどの他の生体分子の一部としても存在しています。これらはリボ核酸やデオキシリボ核酸の構成要素です。グリコタンパク質やグリコ脂質も糖の単位と結合しており、細胞膜の外側に豊富に存在しています。
脂肪酸
脂肪酸は、炭素鎖とカルボン酸基を持つ分子であり、単カルボン酸（R-COOH）です。炭素鎖は炭素-炭素の二重結合を持つ場合、不飽和脂肪酸と呼ばれ、単結合の場合は飽和脂肪酸と呼ばれます。
カルボン酸基（-COOH）は高い酸性を持つ水素を持っており、生理的pHではイオン化しているため、脂肪酸は細胞内でカルボキシレートの形で存在します。例えば、オレイン酸はオレアトの形で存在し、パルミチン酸はパルミト酸の形で存在します。細胞内に存在する脂肪酸の量は非常に少ないため、ほとんどはトリアシルグリセロールやリン脂質などのより複雑な構造の一部となっており、それらは細胞膜の構造成分です。
脂肪酸は、その長い炭素鎖（非極性）のために水に不溶性ですが、カルボン酸基は水分子と相互作用することができるため、水相中でミセルの形成を引き起こします。
ヌクレオチドと核酸
ヌクレオチドは、核酸の長い鎖を構成する単位です。ヌクレオチドは、糖（リボースまたはデオキシリボース）、窒素塩基、および1つ以上のリン酸基から構成されています。窒素塩基は5種類存在し、プリンとピリミジンの2つのファミリーに分類されます。プリンは2つの縮合した環からなり、アデニン（A）とグアニン（G）です。ピリミジンは単環であり、チミン（T）、シトシン（C）、ウラシル（U）です。
ヌクレオチドは核酸（DNAとRNA）の構造単位ですが、細胞内で重要なエネルギー機能も持っています。アデノシン三リン酸（ATP）は、食物の燃焼によって解放されるエネルギーをリン酸結合の形で貯蔵します。
デオキシリボ核酸（DNA）
DNAはデオキシリボース糖とアデニン、グアニン、シトシン、チミンの窒素塩基で構成されています。さらに、リン酸基があり、リン酸ジエステル結合を介して2つのヌクレオチドを結合させる役割を果たしています。DNAの構造は、相補的な塩基間に形成される水素結合によって安定化された二重らせんです。一方の鎖のアデニンは、相補的な鎖のチミンと水素結合を形成します。同様に、グアニンはシトシンと結合します。遺伝子は、タンパク質を合成するための情報を含むDNAの断片を指し、DNAは直接タンパク質合成に関与していないが、その指示は転写として知られる別の分子であるRNAに事前にコピーされます。
リボ核酸（RNA）
RNAはリボース糖とアデニン、シトシン、グアニン、ウラシルのヌクレオチドで構成されています。DNAと同様に、ヌクレオチドはリン酸ジエステル結合を介して結合していますが、DNAとは異なり、RNAは単一の鎖からなります。RNAは転写と呼ばれるプロセスでDNAの断片のコピーとして生成されます。RNA分子は細胞核を離れ、リボソームに移動し、含まれる情報をアミノ酸またはタンパク質の配列として翻訳します。
タンパク質合成では、特定の役割を果たす3つのタイプのRNAが存在します。メッセンジャーRNA（mRNA）は細胞核で遺伝子のコピーとして形成され、タンパク質を合成するために必要な情報を含んでいます。リボソームRNA（rRNA）はタンパク質を構成するアミノ酸を結合するためにタンパク質と結合してリボソームを形成します。最後に、転移RNA（tRNA）はアミノ酸をリボソームまで運びます。各転移RNAは特定のアミノ酸に特異的に結合し、メッセンジャーRNAと相補的なベーストリプレットを持っており、それによってmRNA上のコードされたアミノ酸の配列と結合します。
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自然界に存在する膨大な生命の多様性により、この問いに答えることは容易ではありません。しかし、生化学的な観点からすれば、すべての生物は同様の方法で振る舞い、同じ物理的および化学的法則に従っています。鯨と小さな微生物の両方が、同じ分子から構成され、多くの生化学的プロセスを共有しています。
多細胞生物の階層的組織化：生命を定義する主要な特徴を見てみましょう。
すべての生物は主に有機分子で構成されており、その中には高度な複雑性と三次元的な形状があり、その機能に依存しています。生命は成長などの生命プロセスに関与するこれらの生体分子間で起こる数千の化学反応に基づいています。
生物は階層的なレベルに組織されており、各レベルで前のレベルに存在しなかった新しい特性が現れます。最も基本的なレベルは、サブアトミック粒子からなり、これらの粒子は原子を形成し、さらに小さな生体分子（アミノ酸、糖、ヌクレオチドなど）を形成します。次の階層では、生体分子は結合してマクロ分子（タンパク質、核酸、多糖類）を形成し、さらに大きな構造である超分子構造を形成することがあります。これらの超分子構造は細胞を構成するオルガネラとして結合します。多細胞生物の場合、数百万の細胞が結合して器官を形成するようになり、より高い階層が形成されます。
組織化の異なるレベルに進むにつれて、前のレベルでは予測できなかった新しい特性が現れます。異なるレベルに昇ると、ヘモグロビン内の鉄などの視覚的な例で特性が変化することがわかります。単独の鉄は酸素の存在下で酸化されますが、ヘム基がこれを保護します。タンパク質複合体の一部になった鉄の特性は変化します。階層的なレベルが上昇するにつれて、以前のレベルに存在しなかった特性が浮かび上がります。
生命の高い組織化と秩序を維持するために、生物は連続的に物質を処理し、同時に廃棄物を排出する必要があります。これらのタスクは酵素によって触媒される生化学反応によって行われます。生物反応の集合体である代謝と呼ばれます。
細胞は、細胞膜で囲まれたオルガネラから構成され、細胞内と細胞外の物質の流れを調節し、細胞の外部環境への応答を制御します。細胞を構成する要素に分割すると、生命プロセスは停止しますので、細胞は生命を持つ最も低い階層と言えます。地球上では、細胞は他の細胞の分裂によってのみ形成され、元素の構成要素から細胞を形成するプロセスは存在しません。
生命は、DNAに含まれる情報によって維持されます。この巨大な分子のヌクレオチド配列には、細胞が必要とするすべてのタンパク質を合成するための情報が含まれています。各タンパク質は、遺伝子と呼ばれるDNAの断片にコード化されています。遺伝子が活性化されると、その情報がRNA分子に転写され、さらにリボソームでこの情報がアミノ酸の配列またはタンパク質として翻訳されます。タンパク質は、特定の空間的な形状を持つ他の分子と特異的に相互作用する能力を持っており、この相互作用によって情報が転送されます。
インスリン分子と細胞膜上の特定の受容体との相互作用は、情報の転送を細胞に伝え、細胞が細胞外のグルコースの取り込みを開始する信号となります。
生命は常に環境に適応し進化しています。地球上のすべての生命は共通の祖先から派生しています。多様性と進化は、DNA分子の複製中に生じる誤りである変異に起因します。これらの誤りのうち、ほとんどは無害であり、細胞によって修復されるか、その機能には影響を与えません。他の変異は有害であり、生殖能力を低下させるため、それらを持つ個体は消滅します。しかし、環境に対してより適応しやすい変異も存在し、これらの個体はより効果的に繁殖し、その集団は増加します。多世代にわたる変異の蓄積は、非常に異なる生命形態を生み出す可能性があります。生命形態は環境条件に適応し、利用可能なエネルギー源を最大限に活用する能力を向上させていきます。