近畿大学 医学部 生物（2022年度）全問題・超図解解説

STEP 1解糖系の収支（ア〜カ）：
グルコース1分子が2分子のピルビン酸に分解される解糖系では、前半でグルコースにリン酸基を与えるために 2 分子（[ア]）のATPが消費され、後半で 4 分子（[イ]）のATPが合成されます（差し引き2分子のATP合成）。
また、グリセルアルデヒドリン酸（グリセルアルデヒド3-リン酸）が 脱水素 酵素（[ウ]）によって水素を奪われる反応は、水素（電子）を失うため 酸化 反応（[エ]）です。このときグルコース1分子あたり 2 分子（[オ]）の補酵素$\text{NAD}^+$が還元されて $\text{NADH}$（[カ]）が生じます。

STEP 2アルコール発酵（キ〜ケ）：
酵母のアルコール発酵では、ピルビン酸（$\text{CH}_3\text{COCOOH}$）から 脱炭酸 酵素（[キ]）のはたらきで$\text{CO}_2$が抜けて アセトアルデヒド（$\text{CH}_3\text{CHO}$、[ク]）となり、さらに$\text{NADH}$によって還元されて エタノール（$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$、[ケ]）になります。

STEP 3クエン酸回路と電子伝達系（コ〜ス）：
クエン酸回路では、電子受容体である$\text{NAD}^+$や $\text{FAD}$（[コ]）が水素を受け取って、$\text{NADH}$（[カ]）や $\text{FADH}_2$（[サ]）となります。
電子伝達系で膜間腔に汲み出された$\text{H}^+$（水素イオン）は、濃度勾配に従って内膜にある ATP合成酵素（[シ]）を通ってマトリックスに戻り、ATPを合成します。電子は最終的に酸素（$\text{O}_2$）に渡され、$\text{H}^+$と結合して 水（$\text{H}_2\text{O}$）（[ス]）になります。

(i)Aは窒素を含むプリン塩基の アデニン、Bは五炭糖の リボース です。

(ii)アデニン（A）とリボース（B）が結合した化合物（ヌクレオシド）を アデノシン と呼びます（アデノシンにリン酸が3つ結合するから「アデノシン三リン酸＝ATP」です）。

(iii)3つのリン酸基どうしが結合している部分（$\text{P}-\text{O}-\text{P}$）が高エネルギーリン酸結合です。図では1番目と2番目のリン酸の間である ① と、2番目と3番目のリン酸の間である ② が該当します（※③と④は3番目のリン酸とリボースの$\text{CH}_2\text{OH}$基との間の通常のリン酸エステル結合なので注意！）。

STEP 1呼吸とアルコール発酵の化学反応式を書き出す：
グルコース1 molあたりで消費される$\text{O}_2$の物質量と、放出される$\text{CO}_2$の物質量を確認します。

STEP 2量比 $2:3$ を用いて呼吸商（RQ）を計算する：
アルコール発酵で分解されたグルコースを $2\text{ mol}$、呼吸で分解されたグルコースを $3\text{ mol}$ とおきます。

• 全体の $\text{O}_2$ 消費量 $= 0 \times 2 + 6 \times 3 = 18\text{ mol}$
• 全体の $\text{CO}_2$ 放出量 $= 2 \times 2 + 6 \times 3 = 4 + 18 = 22\text{ mol}$

したがって、呼吸商（$\text{RQ} = \dfrac{\text{CO}_2\text{放出量}}{\text{O}_2\text{消費量}}$）は、 $$\text{RQ} = \frac{22}{18} = \frac{11}{9} = 1.222\cdots \fallingdotseq \mathbf{1.22}$$ となります。

STEP 1質量比と物質量（mol）比の関係：
どちらも同じ「グルコース（分子量180）」なので、消費されたグルコースの質量（mg）の比は、そのままグルコースの物質量（mol）の比と等しくなります。
そこで、呼吸で消費されたグルコースの質量を $x\text{ (mg)}$ とおくと、アルコール発酵：呼吸で消費されたグルコースの物質量比も $3 : x$ となります。

STEP 2呼吸商 $n$ の方程式を立てて $x$ について解く：
・$\text{O}_2$ 消費量の比 $= 6x$
・$\text{CO}_2$ 放出量の比 $= 2 \times 3 + 6x = 6 + 6x$
よって、呼吸商 $n$ は次のように表せます。 $$n = \frac{6 + 6x}{6x} = \frac{1 + x}{x}$$ 両辺に $x$ を掛けて整理します。 $$nx = 1 + x \iff (n - 1)x = 1 \iff x = \mathbf{\frac{1}{n-1}} \text{ (mg)}$$

STEP 1アルコール発酵で消費されたグルコースの物質量 $y\text{ (mmol)}$ を求める：
呼吸で消費されたグルコースが $1\text{ mmol}$、アルコール発酵で消費されたグルコースを $y\text{ (mmol)}$ とおきます。
問5と同様に呼吸商 $n$ の式を立てると、 $$n = \frac{2y + 6 \times 1}{6 \times 1} = \frac{2y + 6}{6} = \frac{y + 3}{3}$$ これを $y$ について解くと、 $$y + 3 = 3n \iff y = 3n - 3 \text{ (mmol)}$$ （※もし呼吸商が $n=1$ なら $y=0$ となり、発酵は起きていないことと完全に一致しますね！）

STEP 2グルコース $1\text{ mmol}$ あたりの最大ATP合成量を確認する：

• 好気呼吸： グルコース $1\text{ mmol}$ あたり、解糖系で $2\text{ mmol}$、クエン酸回路で $2\text{ mmol}$、電子伝達系で最大 $34\text{ mmol}$ の、合計最大 $38\text{ mmol}$ のATPが合成されます。
• アルコール発酵： グルコース $1\text{ mmol}$ あたり、解糖系でのみ $2\text{ mmol}$ のATPが合成されます。

STEP 3全体の最大ATP合成量を計算する：
呼吸（$1\text{ mmol}$）とアルコール発酵（$y = 3n-3\text{ mmol}$）で合成されるATPの合計は、 $$\text{総ATP合成量} = 38 \times 1 + 2 \times y = 38 + 2(3n - 3) = 38 + 6n - 6 = \mathbf{6n + 32} \text{ (mmol)}$$

問1 ・[ア] 触媒：自身は変化せず化学反応の活性化エネルギーを下げて反応を促進するはたらき。
・[イ] 基質：酵素が作用する対象の物質。
・[ウ] 活性部位（活性中心）：酵素分子の中で基質が結合し、触媒作用が行われる特定の部位。
・[エ] 対立：相同染色体上の同じ遺伝子座を占める、互いに異なる形質（A・B・Oなど）を支配する遺伝子を「対立遺伝子（複対立遺伝子）」といいます。
・[オ] ペプチド：アミノ酸がペプチド結合で多数つながった鎖を「ポリペプチド」といいます。

問2 基質・生成物・酵素の濃度と温度が一定のとき、生体内で酵素反応の速度を左右する環境要因や物質としては、pH（水素イオン濃度）、塩濃度（イオン強度）、補酵素（または金属イオンなどの補因子）の濃度、阻害物質（またはアロステリック効果をもたらす調節物質）の濃度 などがあります。この中から代表的な pH（水素イオン濃度）、塩濃度 の2つを挙げれば確実です。

問3 タンパク質の一次構造（アミノ酸配列）が水素結合によって部分的に規則正しく折りたたまれた構造を「二次構造」と呼び、代表的な2つはらせん状の $\alpha$ヘリックス と、屏風（びょうぶ）状の $\beta$シート（$\beta$構造） です。

問4 1972年にシンガーとニコルソンが提唱した、流動性をもつリン脂質の二重層にタンパク質がモザイク状に埋め込まれて移動できるとするモデルを 流動モザイクモデル と呼びます。

問5 「どのような凝集原に対する抗体を持っているか」という問い方に注意して答えます。
・A型の成人：自身の赤血球にA型の凝集原をもつため、血清中には B型の凝集原 に対する抗体（抗B抗体／凝集素$\beta$）を持っています。
・O型の成人：A型・B型いずれの凝集原ももたないため、血清中には A型の凝集原とB型の凝集原の両方 に対する抗体（抗A抗体と抗B抗体）を持っています。

問6 AB型のヒトは遺伝子型が $AB$ であり、$A$ 遺伝子と $B$ 遺伝子の両方が発現（共優性／不完全優性ではなく両方とも形質が現れる）するため、細胞には A酵素とB酵素の両方（H型糖鎖の末端にN-アセチルガラクトサミンを結合させる糖転移酵素と、ガラクトースを結合させる糖転移酵素の両方） が存在します。

思考プロセス 下線部④には「266番目と268番目のアミノ酸がA酵素とB酵素で異なる」と書かれています。これを酵素の一般論（下線部②）と結びつけて、以下の3ステップで論理を組み立てます。

1. 原因： 266番目と268番目のアミノ酸の違いにより、活性部位（ウ）の立体構造が異なる。
2. 結果（一般）： そのため、活性部位に結合できる基質（糖）の種類、すなわち基質特異性が異なる。
3. 具体例： 具体的には、A酵素の活性部位にはH型糖鎖とN-アセチルガラクトサミンが結合し、B酵素の活性部位にはH型糖鎖とガラクトースが特異的に結合するという違いがある。

解答例
266番目と268番目のアミノ酸の違いにより活性部位の立体構造が異なり、結合する基質（糖）に対する基質特異性が異なる。A酵素の活性部位にはH型糖鎖とN-アセチルガラクトサミンが、B酵素の活性部位にはH型糖鎖とガラクトースが特異的に結合する。（121字）

思考プロセス O型のヒトの赤血球表面は「H型糖鎖のまま（A型凝集原もB型凝集原も作られない）」です。なぜ $O$ 遺伝子からはH型糖鎖に糖を付加する反応が起きないのか？遺伝子発現（転写・翻訳）とタンパク質の機能という観点から、大きく次の2つの可能性に分けて説明します。

• 可能性①（タンパク質は作られるが機能しない）： コーディング領域の塩基の欠失・挿入（フレームシフト変異）や塩基置換（ミスセンス・ナンセンス変異）により、正常な立体構造や活性部位をもたず酵素活性を失ったタンパク質が作られる遺伝子である可能性。（※実際のヒトの $O$ 遺伝子の多くは、1塩基欠失によるフレームシフトで短い不活性タンパク質ができるタイプです！）
• 可能性②（タンパク質自体が作られない／遺伝子欠失）： 転写調節領域（プロモーターなど）の変異や遺伝子自体の欠損により、糖転移酵素の転写・翻訳が行われず、酵素タンパク質自体が合成されない遺伝子である可能性。

解答例
・可能性1：塩基の欠失・挿入や置換などの突然変異によりアミノ酸配列が変化し、立体構造が変化して糖転移酵素としての活性を失ったタンパク質が作られる遺伝子である可能性。（77字）
・可能性2：プロモーター領域の変異や遺伝子の欠損などにより、転写や翻訳が正常に行われず、糖転移酵素のタンパク質自体が全く合成されない遺伝子である可能性。（73字）

問1 ・a：眼の 網膜
・b：耳の うずまき管（またはコルチ器／基底膜）
・c：舌の 味蕾（みらい）
・d：鼻の 嗅上皮
・e（味覚の適刺激）：水溶性の化学物質（液体中の化学物質）
・f（嗅覚の適刺激）：揮発性（気体）の化学物質（空気中の化学物質）

問2 前庭の感覚細胞の上を覆うゼリー状の膜には炭酸カルシウムの結晶である 耳石（平衡石）（[ア]）が含まれています。また、半規管の管の中は リンパ液（内リンパ）（[イ]）で満たされています。

問3 感覚細胞に一過性に生じる脱分極（視細胞では過分極）の膜電位変化を 受容器電位 と呼びます。
活動電位（全か無かの法則に従い振幅が一定）とは異なり、受容器電位は刺激の強さが大きくなると、膜電位変化（受容器電位）の大きさ（振幅）が大きくなるという特徴があります（その結果、続く感覚神経で発生する活動電位の頻度が高まります）。

問4 【超重要！一次感覚細胞と二次感覚細胞の見分け方】
・一次感覚細胞（感覚細胞自身が軸索を伸ばして中枢へ興奮を伝える）：眼の視細胞（a）、鼻の嗅細胞（d）（※発生学的に脳の一部が突出してできた感覚細胞です）。
・二次感覚細胞（感覚細胞は軸索をもたず、シナプスを介して感覚神経に神経伝達物質を放出する）：耳の聴細胞（b）、平衡感覚器（前庭・半規管）の感覚細胞、舌の味細胞（c）。
したがって、二次感覚細胞は b、c です。

問5 頭部が傾くと、重力によって耳石を含む膜（耳石膜）が動き（ずれ）、感覚細胞の感覚毛が屈曲することで機械受容チャネルが開き、陽イオンが流入して膜電位変化（受容器電位）が生じます。
解答例：重力により耳石を含む膜がずれて感覚細胞の感覚毛が屈曲し、機械受容チャネルが開いて陽イオンが流入する。（50字）
（※シンプルに「重力により耳石を含む膜が動いて感覚細胞の感覚毛が屈曲し、イオンが流入することで膜電位変化が生じる。（49字）」としても満点です！）

問6 下線部②は「身体の上下軸と直交する面（＝水平面）に沿って感覚細胞が配列され、感覚毛が垂直方向に伸びている部分（卵形嚢）」です。
垂直方向に立っている毛が横に倒れる（屈曲する）のは、水平方向の直線加速度が加わって耳石膜が水平方向にずれたときです。
・a（自動車が発進する）：前後（水平方向）の直線加速度が生じるため、垂直に伸びた感覚毛が屈曲して反応します！（正解）
・b（椅子が回転する）：回転運動なので半規管が反応します。
・c（一定速度の動く歩道）：等速直線運動では加速度が $0$ なので耳石膜はずれず、反応しません。
・d（エレベーターが上昇を始める）：上下（垂直方向）の直線加速度なので、左右軸と直交する面（垂直面）に配列され水平方向に感覚毛が伸びている部分（球形嚢）が反応します。
よって正解は a です。

問7 頭部が回転を始めると、半規管の管自体は頭部と一緒に回転しますが、内部のリンパ液は慣性によってその場に留まろうとする（相対的に回転と逆向きに流れる）ため、基部（膨大部）のクプラと感覚毛が屈曲して膜電位変化が生じます。
解答例：半規管内のリンパ液が慣性で相対的に逆向きに流れ、クプラを介して感覚細胞の感覚毛が屈曲するため。（49字）

問8 3次元空間の3軸（X軸・Y軸・Z軸）の回転をすべて感知できるよう、3つの半規管（外側半規管・前半規管・後半規管）は 互いにほぼ直交する3つの面上に配置。（18字）されています。

問9 前庭や半規管からの平衡感覚の情報は、小脳や脳幹（中脳・延髄）に伝えられ、姿勢や眼球運動の制御（10字）（または「身体の姿勢の保持（8字）」）に役立ちます。

解説 ・[ア] 37兆（または60兆）：成人の体を構成する体細胞の総数は約37兆個（旧来の教科書表記では約60兆個）です。
・[イ] 正方形：ウニの第1卵割・第2卵割はともに動物極と植物極を通る経割（縦割）であり、4つの割球が同一平面上に並ぶため、各割球の中心を結ぶと正方形になります。
・[ウ] 内部細胞塊（内細胞塊）：哺乳類の初期胚の内部に生じる、将来胎児（胚体）になる細胞集団（ES細胞の樹立元としても有名ですね！）。
・[エ] 胚盤胞：栄養膜と内部細胞塊からなる哺乳類特有の胞胚期の胚。
・[オ] 胎盤：栄養膜（将来、絨毛膜になる）は母体の子宮内膜と合わさって胎盤を形成します。
・[カ] カルシウム（$\text{Ca}^{2+}$） ／ [キ] カドヘリン：$\text{Ca}^{2+}$依存的に同種細胞どうしを接着する膜貫通タンパク質はカドヘリンです。
・[ク] アクチン：カドヘリンと連結する細胞骨格は、中間径フィラメント（デスモソーム）とアクチンフィラメント（接着結合）の2種類です。
・[ケ] ケラチン：上皮細胞の中間径フィラメントを構成する繊維状タンパク質はケラチンです。
・[コ] 密着結合（タイトジャンクション）：上皮細胞の最も頂端側（外側）に形成され、細胞間の隙間をシールして物質の漏出を防ぐ結合は密着結合です。

解説 ・カエル（両生類）： 卵黄が植物極側に偏って分布する 端黄卵 であり、卵全体が割れるものの植物極側の卵黄が邪魔をするため、第3卵割（緯割）の卵割面が赤道面より動物極側（上側）に偏る 全割の不等割 を行います。図を描く際は、横線を真ん中より上に引き、動物極側の4つの小割球と植物極側の4つの大割球が分かるように描きます。
・ニワトリ（鳥類・魚類・爬虫類）： 卵黄が極めて多い 端黄卵（強端黄卵） であり、細胞質が集中している動物極側の「胚盤」と呼ばれる円盤状の部分のみが卵割する 部分割の盤割 を行います。図を描く際は、上部の胚盤にのみ8つの割球の境界線を引き、下部の巨大な卵黄には割線が入らないように描きます。

解説 下線部②「カドヘリンは別のタンパク質分子（カテニンなど）を介して中間径フィラメントやアクチンフィラメントといった細胞骨格と結合する」に対応する2組を整理します。

※参考：微小管（モータータンパク質はキネシン・ダイニン）はカドヘリンを介した細胞結合には関与しないため、下線部②の対象外です。また、中間径フィラメントには極性（プラス端・マイナス端の向き）がないため、その上を移動するモータータンパク質は存在しません（「なし」が正解）。

解説 密着結合（タイトジャンクション）は、クローディンなどの膜タンパク質が隣り合う細胞の細胞膜どうしを縫い合わせるように密着させ、細胞と細胞の隙間（細胞間隙）を物質（水やイオンなど）が通り抜けるのを防ぐバリア機能を果たします。これにより、胚の外側と内側の環境が隔てられ、内部細胞塊を育むための胚の内部環境が保たれます。
解答例：隣り合う細胞膜どうしを密着させて隙間を塞ぎ、細胞間隙を通じた物質の通過を防いで内部環境を維持する。（50字）