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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 106-106【化学】論点：ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応

matsunoya

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問106

一般問題（薬学理論問題）【物理・化学・生物】　

化学｜問 106-106　
Q. β酸化による脂肪酸の代謝反応におけるβ-ヒドロキシアシルCoAからβ-ケトアシルCoAへの変換過程を以下に示す。その変換過程について想定される反応機構に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
β-ヒドロキシアシルCoA
    → [ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 + (補酵素 ア)] → β-ケトアシルCoA

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

■選択肢
1. ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素の図中の170番のグルタミン酸残基は、158番のアミノ酸残基Ｘの側鎖のイミダゾリル基の塩基性を高めている。
2. 158 番のアミノ酸残基Ｘはヒスチジン残基である。
3. 補酵素アはFADである。
4. 補酵素アはプロトン受容体として機能している。
5. 補酵素アはピリミジン骨格をもつ。

松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 106-106【化学】論点：ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応｜matsunoya

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今回は、第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106【化学】 、論点：ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応を徹底解説します。

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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 106-106【化学】論点：ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応｜matsunoya

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設問へのアプローチ｜

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

第106回薬剤師国家試験の問106【化学】（問106-106）では、β酸化による脂肪酸の代謝反応からヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応などが問われました。

この問題を初見で解くためには、あらかじめβ酸化による脂肪酸の4段階の代謝反応および関与する酵素群を覚えておく必要があります。

β酸化においては、カルボニル基を1位とした時の3位の炭素が段階的に反応していきます。

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alpha_carbon.PNG

問106-106において以下の反応が、β酸化による脂肪酸の4段階の代謝反応のどの段階なのかについて、まず思い出そう。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

β-ヒドロキシアシルCoA
    → [ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 + (補酵素 ア)] → β-ケトアシルCoA

β酸化による脂肪酸の4段階の代謝反応

1. 脱水素化（酸化）

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_1_jp.svg

2. 水和反応

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_2_jp.png

3. 脱水素化（酸化）

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_3_jp.png

4. チオリシス（切断反応）

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_4_jp.png

まず基本的な知識について復習しておきましょう。

■■GPT4o

脂肪酸のβ酸化とは

4つの主要な段階と関与する酵素群

脂肪酸のβ酸化は、脂肪酸をエネルギーとして利用するための主要な代謝経路の一つです。
この過程では、脂肪酸がミトコンドリア内でアセチルCoAに分解されます。以下に、4つの主要な段階と関与する酵素群を示します。

1. 脱水素化（酸化）

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_1_jp.svg

  • 反応概要:
    脂肪酸アシルCoAが第一段階で脱水素化され、二重結合を持つ trans-Δ²-エノイルCoAが生成されます。

  • 酵素: アシルCoAデヒドロゲナーゼ (Acyl-CoA dehydrogenase)

    • この酵素は電子伝達フラボプロテイン (ETF) に電子を渡します。

    • FAD（フラビンアデニンジヌクレオチド）を補酵素として使用します。

2. 水和反応

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_2_jp.png

  • 反応概要:
    trans-Δ²-エノイルCoAに水分子が付加され、3-ヒドロキシアシルCoAが生成されます。

  • 酵素: エノイルCoAヒドラターゼ (Enoyl-CoA hydratase)

    • 水和反応により二重結合を解消し、ヒドロキシ基を導入します。

3. 脱水素化（酸化）

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_3_jp.png

  • 反応概要:
    3-ヒドロキシアシルCoAがさらに酸化されて、3-ケトアシルCoA（β-ケトアシルCoA）が生成されます。

  • 酵素: 3-ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ (3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase)

    • NAD⁺（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）を補酵素として使用し、NADHを生成します。

4. チオリシス（切断反応）

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta-Oxidation_4_jp.png

  • 反応概要:
    3-ケトアシルCoAがCoA-SH（補酵素A）により切断され、1分子のアセチルCoAと短縮されたアシルCoAが生成されます。

  • 酵素: β-ケトチオラーゼ (β-Ketothiolase, 3-ketoacyl-CoA thiolase)

    • この反応により、脂肪酸は2炭素単位短縮され、次のβ酸化サイクルに入ります。

参考文献

以下の文献がこれらの情報を詳しく記述しています：

  1. Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry, 7th Edition. W.H. Freeman and Company, 2017.

  2. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Gatto, G.J., Stryer, L. Biochemistry, 8th Edition. W.H. Freeman and Company, 2015.

  3. Voet, D., Voet, J.G. Biochemistry, 4th Edition. Wiley, 2010.

ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NAD⁺)とは

ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NAD⁺) の化学構造

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NAD%2B_phys.svg

NAD⁺は、以下の構造を持つ補酵素です。

  • ニコチンアミド部分: ピリジン環を持つニコチン酸アミド。

  • リボース部分: 2分子のリボースがリン酸基を介して結合。

  • アデニン部分: アデニン塩基を含むヌクレオチド構造。

化学式は C₂₁H₂₇N₇O₁₄P₂ で、酸化型（NAD⁺）と還元型（NADH）の形態を取ります。

酸化還元反応のメカニズム

NAD⁺は酸化還元反応を介して電子と水素を輸送します。以下は基本的な化学反応式です。

酸化型から還元型への変換

NAD⁺が2電子と1個の水素イオン（H⁺）を受け取り、NADHに変換されます。この過程では、ニコチンアミド部分のピリジン環が関与します。

NAD⁺が2電子と1個の水素イオン（H⁺）を受け取り、NADHに変換されます。

  • ニコチンアミド部分: 酸化状態の炭素（C4位）が2電子を受け取り、水素原子が付加されます。

  • 還元により、共役二重結合が変化し、還元型のNADHが生成されます。

出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NAD_oxidation_reduction.svg

補酵素としての役割を担う主な生化学的反応

NAD⁺/NADHは、以下のような酸化還元反応に関与します。

1. 解糖系 (Glycolysis)

  • 酵素: グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ

  • 反応式:

グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ

  • 解糖系のエネルギー生成過程で、NAD⁺が電子受容体として機能します。

2. クエン酸回路 (TCAサイクル)

  • 例1: イソクエン酸デヒドロゲナーゼ

イソクエン酸デヒドロゲナーゼ

  • 例2: マレートデヒドロゲナーゼ

マレートデヒドロゲナーゼ

3. 脂肪酸のβ酸化

  • 酵素: 3-ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ

3-ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ

4. 電子伝達系

  • NADHは電子供与体として機能し、電子伝達系でATP合成を促進します。

参考文献

  1. Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry, 7th Edition. W.H. Freeman and Company, 2017.

  2. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Gatto, G.J., Stryer, L. Biochemistry, 8th Edition. W.H. Freeman and Company, 2015.

  3. Voet, D., Voet, J.G. Biochemistry, 4th Edition. Wiley, 2010.

問106-106における化学反応の分類とメカニズム

この反応は、酸化還元反応に分類されます。
3-ヒドロキシアシルCoAが酸化されて3-ケトアシルCoAになる過程で、ヒドロキシ基 (-OH) がカルボニル基 (=O) に変換されます。この酸化反応は、NAD⁺が電子受容体として働き、NADHに還元されることで進行します。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

以下に、この反応の段階的メカニズムを説明します。

1. 酵素内の活性化状態の形成

(1) グルタミン酸残基 (Glu170) の役割

  • Glu170のカルボキシレート基 (-COO⁻) は、158番のヒスチジン残基 (His158) の側鎖イミダゾリル基のプロトン (H⁺) を引き抜き、ヒスチジンをより強い塩基性状態にします。

  • ヒスチジンの塩基性が高まることで、3-ヒドロキシアシルCoAの酸化反応が効率的に進行します。

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2. ヒスチジンと基質の相互作用

(2) プロトン引き抜きによる中間体の形成

  • His158の塩基性イミダゾリル基が、3-ヒドロキシアシルCoAのヒドロキシ基 (-OH) からプロトンを引き抜きます。

  • この反応により、3-ヒドロキシアシルCoA上の酸素原子が部分的な負電荷を帯びた中間体を形成します。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

3. NAD⁺による酸化還元反応

(3) NAD⁺ の作用

  • 中間体の酸素原子が形成した負電荷が、NAD⁺のニコチンアミド環に電子を移動させます。

  • このプロセスで、NAD⁺は2電子を受け取ってNADHに還元されます。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106
出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NAD_oxidation_reduction.svg

(4) カルボニル基の形成

  • 酸素原子が電子を再配置し、カルボニル基 (=O) が形成され、最終的に3-ケトアシルCoAが生成されます。

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4. 酵素のリサイクル

  • His158のイミダゾリル基が元のプロトン化状態に戻り、Glu170がプロトンを再供給することで、酵素が次の反応サイクルに入る準備を整えます。

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化学反応式（簡略化）

3-Hydroxyacyl-CoA + NAD+ → 3-Ketoacyl-CoA + NADH + H+
酵素: 3-ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ

参考文献

  1. Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry, 7th Edition. W.H. Freeman and Company, 2017.

  2. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Gatto, G.J., Stryer, L. Biochemistry, 8th Edition. W.H. Freeman and Company, 2015.

  3. Voet, D., Voet, J.G. Biochemistry, 4th Edition. Wiley, 2010.

  4. Walsh, C. Enzymatic Reaction Mechanisms. W.H. Freeman and Company, 1979.

158番のアミノ酸残基がヒスチジンであることの特定:

解法へのアプローチ

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背景

158番のアミノ酸残基の側鎖として示されているイミダゾリル基は、アミノ酸の側鎖化学構造を特定する手がかりになります。
イミダゾリル基は、生体内の標準的なアミノ酸の中ではヒスチジン (His) のみに特有の構造であるため、これを分析することでヒスチジンであることを確認できます。

ヒスチジン　IU PAC: 2-amino-3-(1H-imidazol-5-yl)propanoic acid
出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Histidin_-_Histidine.svg

1: 図中の構造の観察と特徴の抽出

図中に示されたイミダゾリル基の構造を観察し、次の特徴を抽出します:

  • 5員環である。

  • 環中に窒素原子が2つ含まれ、それぞれプロトン化や脱プロトン化が可能。

  • 環の構造は、酸塩基の両方の性質を持つ。

これらの特徴は、標準的なアミノ酸の中でヒスチジンの側鎖と一致します。

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2: アミノ酸側鎖としての可能性をリストアップ

生体内の標準アミノ酸の中で、5員環状構造を持つアミノ酸は限られています。該当する候補を以下のように絞り込みます。

  1. プロリン (Pro):
    5員環は含むが、ピロリジン環でありイミダゾリル基ではない。

  2. トリプトファン (Trp):
    5員環を含むが、インドール環であり窒素原子が1つしか含まれない。

  3. ヒスチジン (His):
    側鎖にイミダゾリル基を持つ。

ヒスチジン　IU PAC: 2-amino-3-(1H-imidazol-5-yl)propanoic acid
出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Histidin_-_Histidine.svg
プロリン (Pro) IU PAC: pyrrolidine-2-carboxylic acid
出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Prolin_-_Proline.svg
トリプトファン (Trp) IU PAC: (2S)-2-amino-3-(1H-indol-3-yl)propanoic acid
出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:L-Tryptophan_-_L-Tryptophan.svg

これにより、図の中で示された構造がヒスチジンの可能性が高いことがわかります。

3: イミダゾリル基の機能的特徴による確認

  • イミダゾリル基は、酵素活性部位でプロトンの供与および受容が可能であり、酸塩基触媒反応に寄与します。

  • これは、β-酸化の第3段階（酸化反応）においてプロトン移動に必要な機能であり、この機能を持つ側鎖はヒスチジンに限定されます。

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4: 他の可能性の排除

生体内の標準アミノ酸でイミダゾリル基以外の構造は図中に示されていないため、他のアミノ酸（リシン、アルギニン、セリンなど）が該当しないことを確認します。

5: 結論

図中のイミダゾリル基の存在、およびその酸塩基特性から、158番のアミノ酸残基Xがヒスチジン (His) であると特定できます。

L-histidine

ヒスチジン　IU PAC: 2-amino-3-(1H-imidazol-5-yl)propanoic acid
出典：Wikipedia L-histidine https://commons.wikimedia.org/wiki/File:L-histidine-skeletal.png
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補足

ヒスチジンは酵素活性部位で一般的に見られる残基であり、特にプロトン移動や酸塩基触媒反応で重要な役割を果たします。
このことは問題における反応メカニズム（3-ヒドロキシアシルCoAの酸化）を支持する追加の証拠ともなります。

プロトン受容体とは

プロトン受容体の定義とβ酸化におけるプロトン受容体

プロトン受容体の定義

プロトン受容体とは、化学反応において水素イオン（H⁺）を受け取る分子や基のことを指します。
プロトン受容体は、通常、塩基性を持ち、プロトンを受けることにより酸化状態を変化させることができます。この役割を担う分子は、酸塩基反応において重要な役割を果たし、例えば酵素反応や代謝経路における触媒作用を助けます。

β酸化におけるプロトン受容体

β酸化の過程では、脂肪酸の分解が進み、エネルギーを得るためにさまざまな化学反応が行われます。その中で、プロトン受容体は主に酵素の活性部位に存在し、反応中にプロトンを受け取る役割を果たします。例えば、ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素において、ヒスチジン残基やグルタミン酸残基がプロトン受容体として機能します。これらの残基は、反応過程でβ-ヒドロキシアシルCoAが酸化される際に、プロトンを受け取って酸化反応を進行させます。

  • 反応例:
    β-ヒドロキシアシルCoA → β-ケトアシルCoA
    この反応では、プロトンがヒスチジンやグルタミン酸などの残基に移動し、化学変化を引き起こすため、プロトン受容体が重要な役割を果たします。

電子受容体とは

電子受容体とその反応メカニズムの比較

電子受容体の定義

電子受容体とは、化学反応において電子（e⁻）を受け取る分子や基のことを指します。
電子受容体は、還元反応を促進する分子で、酸化還元反応の中で重要な役割を果たします。これにより、受け取った電子が反応物に移動し、化学的性質を変化させることができます。

β酸化における電子受容体: NAD⁺

β酸化の反応では、NAD⁺（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）が主要な電子受容体として機能します。NAD⁺は、反応中に電子とプロトンを受け取ることでNADHに還元されます。このプロセスは酸化還元反応の一部であり、エネルギーを得るために重要です。

反応式:

β-ヒドロキシアシルCoA + NAD⁺ → R-COOH + NADH + H⁺

ここで、NAD⁺は電子とプロトンを受け取り、NADHとして還元され、同時に基質（β-ヒドロキシアシルCoA）が酸化されます。

電子受容体とプロトン受容体の違い

  • 電子受容体（NAD⁺）は、電子を受け取ることで還元され、エネルギーを得る過程を助けます。この役割は、主に酸化還元反応において重要です。

  • プロトン受容体（ヒスチジン残基）は、反応中にプロトンを受け取ることで酸塩基反応を進行させ、酵素活性を調整します。
    これは酸化反応を促進し、プロトン移動を通じて反応物が変化するのを助けます。

このように、電子受容体とプロトン受容体は異なる役割を担っていますが、両者は協力して反応を進行させることでエネルギーの効率的な生成に寄与します。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

結論

  • プロトン受容体は、酸塩基反応に関与し、プロトンを受け取ることで反応を進行させます。

  • 電子受容体（例えばNAD⁺）は、酸化還元反応で電子を受け取ることで化学変化を促進し、エネルギー生成に重要です。

  • β酸化において、プロトン受容体と電子受容体は異なる役割を担い、協力して反応を進行させ、最終的にエネルギーの生成を助けます。

引用文献

  • Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Gatto, G. J., & Stryer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). W.H. Freeman and Company.

  • Nelson, D. L., Cox, M. M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (7th ed.). W.H. Freeman and Company.

論点およびポイント

■■GPT4o

化学｜問 106-106
論点｜ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応
ポイント｜

  • β酸化の第3段階では、β-ヒドロキシアシルCoAがヒドロキシアシルCoA脱水素酵素と補酵素NAD⁺により酸化され、β-ケトアシルCoAが生成される。

  • ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素の170番のグルタミン酸 (Glu170) 残基は、158番のヒスチジン (His158) 残基のイミダゾリル基の塩基性を高める。これにより、プロトン移動が促進される。

  • NAD⁺は酸化剤として電子とプロトンを受け取り、NADHに還元される。この過程で酸化還元反応が進行する。

  • 図中に示されたイミダゾリル基は、ヒスチジン残基の側鎖に特有の構造であり、酸塩基触媒反応に関与する。

  • 酵素活性部位では、アミノ酸残基間の相互作用がプロトン移動および電子移動を効率的に進行させる役割を担う。

  • 補酵素NAD⁺はピリジン骨格を持ち、イミダゾリル基と協働してβ-ヒドロキシアシルCoAの酸化を媒介する。

薬剤師国家試験　出題基準

出典：　薬剤師国家試験のページ ｜厚生労働省 (mhlw.go.jp)

出題基準　000573951.pdf (mhlw.go.jp)　

論点を整理します。

■■GPT4o

総合的な論点

β酸化による脂肪酸の代謝反応は、エネルギー供給において重要な役割を果たす代謝経路です。
この問題では、β-ヒドロキシアシルCoAからβ-ケトアシルCoAへの酸化反応に焦点を当て、酵素と補酵素の役割、ならびに活性部位の化学的相互作用に関する理解が問われています。

論点の概要

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

  1. 酵素活性部位の残基の相互作用

    • 問題文に記載されている170番のグルタミン酸残基（Glu170）と158番のヒスチジン残基（His158）が、酵素反応の進行においてどのように機能しているかを理解する必要があります。

    • ヒスチジンのイミダゾリル基の塩基性がグルタミン酸残基により高められるかが重要です。

  2. 補酵素アの特定とその機能

    • 図から、補酵素アはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NAD⁺) であることが明らかです。NAD⁺は電子受容体として働きます。

    • 補酵素が酸化還元反応でどのように作用するかを考察する必要があります。

  3. 選択肢の適切性

    • 正しい選択肢を特定するために、反応メカニズムを科学的に検証することが求められます。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

反応メカニズムの基礎

この反応は酸化還元反応で、次の化学反応式で示されます。

3-Hydroxyacyl-CoA + NAD+ → 3-Ketoacyl-CoA + NADH + H+
酵素: 3-ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ

  • NAD⁺の役割: 酸化剤として作用し、電子と水素を受け取る。

  • 酵素の役割: 158番のHis残基がβ-ヒドロキシアシルCoAのプロトンを引き抜き、反応を促進。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

総合的なゴール

問題の論点は、酵素の活性部位における残基間の化学的相互作用と補酵素アの機能を理解し、それをもとに正しい選択肢を特定することです。

各選択肢の論点および解法へのアプローチ方法

選択肢 1: ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素の170番のグルタミン酸残基は、158番のアミノ酸残基Ｘの側鎖のイミダゾリル基の塩基性を高めている。

論点

  • グルタミン酸残基 (Glu170) のカルボキシレート基 (-COO⁻) は、ヒスチジン残基 (His158) のイミダゾリル基のプロトン引き抜きに関与します。

  • この作用により、His158のイミダゾリル基は塩基性が高まり、プロトンを効率的に引き抜く能力を持つようになります。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

アプローチ方法

  1. 酵素の活性部位におけるグルタミン酸残基とヒスチジン残基の役割を検討します。

  2. 酵素の残基間の相互作用がプロトン移動に与える影響を理解し、理論的に支持されるか確認します。

  3. 文献による酵素活性の研究や結晶構造データを参照し、グルタミン酸残基の役割を特定します。

選択肢 2: 158番のアミノ酸残基Ｘはヒスチジン残基である。

論点

  • 図では、158番のアミノ酸残基がヒスチジン (His) であることが示されています。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

  • イミダゾリル基のプロトン引き抜き能力がこの反応の鍵となります。

アプローチ方法

  1. 図から、ヒスチジンであることを確認します。

  2. ヒスチジンがβ-ヒドロキシアシルCoAのプロトン引き抜きにどのように関与しているかを分析します。

選択肢 3: 補酵素アはFADである。

論点

  • 図から、補酵素アはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NAD⁺) であることは明らかです。

  • FAD（フラビンアデニンジヌクレオチド）は別の酸化還元反応に関与しますが、この反応には適用されません。

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アプローチ方法

  1. 図を再確認し、補酵素がNAD⁺であることを明らかにします。

  2. NAD⁺とFADの役割を比較し、NAD⁺が適切である理由を示します。

フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）

フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）
出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flavin_adenine_dinucleotide.png

選択肢 4: 補酵素アはプロトン受容体として機能している。

論点

  • 補酵素ア (NAD⁺) の主な役割は電子と水素の受容です。プロトン受容体としては明示的に機能しません。

  • NAD⁺は酸化剤として電子を受け取り、NADHに還元されます。

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アプローチ方法

  1. NAD⁺が反応で電子受容体として働くことを確認します。

  2. プロトンの動きが主にヒスチジン残基によって媒介されることを明示し、選択肢が正しくないことを証明します。

選択肢 5: 補酵素アはピリミジン骨格をもつ。

論点

  • NAD⁺の構造にはピリジン骨格が含まれますが、ピリミジン骨格ではありません。

  • ピリジン骨格はNAD⁺のニコチンアミド部分に存在し、酸化還元反応に直接関与します。

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アプローチ方法

  1. NAD⁺の化学構造を詳細に分析し、ピリジン骨格の存在を確認します。

  2. ピリジン骨格の役割と、ピリミジン骨格との違いを説明します。

ピリミジン
出典：Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pyrimidin.svg

結論と正しい選択肢の特定

正しい選択肢

選択肢を科学的な根拠に基づいて評価した結果、次の選択肢が正しいと判定されます。

  1. 選択肢 1:
    ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素の図中の170番のグルタミン酸残基は、158番のアミノ酸残基Ｘの側鎖のイミダゾリル基の塩基性を高めている。

    • 根拠: Glu170がHis158のイミダゾリル基のプロトンを引き抜き、その塩基性を高める作用は、酵素活性部位でのプロトン移動を促進する反応メカニズムの一部です。

  2. 選択肢 2:
    158 番のアミノ酸残基Ｘはヒスチジン残基である。

    • 根拠: 図から、158番のアミノ酸残基がヒスチジン (His) であることが明らかです。ヒスチジン残基は反応メカニズムで重要な役割を果たしています。

誤った選択肢

  1. 選択肢 3: 補酵素アはFADである。

    • 誤り:
      補酵素アはFADではなくNAD⁺であり、NAD⁺がこの酸化還元反応で電子受容体として働きます。

  2. 選択肢 4: 補酵素アはプロトン受容体として機能している。

    • 誤り:
      NAD⁺は電子受容体として機能しますが、プロトン受容体としての機能は明示的ではありません。
      プロトンは主に酵素活性部位のヒスチジン残基が関与します。

  3. 選択肢 5: 補酵素アはピリミジン骨格をもつ。

    • 誤り:
      NAD⁺にはピリジン骨格が含まれますが、ピリミジン骨格は存在しません。
      ニコチンアミド部分のピリジン環が酸化還元反応に関与します。

まとめ

正しい選択肢は1と2です。
これらは酵素活性部位での残基間相互作用および補酵素の役割を理解することにより選定されました。

引用文献

  1. Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry, 7th Edition. W.H. Freeman and Company, 2017.

  2. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Gatto, G.J., Stryer, L. Biochemistry, 8th Edition. W.H. Freeman and Company, 2015.

  3. Voet, D., Voet, J.G. Biochemistry, 4th Edition. Wiley, 2010.

  4. Walsh, C. Enzymatic Reaction Mechanisms. W.H. Freeman and Company, 1979.

これらの文献には、酵素反応機構や補酵素の構造と機能に関する詳細な情報が含まれています。

以上で、論点整理を終わります。
理解できたでしょうか？

大丈夫です。
完全攻略を目指せ！

はじめましょう。

薬剤師国家試験の薬学理論問題【化学】からヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応を論点とした問題です。

なお、以下の解説は、著者（Yukiho Takizawa, PhD）がプロンプトを作成して、その対話に応答する形でGPT4o & Copilot 、Gemini 1.5 Pro、またはGrok 2 (beta) が出力した文章であって、著者がすべての出力を校閲しています。

生成AIの製造元がはっきりと宣言しているように、生成AIは、その自然言語能力および取得している情報の現在の限界やプラットフォーム上のインターフェースのレイト制限などに起因して、間違った文章を作成してしまう場合があります。
疑問点に関しては、必要に応じて、ご自身でご確認をするようにしてください。

Here we go.

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問106

一般問題（薬学理論問題）【物理・化学・生物】　

化学｜問 106-106　
Q. β酸化による脂肪酸の代謝反応におけるβ-ヒドロキシアシルCoAからβ-ケトアシルCoAへの変換過程を以下に示す。その変換過程について想定される反応機構に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
β-ヒドロキシアシルCoA
    → [ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 + (補酵素 ア)] → β-ケトアシルCoA

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

■選択肢
1. ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素の図中の170番のグルタミン酸残基は、158番のアミノ酸残基Ｘの側鎖のイミダゾリル基の塩基性を高めている。
2. 158 番のアミノ酸残基Ｘはヒスチジン残基である。
3. 補酵素アはFADである。
4. 補酵素アはプロトン受容体として機能している。
5. 補酵素アはピリミジン骨格をもつ。

■■GPT4o

化学｜問 106-106

■論点｜ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 / ヒスチジン残基 / イミダゾリル基 / NAD⁺ / 酸化還元反応

この問題の論点は、β酸化の第3段階での酵素活性部位における相互作用と補酵素NAD⁺の役割を特定することです。

■解説1｜

ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素の図中の170番のグルタミン酸残基は、158番のアミノ酸残基Ｘの側鎖のイミダゾリル基の塩基性を高めている。（選択肢1）[正しい]

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

  • 科学的根拠:
    グルタミン酸 (Glu170) は酸性残基であり、そのカルボキシル基が158番のヒスチジン (His158) のイミダゾリル基のプロトンを引き抜くことで、その塩基性を高めます。この作用により、ヒスチジンが酸塩基触媒反応に必要なプロトン受容体または供与体として機能する能力が向上します。

  • メカニズム:

    1. Glu170のカルボキシル基がプロトンを引き抜く。

    2. ヒスチジンのイミダゾリル基が塩基性を帯び、酵素活性部位でプロトン移動を促進する。

    3. 酸化還元反応が進行する準備が整う。

158番のアミノ酸残基Ｘはヒスチジン残基である。（選択肢2）[正しい]

  • 科学的根拠:
    図中の構造として示されているイミダゾリル基は、標準的なアミノ酸の中でヒスチジンの側鎖に特有のものです。この構造は酸塩基触媒作用を持ち、酵素反応におけるプロトンの移動を媒介します。

  • 関連機能:
    ヒスチジンのイミダゾリル基は、pKaが6.0付近にあるため、酵素活性部位で中性条件下でもプロトン供与と受容が可能です。

■解説2｜

  • 補酵素NAD⁺の役割: 酸化還元反応において、NAD⁺は電子受容体として機能します。β-ヒドロキシアシルCoAが酸化される際に、NAD⁺は電子とプロトンを受け取り、NADHに変換されます。

  • 酵素の相互作用: 酵素内のアミノ酸残基間の相互作用（Glu170とHis158）は、基質（β-ヒドロキシアシルCoA）の効率的な酸化に不可欠です。これにより、活性部位内での電子移動とプロトン移動が同時に達成されます。

■結論｜

選択肢1と2が正しい。これらは酵素の構造的特性および補酵素NAD⁺の化学的役割に基づいて確認されました。

■補足｜

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

補酵素アはFADである。（選択肢3）[誤り]

  • 補酵素アはNAD⁺であり、FADではありません。NAD⁺は酸化還元反応に特化した役割を担い、ピリジンヌクレオチドの形を取ります。

補酵素アはプロトン受容体として機能している。（選択肢4）[誤り]

  • NAD⁺は電子受容体であり、直接プロトンを受容するわけではありません。プロトンは主に酵素活性部位のアミノ酸残基に関与します。

補酵素アはピリミジン骨格をもつ。（選択肢5）[誤り]

  • NAD⁺はピリジン骨格を有します。ピリミジン骨格は核酸塩基（シトシン、チミン、ウラシルなど）に関連しますが、NAD⁺には含まれません。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問106

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Q. β酸化による脂肪酸の代謝反応におけるβ-ヒドロキシアシルCoAからβ-ケトアシルCoAへの変換過程を以下に示す。その変換過程について想定される反応機構に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
β-ヒドロキシアシルCoA
    → [ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素 + (補酵素 ア)] → β-ケトアシルCoA

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■選択肢
1. ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素の図中の170番のグルタミン酸残基は、158番のアミノ酸残基Ｘの側鎖のイミダゾリル基の塩基性を高めている。
2. 158 番のアミノ酸残基Ｘはヒスチジン残基である。
3. 補酵素アはFADである。
4. 補酵素アはプロトン受容体として機能している。
5. 補酵素アはピリミジン骨格をもつ。

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