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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問106-096【物理】論点：定量法 / 紫外可視吸光度測定法

matsunoya

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問96

一般問題（薬学理論問題）【物理】

問106-096
Q. 血中のグルコースの定量法として、次のような酵素反応を利用した方法がある。この方法では、波長340nmの吸光度からグルコースの濃度を求める。この方法に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問96

選択肢｜

1. 試料に入射する光と透過する光の強度をそれぞれI0、Iとすると吸光度はlog(I0/I)で表される。
2. 340nmの波長の電磁波は、分子の振動状態の変化を直接引き起こす。
3. 240nmから400nmまでの吸収スペクトルを測定する場合には、ガラス製のセルが用いられる。
4. 340nmの吸収は、NADPHに由来する。
5. グルコース濃度は340nmの吸光度の二乗に比例する。

こんにちは！薬学生の皆さん。
Mats & BLNtです。

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苦手意識がある人も、この機会に、薬学理論問題【物理】を一緒に完全攻略しよう！
今回は、第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問96、定量法 / 紫外可視吸光度測定法を徹底解説します。

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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問106-096【物理】論点：定量法 / 紫外可視吸光度測定法

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設問へのアプローチ｜

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問96

第106回薬剤師国家試験の問96（問106-096）では、定量法 / 紫外可視吸光度測定法に関する知識を問われました。

PPP…G6PD…NADP+…Lambert-Beer ?…😭🤣

でも、ここで焦ってはいけません。

大丈夫です。

まず、基本的なところを復習しておきましょう。

まず、日本薬局方の一般試験法から思い出しましょう。

第18改正日本薬局方 一般試験法
第18改正日本薬局方 一般試験法

今回、Grok 2 (beta)にお願いして、基本的な知識についてまとめてもらいました。

■■Grok 2 (beta)

ランベルト・ベールの法則とは

ランベルト・ベールの法則（Lambert- Beer's Law）は、溶液中の光吸収 A とその濃度 c および吸収層の厚さ l との関係を示す法則です。
この法則は、以下のように定式化されます。

A = -log(I/I0) ＝ ε ・ c ・ l

ここで、

  • A ：吸光度 (Absorbance)

  • ε ：モル吸光係数 (Molar absorptivity) またはモル消光係数で、物質ごとに固有の値

  • c ：溶液の濃度 (Concentration)

  • l ：光が通過する吸収層の厚さ (Path length)

原理:

  1. 吸光度と濃度の関係:
    この法則は、溶液中のある物質が吸収する光の量が、その物質の濃度cに比例するという観察に基づいています。濃度が高いほど、より多くの光が吸収され、吸光度が増加します。

  2. 吸収層の厚さ:
    同様に、光が通過する溶液の厚さlが増すと、吸収される光の量も増えます。これは、光がより多くの分子と相互作用する機会を持つためです。

  3. モル吸光係数:
    これは、特定の波長の光に対する物質の吸光能力を示す定数で、物質とその状態(溶媒や温度など)に依存します。この係数は、特定の条件下で実験的に決定されます。

  4. 線形性:
    法則の適用範囲内では、吸光度と濃度の関係は線形です。しかし、高濃度では分子間の相互作用や溶液の物性変化により、非線形性が現れることがあります。

文献:

  • Bouguer, P. (1729): "Essai d'optique sur la gradation de la lumière." - ピエール・ブーゲが最初に光の吸収に関する研究を発表しました。

  • Lambert, J.H. (1760): "Photometria sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae." - ヨハン・ハインリヒ・ランベルトが層厚による光の吸収について記述しました。

  • Beer, A. (1852): "Bestimmung der Absorption des rothen Lichts in farbigen Flüssigkeiten." - アウグスト・ベールが濃度と吸光度の関係を確立しました。

  • Skoog, D.A., Holler, F.J., & Crouch, S.R. (2007): "Principles of Instrumental Analysis." 6th ed. Thomson Brooks/Cole. - 現代の分析化学の教科書で、ランベルト・ベールの法則の詳細な解説が提供されています。

これらの研究と文献が、ランベルト・ベールの法則の科学的根拠を形成しています。
この法則は現在でも分光分析の基礎として広く利用されています。

NADHおよびNADPHは、紫外吸光340nmの波長に特異的な吸収を示す

文献要約

Belenky, P., Bogan, K. L., & Brenner, C. (2007).

この論文では、NAD+の代謝が健康と疾患においてどのように役割を果たすかを探っています。NAD+とその還元型であるNADHは、細胞のエネルギー代謝、DNA修復、ストレス応答などに関与しています。
特に、NADHの340nmでの吸光度特性は、酵素反応のモニタリングにおいて言及されており、これによりNAD+依存性の酵素反応の進行を追跡することが可能であると述べています。

Pollak, N., Dölle, C., & Ziegler, M. (2007).

このレビューは、ピリジンヌクレオチド（NAD+とNADP+）の還元力について詳細に述べています。
NADHおよびNADPHの役割は、細胞内の還元反応を推進する力として強調されています。
340nmでの吸収特性は、生化学的アッセイにおけるこれらの分子の検出と定量化の手段として利用され、酵素反応の速度や進行を測定するための重要なツールであることが論じられています。

Ying, W. (2008).

Yingの論文は、NAD+/NADHおよびNADP+/NADPHの比率が細胞の機能や細胞死にどのように影響を与えるかを詳細に調査しています。
NADHとNADPHの特異的な吸光度について触れ、340nmでの吸光度を用いた測定は、細胞内でのこれらの分子の動態を研究する上で不可欠であるとしています。
この特性を利用することで、酸化還元状態の変化をリアルタイムで追跡し、細胞の健康状態や代謝活動を評価することができます。

Ref. 

  • Belenky, P., Bogan, K. L., & Brenner, C. (2007). NAD+ metabolism in health and disease. Trends in Biochemical Sciences, 32(1), 12-19. doi:10.1016/j.tibs.2006.11.006

  • Pollak, N., Dölle, C., & Ziegler, M. (2007). The power to reduce: pyridine nucleotides – small molecules with a multitude of functions. Biochemical Journal, 402(2), 205-218. doi:10.1042/BJ20061638

  • Ying, W. (2008). NAD+/NADH and NADP+/NADPH in cellular functions and cell death: regulation and biological consequences. Antioxidants & Redox Signaling, 10(2), 179-206. doi:10.1089/ars.2007.1672

まとめ

これらの文献は共通して、NADHおよびNADPHが340nmの波長で特異的に吸収する特性が、酵素反応や細胞内の代謝活動を光学的に追跡するために非常に有用であることを強調しています。
この方法は、研究者が細胞のエネルギー状態、酵素の活性、そして代謝の変動を非侵襲的にモニタリングする手段を提供します。

どうですか？

じわじわ来てますか🖐️😎🖐️

🖐️😎🖐️

楽勝です！　
論点整理をしておきましょう。

■■Grok 2 (beta)

総合的な論点

この問題は、血中のグルコースの定量法に関するもので、酵素反応を利用してグルコースの濃度を波長340nmの吸光度から求める方法について問うています。具体的には、酵素反応によって生じるNADPHの吸光度を測定することに焦点が当てられています。

各選択肢の論点と解法へのアプローチ

選択肢1

論点:
吸光度の定義に関する記述です。吸光度(Absorbance)は、入射光の強度(I0)と透過光の強度(I)の比の常用対数(log)で表されます。

解法へのアプローチ:

  • 吸光度の基本的な定義を確認します。

  • 公式 ( A = log(I0/I) ) を理解し、選択肢の正誤を判断します。

  • この公式はランベルト・ベールの法則の一部であり、光の吸収を定量的に表すために広く使われています。

選択肢2

論点:
340nmの波長の電磁波が分子のどのような変化を引き起こすかについての記述です。

解法へのアプローチ:

  • 電磁波の波長と分子のエネルギー状態の関係を理解します。

  • 340nmは紫外-可視光領域にあり、主に電子の遷移に関与します。分子の振動状態の変化は、通常赤外領域の光で観察されます。

  • この知識に基づいて、340nmの光が分子の振動状態の変化を直接引き起こすかどうかを評価します。

選択肢3

論点:
吸収スペクトルの測定に使用するセルの材質に関する記述です。

解法へのアプローチ:

  • 紫外-可視(UV-Vis)分光法で使用されるセルの材質についての知識を確認します。

  • ガラスは一般的に可視光領域では透明ですが、紫外領域(特に240nm以下)では吸収が増えるため、通常は石英(クォーツ)セルが使用されます。

  • この情報を基に、240nmから400nmの範囲でガラス製セルが適切かを判断します。

選択肢4

論点:
340nmの吸収が何に由来するかについての記述です。

解法へのアプローチ:

  • 酵素反応で生成される物質とその吸光特性を確認します。

  • グルコース-6-リン酸がNADP+と共に反応してNADPHを生成し、このNADPHが340nmで強い吸光度を示します。

  • この反応を理解し、340nmの吸収がNADPHに由来するかどうかを評価します。

選択肢5

論点:
グルコース濃度と吸光度の関係についての記述です。

解法へのアプローチ:

  • ランベルト・ベールの法則に基づいて、吸光度と濃度の関係を確認します。

  • 法則によれば、吸光度は溶液中の物質の濃度に直接比例します。したがって、グルコース濃度が吸光度の二乗に比例するという記述の正しさを検討します。

  • 実際の関係が線形であるか、二乗に比例するかを科学的根拠に基づいて分析します。

はじめましょう。

薬剤師国家試験の薬学理論問題【物理】から定量法 / 紫外可視吸光度測定法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。

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第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問96

一般問題（薬学理論問題）【物理】

問106-096
Q. 血中のグルコースの定量法として、次のような酵素反応を利用した方法がある。この方法では、波長340nmの吸光度からグルコースの濃度を求める。この方法に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問96

選択肢｜

1. 試料に入射する光と透過する光の強度をそれぞれI0、Iとすると吸光度はlog(I0/I)で表される。
2. 340nmの波長の電磁波は、分子の振動状態の変化を直接引き起こす。
3. 240nmから400nmまでの吸収スペクトルを測定する場合には、ガラス製のセルが用いられる。
4. 340nmの吸収は、NADPHに由来する。
5. グルコース濃度は340nmの吸光度の二乗に比例する。

■■Grok 2 (beta)

物理｜問 106-096

■論点｜定量法 / 紫外可視吸光度測定法


この問題の論点は、酵素反応を利用したグルコースの定量法における吸光度の原理とその適用に関する正確な理解を確認することです。

■解説1｜

  • 試料に入射する光と透過する光の強度をそれぞれI0、Iとすると吸光度はlog(I0/I)で表される。（選択肢1）[正しい]

吸光度の定義はランベルト・ベールの法則に基づいており、入射光と透過光の強度比の対数として表されます。これは光吸収の基本的な測定法です。

  • 340nmの吸収は、NADPHに由来する。（選択肢4）[正しい]

グルコースの定量反応では、NADP+がNADPHに還元され、このNADPHが340nmで吸光度を示します。これは酵素反応の結果生じる物質の特性に基づいています。

■解説2｜

  • 選択肢1の解説:
    ランベルト・ベールの法則によれば、吸光度 A は A = log(I0/I) です。
    この法則は、溶液中の物質の濃度が吸光度にどのように影響するかを示すもので、化学分析において基本的かつ重要です。

  • 選択肢4の解説:
    グルコース-6-リン酸がグルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼにより反応すると、NADP+はNADPHに変換されます。
    NADPHは340nmの光を吸収する特性があり、これを利用してグルコースの濃度を間接的に測定します。

Ref. nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, oxidized (NADP+)
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NADP%2B_phys.svg

■結論｜

選択肢1と選択肢4が正しい。
これは、吸光度の基本的な計算方法と、グルコース定量法におけるNADPHの役割を理解しているかどうかを問うています。

■補足｜

  • 選択肢2:
    340nmの波長は主に電子の遷移に関与し、分子の振動状態の変化は通常赤外領域で観察されます。
    よって、この記述は誤りです。

  • 選択肢3:
    240nmから400nmの範囲では、特に紫外領域でガラスは吸収するため、通常は石英(クォーツ)セルが使用されます。この記述は不正確です。

  • 選択肢5:
    ランベルト・ベールの法則によれば、吸光度は溶液の濃度に直接比例します。
    A =-log(I/I0)＝ε ・ c ・ l
    したがって、グルコース濃度が吸光度の二乗に比例するという記述は誤りです。

■Lecture

■■Grok 2 (beta)

論点解説 グルコースの代謝

NADPHは、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸の還元型であり、細胞内での多くの生合成反応や酸化還元反応において重要な役割を果たします。
特に、グルコースの代謝と関連して、NADPHは以下のような役割を担っています:

1. ペントースリン酸経路 (Pentose Phosphate Pathway, PPP):

  • この経路は、グルコース-6-リン酸から出発してNADPHを生成します。PPPはNADPHの主要な供給源であり、細胞の酸化還元バランスを維持し、酸化的ストレスから細胞を保護する抗酸化システムの一部として機能します。

2. 脂肪酸合成:

  • NADPHは、脂肪酸の合成に必要な還元力として使われます。アセチルCoAから長鎖脂肪酸を合成する過程で、NADPHは水素ドナーとして働きます。

3. グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ (G6PD):

  • G6PDはPPPの最初のステップを触媒し、グルコース-6-リン酸を6-ホスホグルコノラクトンに変換し、同時にNADP+をNADPHに還元します。この酵素の活性はNADPHの生成に直接影響を与え、G6PD欠損症はNADPHの不足を引き起こし、赤血球の溶血性貧血を引き起こすことがあります。

4. 解糖系からの派生:

  • 解糖系自体はNADPHを直接生成しませんが、解糖系で生成されたグルコース-6-リン酸がPPPに流入することで間接的にNADPHの生成に寄与します。

Ref.

  • Lehninger, A.L., Nelson, D.L., & Cox, M.M. (2008): "Lehninger Principles of Biochemistry." 5th ed. W.H. Freeman. - この教科書では、NADPHの役割とグルコース代謝におけるその生成について詳細に解説しています。

  • Berg, J.M., Tymoczko, J.L., & Stryer, L. (2002): "Biochemistry." 5th ed. W H Freeman; New York. - ペントースリン酸経路とNADPHの生成についての基本的な情報を提供しています。

  • Kruger, N.J., & von Schaewen, A. (2003): "The oxidative pentose phosphate pathway: structure and organisation." Current Opinion in Plant Biology, 6(3), 236-246. - PPPの構造と組織についての詳細なレビュー。

  • Stincone, A., et al. (2015): "The return of metabolism: biochemistry and physiology of the pentose phosphate pathway." Biological Reviews, 90(3), 927-963. - PPPの生化学と生理学的役割についての包括的なレビュー。

これらの文献は、NADPHの生合成とグルコース代謝における役割を理解する上での科学的根拠を提供しています。NADPHは細胞の代謝において、特に還元力の供給源として、また酸化ストレスに対する防御機構として不可欠です。

ペントースリン酸経路 (PPP)

ペントースリン酸経路 (PPP)は、グルコース-6-リン酸から始まり、NADPHを生成する主要な経路です。
この経路は酸化的フェーズと非酸化的フェーズに分けられますが、NADPHは主に酸化的フェーズで生成されます。以下にその主要な化学反応式を示します。

1. 酸化的フェーズ:

グルコース-6-リン酸の酸化:


Glucose-6-phosphate + NADP+
→ 6-Phosphoglucono-δ-lactone + NADPH + H+

この反応はグルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ (G6PD) によって触媒されます。

6-ホスホグルコノラクトンの加水分解:


6-Phosphoglucono-δ-lactone + H2O
→ 6-Phosphogluconate

この反応は自然に起こるか、ラクトナーゼによって触媒されます。

6-ホスホグルコン酸の酸化と脱炭酸:


6-Phosphogluconate + NADP+
→ Ribulose-5-phosphate + CO2 + NADPH + H+

この反応は6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼによって触媒されます。

2. 非酸化的フェーズ:

非酸化的フェーズでは、NADPHは生成されませんが、生成されたリブロース-5-リン酸は解糖系の中間体に変換され、再びグルコース-6-リン酸に戻るか、他の代謝経路に進みます。
このフェーズは主にリブロース-5-リン酸や他の糖リン酸の相互変換に関与しますが、NADPHの生成には直接関与しません。

総括:

PPP全体を通じて、グルコース-6-リン酸1分子から最大でNADPHが12分子生成されます（理論的には、グルコース-6-リン酸が完全にPPPを循環する場合）。
実際の細胞内では、この経路はNADPHの供給だけでなく、ヌクレオチド合成のためのリボース-5-リン酸も提供します。

類題

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薬剤師国家試験対策ノート｜論点解説 必須問題 物理 第106回-第109回 全20問 powered by Gemini 1.5 Pro, Google AI Studio & GPT4, Copilo｜matsunoya (note.com)

第108回薬剤師国家試験　問93

薬学理論問題
物理｜問 108-093
酸化還元反応と化学電池に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
■選択肢

  1. 酸化還元反応において、電子を受け取るのは還元剤である。

  2. コハク酸(C4H6O4)+FAD→フマル酸(C4H4O4)+FADH2の反応において、コハク酸は酸化剤である。

  3. 進行中の酸化還元反応の起電力は、Henderson‒Hasselbalchの式で表すことができる。

  4. 電解質の濃度のみが異なる2つの半電池からなる化学電池(濃淡電池)の標準起電力は0Vである。

  5. 反応が自発的に進行している化学電池では、カソード(正極)で還元反応が起こる。

第109回薬剤師国家試験　問93

薬学理論問題
物理｜問 109-093
次の記述は、日本薬局方メフェナム酸の純度試験中の類縁物質に関するものである。
本品0.10gをクロロホルム／メタノール混液(3：1)5mLに溶かし、試料溶液とする。この液1mLを正確に量り、クロロホルム／メタノール混液(3：1)を加えて正確に200mLとする。この液10mLを正確に量り、クロロホルム／メタノール混液(3：1)を加えて正確に50mLとし、標準溶液とする。これらの液につき、薄層クロマトグラフィー(薄層板に蛍光剤を含む)により試験を行う。試料溶液及び標準溶液25μLずつを薄層板にスポットし、展開後風乾した薄層板に紫外線(主波長254nm)を照射するとき、試料溶液から得た主スポット以外のスポットは、標準溶液から得たスポットより濃くない。
類縁物質の混入が許容される限度値はどれか。1つ選べ。
■選択肢

  1. 0.1%

  2. 0.2%

  3. 1.0%

  4. 2.0%

  5. 2.5%

第106回薬剤師国家試験　問94

薬学理論問題
物理｜問 106-094
日本薬局方において、ヒドロコルチゾンコハク酸エステルの定量法は以下のように規定されている(一部省略)。この定量法に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
定量法：本品及びヒドロコルチゾンコハク酸エステル標準品を乾燥し、その[1. 約50 mgずつを精密に]量り、それぞれをメタノールに溶かし、正確に50mLとする。この液5mLずつを正確に量り、それぞれに内標準溶液5mLを正確に加えた後、メタノールを加えて50mLとし、試料溶液及び標準溶液とする。試料溶液及び標準溶液10μLにつき、次の条件で液体クロマトグラフィーにより試験を行い、内標準物質のピーク面積に対するヒドロコルチゾンコハク酸エステルのピーク面積の比QT及びQSを求める。
ヒドロコルチゾンコハク酸エステル(C25H34O8)の量(mg)= [ア]
MS：ヒドロコルチゾンコハク酸エステル標準品の秤取量(mg)
内標準溶液：パラオキシ安息香酸ブチルのメタノール溶液(1→2500)
試験条件
[2. 検出器：紫外吸光光度計(測定波長：254nm)]
カラム： 内径4mm、長さ30cmのステンレス管に10μmの液体クロマトグラフィー用オクタデシルシリル化シリカゲルを充塡する。
カラム温度：25℃付近の一定温度
[3. 移動相：pH4.0の酢酸・酢酸ナトリウム緩衝液/アセトニトリル混液(3：2)]
流量： ヒドロコルチゾンコハク酸エステルの保持時間が約5分になるように調整する。
システム適合性：システムの性能： 標準溶液10μLにつき、上記の条件で操作するとき、ヒドロコルチゾンコハク酸エステル、内標準物質の順に溶出し、その[イ]は9以上である。
システムの再現性：略
■選択肢

  1. [1. 約50 mgずつを精密に]のように「約」を付けたものは、記載された量の±3％の範囲を意味する。

  2. [ア]に入るのは、MS×QT／QSである。

  3. [2. 検出器：紫外吸光光度計(測定波長：254nm)]の検出に用いる光源は、タングステンランプである。

  4. [3. 移動相：pH4.0の酢酸・酢酸ナトリウム緩衝液/アセトニトリル混液(3：2)]の移動相中のアセトニトリルの割合を増やすと、ヒドロコルチゾンコハク酸エステルの保持時間は短くなる。

  5. [イ]に入るのは、「理論段数」である。

第108回薬剤師国家試験　問96

薬学理論問題
物理｜問 108-096
紫外可視吸光度測定法を用いて、単一の波長により、ある化合物の濃度の異なる2種類の水溶液の透過率を測定したところ、水溶液Iの透過率は50％、水溶液IIの透過率は20％であった。水溶液IとIIを等量ずつ混合した水溶液の吸光度に最も近い値はどれか。1つ選べ。
ただし、log2=0.3、用いたセルの層長は1cmとする。
■選択肢

  1. 0.3

  2. 0.5

  3. 0.7

  4. 1

  5. 1.5

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第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問96

一般問題（薬学理論問題）【物理】

問106-096
Q. 血中のグルコースの定量法として、次のような酵素反応を利用した方法がある。この方法では、波長340nmの吸光度からグルコースの濃度を求める。この方法に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問96

選択肢｜

1. 試料に入射する光と透過する光の強度をそれぞれI0、Iとすると吸光度はlog(I0/I)で表される。
2. 340nmの波長の電磁波は、分子の振動状態の変化を直接引き起こす。
3. 240nmから400nmまでの吸収スペクトルを測定する場合には、ガラス製のセルが用いられる。
4. 340nmの吸収は、NADPHに由来する。
5. グルコース濃度は340nmの吸光度の二乗に比例する。

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