中学受験理科｜酵素を妨げる物質の比較｜材料を増やした後の表を読む

酵素の反応が遅くなったとき、酵素が全部壊れたと決めてよいでしょうか。働きを妨げる物質がある場合も考えられます。また、妨げ方が違えば、反応の材料を増やしたときの変化も違います。ここでは専門的な反応式を覚えず、同じ条件で測った表から、どこまで言えるかを整理します。

反応の速さを、同じ出発点で比べる

酵素が働く材料を基質と呼びます。今回の資料では、材料の濃さを変え、反応を始めた直後の一定時間にできる生成物の量を比べます。長時間後の量だけを比べると、途中で材料が不足した影響などが混ざるため、速さの比較にならない場合があります。

温度、液量、酵素の量、液の酸性・アルカリ性などは共通にします。妨げる物質を入れた容器だけ酵素も少なければ、速さの差をその物質の作用に絞れません。「妨げる物質なし」の対照を作り、同じ材料濃度の行どうしを横に比べることが出発点です。

材料を増やすと取り戻せる場合

材料が酵素に結びつく場所を、別の物質が取り合う模型を考えます。材料を十分多くすれば、その場所に材料が入る機会を増やせるため、妨げがない場合の速さへ近づくことがあります。これを競争的な妨げ方として説明できますが、名称だけで答えを選ぶ必要はありません。

一方、材料を多くしても、使える酵素の働きそのものが減る模型では、頭打ちの高さが低いままになる場合があります。ただし、実際の酵素阻害には複数の仕組みがあり、短い表だけで分子レベルの原因を断定できるとは限りません。今回は二つの特徴を読むため、明示した模型の範囲で考えます。

例題1。縦方向は初めの反応速度。横の間隔は濃度の大小を並べた模式表示。線は点を見分ける補助です。

差と割合は同じ順位とは限らない

妨げがないときの速さが二十、妨げがあると十なら、差は十、低下率は五十％です。別の条件で速さが百から八十になれば、差は二十と大きいのに、低下率は二十％と小さくなります。「強く妨げた」を何で評価するのか、問題の指定が必要です。

低下率は「対照の速さ－処理の速さ」を対照で割ります。処理後の小さい値で割ると、元から何割減ったかではなくなります。材料の濃さを変えた表には対照の値も複数ありますから、各行に対応する対照を使いましょう。最も大きな対照値をすべての行の分母にするのも誤りです。

例題1　材料を増やしたときの違い

同じ単位で表した反応の初めの速さが、材料濃度の低い順に、対照では二十、五十、八十でした。物質Xありでは十、四十、七十八、物質Yありでは十、二十五、四十でした。測定した範囲で、材料を増やすと対照との差が小さくなる傾向があるのはどちらですか。

答え・解説： Xです。対照との差は十、十、二となり、高濃度側で近づいています。Yは各行で対照の半分で、差は十、二十五、四十です。ただし、Xが完全に同じ最大値へ到達すると、この三点だけで証明したわけではありません。「測定範囲では差が小さくなった」と答えます。

例題2　割合で妨げの大きさを読む

例題1の最も濃い条件で、XとYによる低下率を求めてください。また、Xを取り除けば速さが元に戻るかどうか、この表だけで判断できますか。

答え・解説： Xは（八十－七十八）÷八十×百＝二・五％、Yは（八十－四十）÷八十×百＝五十％です。除去後の回復については判断できません。物質を取り除いた後に同じ条件で測った記録がないからです。材料濃度を上げた実験と、物質を除いた実験は別の操作です。

頭打ちのグラフから言い過ぎない

高い材料濃度でも反応が遅いというだけで、「酵素が熱で壊れた」と結論づけることはできません。今回は温度をそろえた設定ですし、ほかの原因もあります。酵素の温度変化を扱う資料と、妨げる物質を加える資料は、何を変えた実験かを分けて読みましょう。

グラフを描くなら横軸を材料濃度、縦軸を初めの速さとし、対照、X、Yの記号をそろえます。点の間や測定範囲外の線は推定を含むので、観測点と区別してください。説明では、低濃度ではどちらも半分だったこと、高濃度ではXとYが違ったことを順に示すと、比較の意味が伝わります。未知の物質名が出ても、操作と測定を追えば解けるのが資料問題です。

反応の終わりだけでは速度は分からない

二つの容器が最終的に同じ生成物量へ到達しても、そこへ至る時間が違う可能性があります。ゆっくり進む反応を長く待てば、速い反応と同じ量になることもあります。そのため「最後の量が同じだから阻害はなかった」という判断はできません。逆に、同じ短時間の量が少なければ、初めの速さが小さかった可能性を考えられます。横軸が時間のグラフと、今回の材料濃度のグラフでは、横へ進む意味が違うことも確かめてください。

XとYの表を比べるとき、加えた量まで同じと指定されていなければ、「Xという物質はYより常に弱い」と一般化できません。今回の結果は、資料に示された処理条件での比較です。物質の性質を調べたいなら、その濃度をそろえる、または濃度を段階的に変えた結果を得るなどの追加が必要になります。処理名は同じでも、どれだけ入れたかによって作用が違い得るという点は、酵素に限らず実験条件を読む際の基本になります。