令和 3 年度

大学院博士前期課程入学試験問題

生物工学Ⅱ

生物化学，微生物学，分子細胞生物学から 2 科目選択しなさい．
解答には，問題ごとに１枚の解答用紙を使用しなさい．
問題用紙ならびに余った解答用紙にも受験番号を記載しなさい．
試験終了時に回収します．

受験番号

⽣物化学
問題１

（配点率 34/100）

⽣体内の脱炭酸反応に関する以下の問いに答えよ．
(1) 解糖系によって⽣成したピルビン酸は⼆つの異なる脱炭酸反応を受けて別々の化合物に変換される．ピルビン酸の脱炭酸にかかわる以下の設問に答えよ．
(i) ピルビン酸はα-ケト酸であり，通常は容易には脱炭酸しない．ところが，TPP 要求性酵素であるピルビン酸デカルボキシラーゼにより脱炭酸反応を受け，ヒドロキシエチルチアミン⼆リン酸（HETPP）を経由し，最終的にはアセトアルデヒドを⽣じる．反応機構を記せ．
(ii) ピルビン酸は上記(i)の反応と⼀部類似した酵素反応により HETPP を経て最終的にアセトアルデヒドとは異なる化合物に変換される．当該酵素反応の最終⽣成物の名称を記せ．
(iii) クエン酸回路（TCA 回路）には，上記(ii)と反応機構が類似した酸化的脱炭酸反応がある．当該酵素反応の基質と⽣成物の名称と構造を記せ．
(2) ⽣体内には種々の⽣理活性アミン類が存在するが，その多くはアミノ酸を前駆体として脱炭酸反応を経て⽣合成される．以下の⽣理活性アミン類の前駆体であるアミノ酸の名称と構造式を記せ．
(i) ヒスタミン(ii) セロトニン(iii) ドーパミン(iv) ノルアドレナリン(v) GABA

⽣物化学

問題 2（配点率 33/100）

ミオグロビン，ヘモグロビンに関する以下の⽂章を読み，問いに答えよ．
ミオグロビンは脊椎動物の筋⾁細胞にあるタンパク質である．世界で最初にその⽴体構造が明らかになったタンパク質で，1959 年に John Kendrew がア法により⽴体構造を決定し，その⼤部分が α ヘリックスで構成されていることが分かっている．
酸素とミオグロビン（Mb）の可逆結合は，簡単な平衡 Mb + O2 ⇄ MbO2 で表され，ミオグロビンの酸素結合曲線は，飽和度𝑌!! と O2 の分圧 pO2 を⽤いて下図のように⽰される．

図 ミオグロビンの酸素結合曲線（ヴォート基礎⽣化学[第５版]図 7・4 を引⽤）
⾎液が⾚いのは⾚⾎球にヘモグロビンがあるからである．哺乳類ヘモグロビンは α2β2 というイ構造の四量体タンパク質である．ヘモグロビンの αβ プロトマーは(a)2 回対称の関係にある．構造がよく似た α サブユニットと β サブユニットも，ほぼ 2 回対称の関係にある．このほぼ 2 回対称のことを疑似 2 回対称といい，この疑似 2 回対称軸は真の 2回対称軸と直交している．
酸素が結合するとヘモグロビンの四量体構造の構造が変わる．したがってデオキシヘモグ
ロビンとオキシヘモグロビンの構造ははっきりと違うことが分かっている．酸素が結合すると α1-β2 および α2-β1 の接触⾯がずれてイ構造に変化が⽣じる．
酸素化により αβ⼆量体構造はもう⼀⽅の αβ ⼆量体に対して約 15°回転する．この構造の再編成こそが，酸素結合に伴うヘモグロビンの性質の変化で最も重要な部分である．
ミオグロビンは上図のように双曲線の酸素結合曲線を⽰すが，ヘモグロビンは同様の曲線は⽰さず

ウ型曲線を⽰す．

ウ型の結合曲線は，結合部位の間に協同的な相互作⽤が働くことを⽰す．ヘモグロビンの酸素結合曲線はヒル式で記述でき，(b)ヒル定数 n がリガ（次ページに続く）

⽣物化学

ンド結合反応を特徴づける単純だが便利なパラメータとなる．ヘモグロビンの酸素結合の協同性のように，⼀つの部位にリガンドが結合すると同じタンパク質の他の結合部位の結合親和性が上がったり下がったりする場合がある。このような効果は

エう相互作⽤の結果であるという．
(1)

ア から エ に適当な語句を埋めよ．

(2) ⽂章中の図を回答⽤紙に書き写し，ヘモグロビンの酸素結合曲線を描け．
(3) 下線部(a)の関係を 30 字程度で説明せよ．
(4) 下線部(b)に関して，n<1，n=1，n>1 のとき酸素結合の協同性はどうなるかを 50 字程度で説明せよ．

⽣物化学

問題 3

（配点率 33/100）

脂質⼆分⼦膜に関する以下の問いに答えよ．
⽔溶液では⽯鹸や界⾯活性剤のような ア 分⼦は， イ （炭化⽔素基が⽔に触れないように集合した球状凝集体）をつくる．(a)グリセロリン脂質やスフィンゴ脂質には炭化⽔素の尾部が２本あるので，分⼦が円筒形になる．このような分⼦が寄り集まると，⼤きな円盤状の イ を形成し，脂質⼆分⼦膜が形成される．
脂質分⼦が⼆分⼦膜の反対⾯に動くことを ウ というが，(b)これはほとんど⽣じない現象である．これに対し， エ 拡散と称される⼆分⼦膜の同じ⾯内での動きは，極めて速く，この速さから脂質⼆分⼦膜は⼆次元流体ともいえる．脂質⼆分⼦膜は⼀定の(c)転移温度以下になると⼀種の相転移を起こして， オ 状態になり，流動性を失う．⼀⽅，転移温度以上では流動性が⼤きく， カ 状態にある．
(1)

ア から カ を適切な語句で埋めなさい．

(2) 下線部 (a)の物質に該当する化合物を１つあげ，その構造式と名称を⽰しなさい．
(3) 下線部 (b) の理由を簡潔に⽰しなさい．
(4) 下線部 (c) について，転移温度と脂質の構造との相関について，説明しなさい．
(5) 脂質結合タンパク質は，その修飾様式により，3 種に分類される．これらの名称をすべて⽰しなさい．また，3 つのうち，1 つを選び，その詳細について説明しなさい．

⽣物化学

微生物学
問題１ （配点率 30/100）
以下の質問に答えよ．
(1) 以下の文章のアからコを適切な語句で埋めよ．

細胞が mRNA の指示にしたがってタンパク質を合成することを翻訳と呼ぶ．翻訳はア酵素と呼ばれる酵素活性を提供するイと呼ばれる複合体で起こる．ウはアミノ酸をこの翻訳装置に運ぶ．エはアミノ酸を対応するウに結合する酵素である．それぞれのウは，運ぶアミノ酸を指定している mRNA 上のコドンと相補的なオを持つ．mRNA 上の翻訳の開始コドンはカである．原核生物では，キを運ぶ特殊な開始ウが開始コドンを認識する．複数のイが一度に同じ mRNA に作用することができ，同じ mRNA 上で翻訳している複数のリボソームの複合体はクと呼ばれる．多くの原核生物の mRNA は一ヶ所以上のリボソーム結合部位を持つことからケ性であると言われる．原核生物は核を持たない
ことから，翻訳は多くの場合，転写とコする．
(2) ナンセンス変異を 1 行で説明せよ．また，ナンセンスサプレッサーtRNA はナンセンス変異を抑圧できることが知られている．ナンセンスサプレッサーtRNA とはどのようなもので，どのようにしてタンパク質をコードしている遺伝子中のナンセンス変異の影響を抑圧できるのか 3 行程度で答えよ．

微生物学

問題２ （配点率 30/100）
下記の文章を読み、解答せよ．
グルタミン酸の合成や分解には，下記に示すようなさまざま酵素が関わっている．
（１） グルタミナーゼが関わる酵素反応式を，物質名を用いて下記の解答例に倣って示しなさい．ただし，構造を示す必要はない．
解答例； A ＋ B

→

C ＋ D

（２） グルタミン酸デヒドロゲナーゼが関わる酵素反応式を上記の解答例に倣って示しな
さい．
（３） グルタミンシンテターゼが関わる酵素反応式を上記の解答例に倣って示しなさい．
（４） アスパラギン酸トランスアミナーゼが関わる酵素反応式を上記の解答例に倣って示しなさい．
（５） 空気の約 80％を占めている窒素は，窒素固定菌により NH4＋へと変換される．植物の根から吸収された窒素源 NH4＋は，細胞の中でグルタミン酸に変換される．この変換には細菌や植物でみられる酵素 A と、もう一つの酵素 B の働きにより，NH4＋が有機酸に取り込まれることによりグルタミン酸となる．
(i)

下線部の反応に関わる酵素名を英語で示しなさい．また、その反応式を上記の解答例に倣って示しなさい．

(ii)

この酵素 A と酵素 B の名前を示しなさい．

微生物学

問題 3 （配点率 40/100）
以下の問いに答えよ．
（1）下記の文章の(a）〜（e)にあてはまる最も適切な語句を答えよ．
生物がもつ遺伝情報の総体は（ a ）と呼ばれる．完全な（ a ）情報から mRNA の総体すなわち（ b），およびタンパク質の総体すなわち（ c）の情報が得られる．シ

ステム生物学では生物システムの全ての構成成分を明らかにし，それらの機能的な関連を理解しようとする．たとえば，タンパク質間の物理的な相互作用の総体すなわち（d）を解析することは重要な課題である．さらに、転写因子と呼ばれるタンパク質とそれが結合するプロモーター中の特定の DNA 塩基配列である（ e ）との相互作用により構成される遺伝子発現調節ネットワークの理解も重要な課題である．
（2）タンパク質-タンパク質間相互作用を解析する手法に酵母ツーハイブリッド法がある．
下記の 3 つの用語をすべて用いて酵母ツーハイブリッド法の原理を 250 字程度で説明せよ．
GAL4，DNA 結合ドメイン，ヒスチジン（3）転写因子が結合するゲノム上の部位を網羅的に調べる手法としてチップ／チップ法がある．
下記の 3 つの用語をすべて用いてチップ／チップ法の原理を 250 字程度で説明せよ．
タグ，PCR，全ゲノム領域をカバーする DNA チップ

微生物学

分子細胞生物学

問題 1（配点率 32/100）

核酸に関する以下の問いに答えなさい．

(1) ヌクレオチドは糖環の５′炭素原子と３′炭素原子の間でリン酸基を介するホスホジエステル結合によってつながり，核酸となる．DNA の複製に必要な DNA ポリメラーゼは一般に DNA の伸長反応において５′から３′という方向性があり，３′から５′方向へは伸長することができないため，複製フォークは非対称になる．
A. この方向性によりなぜ複製フォークが非対称になるのか．それぞれの DNA 鎖での複製について図を用いて説明しなさい．
B. もし DNA ポリメラーゼが DNA 鎖を３′から５′方向へ伸長させる活性があった場合，DNA複製において生じる不都合についてエネルギー的な観点から述べなさい．
(2) 現存する生物や生体分子についての知識を元に考えると，地球上の生命は自己再生産を触媒する RNA 分子を出発点として進化したと思われる．
A. この根拠となる２つの現象について説明しなさい．
B. 初期の生命では RNA が多くの機能を担ってきたと考えられているのに対して、なぜ現在では DNA やタンパク質がそれら多くの機能を担っているのか考えをのべなさい.

分⼦細胞⽣物学

問題 2（配点率 32/100）

以下の問いに答えなさい．
(1) 真核細胞は，多くの膜で囲まれた細胞小区画を持つ．以下の細胞小区画（A〜H）と，それぞれの主な役割（ア〜ク）を対応付けなさい（例：A-ア）．
(A) 小胞体(ア)細胞外から取り込んだ物質の選別する(B) ゴルジ体(イ)毒性物質の酸化反応を担う(C) リソソーム(ウ)光合成による ATP 合成と炭素固定を担う(D) 核(エ)DNA と RNA の合成を担う(E) エンドソーム(オ)ATP 合成を担う(F) ミトコンドリア(カ)ほとんどの脂質合成及び，細胞小器官や細胞膜に送るタンパク質の合成を担う(G) ペルオキシソーム(キ)細胞内消化を担う(H) 葉緑体(ク)タンパク質を修飾し，別の細胞小器官に送る(2) 肝細胞の中で細胞１個あたりに概数が最も多い細胞小区画，少ない細胞小区画はそれぞれどれか．上記の(D)〜(H)から１つずつ選びなさい．
(3) タンパク質の多くはリボソームにより合成され，その後，各細胞小区画に選別されてゆく．
どのような仕組みで選別されるか．１００字以内で論じなさい．
(4) 小胞体膜のあるタンパク質輸送トランスポーター（膜タンパク質 X）は，新規に合成される X 自身の膜への組み込みを担う．細胞分裂後に最初に合成される X はどのように膜に組み込まれるかを１００字以内で論じなさい．
(5) 一般的な哺乳細胞の細胞質と細胞外には，多くのイオンが存在する．下記の陽イオンとその細胞内外濃度を対応付けなさい（例：A-ア-⑤）．
イオン(A) Na+(B) K+(C) Mg2+
(D) Ca(E) H+2+

細胞質のイオン濃度(ア)10-4mM

細胞外のイオン濃度①

1〜2 mM(イ)7x10-5 mM②1〜2 mM(ウ)5〜15 mM③145 mM(エ)0.5 mM④5 mM(オ)140 mM⑤7x10-5 mM

分⼦細胞⽣物学問題 3（配点率 33/100）

以下の文章を読み，問いに答えなさい．
アクチンフィラメントはタンパク質のアクチンが重合したもので，全ての真核細胞にあり，遊走，(ア)接着，移動といった細胞運動にかかわる機能や，(イ)食作用や細胞分裂などの様々機能において中心的な役割を果たす．(ウ)微小管同様，アクチンフィラメントは構造的に不安定なものが多いが，筋細胞の収縮装置のように他のタンパク質と結合することで，細胞内で安定な構造をとるものもある．その例が，小腸内膜の上皮細胞にある(エ)微絨毛や，ほとんどの動物細胞で収縮して極小の筋肉のような働きをする(オ)収縮束である．また一時的な構造として，移動する線維芽細胞の先導端に出来る動的な突起や，動物細胞が分裂する時に細胞質を二つにくびりきる収縮環などもつくる．これらアクチンが関与する運動にはふつう，（カ）と呼ばれるモータータンパク質がアクチンフィラメントと結合することが不可欠である．
(1) 上記の文章中の下線部(ア)から(オ)の用語を英語で記しなさい．
(2) （カ）に入る語句を日本語と英語で記しなさい．
(3) 筋細胞の収縮装置であるサルコメアが弛緩状態および収縮状態にある時の模式図を構成要素の名称と共に図示しなさい．
(4) 筋収縮時，全てのサルコメアが同調する結果，同時に収縮が引き起こされるため，筋肉全体が瞬時に収縮する．この同調を可能にするのはどのような機構か，以下の語句を用いて 400 字以内で説明しなさい．
筋小胞体，カルシウムイオン，トロポミオシン，トロポニン複合体，T 管分⼦細胞⽣物学