- 開講元
- 生命理工学系
- 授業形態
- 講義
- メディア利用科目
- 曜日・時限(講義室)
- 火5-6(S621,S622) 金5-6(S621,S011)
- クラス
- -
- 科目コード
- LST.A206
- 単位数
- 2
- 開講年度
- 2021年度
- 開講クォーター
- 2Q
- シラバス更新日
- 2021年3月19日
- 講義資料更新日
- -
- 使用言語
- 日本語
- アクセスランキング
-
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講義の概要とねらい
生命現象の素過程を、物理学の基本的な概念や原理・法則の習熟により、物理化学反応として解釈することで、生命機能を理解することを目標とする。化学平衡、電気現象、反応速度論、生化学過程を、熱力学・統計熱力学の観点から定量的に学び、物理的現象と化学変化の本質的な考察力を深める。具体的な生命現象を題材に取ることにより、生命現象の本質的な理解を進める。基礎的な学問の習得により、科学技術の発展と利用、例えば生命理工学や臨床といった分野においても、応用力を発揮できる考察力を涵養する。
到達目標
1) 化学平衡を理解し、生命反応がなぜ起こるのかを熱力学・統計熱力学的に説明できる。
2) イオンと電子の輸送に関わる電気現象を定量的に理解し、溶液系・膜を介す輸送・電池・生体エネルギー論について説明できる。
3) 反応速度論を理解し、速度式を構築することができる。
4) 速度式を用いて生命反応機構と反応ダイナミクスを議論できる。
5) 複雑な生化学過程として、酵素反応およびその阻害を物理化学により説明できる。
6) 生命現象の素過程として、拡散現象・イオンの移動と膜を介した輸送・電子移動を物理化学により説明できる。
キーワード
統計熱力学、化学平衡、輸送、反応速度論、反応ダイナミクス、酵素反応、阻害、拡散現象、膜輸送、電子移動
学生が身につける力(ディグリー・ポリシー)
| ✔ 専門力 | 教養力 | コミュニケーション力 | ✔ 展開力(探究力又は設定力) | ✔ 展開力(実践力又は解決力) |
授業の進め方
教科書「アトキンス生命科学のための物理化学」に即して、入門的に詳細な解説を講義で行います。随時、テキストにある問題を演習的に各自で解いて理解を深めます。
授業計画・課題
| 授業計画 | 課題 | |
|---|---|---|
| 第1回 | 化学平衡：反応ギブズエネルギー、生物学的標準状態、平衡定数、吸熱の起源、化学平衡の分子論的起源（德永 万喜洋） | 反応ギブズエネルギーを計算する。平衡定数の意義、平衡組成、吸熱反応、化学平衡の分子論の理解。 |
| 第2回 | 化学平衡：共同的結合、標準反応ギブズエネルギー、熱力学的安定性と変化の自発性、触媒・温度と平衡移動、共役反応（德永 万喜洋） | ミオグロビン・ヘモグロビンと酸素の結合、標準反応ギブスエネルギー、ルシャトリエの原理、共役反応の理解。 |
| 第3回 | 化学平衡：生体エネルギー論における共役反応、高エネルギー化合物と転移能、エネルギー通貨としてのATP（德永 万喜洋） | 細胞内ATPのΔrGを計算する。高エネルギー化合物と転移能、細胞内におけるATPの役割、グルコースの酸化と共役したATP産生の理解。 |
| 第4回 | 化学平衡：プロトン移動平衡；酸・塩基、多プロトン酸・両プロトン性、緩衝液（德永 万喜洋） | プロトン移動平衡として酸・塩基、緩衝能、pKa・pKbとpHの関係、アミノ酸のプロトン移動平衡・pKa・pI、ヒト血液の緩衝能の理解。 |
| 第5回 | イオンと電子の輸送の熱力学：イオン溶液、生体膜、膜電位（德永 万喜洋） | デバイヒュッケルの法則、電解質溶液の活量、イオン輸送ΔG、ゴールドマンの式を説明し、イオン強度と膜電位を計算する。 |
| 第6回 | イオンと電子の輸送の熱力学：酸化還元反応と化学電池、ネルンストの式、標準電位（德永 万喜洋） | 酸化還元反応としての化学電池、ネルンストの式、標準電位の理解。電池反応の標準電位と平衡定数を計算する。 |
| 第7回 | 生体エネルギー論における電子移動と酸化還元反応（德永 万喜洋） | 呼吸鎖と光合成における電子の移動・酸化還元反応・ATP合成の理解。 |
| 第8回 | 反応速度：定義、速度式と速度定数、次数（林 宣宏） | 反応速度論の理解。 |
| 第9回 | 反応速度：速度式の求め方、温度依存性（アレニウスの式）（林 宣宏） | 生命現象を反応速度式で表現する。反応が温度に依存することの理論的解釈。 |
| 第10回 | 速度式の解釈：反応機構の理解（林 宣宏） | 速度式を用いた反応機構の理解。 |
| 第11回 | 速度式の解釈：反応ダイナミクス（林 宣宏） | 速度定数の値を決めている諸因子の理解。 |
| 第12回 | 生化学過程の物理化学による理解：酵素反応（林 宣宏） | ミカエリス-メンテン機構の理解。阻害反応の確認。 |
| 第13回 | 生化学過程の物理化学による理解：生体膜輸送（林 宣宏） | 液体中の分子やイオンの動きを支配している法則の理解。 |
| 第14回 | 反応速度、速度式、生化学過程の物理化学による理解：まとめ（林 宣宏） | 反応速度論、速度式、酵素反応論、生体膜輸送過程に関して説明し、計算する。 |
授業時間外学修（予習・復習等）
学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。
教科書
Atkins他『アトキンス生命科学のための物理化学 第２版』東京化学同人，2014年，ISBN-13: 978-4807908387.
参考書、講義資料等
Atkins他『アトキンス物理化学(上) (下) 第10版』東京化学同人，2017年，ISBN-13: 978-4807909087, 978-4807909094.
Trap他『アトキンス 物理化学問題の解き方 (学生版) 第10版』東京化学同人，2017年，ISBN-13: 978-4807909100.
Tinoco他『バイオサイエンスのための物理化学 第5版』東京化学同人，2015年; ISBN-13: 978-4807908806.
Phillips他『細胞の物理生物学』共立出版，2011年; ISBN-13: 978-432005716
成績評価の基準及び方法
中間・期末試験無し。課題提出で評価、詳細は各先生から。課題は、基本的な事項、本質的な理解、定量的な理解を問う。
関連する科目
- LST.A201 ： 物理化学第一（熱力学，反応速度）
- LST.A211 ： 物理化学第三（分子軌道，相互作用）
- LST.A341 ： 生物物理化学
- LST.A403 ： 生物物理学
履修の条件(知識・技能・履修済科目等)
履修条件は特に設けないが、物理化学第一を履修していることが望ましい。
