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大学の化学

フロンティアサイエンス学部に関心がある高校生・受験生のみなさんは、生物か化学、あるいは両方が好きという方だと思います。

大学に進学したら生物や化学の学びはどのように変わるでしょうか?

 

生物は比較的、高校と大学の学びがシームレスになっているようですが、化学は全然違うと感じる方も多いようですね。

そこで、本日が最終日の前期末試験の科目から『有機合成化学』を例に挙げて、大学での化学の一面を紹介したいと思います。

この科目の試験では、「この化合物をつくりたい。何を原料につかって、どんな反応でつくることができるか?」という問題がよく出題されます。

 

高校では原料から生成物を考える、また、反応も1段階、という問いが多かったのではないでしょうか。

それに対して、『有機合成化学』では、手に入れたい物質(生成物)から原料を考える、また、その物質の構造も複雑なので必要な反応も多段階、という課題に取り組みます。

 

例えば、エステルを例にとると・・・

 

高校の化学(例)酢酸とエタノールを反応させると何が生じる?

(答:酢酸エチル)

大学の化学(例)オセルタミビル(インフルエンザ治療薬のタミフル)をシキミ酸からつくるにはどうしたらよい?

(答:長過ぎてここには書けませんのでオセルタミビル+ロシェ法でググってみてください。なお、これはあくまでも例であって、実際の授業ではググってそのまま答えがわかるような課題はでません。)

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(左から、酢酸エチル、オセルタミビル、シキミ酸)

酢酸エチルとオセルタミビルには共通する構造がありますね。エステル結合といいます。

ですから、高校と大学の化学にはもちろん共通する内容もたくさんあるんです。ただ、大学ではさらに、いろいろな知識を組み合わせながら、生成物から原料の方に遡っていく考え方もトレーニングをする、ということです。

 

これは、化学という学問の動機の一つが「あれが欲しい! だからつくりたい!」というものだからですね。

貝から取れる綺麗な紫色の色素、樹皮から取れる薬、腸内細菌が作り出すビタミン ・・・ そういったものを「たくさん欲しい」「自分の手でつくりたい」そういう欲求が化学を発展させてきたんですね。


前期末試験、はじまる

7月の最終週は、FIRSTの前期末の試験期間です。

前回の定期試験は「A期」の科目だけでしたが、今回は「B期」科目(6-7月のあいだに週2回の授業)に加えて、「前期」科目(A・B期を通して週1回の授業)もあるので、学生さんたちは準備が大変だと思います。

特に1年生は4つの序論科目や英語、数学など、試験はすべて必修科目(*)なので、プレッシャーも相当でしょう。

*必修科目とは、その科目の単位を取らないと卒業できない、という科目です。

追い討ちをかけるようですが、この前期末試験の出来が、ある意味、この4年間を左右するといっても過言ではありません(左右されすぎて、5年間になる人も)。

フロンティアサイエンス学部の教務担当教員(鉛筆の先生です)が作成したデータからは、これまで、1年前期をうまく乗り切った学生は、ほぼ4年間にわたって好成績を収めている、ということがわかります。

もちろん過去には、最下位から学年トップにまで駆け上がったシンデレラボーイ(?)(今も魔法は解けずに、某有名ハチミツ企業で元気に頑張っています)もいますし、『過去のデータから留年率100%』の烙印を押されてもそれに反発して見事(?)4年で卒業し、神戸、いや日本を代表するバイオ関連企業に就職したシンデレラガールもいますが、何もそんな危険な橋を渡ることはありません。

最初から頑張っておきましょう。

 

というわけで、試験直前の先週は、いろいろな研究室に質問の学生が押し寄せる1週間でした。

廊下から熱心に質問している学生たちを見つけましたので、この記事用にと撮影を始めると・・・、なぜか一人が気がついて・・・

 

次の瞬間にはこの通り・・・。

 

exam_prep2

 

邪魔してごめんなさい。


これも実験の一コマです

マイラボの一角にあるガラス張りのミーティングルームにて。

ゼミの風景でしょうか?

Maeshimon

いえ、これは「前試問」といって、学生実験(授業)の一コマなんです。

実験の授業というと、手を動かす、何か、テクニック的なものを身につけるものと思われる方が多いかもしれませんが、実際には、それは一部にしかすぎません。

実験を通じて身につけること、それは文献調査力、計画力、観察力、そしてもちろん実験技術からレポートの書き方まで、それはたくさんあるのですが、そのいずれにとっても基礎となる大切なことが、「原理」を理解することです。

原理の学習を通じて教科書的な知識がより深く身につくということもありますが、それだけではありません。

原理を知らないと、うまく実験できないのです。

 

例えば・・・

試薬Aを試薬Bに加えるのか?

試薬Bを試薬Aに加えるのか?

 

たったこれだけの違いで結果が大きく変わることがあります。実験の原理を知らないと、自分で考えて正しく判断することができません。

「先生の指示が『AをBに加えて』だったから・・・」

というのでは、次もやはり自分で判断することはできませんね。先生に言われた通りに手を動かしているだけでは、だめなんですね。

 

そこで、実験の前に原理を徹底的に理解する、さらに、そういう習慣を身につける、ということを目的として、「前試問」が行なわれているわけです。

少人数教育を特徴とするフロンティアサイエンス学部(FIRST)ならではの教育メソッドですね。

なお、「前試問」は実験の前日までに、授業時間外に行われています。私は個人的に、これを、「将来、社会に出たら、『仕事』の前にどれだけ準備をしておくかで『仕事』の質に差が出るんだ」ということを学生たちに感じとってもらうため、と理解しています。

 

 


毎週火曜は1年実験の日(2)

(「毎週火曜は1年実験の日(1)」から続く)

 

今日紹介するのはナノバイオ・テーマの「滴定実験」。

高校生や受験生のみなさんは、滴定というとビウレットを使って、フラスコやビーカーの中に酸性や塩基性の溶液をポタッポタッと垂らしていく様子を思い浮かべると思いますが・・・

この実験ではマイクロピペットという数十マイクロリットルの液体を正確にはかり取れる器具を使います。

トリプロファン(アミノ酸)の溶液に、タンパク質の溶液を少しづつ加えていき、UVスペクトルの変化を観測します。

*UVスペクトルとは?・・・すごく簡単にいうと、試料が「どの波長」の紫外線を「どのくらい」吸収するか、をグラフ化したものです。

NBL_BasicA_NB600

(コンピュータ画面でUVスペクトルを確認します。横軸が波長、縦軸が「どのくらいその波長の光を吸収したか」を表しています。)

 

詳しい原理は大学で学んでいただくとして・・・、このスペクトルの変化から何がわかるかというと、トリプトファンとタンパク質の結合の強さを見積もることができます。

ある物質と別の物質が結合するという現象は、生命化学の中のどんな分野でも基本となる、とても重要な現象なんです。

例えば、創薬分野なら、「薬分子」が「タンパク質や核酸」と結合して効果を発揮するわけですから、その強さは薬の性能と深い関係があります。

診断分野でも、体の中の「疾病マーカー」(病気の時に濃度が変動する物質)と結合して色が変わるといった「診断試薬」が使われたりします。当然、疾病マーカーとの結合がある程度強くなければ、診断試薬として役に立ちません。

この実験は、このような「結合の強さ」について意識して考える習慣を身につけ、それを調べる実験・解析の原理と方法を学ぶことを目的としています。

 

さて、このマイクロピペットを、実際に使ってみたいという高校生・受験生の方はいらっしゃいませんか? フロンティアサイエンス学部の夏のオープンキャンパスの「実験体験講座」でマイクロピペットを使うことができますよ!

 

実験体験講座1・生物テーマ

「遺伝子やタンパク質の分析技術『ゲル電気泳動実験』を体験!」

実験体験講座2・化学テーマ

「酵素反応を色で視る『食品分析・医療診断技術』を体験!」

 

それぞれ午前・午後の2回開講ですので、ご都合の良い方にご参加下さい。おすすめは、午前と午後(生物と化学)の両方に参加すること。学部の専門分野についてよくお分りいただけると思います。

 

プログラムの詳細は、決まり次第、このブログや大学ホームページで公開します。


水曜と木曜は2年実験の日(3)

(「水曜と木曜は2年実験の日(2)」から続く)

 

2年生の学生実験の紹介、最後は「ペプチドの合成」です。 

受験生のみなさんは「ペプチド」や「タンパク質」のことはご存知かと思いますが、念のため、簡単に説明しますと・・・。 

一般的にはアミノ酸が2〜50個程度つながってできた鎖のような物質をペプチドと呼び、さらに多くのアミノ酸がつながった、より長いものをタンパク質と呼びます。ただ、タンパク質の「アミノ酸がつながってできているという」という構造上の特徴を指して、タンパク質はペプチドである、といっても間違いではありません。

 

solidphasesynthesis_Fotor

(この授業では、樹脂ビーズの上でアミノ酸をつなげていく「固相合成」という実験技術を習得します。上の図で、アミノ酸構造中の◯の色の違いは、アミノ酸の種類の違いを表しています。)

 

生体内のペプチドでよく知られているものにはインスリンがありますね。最近では、アルツハイマー病に関連してアミロイドβ(ベータ)というペプチドも注目を集めています。

13207592 - human insulin. stylized chemical structure.

 

(血糖値を下げる働きをするホルモン「インスリン」もペプチド。2本のペプチド鎖が途中2箇所でつながった構造をしています。)

 

こちらが実験の様子です。

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(上から)実験操作の説明、樹脂ビーズの秤量、樹脂ビーズの洗浄、反応(試薬の添加や撹拌)、反応の確認

 

さて、 ペプチドのような生体内で働く分子を、生体外で化学的につくる、ということには、どのような意義があるのでしょうか。大きく分けて2つあります。

 

1.からだの中の分子のことを知る

 実際に人間の手でつくって調べてみることによって、からだの中の分子の性質や働きをより深く理解することができるようになります。例えば、酵素を構成している「或るアミノ酸」を「別の種類のアミノ酸」に変えてみることによって、酵素におけるそのアミノ酸の働きを確かめることができます。もし、別の種類のアミノ酸に変えて酵素が働かなくなったなら、「元のアミノ酸」には酵素にとって欠かせない働きをしていた、ということがわかるわけですね。

2.からだの中の分子を超える分子を作る

 実際に人間の手でつくったり調べてみたりする経験を重ねることによって、からだの中の分子を超える性質や働きをもつ、新しい分子をつくれるようになります。例えば、副作用のない薬や、空気から役に立つ物質を生産できる触媒などを設計するヒントが得られたりします。

 

これが生物学と化学を融合的に学んだり研究したりする、生命化学のおもしろさですね。

うーん、今日の後半は受験生向きというよりも、うちの学生に向けた講義のようになってしまいましたね。