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神戸大学入試解説│2020年度 生物 大問Ⅰ

神戸大学過去問 2020年度 生物 大問Ⅰ

問題文をそのまま掲載すると著作権上問題となる可能性があるため、神戸大学のサイトにある過去問PDFを見てください。そしてまず自分で解いてみてから以下の解説を読んでください。

神戸大学の化学過去問(2020年度)「DNAの複製」に関する問題です。問われていることは基本的な内容が多いですが、記述が多くポイントをおさえてまとめる力が必要です。問2のような設問は初めて見ましたが、想像力を問う面白い問題ですね。

問1 難易度:★★★☆☆

DNA鎖には川が上流から下流へ流れるように、方向性があります。DNAの上流のことを「5’末端」下流のことを「3’末端」と呼びます。DNAの合成には5’末端側から3’末端側へのみ連続して起こるという性質があります。そして、DNAの2本鎖は、互いに逆向きの状態で結合しています。

DNAの複製が起こるとき、DNAヘリカーゼによって2本鎖が各所でほどかれていきます(開裂)。全体が完全にほどけるのを待たず、新たなDNAの合成は開裂したそばから始まります。ほどけた2本鎖の両方でDNAの合成が起こるのですが、そのとき、両者のDNA合成の様式は少し異なります。

DNA複製におけるリーディング鎖とラギング鎖(岡崎フラグメント)

ある鎖では、合成されたDNA鎖が伸びていく方向と開裂の進む方向が一致しています。この場合、DNA合成はとぎれることなくスムーズに進みます。これをリーディング鎖といいます。

もう一方の鎖ではDNA鎖が伸びることができる方向と開裂の進む方向が逆になります。これをラギング鎖といいます。 ラギング鎖では、

開裂が進む→DNAの断片が合成される→開裂が進む→DNAの断片が合成される→ …

という過程を繰り返さなければならないので、数百塩基対くらいの短いDNA断片が不連続に合成されることになります。これを岡崎フラグメントといいます(1967年、日本の分子生物学者、岡崎令治さんにより発見されました)。

そして、DNAリガーゼのはたらきにより隣り合った岡崎フラグメントどうしが5’末端と3’末端で結合され、ラギング鎖が完成します。(実際には、プライマーという小さなRNA断片も関わるのですが、ここでは割愛します)

【解答】
ラギング鎖ではDNAヘリカーゼによる2本鎖DNAの開裂と新しいDNA合成の方向が逆向きなので、岡崎フラグメントという短いDNA断片が不連続に合成され、DNAリガーゼにより結合する。 (90字)

ラギング鎖は「遅延鎖」と呼ばれることもあり、英語の「lag(遅れ)」が語源となっています。「ラギング」と「リーディング」の語感と関連づけると覚えやすいですね。

問2 難易度:★★★★☆

大腸菌のような原核生物のゲノムDNAは環状構造です。下図のように輪っかの一点から開裂しDNAの合成もそこから始まります。

原核生物のDNA複製

問題文より、複製のもとになるDNAは放射性同位体元素で標識されています(上図赤線)が、新しくできるDNAは標識されません(上図黒線)。

問題文に「太線が放射線量が多い領域を示している」とありますね。その領域は2本鎖とも標識されていると考えられ、上図の赤二重線にあたります。また細い線は、DNA合成済(半分だけ標識)の部分で上図の赤と黒の二重線にあたります。

(ア)「複製起点」はDNA合成済みの部分の中央に2カ所あり、設問図では細線の中央2カ所にあたります。よって、BとHです。

(イ)「DNAポリメラーゼ」はDNA合成済みの部分と開裂していない部分の境界部にありますので、設問図では太線と細線の境界部にあたります。よって、DとFです。

(ウ)「複製終結点」は両方向に進むDNA合成が出会うところなので、開裂していない部分の中央にあり、設問図では太線の中央にあたります。よって、Eです。

問3 難易度:★★★☆☆

(1)DNAの原料(DNAポリメラーゼの基質)となるヌクレオチドは、デオキシヌクレオシド三リン酸(dNTP:dATP、dTTP、dGTP、dCTP)です。

なので、 リン酸が3つ、2’の炭素原子に水素のみがくっついている(オ)が正解です。

(2)1.6×10⁹ ÷ 3.2×10²=5.0×10⁶

より、ヌクレオチドが5.0×10⁶ 個あるということです。塩基対(ヌクレオチドのペア)の数は、その半分の2.5×10⁶ 塩基対となります。

(3) 1箇所の複製起点から複製が始まる場合、その両側に向かって複製が行われていくので、1秒あたり1600ヌクレオチドずつ複製が進みます。

2.5×10⁶÷1600=1562.5(秒)≒26分

(4)RNAを鋳型として相補的な配列のDNAを合成する酵素を逆転写酵素といいます。

逆転写酵素はレトロウイルスとよばれるウイルスのなかまがもっています。AIDS(後天性免疫不全症候群)を発症させるHIV(ヒト免疫不全ウイルス)などが、このレトロウイルスに属しています。

逆転写酵素は「新型コロナウイルスのPCR検査」にも利用されています。PCR法は目的のDNA配列を増幅させて検出する手法ですが、コロナウイルスは遺伝情報をRNAの形でもっています。RNAのままではPCR法で増やせないので、いったん逆転写酵素を使ってRNA配列をDNAに逆転写し、それをPCR法で増幅しているのです。これを逆転写PCRとかRTーPCRといいます。

問4 難易度:★★★☆☆

DNAの塩基配列の変化がアミノ酸配列に影響をおよぼす例としては、置換による指定アミノ酸の変化や、終止コドンができてしまうナンセンス変異、欠失・挿入によるフレームシフト(読み枠のズレ)などがあります。

【例1】アミノ酸を指定する塩基配列が変化することにより、別のアミノ酸に置き換わってしまう。(41字)

【例2】アミノ酸を指定するはずの塩基配列が終止コドンに変化し、翻訳の過程でタンパク質の合成が止まってしまう。(50字)

【例3】塩基の挿入や欠失が起こってコドンの読み枠がずれ、以降のアミノ酸配列が大きく変化してしまう。(45字)

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