酵素は生体の細胞によってつくられるタンパク質,またはタンパク質を主体とする触媒作用を有する物質であって,いろいろな反応に特異的に作用する。タンパク質が変性するような条件,高温,低pH,または高pHのようなところでは,活性を失うことが多い。それぞれの酵素には,その触媒作用に最も適した,いわゆる最適温度,最適pHというものがある。酵素はタンパク質だけでできているものもあるが,熱に安定な低分子化合物と結合して酵素としての働きをもつものもある。この場合,タンパク質部分をアポ酵素,低分子化合物を補酵素といい,その結合したものをホロ酵素という。性ビタミンは,この補酵素の成分となるものが多い。次に酵素の分類と例を表にして示す。酵素はタンパク質であり,生体内のほとんどの化学反応の触媒をしている。酵素反応の特徴は,基質特異性と穏和な反応条件(最適pH,最適温度)である。これらを理解するため,酵素の立体構造の研究と速度論的解析が行われている。酵素の分類は3通り考えられる。�@酵素の化学的性質(フラボタンパク質,ヘムタンパク質など),�A基質の化学的性質(ヌクレオチド,炭水化物,タンパク質など),�B酵素により触媒される反応,である。学的性質で分類するより,化学反応で分類することが行われている。酵素を分類する化学反応は次のように分類されている。酵素はタンパク質からなり,基質を取り込み反応する活性部位がある。酵素の触媒作用は,酵素に基質が取り込まれるところから始まる。生成物複合体E-Pができ,最後に生成物Pが酵素から離れて反応が完結する。酵素がないときの反応と酵素関係する反応のエネルギー図は通常,下図のように表されている。この場合は酵素が関係する活性化状態をひとまとめに扱っている。酵素基質複合体,酵素生成物複合体を考えると酵素基質複合体の形成は,吸熱反応の場合と発熱反応の場合と両者可能である。酵素反応の場合,反応の律速段階は酵素-基質複合体から酵素-生成物複合体が生成するところにある。aのように酵素-基質複合体形成が吸熱反応で形成される場合,酵素反応全体の活性化エネルギーは,Q1としている。1として良いとも考えられる。酵素タンパク質の立体構造や活性部位での反応機構が詳しく研究されている酵素にキモトリプシンがある。キモトリプシンは,膵臓から分泌される消化液に含まれ,活性部位でセリンSerが作用するセリンプロテアーゼの一つである。素基質複合体が形成される。キモトリプシンでは,活性部位でセリンの-OH基とヒスチジンのイミダゾール基が相互作用し,セリンが基質と共有結合をつくり,加水分解が進み,酵素生成物複合体がつくられたのち,生成物が酵素の活性部位から離れて反応が完結する。分解反応は,無触媒のとき酸素の発生を観察することはできない。酸化マンガン(IV),白金黒(白金コロイド),Fe3+など無機触媒を加えると,気泡の発生が観察される。肝臓などに含まれるカタラーゼも過酸化水素の分解を触媒し,反応速度は無機触媒の10万倍以上に加速している。密に最適化された反応場となっているためと考えられている。酵素は,同じような反応でも基質の微妙な違いを識別している。これは酵素の立体構造に由来しており,地球上の生物のアミノ酸がL型,糖がD型ということと関連している。この点を,1894年にドイツのフィッシャーが,鍵と鍵穴にたとえて,鍵と鍵穴説を提唱した。同じセリンプロテアーゼでもトリプシンでは,活性部位にアスパラギン酸の-COO-があり,リジンLysやアルギニンArgの-NH3+がクーロン力により相互作用し酵素基質複合体が形成される。エラスターゼは,活性部位にバリンValやトレオニオンThrがあり,グリシンGlyやアラニンAlaのような側鎖がコンパクトなアミノ酸残基のC末端が選択的に加水分解される。酵素の活性が最高になるときの反応条件は,無機触媒とは異なっている。酵素はタンパク質からできており,高温,高pH,低pHなどの厳しい反応条件ではタンパク質が変性するため,酵素反応は生体にとって穏和な条件で反応が進む。化学反応では,一般に温度を上げていくと反応速度が増加する。酵素反応でも,40°Cくらいまでは速度が増加していくが,その後は逆に反応速度が下がっていく。多くの酵素は60〜70°Cで触媒としての機能を失う。反応速度が一番大きくなる温度を最適(至適)温度といい,通常40°Cくらいである。高温で酵素活性が消失するのは,タンパク質が変性し,活性部位の立体構造が変わり,基質が酵素に結合できなくなるためである。熱以外に反応液のpH変化(酸性または塩基性),有機溶媒(エタノールなど)の添加によってもタンパク質の変性が起こるので,それらによっても酵素の失活が起こる。このような低分子量の物質を補酵素という。脱水素酵素は,基質から水素を奪う酵素である。素(X)が必要である。Xは酵素と結合し,基質から水素原子を受け取る物質であり,水素原子と結合してXH2となる。補酵素とほぼ同じ意味で,補因子,補欠分子族といういい方も使われている。酵素活性の評価は反応速度の測定で行われる。生成物Pの放出が速ければ次のように簡単に考えることができる。生成物ができるときの初速度をvとすると,vは次のようになる。(1)ESの生成とPの放出速度が等しい定常状態のとき,次の等式が成り立つ。[E]について書き換えると次のようになる。酵素の総量をEtotalとすると,次のようになる。(5)(5)式を(4)式に代入し,[Etotal]でまとめると次のようになる。次のように定義して,(7)式をまとめる。(9)式を(1)式に代入すると,反応速度は次のようになる。基質が過剰にあるとき,酵素の活性部位には基質が全て結合しており,生成物が生成する反応速度は最大Vmaxとなっている。従って次のようになる。kcat[Etotal]これを(11)式に代入するとミカエリス−メンテン(Michaelis-Menten)式が得られる。ここでKmをミカエリス定数という。(12)式の逆数をとると次のようになる。これをラインウィーバー−バークプロットという。vは初速度であるから[S]は基質の初濃度であり,これらをプロットすることによりVmaxとKmは実験的に求めることができる。Vmaxからはkcatを求めることができる。ほとんどの酵素反応では,ESからEとPが生成するところが最もゆっくりした反応(律速段階)であるので次のようになる。よってミカエリス定数Kmは酵素基質複合体の解離平衡定数(平衡定数の逆数)に相当し,酵素と基質の親和性に関係している。酵素との親和性の大きい基質Aと親和性の小さいBに対する酵素の反応速度Vmaxは,Aに対してもBに対しても同じであるが,Kmの値はAに対するものよりBに対するものの方が大きい。unitと定義することがある。number)が最近よく用いられる。これは,酵素1分子が1秒間あたり何個の生成物をつくるかという数値で,単位は1/sである。生成物の物質量÷酵素の物質量÷時間(秒)=(30×10-6mol)÷(1×10-6×10×10-3mol)÷(300秒)=10[s-1]この値が,酵素1分子の1秒間あたりの代謝回転分子数ということになりる。酵素濃度1×10-6mol/lで10cm3の反応液で,5分間に30×10-6molの生成物が生成したとき,1個の酵素が1秒間に10個の生成物を生成することになる。酵素反応において,多くの物質が酵素反応を妨害していることが知られている。このような物質を阻害剤といい,医薬品などに応用されている。基質と阻害剤が競合して酵素活性部位に結合すると酵素の活性は悪くなる。このような阻害を拮抗阻害という。基質に似た物質による酵素反応の阻害エチレングリコールを誤飲すると体内でシュウ酸が生成し死に至る。このとき,シュウ酸への変化の初期段階はアルコールデヒドロゲナーゼで触媒される。このとき,大量のエタノールを与えると,エタノールはアルコールデヒドロゲナーゼの活性部位に競合して結合する。エタノールの方がエチレングリコールより強く結合し,エチレングリコールと酵素の結合が阻害され,エチレングリコールはしばらくして腎臓から排泄される。エチレングリコールの誤飲は,日本ではほとんど起こらないが,アメリカで自動車のラジエターが壊れ,エチレングリコールを含んだ冷却液が漏れ,それを犬が飲んで問題になったことがある。酵素の活性部位以外に阻害剤が結合して酵素の立体構造が変わり,酵素活性が悪くなることがある。これは,非拮抗阻害である。有結合であれば可逆的な阻害となり,阻害剤と酵素が共有結合すると不可逆的な阻害となる。サリンは神経伝達物質であるアセチルコリンを分解するアセチルコリンエステラーゼの活性部位に共有結合で結合し,アセチルコリンの分解を阻害する。緩が起こらず死に至る。このようにしてサリンが毒ガスとして作用する。様にアセチルコリンエステラーゼの阻害剤である。これらに対しては,ヒトより虫の方が感受性が高いためヒトのそばで用いることができると考えられている。殺虫剤の方が複雑な化合物であるため,有機リン系化合物の製造工場が,サリンなどの神経ガスの製造に転用されると考えられている。本サイトに掲載された記事や画像の無断転載を禁じます。