酵素活性の調節戦略（可逆的リガンド結合、可逆的・不可逆的共有結合修飾、タンパク質代謝回転）；酵素阻害の速度論；創薬との関連

🧠 酵素活性の能動的調節 active regulation 能動的調節（active regulation） active regulation（能動的調節） は「速い順に①可逆的リガンド結合 ligand bindingリガンド結合（ligand binding） ligand binding（リガンド結合） ②可逆的共有結合修飾 reversible covalent modification可逆的共有結合修飾（reversible covalent modification） reversible covalent modification（可逆的共有結合修飾） ③不可逆的共有結合修飾 irreversible modification不可逆的共有結合修飾（irreversible modification） irreversible modification（不可逆的共有結合修飾） ④タンパク質代謝回転 protein turnoverタンパク質代謝回転（protein turnover） protein turnover（タンパク質代謝回転）」の4戦略で読む。 反応速度reaction rate反応速度（reaction rate）reaction rate（反応速度） v=Vmax[S]/(Km+[S]) の Km・kcat・[E]ₜ を変える手段。阻害の速度論 kinetics 速度論（kinetics） kinetics（速度論） （競合・非競合non-competitive非競合（non-competitive）non-competitive（非競合）・不競合）と、それが創薬 drug design 創薬（drug design） drug design（創薬） にどう効くかを押さえる。

4つの調節戦略

反応速度reaction rate 反応速度（reaction rate）reaction rate（反応速度） は[S]・Km・kcat・[E]ₜに依存する。能動的調節active regulation 能動的調節（active regulation）active regulation（能動的調節） はこれらを変える。

flowchart TD
  A["酵素活性の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='active regulation'>能動的調節</span>"]
  A --> B["①可逆的<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ligand binding'>リガンド結合</span>（最速）<br>Km・kcatを変える"]
  A --> C["②<span class='jp-term jp-term-diagram' title='reversible covalent modification'>可逆的共有結合修飾</span><br>リン酸化・アセチル化"]
  A --> D["③<span class='jp-term jp-term-diagram' title='irreversible modification'>不可逆的共有結合修飾</span><br>不可逆阻害・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='limited proteolysis'>限定分解</span>"]
  A --> E["④<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein turnover'>タンパク質代謝回転</span>（最遅）<br>[E]ₜを変える"]

なお受動的（自動）調節もある：定常状態では各段のvが[S]変化に応じて自動調整され、各段で v<Vmax である限りフラックスが保たれる。

①可逆的リガンド結合と阻害の速度論

調節因子（R）は結合部位で分類する：オルトステリックorthosteric オルトステリック（orthosteric）orthosteric（オルトステリック） （S結合部位に結合） vs アロステリックallosteric アロステリック（allosteric）allosteric（アロステリック） （別部位）。効果で阻害薬（Km↑ かつ/または Vmax↓）と活性化薬に分ける。

⭐ 競合は見かけのKm↑・Vmax不変、純粋な非競合 non-competitive 非競合（non-competitive） non-competitive（非競合） はVmax↓・Km不変。 実際の阻害は混合阻害 mixed inhibition 混合阻害（mixed inhibition） mixed inhibition（混合阻害） の連続体をなすことが多い。Lineweaver–Burkでは競合阻害 competitive inhibition 競合阻害（competitive inhibition） competitive inhibition（競合阻害） は同じy切片、純粋な非競合阻害 noncompetitive inhibition 非競合阻害（noncompetitive inhibition） noncompetitive inhibition（非競合阻害） は同じx切片になる。¹

創薬との関連

• IC50: 50%阻害を起こす薬物濃度 drug concentration (drug level)薬物濃度（drug concentration (drug level)） drug concentration (drug level)（薬物濃度）。
• 競合阻害薬competitive inhibitor 競合阻害薬（competitive inhibitor）competitive inhibitor（競合阻害薬） のIC50は[S]に依存する。純粋な非競合阻害 noncompetitive inhibition 非競合阻害（noncompetitive inhibition） noncompetitive inhibition（非競合阻害） では[S]に依存しにくいが、一般にIC50とKiの関係は阻害様式と測定条件に依存する。
• 臨床で使う酵素阻害 enzyme inhibition 酵素阻害（enzyme inhibition） enzyme inhibition（酵素阻害） 薬の例:

アロステリック活性化

活性化因子AはしばしばSとは異なる調節部位に結合する。K型では主に見かけのKmを、V型では主にVmaxまたはkcatを変える。オリゴマーoligomer オリゴマー（oligomer）oligomer（オリゴマー） 酵素ではしばしば協同性 Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill） Cooperativity, Hill（協同性） によりS字型の活性曲線を示すが、協同性Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill）Cooperativity, Hill（協同性） の向きや強さは酵素により異なる。

②可逆的共有結合修飾

「可逆的」といっても同じ反応を逆向きに戻すのではなく、付加と除去を別々の酵素が担い、1往復ごとに高エネルギー物質を消費する（熱力学的にはエネルギーを使って2つの状態を行き来させている）。

flowchart TD
  subgraph P["リン酸化・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dephosphorylation'>脱リン酸化</span>"]
    E0["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dephosphorylation'>脱リン酸化</span>型の酵素<br>Ser・Thr・Tyr の OH 基"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein kinase'>プロテインキナーゼ</span><br>ATP → ADP"| E1["リン酸化型の酵素"]
    E1 -->|"プロテインホスファターゼ<br>H₂O → Pi"| E0
  end
  subgraph A["アセチル化・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deacetylation'>脱アセチル化</span>"]
    K0["リジン残基"] -->|"リジン<span class='jp-term jp-term-diagram' title='acetyltransferase'>アセチル基転移酵素</span><br>アセチルCoA → CoA"| K1["アセチル化リジン残基"]
    K1 -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Sirtuins'>サーチュイン</span>（NAD⁺依存性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deacetylase'>脱アセチル化酵素</span>）<br>NAD⁺ → <span class='jp-term jp-term-diagram' title='nicotine'>ニコチン</span>アミド＋O-アセチルADP<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ribose'>リボース</span>"| K0
  end

③不可逆的共有結合修飾

不可逆阻害薬

Iが酵素と強い（共有）結合を作り、不活性なEI複合体に閉じ込める（見かけの[E]ₜ↓）。

• 自殺基質型suicide-substrate type 自殺基質型（suicide-substrate type）suicide-substrate type（自殺基質型） （天然）: セルピンserpin セルピン（serpin）serpin（セルピン） は反応中心ループが切断された後に酵素との共有結合中間体を形成し、ループ挿入を伴う大きな構造変化 conformational change 構造変化（conformational change） conformational change（構造変化） でプロテアーゼを不可逆的に捕捉する。² 例：アンチトロンビンIIIantithrombin IIIアンチトロンビンIII（antithrombin III）antithrombin III（アンチトロンビンIII）（凝固制御）、α1-アンチトリプシン trypsin トリプシン（trypsin） trypsin（トリプシン） （好中球エラスターゼneutrophil elastase, NE 好中球エラスターゼ（neutrophil elastase, NE）neutrophil elastase, NE（好中球エラスターゼ） を阻害。欠乏で肺気腫 →α1-アンチトリプシン trypsin トリプシン（trypsin） trypsin（トリプシン） 欠乏症）、C1インヒビターC1 inhibitorC1インヒビター（C1 inhibitor）C1 inhibitor（C1インヒビター）（欠乏で遺伝性血管性浮腫hereditary angioedema (HAE)遺伝性血管性浮腫（hereditary angioedema (HAE)）hereditary angioedema (HAE)（遺伝性血管性浮腫））。
• 薬物・毒物: ジイソプロピルフルオロリン酸diisopropyl fluorophosphate (DIPF) ジイソプロピルフルオロリン酸（diisopropyl fluorophosphate (DIPF)）diisopropyl fluorophosphate (DIPF)（ジイソプロピルフルオロリン酸） （殺虫剤・神経剤nerve agent 神経剤（nerve agent）nerve agent（神経剤） と同じ有機リン organophosphates 有機リン（organophosphates） organophosphates（有機リン） 化合物）は触媒Serと共有結合し、アセチルコリンエステラーゼacetylcholinesterase (AChE)アセチルコリンエステラーゼ（acetylcholinesterase (AChE)）acetylcholinesterase (AChE)（アセチルコリンエステラーゼ）やセリンプロテアーゼ serine protease セリンプロテアーゼ（serine protease） serine protease（セリンプロテアーゼ） を不活化する（→有機リン中毒organophosphate poisoning有機リン中毒（organophosphate poisoning）organophosphate poisoning（有機リン中毒））。
• 対比： CO・CN⁻もヘム酵素（シトクロムcytochrome シトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム） cオキシダーゼなど）を阻害するが（→一酸化炭素中毒carbon monoxide poisoning一酸化炭素中毒（carbon monoxide poisoning）carbon monoxide poisoning（一酸化炭素中毒）、シアン化物中毒cyanide poisoningシアン化物中毒（cyanide poisoning）cyanide poisoning（シアン化物中毒））、これは金属への配位結合 coordinate bond 配位結合（coordinate bond） coordinate bond（配位結合） による阻害であり、上の共有結合修飾 covalent modification 共有結合修飾（covalent modification） covalent modification（共有結合修飾） とは機序が異なる。

限定分解による活性化

一部の酵素は不活性な前駆体（ザイモゲンzymogenザイモゲン（zymogen）zymogen（ザイモゲン））として合成され、ペプチド結合の限定的な切断で活性型になる。

flowchart TD
  TG["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='trypsinogen'>トリプシノーゲン</span><br>膵臓から分泌"] -->|"エンテロ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peptidase'>ペプチダーゼ</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='enterokinase'>エンテロキナーゼ</span>）<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='small intestinal mucosa'>小腸粘膜</span>の酵素・N末端ペプチドを切り離す"| TR["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='trypsin'>トリプシン</span>"]
  TG -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='trypsin'>トリプシン</span><br>自己活性化による増幅"| TR
  CTG["キモ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='trypsinogen'>トリプシノーゲン</span><br>膵臓から分泌"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='trypsin'>トリプシン</span>"| CT["キモ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='trypsin'>トリプシン</span>"]
  PG["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pepsinogen'>ペプシノーゲン</span><br>胃の主細胞から分泌"] -->|"胃酸の低pHで分子内切断<br>生じた<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pepsin'>ペプシン</span>がさらに活性化を進める"| PE["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pepsin'>ペプシン</span>"]
  PT["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prothrombin'>プロトロンビン</span><br>肝で合成"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prothrombinase complex'>プロトロンビナーゼ複合体</span><br>活性化<span class='jp-term jp-term-diagram' title='factor X'>第X因子</span>・活性化<span class='jp-term jp-term-diagram' title='factor V'>第V因子</span>・Ca²⁺・リン脂質膜"| TH["トロンビン"]

トリプシンtrypsin トリプシン（trypsin）trypsin（トリプシン） は他の膵プロテアーゼ前駆体（プロエラスターゼ elastaseエラスターゼ（elastase） elastase（エラスターゼ）・プロカルボキシペプチダーゼ carboxypeptidase カルボキシペプチダーゼ（carboxypeptidase） carboxypeptidase（カルボキシペプチダーゼ） など）も切って活性化するので、小腸でトリプシン trypsin トリプシン（trypsin） trypsin（トリプシン） が1つできると一斉に活性化が広がる。

• 消化プロテアーゼは標的区画（胃/腸管腔intestinal lumen腸管腔（intestinal lumen）intestinal lumen（腸管腔））でのみ活性化 → 産生組織を保護。
• 凝固因子は必要時のみ活性化、カスケードで増幅。
• 切断で活性型構造をとる（サブユニットはS-S結合で連結が保たれることが多い）。

④タンパク質代謝回転

タンパク質は常に合成・分解され、その調節が[E]ₜを変える。

• 合成の調節: 転写因子がDNADNA（deoxyribonucleic acid）に結合し転写を活性化・抑制する。転写因子自体もリガンド（ステロイドホルモンsteroid hormoneステロイドホルモン（steroid hormone）steroid hormone（ステロイドホルモン）等）・リン酸化・他の転写因子との相互作用で調節される。
• 分解の調節: ユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）が分解の標的化。26Sプロテアソームが分解、ユビキチンは再利用。

調節機構と速度論効果のまとめ

まとめ

• 能動的調節active regulation 能動的調節（active regulation）active regulation（能動的調節） は速い順に：可逆的リガンド結合 ligand binding リガンド結合（ligand binding） ligand binding（リガンド結合） ＞可逆的共有結合修飾 reversible covalent modification 可逆的共有結合修飾（reversible covalent modification） reversible covalent modification（可逆的共有結合修飾） ＞不可逆的修飾＞代謝回転 turnover代謝回転（turnover） turnover（代謝回転）。
• 阻害：競合（見かけのKm↑・Vmax不変、高[S]で解除）、純粋な非競合 non-competitive 非競合（non-competitive） non-competitive（非競合） （Vmax↓・Km不変）、不競合（両↓）。混合阻害mixed inhibition 混合阻害（mixed inhibition）mixed inhibition（混合阻害） はその中間をなす。
• IC50とKiの関係は阻害様式と測定条件に依存する。多くの薬が酵素阻害 enzyme inhibition 酵素阻害（enzyme inhibition） enzyme inhibition（酵素阻害） 薬。
• 可逆的共有結合修飾reversible covalent modification 可逆的共有結合修飾（reversible covalent modification）reversible covalent modification（可逆的共有結合修飾） ＝リン酸化・アセチル化（付加と除去は別酵素で、ATP・アセチルCoA・NAD⁺を消費）。不可逆＝セルピン serpinセルピン（serpin） serpin（セルピン）・ジイソプロピルフルオロリン酸diisopropyl fluorophosphate (DIPF) ジイソプロピルフルオロリン酸（diisopropyl fluorophosphate (DIPF)）diisopropyl fluorophosphate (DIPF)（ジイソプロピルフルオロリン酸） による阻害、ザイモゲンzymogen ザイモゲン（zymogen）zymogen（ザイモゲン） の限定分解 limited proteolysis 限定分解（limited proteolysis） limited proteolysis（限定分解） による活性化。
• 代謝回転turnover 代謝回転（turnover）turnover（代謝回転） は転写因子による合成の調節とユビキチン-プロテアソーム分解 proteasomal degradation プロテアソーム分解（proteasomal degradation） proteasomal degradation（プロテアソーム分解） で[E]ₜを変える。