Biochemistry · 2/1
酵素の一般的性質と化学的本態；触媒の熱力学と活性化自由エネルギー；アイソザイム；補酵素とビタミン；触媒の分子機構；pH・温度依存性
General properties and chemical nature of enzymes; thermodynamics of catalysis and activation free energy; isoenzymes; coenzymes and vitamins; molecular mechanisms of catalysis; pH and temperature dependence — L I
- 応用トピック
- 酵素速度論：トリプシンの速度論的パラメータの決定
🧠 酵素は「遷移状態transition state遷移状態（transition state）transition state（遷移状態）を安定化して活性化自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）（ΔG‡）を下げる触媒」であり、平衡は変えず速度だけ上げる、と読む。 体内の反応は自発的（ΔG<0）でも遅い（例：グルコース完全酸化 ΔG°=−2870 kJ/mol）。酵素は10⁶〜10¹⁷倍加速する。多くはタンパク質（一部はリボザイム ribozyme）で、補酵素coenzyme補酵素（coenzyme）coenzyme（補酵素）（多くはビタミン）を要し、活性はpH・温度に依存する。
酵素の基本と医学的意義
- 触媒: 反応で消費・変化しない。反応速度reaction rate反応速度（reaction rate）reaction rate（反応速度）を10⁶〜10¹⁷倍加速。
- 化学的本態: ほとんどタンパク質、一部はRNA（ribozyme）。
- 医学的意義: 薬の標的（例：抗菌薬＝細菌酵素の阻害）、血清酵素値による疾患診断diagnose disease疾患診断（diagnose disease）diagnose disease（疾患診断）。
酵素の分類
国際生化学連合International Union of Biochemistry (IUB)国際生化学連合（International Union of Biochemistry (IUB)）International Union of Biochemistry (IUB)（国際生化学連合）は反応型reactive反応型（reactive）reactive（反応型）で6クラスに分ける。
| # | クラス | 英語 | 反応 |
|---|---|---|---|
| 1 | 酸化還元酵素oxidoreductase酸化還元酵素（oxidoreductase）oxidoreductase（酸化還元酵素） | oxidoreductases | 電子移動 |
| 2 | 転移酵素 | transferases | 小基（メチル・アシル・リン酸）の転移 |
| 3 | 加水分解酵素Hydrolase加水分解酵素（Hydrolase）Hydrolase（加水分解酵素） | hydrolases | 共有結合の加水分解 |
| 4 | リアーゼlyaseリアーゼ（lyase）lyase（リアーゼ） | lyases | 原子脱離によるC-C/C-O/C-N結合の開裂 |
| 5 | 異性化酵素isomerase異性化酵素（isomerase）isomerase（異性化酵素） | isomerases | 分子内再配置 |
| 6 | リガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）（合成酵素） | ligases | ATP加水分解と共役した結合形成 |
触媒の熱力学
反応の方向・平衡は標準自由エネルギー変化free energy change自由エネルギー変化（free energy change）free energy change（自由エネルギー変化）ΔG°′で決まり、速度は遷移状態transition state遷移状態（transition state）transition state（遷移状態）に達する活性化自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー） ΔG‡で決まる。酵素はΔG‡を下げる（＝Tを安定化する）。
flowchart TD
A["基質 S"]
A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transition state'>遷移状態</span> T（山の頂上）<br>酵素はここを安定化しΔG‡を下げる"]
B --> C["生成物 P"]💡 酵素はΔGではなくΔG‡を下げる。 ΔGが平衡（行き先）、ΔG‡が速度を決める。酵素は正・逆反応を同じ倍率で加速するので平衡は動かない。
触媒の分子機構
酵素はいくつかの戦略で遷移状態transition state遷移状態（transition state）transition state（遷移状態）を安定化する。
| 機構 | 英語 | 内容 |
|---|---|---|
| ひずみ触媒catalysis by strainひずみ触媒（catalysis by strain）catalysis by strain（ひずみ触媒） | catalysis by strain | 基質を強く結合し、標的結合にひずみstrainひずみ（strain）strain（ひずみ）を与える（誘導適合induced fit誘導適合（induced fit）induced fit（誘導適合）） |
| 近接と配向proximity and orientation近接と配向（proximity and orientation）proximity and orientation（近接と配向） | proximity & orientation | 基質を高濃度・最適配向で近づけ、遷移状態transition state遷移状態（transition state）transition state（遷移状態）でのエントロピー損失を減らす |
| 酸塩基触媒acid-base catalysis酸塩基触媒（acid-base catalysis）acid-base catalysis（酸塩基触媒） | acid-base catalysis | 活性部位active site活性部位（active site）active site（活性部位）のH⁺供与体donor供与体（donor）donor（供与体）/受容体で特定基を(脱)プロトン化protonationプロトン化（protonation）protonation（プロトン化） |
| 共有結合触媒covalent catalysis共有結合触媒（covalent catalysis）covalent catalysis（共有結合触媒） | covalent catalysis | 一時的な共有結合中間体を経る多段階経路（各段のΔG‡が低い） |
プロテアーゼの例
| ファミリー | 触媒残基 | 至適pH | 例・特異性 |
|---|---|---|---|
| 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） | Ser-His-Asp 触媒三残基catalytic triad触媒三残基（catalytic triad）catalytic triad（触媒三残基） | 中性付近 | トロンビン・トリプシンtrypsinトリプシン（trypsin）trypsin（トリプシン）（Arg/Lysの後）・キモトリプシンtrypsinトリプシン（trypsin）trypsin（トリプシン）（Phe/Tyr/Trpの後）・エラスターゼelastaseエラスターゼ（elastase）elastase（エラスターゼ） |
| アスパラギン酸aspartateアスパラギン酸（aspartate）aspartate（アスパラギン酸）プロテアーゼ | 2つのAsp（一方がプロトン化protonationプロトン化（protonation）protonation（プロトン化）） | 低pH | ペプシンpepsinペプシン（pepsin）pepsin（ペプシン）（pH≈2）・HIVプロテアーゼ（pH≈4） |
⭐ 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）は共有結合＋酸塩基触媒acid-base catalysis酸塩基触媒（acid-base catalysis）acid-base catalysis（酸塩基触媒）。 Ser-His-Aspの「H⁺リレー」でSerが求核性nucleophilicity求核性（nucleophilicity）nucleophilicity（求核性）を得て基質と共有結合中間体を作り、切断部位は結合ポケットの形・電荷で決まる。トリプシンtrypsinトリプシン（trypsin）trypsin（トリプシン）とキモトリプシンtrypsinトリプシン（trypsin）trypsin（トリプシン）の基質特異性substrate specificity基質特異性（substrate specificity）substrate specificity（基質特異性）の違いはポケットの違い。
酵素の主要な性質
- 高い触媒活性: 10⁶〜10¹⁷倍の加速。
- 厳密な基質特異性substrate specificity基質特異性（substrate specificity）substrate specificity（基質特異性）: 定まった基質に作用（無機触媒との違い）。
- 立体特異性stereospecificity立体特異性（stereospecificity）stereospecificity（立体特異性）: 対称（プロキラルprochiralプロキラル（prochiral）prochiral（プロキラル））な基質からでも1つの立体異性体stereoisomers立体異性体（stereoisomers）stereoisomers（立体異性体）だけを生成。
- 進化的多様性: ホモログhomologホモログ（homolog）homolog（ホモログ）（似た反応・異なる基質）、アイソザイムisoenzymeアイソザイム（isoenzyme）isoenzyme（アイソザイム）（isozyme、同じ反応・異なる調節/組織特異的発現）。
補因子・補欠分子族・補酵素
多くの酵素はタンパク質部分（アポ酵素apoenzymeアポ酵素（apoenzyme）apoenzyme（アポ酵素））＋非タンパク質性の補助因子（X）＝ホロ酵素holoenzymeホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素）で活性をもつ。結合の強さで分類する。
| 用語 | 結合 | 例 |
|---|---|---|
| 補欠分子族prosthetic group補欠分子族（prosthetic group）prosthetic group（補欠分子族） | prosthetic group（強く結合） | heme、ピリドキサールリン酸pyridoxal phosphateピリドキサールリン酸（pyridoxal phosphate）pyridoxal phosphate（ピリドキサールリン酸）、チアミンthiamineチアミン（thiamine）thiamine（チアミン）PP、FMN、FAD、biotin |
| 補因子 | cofactor（解離性、培地に必要） | 金属イオン（ATPアーゼのMg²⁺）、NAD |
| 補酵素coenzyme補酵素（coenzyme）coenzyme（補酵素） | coenzyme（反応で変化＝「基質シャトル」） | NAD(P)、FAD、CoA、葉酸、ドリコールdolicholドリコール（dolichol）dolichol（ドリコール） |
| ビタミン | 補酵素coenzyme補酵素（coenzyme）coenzyme（補酵素） | 反応 |
|---|---|---|
| B₂（riboflavin） | FAD/FMN | 酸化還元oxidoreduction (redox)酸化還元（oxidoreduction (redox)）oxidoreduction (redox)（酸化還元）（2H⁺+2e⁻） |
| B₃（niacin） | NAD(P)⁺ | 酸化還元oxidoreduction (redox)酸化還元（oxidoreduction (redox)）oxidoreduction (redox)（酸化還元）（拡散性シャトル） |
| B₆（pyridoxine） | PLP | アミノ基転移transaminationアミノ基転移（transamination）transamination（アミノ基転移） |
| B₁（thiamine） | TPP | 脱炭酸decarboxylation脱炭酸（decarboxylation）decarboxylation（脱炭酸） |
pHと温度の依存
- pH: 活性部位active site活性部位（active site）active site（活性部位）の重要な側鎖のpKₐに依存し、狭い至適pH（pH_opt）をもつ。E（例：pKₐ≈5.5）が脱プロトンしSH⁺（pKₐ≈7.5）がプロトン化protonationプロトン化（protonation）protonation（プロトン化）する確率の積で活性が決まる。環境に適応（ペプシンpepsinペプシン（pepsin）pepsin（ペプシン）＝胃で低pH、カテプシンcathepsinカテプシン（cathepsin）cathepsin（カテプシン）＝リソソーム）。
- 温度: 速度は温度とともに上昇（k∼e^(−ΔG‡/RT)）するが、高温では変性（融解温度以上）で活性を失う → 狭い至適温度（T_opt）。恒温動物は「タンパク質安定性の限界」で体温を維持している（効率的だが脆い）。
まとめ
- 酵素は遷移状態transition state遷移状態（transition state）transition state（遷移状態）を安定化しΔG‡を下げる触媒。平衡は変えず、10⁶〜10¹⁷倍加速。
- IUB6クラス：酸化還元oxidoreduction (redox)酸化還元（oxidoreduction (redox)）oxidoreduction (redox)（酸化還元）・転移・加水分解・リアーゼlyaseリアーゼ（lyase）lyase（リアーゼ）・異性化isomerization異性化（isomerization）isomerization（異性化）・リガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）。
- 触媒機構：ひずみstrainひずみ（strain）strain（ひずみ）・近接配向・酸塩基・共有結合。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）はSer-His-Asp三残基。
- 性質：基質特異性substrate specificity基質特異性（substrate specificity）substrate specificity（基質特異性）・立体特異性stereospecificity立体特異性（stereospecificity）stereospecificity（立体特異性）・アイソザイムisoenzymeアイソザイム（isoenzyme）isoenzyme（アイソザイム）。
- 補欠分子族prosthetic group補欠分子族（prosthetic group）prosthetic group（補欠分子族）（強結合）／補因子（解離性）／補酵素coenzyme補酵素（coenzyme）coenzyme（補酵素）（反応で変化）。多くはビタミン由来。
- 活性は狭い至適pH・至適温度をもち、高温で変性する。