Biochemistry · 2/5
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
Strategies for regulation of enzyme activity (reversible ligand binding, reversible/irreversible covalent modification, protein turnover); kinetics of enzyme inhibition; relevance to drug design — L I
🧠 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。
| 型 | 英語 | 結合 | Km | Vmax | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| 競合阻害competitive inhibition競合阻害（competitive inhibition）competitive inhibition（競合阻害） | competitive | SとIが排他的（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） or K型アロステリックallostericアロステリック（allosteric）allosteric（アロステリック）） | ↑（Km′=Km(1+[I]/Ki)） | 不変 | 高[S]で阻害解除 |
| 非競合阻害noncompetitive inhibition非競合阻害（noncompetitive inhibition）noncompetitive inhibition（非競合阻害） | noncompetitive | I・Sが独立に別部位（V型アロステリックallostericアロステリック（allosteric）allosteric（アロステリック）） | 不変 | ↓（Vmax′=Vmax/(1+[I]/Ki)） | [S]で解除不能 |
| 不競合阻害uncompetitive inhibition不競合阻害（uncompetitive inhibition）uncompetitive inhibition（不競合阻害） | uncompetitive | ESにのみ結合 | ↓ | ↓ | — |
| 混合 | mixed | 両方 | 変化 | ↓ | — |
⭐ 競合はKm↑・Vmax不変、非競合non-competitive非競合（non-competitive）non-competitive（非競合）はVmax↓・Km不変。 競合はIが構造的にSに似て活性部位active site活性部位（active site）active site（活性部位）を奪い合うので、高[S]で打ち勝てる（Vmaxに到達）。非競合non-competitive非競合（non-competitive）non-competitive（非競合）は別部位に結合しkcatを損なうため[S]では解除できない。Lineweaver–Burkでは競合＝同じy切片、非競合non-competitive非競合（non-competitive）non-competitive（非競合）＝同じx切片。
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、非競合阻害noncompetitive inhibition非競合阻害（noncompetitive inhibition）noncompetitive inhibition（非競合阻害）薬のIC50は[S]非依存（IC50≈Ki）。機構の理解が用量設計・開発に直結する。
アロステリック活性化
活性化薬AはSと別部位に結合。K型（AがKmを下げる）とV型（Aがkcatを上げる）。詳細釣り合いの原理principle of detailed balance詳細釣り合いの原理（principle of detailed balance）principle of detailed balance（詳細釣り合いの原理）により、AがSの親和性を上げるならSもAの親和性を上げる。オリゴマー酵素では協同的でS字型の活性化曲線になる。
②可逆的共有結合修飾
「可逆的」＝熱力学的にはエネルギーを消費（付加と除去は別酵素）。
| 修飾 | 付加酵素／除去 | 例 |
|---|---|---|
| リン酸化 | キナーゼ／ホスファターゼ | 複雑な調節ネットワーク（Lecture 3） |
| アセチル化 | Lysアセチル基転移酵素acetyltransferaseアセチル基転移酵素（acetyltransferase）acetyltransferase（アセチル基転移酵素）／サーチュインSirtuinsサーチュイン（Sirtuins）Sirtuins（サーチュイン）（NAD⁺依存） | ヒストン・代謝酵素metabolic enzyme (metabolizing enzyme)代謝酵素（metabolic enzyme (metabolizing enzyme)）metabolic enzyme (metabolizing enzyme)（代謝酵素） |
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）。ループがEのS結合部位に結合→加水分解→アシル酵素型acyl-enzyme intermediateアシル酵素型（acyl-enzyme intermediate）acyl-enzyme intermediate（アシル酵素型）に捕捉、触媒三残基catalytic triad触媒三残基（catalytic triad）catalytic triad（触媒三残基）が乱れる。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）（止血）。
- 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・神経毒neurotoxin神経毒（neurotoxin）neurotoxin（神経毒））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）/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。CO・CN⁻はヘム酵素を不活化。
限定分解による活性化
一部の酵素は不活性な前駆体として合成される：トリプシノーゲンtrypsinogenトリプシノーゲン（trypsinogen）trypsinogen（トリプシノーゲン）、キモトリプシノーゲンtrypsinogenトリプシノーゲン（trypsinogen）trypsinogen（トリプシノーゲン）、ペプシノーゲンpepsinogenペプシノーゲン（pepsinogen）pepsinogen（ペプシノーゲン）、プロトロンビンprothrombinプロトロンビン（prothrombin）prothrombin（プロトロンビン）など。
- 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（TF）がDNAに結合し転写を活性化/抑制。TF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TF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
| 機構 | 主な速度論kinetics速度論（kinetics）kinetics（速度論）効果 |
|---|---|
| 競合阻害competitive inhibition競合阻害（competitive inhibition）competitive inhibition（競合阻害）（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）） | Km↑ |
| 非競合non-competitive非競合（non-competitive）non-competitive（非競合）（V型アロステリックallostericアロステリック（allosteric）allosteric（アロステリック））阻害 | kcat↓ |
| 不競合阻害uncompetitive inhibition不競合阻害（uncompetitive inhibition）uncompetitive inhibition（不競合阻害） | Km↓, kcat↓ |
| K型アロステリック活性化allosteric activatorsアロステリック活性化（allosteric activators）allosteric activators（アロステリック活性化） | Km↓ |
| リン酸化・アセチル化 | Km かつ/または kcat を増減 |
| 不可逆阻害 | 見かけの[E]ₜ↓ |
| 限定分解limited proteolysis限定分解（limited proteolysis）limited proteolysis（限定分解） | kcat↑ |
| 転写誘導transcriptional induction転写誘導（transcriptional induction）transcriptional induction（転写誘導）/抑制・分解速度 | [E]ₜ↑/↓ |
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（Km↑・Vmax不変、高[S]で解除）、非競合non-competitive非競合（non-competitive）non-competitive（非競合）（Vmax↓・Km不変）、不競合（両↓）。
- IC50は競合で[S]依存、非競合non-competitive非競合（non-competitive）non-competitive（非競合）で[S]非依存。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。不可逆＝serpin/DIPFidiopathic pulmonary fibrosisIPF（idiopathic pulmonary fibrosis）idiopathic pulmonary fibrosis（IPF）、ザイモゲンzymogenザイモゲン（zymogen）zymogen（ザイモゲン）限定分解limited proteolysis限定分解（limited proteolysis）limited proteolysis（限定分解）。
- 代謝回転turnover代謝回転（turnover）turnover（代謝回転）は転写（TF）とユビキチン-プロテアソーム分解で[E]ₜを変える。