Biochemistry · 3/2

代謝経路の同定

Identification of metabolic pathways — S I

🧠 「経路のどの酵素が律速か」を、各酵素の生体内速度v_in vivo生体内速度（v_in vivo）v_in vivo（生体内速度）を計算して見つける、と読む。 各酵素のKm・Vmaxと、生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）の基質濃度substrate levels基質濃度（substrate levels）substrate levels（基質濃度）[S]_生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）が分かれば、ミカエリス・メンテン式で各段の実際の速度を計算できる。定常状態では最も遅い段が全体のフラックスを決める＝律速段階rate-limiting step律速段階（rate-limiting step）rate-limiting step（律速段階）。これを同定するのがこのセミナーの目的。

なぜ経路を同定するのか

代謝経路の速度論kinetics速度論（kinetics）kinetics（速度論）的解析は、生理的基質physiological substrate生理的基質（physiological substrate）physiological substrate（生理的基質）の同定や、経路全体の律速段階rate-limiting step律速段階（rate-limiting step）rate-limiting step（律速段階）の同定に不可欠。律速段階rate-limiting step律速段階（rate-limiting step）rate-limiting step（律速段階）は治療介入（創薬drug design創薬（drug design）drug design（創薬））の最適標的になる。

定常状態でのフラックス

線形経路 A→B→C→… が定常状態にあるとき、

各中間体の濃度[Aᵢ]は一定。
各段のフラックス（Jᵢ）は等しい：J = J₁ = J₂ = J₃ = …
したがって全体のフラックスJは、最も遅い段（最小の実効速度をもつ酵素）で決まる。

flowchart TD
  A["基質 A"]
  A --> B["酵素E1（v1）"]
  B --> C["中間体 B"]
  C --> D["酵素E2（v2）"]
  D --> E["中間体 C"]
  E --> F["酵素E3（v3）"]
  F --> G["最終産物"]
  H["定常状態：J = v1 = v2 = v3<br>最小の実効速度をもつ酵素が律速"]

各酵素の生体内速度を計算する

各酵素について、生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）の基質濃度substrate levels基質濃度（substrate levels）substrate levels（基質濃度）[S]生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）をミカエリス・メンテン式に代入すると、その酵素の実際の速度 v生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内） が求まる。

v_{in\,vivo} = \frac{V_{max}\,[S]_{in\,vivo}}{K_m + [S]_{in\,vivo}}

酵素	[S]_生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）	Km	Vmax	v_生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）（計算）
E1	与えられる	与えられる	与えられる	計算する
E2	与えられる	与えられる	与えられる	計算する
E3	与えられる	与えられる	与えられる	計算する

⭐ v_生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）が最小の酵素が律速段階rate-limiting step律速段階（rate-limiting step）rate-limiting step（律速段階）。 各酵素のVmaxが大きくても、生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）の[S]で実際に出せる速度（v_in vivo）が小さければそこが律速になる。Vmaxそのものではなく、生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）条件での実効速度で比較するのがポイント。

律速段階の見分け方

[S] ≪ Km の酵素: 基質不飽和で、v_生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内） ≪ Vmax → 律速になりやすい。
[S] ≫ Km の酵素: ほぼ飽和で v_生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内） ≈ Vmax → 律速になりにくい（ただし飽和かつ最小Vmaxなら律速）。
律速酵素rate-limiting enzyme律速酵素（rate-limiting enzyme）rate-limiting enzyme（律速酵素）は一般に、平衡から遠い（Q=[P]/[S]≪1、ΔG≪0）不可逆反応を触媒し、調節（アロステリックallostericアロステリック（allosteric）allosteric（アロステリック）・共有結合修飾covalent modification共有結合修飾（covalent modification）covalent modification（共有結合修飾））を受ける。

💡 律速酵素rate-limiting enzyme律速酵素（rate-limiting enzyme）rate-limiting enzyme（律速酵素）は「経路のボトルネック」であり調節点。 ここを阻害/活性化すると経路全体のフラックスが大きく変わる（大きなフラックス制御係数flux control coefficientフラックス制御係数（flux control coefficient）flux control coefficient（フラックス制御係数））。だから薬の標的やホルモン調節の対象になる。

まとめ

定常状態では各段のフラックスが等しく、最も遅い段が全体のフラックスを決める。
各酵素の[S]生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）・Km・Vmaxから v生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）を計算し、最小の酵素を律速段階rate-limiting step律速段階（rate-limiting step）rate-limiting step（律速段階）と同定する。
比較はVmaxではなく生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）条件での実効速度v_in vivo実効速度（v_in vivo）v_in vivo（実効速度）で行う。
律速酵素rate-limiting enzyme律速酵素（rate-limiting enzyme）rate-limiting enzyme（律速酵素）は平衡から遠い不可逆反応で、調節・創薬drug design創薬（drug design）drug design（創薬）の標的になる。