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[[File:Glucosidase enzyme.png|thumb|400px|酵素[[glucosidase/ja|グルコシダーゼ]]は糖[[maltose/ja|マルトース]]を2つの[[glucose/ja|グルコース]]に変換する。赤が[[Active site/ja|活性部位]]残基、黒がマルトース基質、[[Nicotinamide adenine dinucleotide/ja|NAD]]残基である。黄色は[[Cofactor (biochemistry)/ja|補因子]]。({{PDB|1OBB}})|alt=マルトース糖基質の2つのグルコース生成物への切断を示す矢印が付いたグリコシダーゼのリボン図。]]
{{Biochemistry sidebar/ja}}
'''酵素''' ({{IPAc-en|ˈ|ɛ|n|z|aɪ|m|z}}) は、[[chemical reactions/ja|化学反応]]を促進することによって生物学的[[catalyst/ja|触媒]]として働く[[protein/ja|タンパク質]]である。 
酵素が作用する[[molecules/ja|分子]]は[[substrate (chemistry)/ja|基質]]と呼ばれ、酵素は基質を[[product (chemistry)/ja|生成物]]として知られる異なる分子に変換する。[[cell (biology)/ja|細胞]]内のほとんどすべての[[metabolism/ja|代謝過程]]は、生命を維持するのに十分な速さで起こるために[[enzyme catalysis/ja|酵素触媒]]を必要とする。
[[Metabolic pathway/ja|代謝経路]]は、個々のステップを触媒する酵素に依存している。酵素の研究は''酵素学''と呼ばれ、[[pseudoenzyme/ja|擬似酵素分析]]の分野では、進化の過程で一部の酵素が生物学的触媒作用を遂行する能力を失っていることを認識している。このことはしばしば[[amino acid/ja|アミノ酸]]配列や特異な「擬触媒」特性に反映されている。

酵素は5,000種類以上の生化学反応を触媒することが知られている。他の生体触媒は[[Ribozyme/ja|触媒RNA分子]]で、[[ribozymes/ja|リボザイム]]と呼ばれる。酵素の[[Chemical specificity/ja|特異性]]は、そのユニークな[[tertiary structure/ja|立体構造]]に由来する。

[[File:IUPAC definition for enzymes.png|thumb|right|550px|link=https://doi.org/10.1351/goldbook.E02159|IUPACによる酵素の定義]]

すべての触媒と同様に、酵素はその[[activation energy/ja|活性化エネルギー]]を下げることによって[[reaction rate/ja|反応速度]]を増加させる。一部の酵素は、基質から生成物への変換を何百万倍も速くすることができる。極端な例としては、[[orotidine 5'-phosphate decarboxylase/ja|オロチジン5'-リン酸脱炭酸酵素]]があり、この酵素を用いると、通常なら数百万年かかる反応が数ミリ秒で起こるようになる。化学的には、酵素は他の触媒と同様であり、化学反応で消費されることはなく、反応の[[Chemical equilibrium/ja|平衡]]を変化させることもない。酵素は他のほとんどの触媒と異なり、はるかに特異的である。酵素活性は他の分子によって影響を受けることがある： [[Enzyme inhibitor|阻害剤]]は酵素活性を減少させる分子であり、[[enzyme activator/ja|活性化剤]]は活性を増加させる分子である。多くの治療[[drug/ja|薬物]]や[[poison/ja|毒物]]は酵素阻害剤である。酵素の活性は最適な[[:en:temperature|温度]]と[[pH/ja|pH]]以外では著しく低下し、多くの酵素は過剰な熱にさらされると（永久的に）[[Denaturation (biochemistry)/ja|変性]]し、その構造と触媒特性を失う。

酵素の中には、例えば[[antibiotic/ja|抗生物質]]の合成など、商業的に利用されているものもある。[[Detergent enzyme/ja|生物学的洗濯粉]]に含まれる酵素は衣服についたタンパク質やデンプン、[[fat/ja|脂肪]]の汚れを分解し、[[papain/ja|肉軟化剤]]に含まれる酵素はタンパク質をより小さな分子に分解して肉を噛み砕きやすくする。
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== 語源と歴史 ==
{{Anchor|Etymology and history}}
[[Image:Eduardbuchner.jpg|alt=Photograph of Eduard Buchner.|thumb|left|Eduard Buchner]]

17世紀後半から18世紀初頭までに、胃分泌物による[[meat/ja|肉]]の消化と、植物抽出物と[[saliva/ja|唾液]]による[[starch/ja|デンプン]]の[[sugar/ja|糖]]への変換は知られていたが、これらが起こるメカニズムは特定されていなかった。

フランスの化学者[[:en:Anselme Payen|Anselme Payen]]は1833年に初めて酵素である[[diastase/ja|ジアスターゼ]]を発見した。その数十年後、[[yeast/ja|酵母]]による糖の[[ethanol/ja|アルコール]]への[[fermentation (food)/ja|発酵]]を研究していた[[:en:Louis Pasteur|ルイ・パスツール]]は、この発酵は「発酵物」と呼ばれる酵母細胞内に含まれる[[vital force/ja|生命力]]によって引き起こされると結論づけた。彼は「アルコール発酵は酵母細胞の生命と組織に関連した行為であり、細胞の死や腐敗に関連した行為ではない」と書いた。

1877年、ドイツの生理学者[[:en:Wilhelm Kühne|Wilhelm Kühne]]（1837-1900）が初めて''[[wiktionary:enzyme|酵素]]''という用語を使用し、{{ety|grc|''[[wikt:ένζυμο|ἔνζυμον]]'' (énzymon)|[[Bread/ja#Leavening|イーストで捏ねる]]}}このプロセスを説明した。

1897年に[[:en:Eduard Buchner|エドゥアルド・ブフナー]]が酵母エキスの研究に関する最初の論文を提出した。彼は[[:en:Humboldt University of Berlin|ベルリン大学]]での一連の実験において、混合物中に生きた酵母細胞が存在しなくても、酵母エキスによって砂糖が発酵することを発見した。彼はショ糖の発酵をもたらす酵素を「[[zymase/ja|ザイマーゼ]]」と名付けた。1907年、彼は「無細胞発酵の発見」により[[:en:Nobel Prize in Chemistry|ノーベル化学賞]]を受賞した。ブフナーの例に倣い、酵素は通常、それらが行う反応に従って命名される。接尾辞''[[-ase/ja|-ase]]''は[[substrate (biochemistry)/ja|基質]]の名前と組み合わされる（例えば、[[lactase/ja|ラクターゼ]]は[[lactose/ja|乳糖]]を切断する酵素である）、あるいは反応の種類に組み合わされる（例えば、[[DNA polymerase/ja|DNAポリメラーゼ]]はDNAポリマーを形成する）。

酵素の生化学的な正体は、1900年代初頭にはまだ不明であった。多くの科学者は酵素活性がタンパク質と関連していることを観察していたが、他の科学者（ノーベル賞受賞者の[[:en:Richard Willstätter|リチャード・ウィルシュテッター]]など）は、タンパク質は真の酵素の単なるキャリアであり、タンパク質''それ自体''は触媒作用ができないと主張していた。1926年、[[:en:James B. Sumner|ジェームズ・B・サムナー]]は[[urease/ja|ウレアーゼ]]という酵素が純粋なタンパク質であることを示し、それを結晶化させた。1937年には[[catalase/ja|カタラーゼ]]という酵素も同様に結晶化させた。純粋なタンパク質が酵素になりうるという結論は、消化酵素[[pepsin/ja|ペプシン]]（1930年）、[[trypsin/ja|トリプシン]]、[[chymotrypsin/ja|キモトリプシン]]の研究を行った[[:en:John Howard Northrop|ジョン・ハワード・ノースロップ]]と[[:en:Wendell Meredith Stanley|ウェンデル・メレディス・スタンリー]]によって決定的に示された。これら3人の科学者は1946年にノーベル化学賞を受賞した。

酵素が結晶化できることが発見されると、最終的には[[x-ray crystallography/ja|X線結晶構造解析]]によってその構造を解明することができるようになった。これが最初に行われたのは[[lysozyme/ja|リゾチーム]]で、涙や唾液、[[egg white/ja|卵白]]に含まれ、いくつかのバクテリアの被膜を消化する酵素である。その構造は[[:en:David Chilton Phillips|デイヴィッド・チルトン・フィリップス]]が率いるグループによって解明され、1965年に発表された。このリゾチームの高分解能構造は、[[structural biology/ja|構造生物学]]の分野の始まりであり、酵素がどのように働くのかを原子レベルの詳細さで理解しようとする努力の始まりであった。

== 分類と命名法 ==
{{Anchor|Classification and nomenclature}}
酵素は主に2つの基準で分類することができる：[[Protein primary structure/ja|アミノ酸配列]]の類似性（したがって進化的関係）と酵素活性である。

'''酵素活性'''。酵素の名前は多くの場合、その基質または触媒する化学反応に由来し、語尾に''-ase''が付く。例えば、[[lactase/ja|ラクターゼ]]、[[alcohol dehydrogenase/ja|アルコールデヒドロゲナーゼ]]、[[DNA polymerase/ja|DNAポリメラーゼ]]などである。同じ化学反応を触媒する異なる酵素は[[isozyme/ja|アイソザイム]]と呼ばれる。

[[:en:International Union of Biochemistry and Molecular Biology|国際生化学分子生物学連合]]は、酵素の[[:en:nomenclature|命名法]]である[[Enzyme Commission number/ja|EC番号（「酵素委員会」の意）]]を開発した。
各酵素は "EC "の後に、酵素活性の階層（非常に一般的なものから非常に特異的なものまで）を表す4つの番号のシーケンスで記述される。つまり、最初の数字はそのメカニズムに基づいて酵素を大まかに分類し、他の数字はより特異性を高めていく。

トップレベルの分類は以下の通りである：
*EC 1の[[Oxidoreductase/ja|酸化還元酵素]]：[[oxidation/ja|酸化]]/還元反応を触媒する。
*EC 2, [[Transferase/ja|転移酵素]]：[[functional group/ja|官能基]]（メチル基やリン酸基など）を転移する。
*EC 3, [[Hydrolase/ja|ヒドロラーゼ]]：様々な結合の[[hydrolysis/ja|加水分解]]を触媒する
*EC 4, [[lyase/ja|リアーゼ]]：加水分解と酸化以外の方法で様々な結合を切断する
*EC 5, [[Isomerase/ja|イソメラーゼ]]：1分子内の[[isomer/ja|異性体]]化変化を触媒する
*EC 6, [[Ligase/ja|リガーゼ]]：2つの分子を[[covalent bond/ja|共有結合]]で結合させる。
*EC 7, [[Translocase/ja|トランスロカーゼ]]：膜を介したイオンや分子の移動、または膜内での分離を触媒する。

これらのセクションは、基質、生成物、[[chemical mechanism/ja|化学機構]]などの他の特徴によって細分化される。酵素は4つの数値で完全に指定される。例えば、[[hexokinase/ja|ヘキソキナーゼ]]（EC 2.7.1.1）は、アルコール基（EC 2.7.1）を含む分子であるヘキソース糖にリン酸基（EC 2.7）を付加する転移酵素（EC 2）である。

'''配列類似性'''。ECカテゴリーは配列の類似性を反映'''しない'''。例えば、全く同じ反応を触媒する同じEC番号の2つのリガーゼが、全く異なる配列を持つことがある。酵素はその機能とは無関係に、他のタンパク質と同様に、配列の類似性によって数多くのファミリーに分類されている。これらのファミリーは、[[Pfam/ja|Pfam]]のような何十種類ものタンパク質やタンパク質ファミリーのデータベースに記録されている。

'''非相同同機能酵素'''。同じ酵素活性を持つ非相同酵素は''非相同同機能酵素''と呼ばれている。遺伝子の[[Horizontal gene transfer/ja|水平転移]]によって、これらの遺伝子が無関係な生物種、特に細菌に広がり、同じ機能を持つ内在性遺伝子と置き換わる可能性がある。

== 構造 ==
{{Anchor|Structure}}
[[File:Q10 graph c.svg|thumb|400px|酵素活性は、最初は温度とともに増加する（[[Q10 (temperature coefficient)/ja|Q10係数]]）が、酵素の構造がアンフォールディング（[[denaturation (biochemistry)/ja|変性]]）し、ある中間温度で最適な[[rate of reaction/ja|反応速度]]を示すようになる。|alt=反応速度が温度によって指数関数的に増加し、変性によって再び減少することを示すグラフ。]]

{{see also/ja|Protein structure/ja}}

酵素は一般に[[globular protein/ja|球状タンパク質]]であり、単独で、あるいはより大きな[[protein complex/ja|複合体]]の中で作用する。アミノ酸の配列が構造を決定し、それが酵素の触媒活性を決定する。構造は機能を決定するが、構造のみから新しい酵素活性を予測することはまだできない。酵素の構造は、加熱されたり化学的変性剤にさらされたりするとアンフォールディング（[[denaturation (biochemistry)/ja|変性]]）する。その結果、[[:ja:温泉|温泉]]のような火山性環境に生息するバクテリアの酵素は、高温で機能する能力を持つため、産業界で珍重され、酵素触媒反応を非常に高い速度で行うことができる。

酵素は通常、基質よりもはるかに大きい。その大きさは、[[4-Oxalocrotonate tautomerase/ja|4-オキサロクロトン酸トートメラーゼ]]の[[monomer/ja|単量体]]のわずか62アミノ酸残基から、動物の[[fatty acid synthase/ja|脂肪酸合成酵素]]の2,500残基以上まで様々である。これらの構造のうち、触媒反応に直接関与しているのはごく一部（2-4アミノ酸程度）である。この触媒部位は、1つ以上の[[binding site/ja|結合部位]]の隣に位置し、残基が基質を方向付ける。触媒部位と結合部位は一緒になって酵素の[[active site/ja|活性部位]]を構成する。酵素構造の残りの大部分は、活性部位の正確な方向と動態を維持する役割を果たしている。

酵素の中には、触媒反応に直接関与するアミノ酸を持たないものもある。その代わりに、酵素には触媒[[cofactor (biochemistry)/ja|補因子]]を結合・配向させる部位が存在する。酵素の構造には[[allosteric site/ja|アロステリック部位]]が含まれることもあり、そこでは低分子の結合によって[[conformational change/ja|立体構造変化]]が起こり、活性が増減する。

[[ribozyme/ja|リボザイム]]と呼ばれる[[Ribonucleic acid/ja|RNA]]ベースの生物学的触媒が少数存在し、これらも単独で、あるいはタンパク質と複合体となって作用する。これらの中で最も一般的なものは[[ribosome/ja|リボソーム]]であり、タンパク質と触媒RNA成分の複合体である。

== メカニズム ==
{{Anchor|Mechanism}}
[[File:Enzyme structure.svg|thumb|400px|[[protein structure/ja||酵素構造]]の整理と[[lysozyme/ja|リゾチーム]]の例。青が結合部位、赤が触媒部位、黒が[[peptidoglycan/ja|ペプチドグリカン]]基質である。({{PDB|9LYZ}})|alt=リゾチームは不透明な球状の表面として表示され、顕著な裂け目があり、そこに棒状の図として描かれた基質がぴったりとはまる]]

=== 基質結合 ===
酵素は化学反応を触媒する前に、基質と結合しなければならない。酵素は通常、結合する[[substrate (biochemistry)/ja|基質]]と触媒される化学反応に関して非常に特異的である。[[Chemical specificity/ja|特異性]]は、相補的な形状、電荷、[[hydrophilic/ja|親水性]]/[[hydrophobic/ja|疎水性]]特性を持つポケットを基質に結合させることで達成される。したがって酵素は、非常に類似した基質分子を[[chemoselectivity/ja|化学選択性]]、[[regioselectivity/ja|位置選択性]]、[[stereospecificity/ja|立体特異性]]に区別することができる。

最も高い特異性と正確性を示す酵素のいくつかは、[[genome/ja|ゲノム]]のコピーと[[Gene expression/ja|発現]]に関与している。これらの酵素の中には、「[[Proofreading (biology)/ja|プルーフリーディング]]」機構を持つものがある。ここでは、[[DNA polymerase/ja|DNAポリメラーゼ]]などの酵素が第一段階で反応を触媒し、第二段階で生成物が正しいかどうかをチェックする。この2段階のプロセスにより、高忠実度の哺乳類ポリメラーゼでは、平均エラー率は1億回の反応で1エラー以下となる。[[aminoacyl tRNA synthetase/ja|アミノアシルtRNA合成酵素]]と[[ribosome/ja|リボソーム]]がある。

逆に、[[enzyme promiscuity/ja|酵素の多様性]]を示す酵素もあり、広範な特異性を持ち、生理学的に適切な様々な基質に作用する。多くの酵素は、偶然に（すなわち[[Neutral evolution/ja|中立]]）生じた小さな副次的活性を有しており、それが新しい機能を進化的に選択する出発点となっている可能性がある。

[[File:Hexokinase induced fit.svg|alt=ヘキソキナーゼは、未結合の基質（上）と、結合した基質（下）を取り囲む、より閉じたクレフト（裂け目）を持つ、顕著に開いた結合クレフトを持つ不透明な表面として表示される。|thumb|400px|酵素は基質と結合すると誘導嵌合によって形を変え、酵素-基質複合体を形成する。[[Hexokinase/ja|ヘキソキナーゼ]]は基質である[[adenosine triphosphate/ja|アデノシン三リン酸]]と[[xylose/ja|キシロース]]の上で閉じる大きな誘導嵌合運動を持っている。青が結合部位、黒が基質、黄色が[[magnesium/ja||Mg<sup>2+</sup>]]補酵素である。({{PDB|2E2N}}, {{PDB2|2E2Q}})]]

==== "鍵と錠"モデル ====
1894年、酵素の特異性を説明するために、[[:en:Hermann Emil Fischer|Emil Fischer]]は、酵素と基質が互いにぴったりはまる特定の相補的な幾何学的形状を持っていると提唱した。これはしばしば「鍵と錠」モデルと呼ばれる。この初期のモデルでは、酵素の特異性は説明できるが、酵素が達成する遷移状態の安定化は説明できない。

==== 誘導適合モデル ====
1958年、[[:en:Daniel E. Koshland, Jr.|Daniel Koshland]]は"鍵と錠"モデルの修正を提案した：酵素はどちらかというと柔軟な構造であるため、活性部位は基質が酵素と相互作用する際に、基質との相互作用によって絶えず再形成される。その結果、基質は単純に硬い活性部位に結合するのではなく、活性部位を構成するアミノ酸[[Side chain/ja|側鎖]]は、酵素が触媒機能を発揮できるような正確な位置に成形される。[[glycosidases/ja|グリコシダーゼ]]などの場合、基質[[molecule/ja|分子]]も活性部位に入るとわずかに形を変える。活性部位は基質が完全に結合するまで変化し続け、その時点で最終的な形状と電荷分布が決定される。
誘導された適合は、[[conformational proofreading/ja|コンフォメーション校正]]機構を介して、競合やノイズの存在下での分子認識の忠実度を高める可能性がある。

=== 触媒作用 ===

{{See also/ja|Enzyme catalysis/ja|Transition state theory/ja}}

酵素はいくつかの方法で反応を促進することができるが、そのどれもが[[activation energy/ja|活性化エネルギー]]（ΔG<sup>‡</sup>、[[Gibbs free energy/ja|ギブス自由エネルギー]]）を低下させる。
# 遷移状態を安定化させる：
#* 遷移状態と相補的な電荷分布を持つ環境を作り、エネルギーを下げる。
# 代替反応経路を提供する：
#* 基質と一時的に反応して共有結合中間体を形成し、より低エネルギーの遷移状態を提供する。
# 基質の基底状態を不安定化する：
#* 結合した基質を遷移状態の形に変形させ、遷移状態に到達するのに必要なエネルギーを低下させる。
#* 基質を生産的な配置に配向させ、反応の[[entropy/ja|エントロピー]]変化を減少させる（この機構の触媒反応への寄与は比較的小さい）。
酵素はこれらの機構のいくつかを同時に用いることがある。例えば、[[trypsin/ja|トリプシン]]のような[[protease/ja|プロテアーゼ]]は、[[catalytic triad/ja|触媒三重鎖]]を用いて共有結合触媒反応を行い、[[oxyanion hole/ja|オキシアニオンホール]]を用いて遷移状態の電荷蓄積を安定化させ、配向した水基質を用いて[[hydrolysis/ja|加水分解]]を完了させる。

=== 動力学 ===

{{See also/ja|Protein dynamics/ja}}

つまり、個々のアミノ酸残基、[[turn (biochemistry)/ja|タンパク質ループ]]や[[protein secondary structure/ja|二次構造]]の単位を形成する残基のグループ、あるいは[[protein domain/ja|タンパク質ドメイン]]全体など、酵素の構造の一部の動きである。
これらの運動は、[[thermodynamic equilibrium/ja|平衡]]で互いに変換しあう、わずかに異なる構造の[[conformational ensemble/ja|コンフォーメーションアンサンブル]]を生み出す。このアンサンブル内の異なる状態は、酵素の機能の異なる側面に関連しているかもしれない。
 例えば、酵素[[dihydrofolate reductase/ja|ジヒドロ葉酸還元酵素]]の異なるコンフォーメーションは、触媒サイクルの基質結合、触媒反応、補酵素放出、生成物放出の各ステップと関連しており、[[catalytic resonance theory/ja|触媒共鳴理論]]と一致している。

=== 基質提示===
[[Substrate presentation/ja|基質提示]]とは、酵素が基質から離れて隔離されるプロセスのことである。酵素は核や細胞質内の基質から離れた細胞膜に隔離される。あるいは膜内では、酵素は脂質ラフトに隔離され、無秩序領域にある基質から遠ざかる。酵素が放出されると基質と混合する。あるいは、酵素を活性化するために、酵素を基質の近くに封じ込めることもできる。例えば、酵素は可溶性で、活性化すると細胞膜の脂質に結合し、細胞膜の分子に作用する。

=== アロステリック・モジュレーション ===
{{main/ja|Allosteric regulation/ja}}

アロステリック部位とは、活性部位とは異なる酵素上のポケットのことで、細胞環境中の分子と結合する。これらの分子は、酵素のコンフォメーションやダイナミクスの変化を引き起こし、それが活性部位に伝達され、酵素の反応速度に影響を与える。このようにして、アロステリック相互作用は酵素を阻害することも活性化することもできる。酵素の代謝経路の上流または下流の代謝産物とのアロステリック相互作用は[[フィードバック]]制御を引き起こし、経路の残りの部分を通る[[Flux (metabolism)/ja|フラックス]]に応じて酵素の活性を変化させる。

==補因子===
[[File:Transketolase + TPP.png|thumb|400px|alt=チアミンピロリン酸を不透明な球状表面として表示し、そこに基質と補酵素が共に棒状の図として描かれた結合空隙を持つ。|黄色が[[thiamine pyrophosphate/ja|チアミンピロリン酸]]の補酵素、黒が[[xylulose 5-phosphate/ja|キシルロース5リン酸]]の基質である。({{PDB|4KXV}})]]

{{main/ja|Cofactor (biochemistry)/ja}}

酵素の中には、完全な活性を示すために追加の成分を必要としないものもある。また、活性を示すために補酵素と呼ばれる非タンパク質分子が結合している必要があるものもある。補因子は[[inorganic/ja|無機]]性（例えば、金属[[ion/ja|イオン]]や[[iron-sulfur cluster/ja|鉄-硫黄クラスター]]など）、または[[organic compound/ja|有機化合物]]（例えば、[[flavin group/ja|フラビン]]や[[heme/ja|ヘム]]など）である。例えば、金属イオンは活性部位内の求核種を安定化させるのに役立つ。有機補酵素には、反応中に酵素の活性部位から放出される[[coenzyme/ja|補酵素]]と、酵素に強固に結合している[[prosthetic groups/ja|補欠基]]がある。有機補酵素基は共有結合することができる（例えば、[[pyruvate carboxylase/ja|ピルビン酸カルボキシラーゼ]]などの酵素では[[biotin/ja|ビオチン]]）。

補因子を含む酵素の例は[[carbonic anhydrase/ja|炭酸脱水酵素]]で、活性部位の一部として結合した亜鉛補酵素を用いる。これらの強固に結合したイオンや分子は通常活性部位に存在し、触媒反応に関与する。例えば、フラビンやヘムの補酵素はしばしば[[redox/ja|酸化還元]]反応に関与する。

補因子を必要とするが、補酵素が結合していない酵素は''アポ酵素''または''アポタンパク質''と呼ばれる。酵素と活性に必要な補酵素を合わせて''ホロ酵素''（またはハロ酵素）と呼ぶ。ホロ酵素''という用語は、[[DNA polymerase/ja|DNAポリメラーゼ]]のような複数のタンパク質サブユニットを含む酵素にも適用できる。ここでいうホロ酵素とは、活性に必要なすべてのサブユニットを含む完全な複合体のことである。

===補酵素===

補酵素は小さな有機分子で、酵素に緩く結合していることもあれば、きつく結合していることもある。補酵素は、ある酵素から別の酵素へ化学基を輸送する。例えば、[[Nicotinamide adenine dinucleotide/ja|NADH]]、[[Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate/ja|NADPH]]、[[adenosine triphosphate/ja|アデノシン三リン酸]]（ATP）などがある。[[flavin mononucleotide/ja|フラビンモノヌクレオチド]]（FMN）、[[flavin adenine dinucleotide/ja|フラビンアデニンジヌクレオチド]]（FAD）、[[thiamine pyrophosphate/ja|チアミンピロリン酸]]（TPP）、[[tetrahydrofolate/ja|テトラヒドロ葉酸]]（THF）など、いくつかの補酵素は[[vitamin/ja|ビタミン]]に由来する。これらの補酵素は体内で合成''[[:en:de novo synthesis|de novo]]''することができず、近縁の化合物（ビタミン）は食事から摂取しなければならない。運ばれる化学グループには以下のものがある： 
* [[nicotinamide adenine dinucleotide/ja|NADまたはNADP<sup>+</sup>]]によって運ばれる[[hydride/ja|ヒドリド]]イオン（H<sup>-</sup>） 
* [[adenosine triphosphate/ja|アデノシン三リン酸]]によって運ばれるリン酸基
* [[coenzyme A/ja|コエンザイムA]]によって運ばれるアセチル基
* [[folic acid/ja|葉酸]]によって運ばれるホルミル基、メテニル基、メチル基、および 
* [[S-adenosylmethionine/ja|S-アデノシルメチオニン]]によって運ばれるメチル基

補酵素は酵素の作用の結果として化学的に変化するため、補酵素を多くの異なる酵素に共通する特殊な基質、すなわち第二基質と考えることは有用である。例えば、約1000種類の酵素が補酵素NADHを使用することが知られている。

補酵素は通常継続的に再生され、その濃度は細胞内で定常レベルに維持される。例えば、NADPHは[[pentose phosphate pathway/ja|ペントースリン酸経路]]を通じて再生され、''S''-アデノシルメチオニンは[[methionine adenosyltransferase/ja|メチオニンアデノシルトランスフェラーゼ]]によって再生される。この継続的な再生は、少量の補酵素が非常に集中的に使用されることを意味する。例えば、人体は毎日自分の体重分のATPを消費している。

==熱力学==
{{Anchor|Thermodynamics}}
[[File:Enzyme catalysis energy levels 2.svg|thumb|400px|alt=触媒反応と無触媒反応の反応座標（x軸）とエネルギー（y軸）の2次元プロット。系のエネルギーは、反応物(x = 0)から遷移状態(x = 0.5)で最大になるまで着実に増加し、生成物(x = 1)まで着実に減少する。しかし、酵素触媒反応では、結合によって酵素-基質複合体（エネルギーはわずかに減少）が生成し、その後、無触媒反応よりも最大値が小さい遷移状態まで増加する。|[[chemical reaction/ja|化学反応]]の各段階のエネルギー。非触媒反応（破線）では、基質が[[transition state/ja|遷移状態]]に到達するのに多くの[[activation energy/ja|活性化エネルギー]]を必要とし、その後、よりエネルギーの低い生成物に崩壊する。酵素触媒反応（実線）の場合、酵素は基質（ES）と結合し、遷移状態（ES<sup>‡</sup>）を安定化させ、生成物（EP）を生成するのに必要な活性化エネルギーを減少させ、最終的に放出される。]]

{{main/ja|Activation energy/ja|Thermodynamic equilibrium/ja|Chemical equilibrium/ja}}

すべての触媒と同様、酵素は反応の化学平衡の位置を変えることはない。酵素の存在下では、反応は酵素がない場合と同じ方向に進むが、より速く進むだけである。例えば、[[carbonic anhydrase/ja|炭酸脱水酵素]]は反応物の濃度に応じて、どちらの方向にも反応を触媒する：

{{NumBlk|:| <chem>CO2{} + H2O ->[\text{Carbonic anhydrase}] H2CO3</chem> ( [[Tissue (biology)/ja|組織内]]; 高 CO<sub>2</sub> 濃度)|{{EquationRef|1}}}}

{{NumBlk|:| <chem>CO2{} + H2O <-[\text{Carbonic anhydrase}] H2CO3</chem> ( [[lung/ja|肺]]内; 低 CO<sub>2</sub> 濃度)|{{EquationRef|2}}}}

反応の速度は、[[transition state/ja|遷移状態]]を形成するのに必要な[[activation energy/ja|活性化エネルギー]]に依存し、それが崩壊して生成物になる。酵素は遷移状態のエネルギーを下げることで反応速度を上げる。まず、結合によってエネルギーの低い酵素-基質複合体（ES）が形成される。次に、酵素は遷移状態を安定化させ、触媒されない反応（ES<sup>‡</sup>）と比較して、遷移状態を達成するのに必要なエネルギーが小さくなる。最後に、酵素-生成物複合体（EP）が解離して生成物を放出する。

酵素は2つ以上の反応をカップリングさせることができ、熱力学的に有利な反応を、熱力学的に不利な反応を「駆動」するために使用することができる。例えば、[[Adenosine triphosphate/ja|ATP]]の加水分解は、しばしば他の化学反応の駆動に使われる。

==動力学==
{{Anchor|Kinetics}}

 {{multiple image
 | direction = vertical
 | width = 325
 | footer =

 | image1 = Enzyme mechanism 2.svg
 | alt1 = 無触媒反応（基質→生成物）と触媒反応（酵素＋基質→酵素／基質複合体→酵素＋生成物）の模式反応図。
 | caption1 = [[enzyme catalysis/ja|酵素触媒作用]]の有無にかかわらず、化学反応機構をいう。酵素（E）は[[substrate (chemistry)/ja|基質]]（S）と結合して[[product (chemistry)/ja|生成物]]（P）を生成する。

 | image2 = Michaelis Menten curve 2.svg
 | alt2 = 基質濃度（x軸）対反応速度（y軸）の2次元プロット。曲線の形状は双曲線である。反応速度は基質濃度がゼロのときにゼロとなり、基質濃度が高いときに漸近的に最大となる。
 | caption2 = 酵素反応の[[:en:Michaelis–Menten kinetics|飽和曲線]]は基質濃度と反応速度の関係を示す。
 }}

{{main/ja|Enzyme kinetics/ja}}

<div class="mw-translate-fuzzy">
酵素動力学とは、酵素がどのように基質と結合し、それを生成物に変えるかを調べることである。速度論的解析に用いられる速度データは、一般に[[:en:enzyme assay|酵素アッセイ]]から得られる。1913年に[[:en:Leonor Michaelis|レオノール・ミヒャエリス]]と[[:en:[Maud Leonora Menten|モード・レオノーラ・メンテン]]は酵素速度論の定量的理論を提唱し、これは[[:en:Michaelis–Menten kinetics|ミヒャエリス・メンテン速度論]]と呼ばれる。ミカエリスとメンテンの主要な貢献は、酵素反応を2段階で考えることであった。まず、基質が酵素に可逆的に結合し、酵素-基質複合体が形成される。これをミカエリスとメンテンにちなんでミカエリス-メンテン複合体と呼ぶこともある。その後、酵素は反応の化学段階を触媒し、生成物を放出する。この研究は[[:en:George Edward Briggs|G.&nbsp;E.ブリッグス]]と[[J.&nbsp;B.&nbsp;S.ハルデン]]によってさらに発展し、今日でも広く使われている運動方程式を導いた。
</div>

酵素の速度は[[Solution (chemistry)/ja|溶液]]条件と基質[[concentration/ja|濃度]]に依存する。酵素反応の最大速度を求めるには、生成物の生成速度が一定になるまで基質濃度を上げる。これは右の飽和曲線に示されている。飽和が起こるのは、基質濃度が高くなるにつれて、遊離酵素が基質結合型ES複合体に変換される量が増えていくからである。酵素の最大反応速度（''V''<sub>max</sub>）では、すべての酵素活性部位が基質と結合しており、ES複合体の量は酵素の総量と同じである。

''V''<sub>max</sub>はいくつかある重要な動力学パラメータのひとつに過ぎない。与えられた反応速度を達成するのに必要な基質の量も重要である。これは[[:en:Michaelis–Menten constant|ミカエリス-メンテン定数]]（''K''<sub>m</sub>）で与えられ、酵素が最大反応速度の2分の1に達するのに必要な基質濃度である。一般に、各酵素は与えられた基質に対して特徴的な''K''<sub>M</sub>を持つ。もう一つの有用な定数は''k''<sub>cat</sub>で、''ターンオーバー数''とも呼ばれ、1秒間に1つの活性部位で処理される基質分子の数である。

酵素の効率は''k''<sub>cat</sub>/''K''<sub>m</sub>で表すことができる。これは特異性定数とも呼ばれ、最初の不可逆的なステップまでの反応の全ステップの[[:en:rate constant|速度定数]]を含んでいる。特異性定数は親和性と触媒能力の両方を反映するので、異なる酵素同士、あるいは同じ酵素と異なる基質を比較するのに有用である。特異度定数の理論的最大値は拡散限界と呼ばれ、約10<sup>8</sup>から10<sup>9</sup>（M<sup>-1</sup> s<sup>-1</sup>）である。この時点では、酵素と基質が衝突するたびに触媒作用が起こり、生成物の生成速度は反応速度ではなく、拡散速度によって制限される。この性質を持つ酵素は、''[[catalytically perfect enzyme/ja|触媒的に完璧]]''または'''動力学的に完全な'''と呼ばれる。このような酵素の例としては、[[triosephosphateisomerase/ja|トリオースリン酸イソメラーゼ]]、[[carbonic anhydrase/ja|炭酸脱水酵素]]、[[acetylcholinesterase/ja|アセチルコリンエステラーゼ]]、[[catalase/ja|カタラーゼ]]、[[fumarase/ja|フマラーゼ]]、[[β-lactamase/ja|β-ラクタマーゼ]]、[[superoxide dismutase/ja|スーパーオキシドジスムターゼ]]などが挙げられる。このような酵素の回転数は、1秒間に数百万反応に達することもある。<math>k_{rm cat}/K_{rm m}</math>と<math>k_{rm cat}</math>の平均値はそれぞれ<math> 10^5 {rm s}^{-1}{rm M}^{-1}</math>と<math> 10 {rm s}^{-1}</math> 程度である。

ミカエリス・メンテン動力学は、自由な[[:en:diffusion|拡散]]と熱力学的に駆動されるランダムな衝突という仮定から導かれる[[:en:law of mass action|質量作用の法則]]に依存している。多くの生化学プロセスや細胞内プロセスは、[[macromolecular crowding/ja|高分子の混雑]]や制約された分子運動のために、これらの条件から大きく逸脱している。最近の複雑なモデルの拡張は、これらの効果を補正しようとするものである。

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
==Inhibition==
</div>

 <div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
{{multiple image
 | direction = vertical
 | width = 400
 | footer =
</div>

 <div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
| image1 = DHFR methotrexate inhibitor.svg
 | alt1 =
</div>

 <div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
| image2 = Methotrexate vs folate 2.svg
 | alt2 = Two dimensional representations of the chemical structure of folic acid and methotrexate highlighting the differences between these two substances (amidation of pyrimidone and methylation of secondary amine).
 | caption2 = The coenzyme [[folic acid]] (left) and the anti-cancer drug [[methotrexate]] (right) are very similar in structure (differences show in green). As a result, methotrexate is a competitive inhibitor of many enzymes that use folates.
 }}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
{{main|Enzyme inhibitor}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Enzyme reaction rates can be decreased by various types of enzyme inhibitors.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Types of inhibition===
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Competitive====
A [[competitive inhibitor]] and substrate cannot bind to the enzyme at the same time. Often competitive inhibitors strongly resemble the real substrate of the enzyme. For example, the drug [[methotrexate]] is a competitive inhibitor of the enzyme [[dihydrofolate reductase]], which catalyzes the reduction of [[folic acid|dihydrofolate]] to tetrahydrofolate. The similarity between the structures of dihydrofolate and this drug are shown in the accompanying figure. This type of inhibition can be overcome with high substrate concentration. In some cases, the inhibitor can bind to a site other than the binding-site of the usual substrate and exert an [[#Allosteric modulation|allosteric effect]] to change the shape of the usual binding-site.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Non-competitive====
A [[non-competitive inhibition|non-competitive inhibitor]] binds to a site other than where the substrate binds. The substrate still binds with its usual affinity and hence K<sub>m</sub> remains the same. However the inhibitor reduces the catalytic efficiency of the enzyme so that V<sub>max</sub> is reduced. In contrast to competitive inhibition, non-competitive inhibition cannot be overcome with high substrate concentration.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Uncompetitive====
An [[uncompetitive inhibitor]] cannot bind to the free enzyme, only to the enzyme-substrate complex; hence, these types of inhibitors are most effective at high substrate concentration. In the presence of the inhibitor, the enzyme-substrate complex is inactive. This type of inhibition is rare.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Mixed====
A [[mixed inhibition|mixed inhibitor]] binds to an allosteric site and the binding of the substrate and the inhibitor affect each other. The enzyme's function is reduced but not eliminated when bound to the inhibitor. This type of inhibitor does not follow the Michaelis–Menten equation.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Irreversible====
An [[irreversible inhibitor]] permanently inactivates the enzyme, usually by forming a [[covalent bond]] to the protein. [[Penicillin]] and [[aspirin]] are common drugs that act in this manner.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Functions of inhibitors===
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
In many organisms, inhibitors may act as part of a [[feedback]] mechanism. If an enzyme produces too much of one substance in the organism, that substance may act as an inhibitor for the enzyme at the beginning of the pathway that produces it, causing production of the substance to slow down or stop when there is sufficient amount. This is a form of [[negative feedback]]. Major metabolic pathways such as the [[citric acid cycle]] make use of this mechanism.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Since inhibitors modulate the function of enzymes they are often used as drugs. Many such drugs are reversible competitive inhibitors that resemble the enzyme's native substrate, similar to [[methotrexate]] above; other well-known examples include [[statin]]s used to treat high [[cholesterol]], and [[protease inhibitors]] used to treat [[retroviral]] infections such as [[HIV]]. A common example of an irreversible inhibitor that is used as a drug is [[aspirin]], which inhibits the [[Cyclooxygenase|COX-1]] and [[Cyclooxygenase|COX-2]] enzymes that produce the [[inflammation]] messenger [[prostaglandin]]. Other enzyme inhibitors are poisons. For example, the poison [[cyanide]] is an irreversible enzyme inhibitor that combines with the copper and iron in the active site of the enzyme [[cytochrome c oxidase]] and blocks [[cellular respiration]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== Factors affecting enzyme activity ==
As enzymes are made up of proteins, their actions are sensitive to change in many physio chemical factors such as pH, temperature, substrate concentration, etc.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The following table shows pH optima for various enzymes.
{| class="wikitable sortable"
|+
!Enzyme
!Optimum pH
!pH description
|-
|Pepsin
|1.5–1.6
|Highly acidic
|-
|Invertase
|4.5
|Acidic
|-
|Lipase (stomach)
|4.0–5.0
|Acidic
|-
|Lipase (castor oil)
|4.7
|Acidic
|-
|Lipase (pancreas)
|8.0
|Alkaline
|-
|Amylase (malt)
|4.6–5.2
|Acidic
|-
|Amylase (pancreas)
|6.7–7.0
|Acidic-neutral
|-
|Cellobiase
|5.0
|Acidic
|-
|Maltase
|6.1–6.8
|Acidic
|-
|Sucrase
|6.2
|Acidic
|-
|Catalase
|7.0
|Neutral
|-
|Urease
|7.0
|Neutral
|-
|Cholinesterase
|7.0
|Neutral
|-
|Ribonuclease
|7.0–7.5
|Neutral
|-
|Fumarase
|7.8
|Alkaline
|-
|Trypsin
|7.8–8.7
|Alkaline
|-
|Adenosine triphosphate
|9.0
|Alkaline
|-
|Arginase
|10.0
|Highly alkaline
|}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== Biological function ==
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Enzymes serve a wide variety of [[function (biology)|functions]] inside living organisms. They are indispensable for [[signal transduction]] and cell regulation, often via [[kinase]]s and [[phosphatase]]s. They also generate movement, with [[myosin]] hydrolyzing [[adenosine triphosphate]] (ATP) to generate [[muscle contraction]], and also transport cargo around the cell as part of the [[cytoskeleton]]. Other [[ATPase]]s in the cell membrane are [[ion pump (biology)|ion pumps]] involved in [[active transport]]. Enzymes are also involved in more exotic functions, such as [[luciferase]] generating light in [[fireflies]]. [[Virus]]es can also contain enzymes for infecting cells, such as the [[HIV integrase]] and [[reverse transcriptase]], or for viral release from cells, like the [[influenza]] virus [[neuraminidase]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
An important function of enzymes is in the [[digestive systems]] of animals. Enzymes such as [[amylase]]s and [[protease]]s break down large molecules ([[starch]] or [[protein]]s, respectively) into smaller ones, so they can be absorbed by the intestines. Starch molecules, for example, are too large to be absorbed from the intestine, but enzymes hydrolyze the starch chains into smaller molecules such as [[maltose]] and eventually [[glucose]], which can then be absorbed. Different enzymes digest different food substances. In [[ruminant]]s, which have [[herbivorous]] diets, microorganisms in the gut produce another enzyme, [[cellulase]], to break down the cellulose cell walls of plant fiber.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
===Metabolism===
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
[[Image:Glycolysis metabolic pathway.svg|thumb|upright=2|alt=Schematic diagram of the glycolytic metabolic pathway starting with glucose and ending with pyruvate via several intermediate chemicals. Each step in the pathway is catalyzed by a unique enzyme.|The [[metabolic pathway]] of [[glycolysis]] releases energy by converting [[glucose]] to [[pyruvate]] via a series of intermediate metabolites. Each chemical modification (red box) is performed by a different enzyme.]]
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Several enzymes can work together in a specific order, creating [[metabolic pathway]]s. In a metabolic pathway, one enzyme takes the product of another enzyme as a substrate. After the catalytic reaction, the product is then passed on to another enzyme. Sometimes more than one enzyme can catalyze the same reaction in parallel; this can allow more complex regulation: with, for example, a low constant activity provided by one enzyme but an inducible high activity from a second enzyme.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Enzymes determine what steps occur in these pathways. Without enzymes, metabolism would neither progress through the same steps and could not be regulated to serve the needs of the cell. Most central metabolic pathways are regulated at a few key steps, typically through enzymes whose activity involves the hydrolysis of ATP. Because this reaction releases so much energy, other reactions that are [[endothermic|thermodynamically unfavorable]] can be coupled to ATP hydrolysis, driving the overall series of linked metabolic reactions.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== Control of activity ===
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
There are five main ways that enzyme activity is controlled in the cell.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Regulation====
Enzymes can be either [[enzyme activator|activated]] or [[enzyme inhibitor|inhibited]] by other molecules. For example, the end product(s) of a metabolic pathway are often inhibitors for one of the first enzymes of the pathway (usually the first irreversible step, called committed step), thus regulating the amount of end product made by the pathways. Such a regulatory mechanism is called a [[negative feedback|negative feedback mechanism]], because the amount of the end product produced is regulated by its own concentration. Negative feedback mechanism can effectively adjust the rate of synthesis of intermediate metabolites according to the demands of the cells. This helps with effective allocations of materials and energy economy, and it prevents the excess manufacture of end products. Like other [[homeostasis|homeostatic devices]], the control of enzymatic action helps to maintain a stable internal environment in living organisms.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Post-translational modification====
Examples of [[post-translational modification]] include [[phosphorylation]], [[myristoylation]] and [[glycosylation]]. For example, in the response to [[insulin]], the [[phosphorylation]] of multiple enzymes, including [[glycogen synthase]], helps control the synthesis or degradation of [[glycogen]] and allows the cell to respond to changes in [[blood sugar]]. Another example of post-translational modification is the cleavage of the polypeptide chain. [[Chymotrypsin]], a digestive protease, is produced in inactive form as [[chymotrypsinogen]] in the [[pancreas]] and transported in this form to the [[stomach]] where it is activated. This stops the enzyme from digesting the pancreas or other tissues before it enters the gut. This type of inactive precursor to an enzyme is known as a [[zymogen]] or proenzyme.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Quantity====
Enzyme production ([[Transcription (genetics)|transcription]] and [[Translation (genetics)|translation]] of enzyme genes) can be enhanced or diminished by a cell in response to changes in the cell's environment. This form of [[regulation of gene expression|gene regulation]] is called [[enzyme induction]]. For example, bacteria may become [[antibiotic resistance|resistant to antibiotics]] such as [[penicillin]] because enzymes called [[beta-lactamase]]s are induced that hydrolyse the crucial [[Beta-lactam|beta-lactam ring]] within the penicillin molecule. Another example comes from enzymes in the [[liver]] called [[cytochrome P450 oxidase]]s, which are important in [[drug metabolism]]. Induction or inhibition of these enzymes can cause [[drug interaction]]s. Enzyme levels can also be regulated by changing the rate of enzyme [[catabolism|degradation]]. The opposite of enzyme induction is [[enzyme repression]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Subcellular distribution====
Enzymes can be compartmentalized, with different metabolic pathways occurring in different [[cellular compartment]]s. For example, [[fatty acid]]s are synthesized by one set of enzymes in the [[cytosol]], [[endoplasmic reticulum]] and [[golgi apparatus|Golgi]] and used by a different set of enzymes as a source of energy in the [[mitochondrion]], through [[β-oxidation]]. In addition, [[protein targeting|trafficking]] of the enzyme to different compartments may change the degree of [[protonation]] (e.g., the neutral [[cytoplasm]] and the acidic [[lysosome]]) or oxidative state (e.g., oxidizing [[periplasm]] or reducing [[cytoplasm]]) which in turn affects enzyme activity. In contrast to partitioning into membrane bound organelles, enzyme subcellular localisation may also be altered through polymerisation of enzymes into macromolecular cytoplasmic filaments.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
====Organ specialization====
In [[multicellular]] [[eukaryote]]s, cells in different [[organ (anatomy)|organs]] and [[tissue (biology)|tissues]] have different patterns of [[gene expression]] and therefore have different sets of enzymes (known as [[isozyme]]s) available for metabolic reactions. This provides a mechanism for regulating the overall metabolism of the organism. For example, [[hexokinase]], the first enzyme in the [[glycolysis]] pathway, has a specialized form called [[glucokinase]] expressed in the liver and [[pancreas]] that has a lower [[affinity (pharmacology)|affinity]] for glucose yet is more sensitive to glucose concentration. This enzyme is involved in sensing [[blood sugar]] and regulating insulin production.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== Involvement in disease ===
[[File:Phenylalanine hydroxylase mutations.svg|thumb|upright=2|alt= Ribbon diagram of phenylalanine hydroxylase with bound cofactor, coenzyme and substrate|In [[phenylalanine hydroxylase]] over 300 different mutations throughout the structure cause [[phenylketonuria]]. [[Phenylalanine]] substrate and [[tetrahydrobiopterin]] coenzyme in black, and [[Iron|Fe<sup>2+</sup>]] cofactor in yellow. ({{PDB|1KW0}})]]
[[File:Autosomal recessive inheritance for affected enzyme.png|thumb|upright=1.4|Hereditary defects in enzymes are generally inherited in an [[autosomal inheritance|autosomal]] fashion because there are more non-X chromosomes than X-chromosomes, and a [[recessive inheritance|recessive]] fashion because the enzymes from the unaffected genes are generally sufficient to prevent symptoms in carriers.]]
{{see also|Genetic disorder}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Since the tight control of enzyme activity is essential for [[homeostasis]], any malfunction (mutation, overproduction, underproduction or deletion) of a single critical enzyme can lead to a genetic disease. The malfunction of just one type of enzyme out of the thousands of types present in the human body can be fatal. An example of a fatal genetic disease due to enzyme insufficiency is [[Tay–Sachs disease]], in which patients lack the enzyme [[hexosaminidase]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
One example of enzyme deficiency is the most common type of [[phenylketonuria]]. Many different single amino acid mutations in the enzyme [[phenylalanine hydroxylase]], which catalyzes the first step in the degradation of [[phenylalanine]], result in build-up of phenylalanine and related products. Some mutations are in the active site, directly disrupting binding and catalysis, but many are far from the active site and reduce activity by destabilising the protein structure, or affecting correct oligomerisation. This can lead to [[intellectual disability]] if the disease is untreated.
Oral administration of enzymes can be used to treat some functional enzyme deficiencies, such as [[pancreatic insufficiency]] and [[lactose intolerance]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Another way enzyme malfunctions can cause disease comes from [[germline mutation]]s in genes coding for [[DNA repair]] enzymes. Defects in these enzymes cause cancer because cells are less able to repair mutations in their [[genome]]s. This causes a slow accumulation of mutations and results in the [[carcinogenesis|development of cancers]]. An example of such a hereditary [[cancer syndrome]] is [[xeroderma pigmentosum]], which causes the development of [[skin cancer]]s in response to even minimal exposure to [[ultraviolet light]].
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== Evolution ==
Similar to any other protein, enzymes change over time through [[mutation]]s and sequence divergence. Given their central role in [[metabolism]], enzyme evolution plays a critical role in [[adaptation]]. A key question is therefore whether and how enzymes can change their enzymatic activities alongside. It is generally accepted that many new enzyme activities have evolved through [[gene duplication]] and mutation of the duplicate copies although evolution can also happen without duplication. One example of an enzyme that has changed its activity is the ancestor of [[methionyl aminopeptidase]] (MAP) and creatine amidinohydrolase ([[creatinase]]) which are clearly homologous but catalyze very different reactions (MAP removes the amino-terminal [[methionine]] in new proteins while creatinase hydrolyses [[creatine]] to [[sarcosine]] and [[urea]]). In addition, MAP is metal-ion dependent while creatinase is not, hence this property was also lost over time. Small changes of enzymatic activity are extremely common among enzymes. In particular, substrate binding specificity (see above) can easily and quickly change with single amino acid changes in their substrate binding pockets. This is frequently seen in the main enzyme classes such as [[kinase]]s.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Artificial (in vitro) evolution is now commonly used to modify enzyme activity or specificity for industrial applications (see below).
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== Industrial applications ==
{{main|Industrial enzymes}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Enzymes are used in the [[chemical industry]] and other industrial applications when extremely specific catalysts are required. Enzymes in general are limited in the number of reactions they have evolved to catalyze and also by their lack of stability in [[organic solvent]]s and at high temperatures. As a consequence, [[protein engineering]] is an active area of research and involves attempts to create new enzymes with novel properties, either through rational design or ''in vitro'' evolution. These efforts have begun to be successful, and a few enzymes have now been designed "from scratch" to catalyze reactions that do not occur in nature.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
{| class="wikitable"
|- style="text-align:center;"
! style="width:24%; "|Application
! style="width:38%; "|Enzymes used
! style="width:38%; "|Uses
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"|'''[[Biofuel|Biofuel industry]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Cellulase]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|Break down cellulose into sugars that can be fermented to produce [[cellulosic ethanol]].
|- valign="top"
| [[Ligninase]]s
| Pretreatment of [[biomass]] for biofuel production.
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Biological detergent]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease]]s, [[amylase]]s, [[lipase]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|Remove protein, starch, and fat or oil stains from laundry and dishware.
|- valign="top"
| [[Mannanase]]s
| Remove food stains from the common food additive [[guar gum]].
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Brewing|Brewing industry]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase]], [[glucanase]]s, [[protease]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|Split polysaccharides and proteins in the [[malt]].
|- valign="top"
| [[Betaglucanase]]s
| Improve the [[wort]] and beer filtration characteristics.{{rp|545}}
|- valign="top"
| [[Amyloglucosidase]] and [[pullulanase]]s
| Make low-calorie [[beer]] and adjust fermentability.
|- valign="top"
| [[Acetolactate decarboxylase]] (ALDC)
| Increase fermentation efficiency by reducing [[diacetyl]] formation.
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Cooking|Culinary uses]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Papain]]
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Tenderizer|Tenderize]] meat for cooking.
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Dairy|Dairy industry]]'''
| style = "border-top:solid 3px #aaa;"|[[Chymosin|Rennin]]
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Hydrolyze]] protein in the manufacture of [[cheese]].
|- valign="top"
| [[Lipase]]s
| Produce [[Camembert cheese]] and [[blue cheese]]s such as [[Roquefort]].
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Food processing]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|Produce sugars from [[starch]], such as in making [[high-fructose corn syrup]].
|- valign="top"
| [[Protease]]s
| Lower the protein level of [[flour]], as in [[biscuit]]-making.
|- valign="top"
||[[Trypsin]]
|Manufacture [[hypoallergenic]] baby foods.
|- valign="top"
| [[Cellulase]]s, [[pectinase]]s
| Clarify [[fruit juice]]s.
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Molecular biology]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Nuclease]]s, [[DNA ligase]] and [[polymerase]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|Use [[restriction enzyme|restriction digestion]] and the [[polymerase chain reaction]] to create [[recombinant DNA]].
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Paper|Paper industry]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Xylanase]]s, [[hemicellulase]]s and [[lignin peroxidase]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|Remove [[lignin]] from [[kraft pulp]].
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Personal care]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|Remove proteins on [[contact lens]]es to prevent infections.
|- valign="top"
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="1"| '''[[Starch|Starch industry]]'''
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| [[Amylase]]s
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| Convert [[starch]] into [[glucose]] and various [[Inverted sugar syrup|syrups]].
|}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== See also ==
{{Portal|Biology|Food}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
* [[Industrial enzymes]]
* [[List of enzymes]]
* [[Molecular machine]]
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== Enzyme databases ===
* [[BRENDA]]
* [[ExPASy]]
* [[IntEnz]]
* [[KEGG]]
* [[MetaCyc]]
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== Further reading ==
{{Col-begin}}
{{Col-1-of-2}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
;General
* {{cite book | vauthors = Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L | title = Biochemistry | date = 2002 | publisher = W. H. Freeman | location = New York, NY | isbn = 0-7167-3051-0 | edition = 5th | url = https://archive.org/details/biochemistrychap00jere | url-access = registration }}, A biochemistry textbook available free online through NCBI Bookshelf.{{Open access}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
;Etymology and history
* {{cite book | title = New Beer in an Old Bottle: Eduard Buchner and the Growth of Biochemical Knowledge | url = http://bip.cnrs-mrs.fr/bip10/buchner.htm | veditors = Cornish-Bowden A | publisher = Universitat de València | year = 1997 | isbn = 84-370-3328-4 | access-date = 27 June 2006 | archive-date = 13 December 2010 | archive-url = https://web.archive.org/web/20101213084345/http://bip.cnrs-mrs.fr/bip10/buchner.htm | url-status = dead }}, A history of early enzymology.
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
{{Col-2-of-2}}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
;Enzyme structure and mechanism
* {{cite book | author = Suzuki H | title = How Enzymes Work: From Structure to Function | publisher = CRC Press | location = Boca Raton, FL | year = 2015 | isbn = 978-981-4463-92-8 }}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
;Kinetics and inhibition
* {{cite book | vauthors = Cornish-Bowden A | title = Fundamentals of Enzyme Kinetics | date = 2012 | publisher = Wiley-VCH | location = Weinheim | isbn = 978-3527330744 | edition = 4th }}
</div>

<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
{{Col-end}}
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{{二次利用|date=8 February 2024}}
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